難選煤泥浮選能量輸入試驗(yàn)研究

難選煤泥浮選能量輸入試驗(yàn)研究

煤炭分類是消除煤類有害和不必要的污染、降低碳排放和提高煤炭質(zhì)量的重要手段。它對(duì)減少大氣污染和節(jié)省能源的運(yùn)輸以及高碳能源和低碳利用發(fā)揮著重要作用。浮選是煤炭分選中處理細(xì)粒級(jí)煤泥的最有效分選方法之一,隨著機(jī)械化采煤程度的加大、煤田地質(zhì)條件的惡化和選煤作業(yè)過程中次生煤泥的產(chǎn)生,原煤中粒度小于0.5mm的顆粒含量增大并呈微細(xì)化發(fā)展,細(xì)粒煤分選的難度大大增加,浮選在選煤中的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越多。低碳經(jīng)濟(jì)、節(jié)能減排、產(chǎn)品質(zhì)量都對(duì)浮選提出了更高的要求,浮選設(shè)備向大型化、分選精細(xì)化發(fā)展,主要體現(xiàn)在單位能耗處理能力提升,粗粒和微細(xì)粒煤泥高效選擇性回收。所以,研究煤泥浮選過程中能量消耗規(guī)律對(duì)改善其分選過程設(shè)計(jì)中的能量輸配具有指導(dǎo)意義。影響煤泥浮選的主要因素有煤泥的可浮性、入浮煤泥性質(zhì)、藥劑制度、浮選工藝流程、浮選機(jī)性能和操作因素等。浮選能量的輸入對(duì)促進(jìn)微細(xì)粒顆粒與氣泡的碰撞和黏附有重要作用,程宏志等對(duì)此進(jìn)行了大量研究。Mohanty等認(rèn)為攪拌在浮選過程中起很大作用,合適的攪拌能促進(jìn)礦粒的懸浮以及礦粒和空氣的均勻分散,攪拌強(qiáng)度過低,礦粒無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效礦化,過強(qiáng)的攪拌會(huì)促進(jìn)氣泡兼并,增加礦粒從氣泡脫落的概率,影響精礦回收率和泡沫層的穩(wěn)定。楊福新根據(jù)功率準(zhǔn)數(shù)公式Np=K·Rex(其中,Np為功率準(zhǔn)數(shù);K和x均為系數(shù);Re為雷諾數(shù))得到了功率準(zhǔn)數(shù)與雷諾數(shù)的功率曲線。曾克文利用PDA對(duì)浮選槽內(nèi)的礦漿速度進(jìn)行測(cè)定,計(jì)算的混合區(qū)脈動(dòng)頻率較低,能夠傳遞較強(qiáng)的能量,分離區(qū)的脈動(dòng)頻率適于礦物顆粒的分離。Changunda等通過振蕩浮選機(jī)的能量輸入試驗(yàn)得出浮選速率常數(shù)與能量的輸入呈線性增長(zhǎng)關(guān)系。陳志希等利用扭矩傳感器對(duì)常用的推進(jìn)式、渦輪式、漿式、折槳式等攪拌器繪制了24條功率曲線,為同類攪拌器結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)和功率選擇提供了便利。鐘麗等用Fluent流體力學(xué)軟件對(duì)湍流區(qū)、過渡流區(qū)和層流區(qū)不同雷諾數(shù)的流場(chǎng)進(jìn)行了模擬。趙秋月等利用扭矩傳感器研究了管式攪拌反應(yīng)器的功率特性。在此,本文作者針對(duì)煤泥浮選過程中的能量消耗問題,提出用扭矩傳感器測(cè)量浮選機(jī)軸扭矩并轉(zhuǎn)換為浮選所消耗的能量,設(shè)計(jì)5次刮泡的浮選速度試驗(yàn),探索浮選過程中能量輸入與浮選指標(biāo)的關(guān)系。1試驗(yàn)材料和方法1.1煤樣漂浮試驗(yàn)試驗(yàn)煤樣取自唐山開灤礦區(qū)的浮選入料,煤種為肥煤,屬于難選煤泥。試驗(yàn)用捕收劑為煤油,起泡劑為仲辛醇,稀釋煤樣溶劑為蒸餾水。煤樣粒度分析結(jié)果如圖1所示。從圖1可以看出:該煤樣以細(xì)粒級(jí)為主,適于浮選的粒度為0.250~0.074mm的含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)為48.32%,粒度低于0.074mm的煤樣含量為38.45%,其中粒度低于0.045mm的煤樣含量為16.73%,灰分含量達(dá)到27.08%,極易導(dǎo)致高灰細(xì)泥對(duì)精煤產(chǎn)生污染。煤樣浮沉試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。從表1可見:中間密度級(jí)含量較高,如1.4~1.5g/cm3密度級(jí)產(chǎn)率為22.27%,灰分含量為16.02%,而1.5~1.6g/cm3密度級(jí)灰分含量達(dá)到24.50%,說明其可燃體與非可燃體之間可能是層狀結(jié)構(gòu)或者是均勻結(jié)構(gòu),有部分連生體礦物的存在,很難同時(shí)得到低灰精煤和高灰尾煤。1.2測(cè)試方法1.2.1測(cè)試系統(tǒng)組成建立浮選能量輸入測(cè)試系統(tǒng),試驗(yàn)設(shè)備包括浮選設(shè)備和功耗測(cè)試設(shè)備。浮選設(shè)備采用實(shí)驗(yàn)室型XFDⅢ0.75L充氣攪拌式浮選機(jī),由外部氣泵給氣;功耗測(cè)試系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理設(shè)備,采用攪拌測(cè)量?jī)x器即扭矩傳感器。扭矩傳感器采集完數(shù)據(jù)后,利用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理將扭矩轉(zhuǎn)換為浮選能量。本試驗(yàn)采用北京世通科創(chuàng)有限公司專業(yè)測(cè)量扭矩參數(shù)的TQ-662型傳感器,傳感器采用動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變法,將應(yīng)變片貼在轉(zhuǎn)軸上組成應(yīng)變電橋,接通電源就能夠獲得軸所受的扭矩。該扭矩經(jīng)壓/頻轉(zhuǎn)換成為頻率。使用2組聯(lián)軸器將扭矩傳感器連接在動(dòng)力源和負(fù)載之間。扭矩傳感器的安裝方法如圖2所示。1.2.2機(jī)械有效功率的測(cè)試在浮選過程的有用功主要集中在浮選機(jī)的攪拌軸上,在煤泥浮選過程中,攪拌軸轉(zhuǎn)動(dòng)所消耗的功率可通過扭矩傳感器測(cè)得的扭矩和從浮選機(jī)上測(cè)得的轉(zhuǎn)速計(jì)算后得到。式中:P為攪拌軸輸出的機(jī)械有效功率,W/h;M為攪拌軸的扭矩,N·m;N為浮選機(jī)的軸轉(zhuǎn)速(與主軸電機(jī)同步),r/min。首先測(cè)量浮選機(jī)空轉(zhuǎn)時(shí)(浮選槽內(nèi)沒有礦漿)的扭矩,結(jié)果如圖3所示。然后,向浮選機(jī)內(nèi)加入試驗(yàn)要求的礦漿,測(cè)量加入礦漿后的扭矩。利用式(1)計(jì)算各轉(zhuǎn)速下空轉(zhuǎn)和負(fù)載時(shí)的功率,用負(fù)載功率減去空轉(zhuǎn)功率即為各轉(zhuǎn)速下的有效功率。根據(jù)W=P×t計(jì)算浮選輸入的能量W(其中,W為功;P為有效功率;t為時(shí)間)。2浮選條件及流程對(duì)實(shí)驗(yàn)室型XFDⅢ0.75L充氣攪拌式浮選機(jī)由外部氣泵給氣。條件試驗(yàn)的試驗(yàn)步驟為:先向浮選機(jī)內(nèi)加入1/3容積的蒸餾水,接著加入煤樣,攪拌至完全潤(rùn)濕后,再加入清水至浮選刻度線。通過單因素條件試驗(yàn)確定最佳浮選操作條件:捕收劑煤油用量為320g/t,起泡劑仲辛醇用量為110g/t,浮選入料礦漿質(zhì)量濃度為90g/L,充氣量為0.37m3/(m2·min)。在浮選機(jī)軸轉(zhuǎn)速分別為1500,1800和2100r/min時(shí)進(jìn)行浮選試驗(yàn),考察浮選的能量消耗及產(chǎn)品特性。浮選速度試驗(yàn)流程如下:首先加入煤漿潤(rùn)濕、分散攪拌120s,與捕收劑接觸攪拌60s,與起泡劑接觸攪拌10s后開始刮泡。前2次刮泡時(shí)間均為30s,中間2次的刮泡時(shí)間各為60s,最后1次刮泡120s,得到J1,J2,J3,J4和J5這5種精煤產(chǎn)品以及尾煤共6種浮選產(chǎn)品,如圖4所示。3結(jié)果與討論3.1高轉(zhuǎn)速下精煤累積小煤及能量消耗分析為了研究浮選礦漿中不同可浮性顆粒對(duì)能量的需求,將浮選轉(zhuǎn)速分別設(shè)定為1500,1800和2400r/min進(jìn)行浮選速度試驗(yàn),并測(cè)量瞬時(shí)扭矩,轉(zhuǎn)化為瞬時(shí)功率,最后計(jì)算每個(gè)產(chǎn)品的累積輸入能量。表2所示為浮選時(shí)間與浮選指標(biāo)的關(guān)系。從表2可見:隨著浮選的進(jìn)行,精煤灰分含量越來(lái)越高,首先浮出的是低灰物料,最后浮出的是難浮的高灰物料;轉(zhuǎn)速為1800r/min時(shí)的精煤指標(biāo)更接近于2100r/min時(shí)的精煤指標(biāo);當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速增大時(shí),精煤浮出量增大,精煤灰分含量也提高;在低轉(zhuǎn)速下通過延長(zhǎng)浮選時(shí)間來(lái)保證回收率,在高轉(zhuǎn)速時(shí)更容易造成細(xì)泥夾帶。若以12%的精煤灰分含量為界,在轉(zhuǎn)速為1500r/min且累積刮泡時(shí)間為120s時(shí),累積精煤灰分含量為11.96%,可燃體回收率為54.91%;而在轉(zhuǎn)速為1800r/min、累積刮泡時(shí)間為60s時(shí),可燃體回收率為39.60%;在轉(zhuǎn)速為2100r/min、累積刮泡時(shí)間為30s時(shí),可燃體回收率為34.35%。但是,隨著浮選時(shí)間的延長(zhǎng),高轉(zhuǎn)速下精煤可燃體回收率逐漸增大,在刮泡時(shí)間為300s時(shí),高轉(zhuǎn)速下可燃體回收率要比低轉(zhuǎn)速下高12%以上,但精煤灰分含量也高0.76%,比低轉(zhuǎn)速時(shí)相比,高轉(zhuǎn)速下多浮出的這部分精煤應(yīng)包含高灰的細(xì)粒和難浮的低灰粗顆粒,還有部分連生體礦粒。浮選能量輸入與精煤灰分含量以及可燃體回收率的關(guān)系如圖5所示。從圖5可見:在3種轉(zhuǎn)速下,隨著浮選的進(jìn)行,輸入浮選過程的能量增大,精煤累積可燃體回收率和精煤累積灰分含量均增加;浮選機(jī)的轉(zhuǎn)速越大,輸入浮選體系能量的起點(diǎn)越高,浮選速度越快;當(dāng)轉(zhuǎn)速為1500r/min時(shí),精煤灰分含量和可燃體回收率曲線最陡峭,但隨著浮選的進(jìn)行即浮選能量的進(jìn)一步輸入,單位能量所浮出的精煤量也逐漸減小,也就是說,隨著浮選的進(jìn)行,礦漿中煤粒的可浮性越來(lái)越差,單位質(zhì)量煤粒上浮所需要的能量越來(lái)越大,因而可建立煤粒可浮性與能量的關(guān)系;易浮礦物耗能低,難浮礦物耗能高。從圖5還可見:當(dāng)可燃體回收率相差不大時(shí),其消耗的能量差別很大,如轉(zhuǎn)速為1500r/min時(shí),消耗0.18W的能量可以獲得灰分含量為13.27%、可燃體回收率為73.35%的精煤;而要獲得相同可燃體回收率,在轉(zhuǎn)速為1800r/min時(shí)需消耗能量0.35W,其精煤灰分含量為13.30%;當(dāng)轉(zhuǎn)速為2100r/min時(shí)需消耗能量0.62W,其精煤灰分含量為12.7%,比前兩者的低。這是因?yàn)楦咿D(zhuǎn)速對(duì)礦漿起分散作用,且對(duì)礦物表面有剪切剝離作用。但是,在一定的浮選時(shí)間內(nèi),該實(shí)驗(yàn)的浮選時(shí)間為5min,高能量輸入會(huì)使浮選過程進(jìn)行得更完全,即在精煤灰分含量接近時(shí)能回收更多的精煤,如在浮選為5min時(shí),當(dāng)精煤灰分含量為14.03%、轉(zhuǎn)速為2100r/min時(shí)需消耗能量1.01W,其精煤累積可燃體回收率為85.91%;而當(dāng)轉(zhuǎn)速為2100r/min時(shí)需消耗能量0.46W,其精煤累積可燃體回收率為81.06%。前者比后者多輸入能量0.55W,精煤可燃體回收率增加4.85%。圖6所示為不同精煤產(chǎn)品單位可燃體回收率的能量消耗。從圖6可見:隨著浮選過程的進(jìn)行,精煤灰分含量逐漸增高,不同精煤產(chǎn)品單位可燃體回收率的能量消耗逐漸增大,特別是在浮選后期的產(chǎn)品J4和J5中,單位可燃體回收率精煤上浮所需要的浮選能量明顯比浮選前期的高。圖7所示為不同轉(zhuǎn)速條件下精煤灰分含量與可燃體回收率的關(guān)系。從圖7可見:當(dāng)精煤累積可燃體回收率低于70%時(shí),在同等精煤灰分含量條件下,低轉(zhuǎn)速下可獲得較高的可燃體回收率;當(dāng)要求精煤累積可燃體回收率高于70%時(shí),高轉(zhuǎn)速下能獲得更高的精煤可燃體回收率或者更低的精煤灰分含量,且在相同浮選時(shí)間條件下,高轉(zhuǎn)速條件下能獲得最高的精煤可燃體回收率。這一方面可以認(rèn)為高轉(zhuǎn)速浮選過程多出的能量提高了精煤質(zhì)量;另一方面,在相同的精煤灰分含量時(shí),高轉(zhuǎn)速下的精煤可燃體回收率比低轉(zhuǎn)速下的高,浮選過程多出的能量提高了精煤可燃體回收率。3.2煤灰結(jié)構(gòu)及產(chǎn)品特性當(dāng)轉(zhuǎn)速為1500r/min時(shí),尾煤由于能量低,其中有部分未回收的精煤組分;在轉(zhuǎn)速為2100r/min時(shí),J5經(jīng)過前期的高能量攪拌,最后浮出,是所有精煤產(chǎn)品中能耗最高的,故對(duì)低能量未能浮出的精煤產(chǎn)品和高能量條件下才能浮出的精煤產(chǎn)品進(jìn)行密度分析、粒度分析和掃描電鏡分析,結(jié)果見表3。從表3可知:粒度在0.125mm以上的顆粒中,61.19%的低灰粗顆粒未回收,而這部分物料的加權(quán)平均灰分含量為25.29%,比入料灰分含量(20.12%)稍高,應(yīng)為煤與黏土共生的連生體。當(dāng)轉(zhuǎn)速為1500r/min時(shí)尾煤產(chǎn)品密度如表4所示。從表4可見:密度低于1.5g/cm3的尾煤,產(chǎn)品的產(chǎn)率為43.31%,而灰分含量為10.47%,這部分低灰物料完全可以作為精煤,卻損失在尾煤中。結(jié)合表3的粒度分析,粒度低于0.074mm的灰分含量含量均在50%以上,可以推斷尾煤中密度低于1.5g/cm3級(jí)的灰分含量為粗粒級(jí)產(chǎn)品,在較低的浮選能量下很難上浮。為研究轉(zhuǎn)速為1500r/min時(shí)尾煤產(chǎn)品中密度低于1.5g/cm3的煤灰部分損失的原因,運(yùn)用英國(guó)劍橋生產(chǎn)的S250掃描電鏡觀察其表面形貌,結(jié)果見圖8。從圖8可以看出:黏附在煤表面的主要成灰物質(zhì)為異質(zhì)細(xì)泥,其含量大于煤的含量,大量的細(xì)泥黏土礦物以罩蓋的形式黏附在粗粒煤表面,也有部分黏土礦物嵌布在煤的裂隙中,還有部分黏土礦物與煤粒共生,形成連生體礦物。這些黏土礦物的粒徑均在10μm以內(nèi),很難用浮選的方法將其有效地與煤粒分離,而煤粒的粒徑均在100μm以上。細(xì)泥和煤夾帶在一起,阻礙煤對(duì)浮選藥劑的吸附;同時(shí),細(xì)泥粒度小,其比較面積高,大量消耗浮選藥劑,在浮選過程中與煤競(jìng)爭(zhēng)性吸附,造成浮選藥耗高,而浮選的精煤質(zhì)量又難以保證,在一定的浮選藥劑用量條件下,部分低灰粗粒煤也難以回收,只能通過技術(shù)手段加強(qiáng)礦漿的分散,促進(jìn)捕收劑在低灰粗粒煤表面的充分吸附以及目的煤粒與氣泡的有效碰撞,這均需要有足夠的能量。轉(zhuǎn)速為2100r/min時(shí)的產(chǎn)品J5是在高轉(zhuǎn)速條件下最后浮出的,其刮泡時(shí)間為120s,較任何產(chǎn)品的耗能高,研究其產(chǎn)品特性對(duì)該煤泥在浮選過程中的能量消耗特點(diǎn)有指導(dǎo)意義。轉(zhuǎn)速為2100r/min時(shí)產(chǎn)品J5粒度如表5所示。從表5可以看出:最后通過高能量浮出的精煤產(chǎn)品是灰分含量,其含量高達(dá)28.65%,其原煤產(chǎn)率為3.46%,且各粒級(jí)的灰分含量較高,最小的在0.5mm以上,其灰分含量含量為18.27%。比較產(chǎn)品J5和尾煤產(chǎn)品的灰分含量可知:在粒度大于0.125mm的煤灰中,兩者產(chǎn)品的精煤灰分含量類似,說明J5中高能量浮出的粗顆粒產(chǎn)品均為煤巖連生體;在粒度小于0.125mm的煤灰中,J5的灰分含量比尾煤的灰分含量低30%左右;細(xì)粒級(jí)的煤巖解離較為充分,J5中粒度低于0.125mm的煤灰中應(yīng)有低灰部分與高灰部分混雜。當(dāng)轉(zhuǎn)速為2100r/min時(shí)產(chǎn)品J5和尾煤產(chǎn)品密度見表6。從表6可見:J5中22%以上的低灰產(chǎn)品其加權(quán)精煤灰分含量為7.74%。與表5所示的粒度結(jié)合分析,這部分低灰物料的組成主要為微細(xì)粒級(jí)顆粒,因其比表面積小,與氣泡的碰撞概率低,在較低能量條件下很難將其回收。從轉(zhuǎn)速為2100r/min的尾煤產(chǎn)品密度也可以看出,有18%左右的低灰產(chǎn)品(灰分含量小于11%)未合理回收,所以,在浮選過程中,低灰的微細(xì)顆粒的回收是影響浮選回收率的關(guān)鍵。粒度大于0.25mm的灰分含量為20%左右,幾乎接近尾礦中該粒級(jí)的灰分含量,稍高于原礦中該粒級(jí)的灰分含量(16%左右)。所以,在高能量下,部分粗粒級(jí)的高灰