煤泥浮選技術(shù)發(fā)展概況

董立周，劉繼紅，王俊濤，李 芳

(中煤張家口煤礦機械有限責任公司，河北 張家口 075000)

煤泥浮選技術(shù)發(fā)展概況

董立周，劉繼紅，王俊濤，李 芳

(中煤張家口煤礦機械有限責任公司，河北 張家口 075000)

煤泥浮選是目前公認的用于細煤泥脫硫降灰最經(jīng)濟、最有效的分選技術(shù)之一，也是選煤廠取得最佳經(jīng)濟效益和社會效益、環(huán)境效益的有效技術(shù)途徑。入浮煤泥性質(zhì)、浮選設(shè)備性能、浮選工藝流程、浮選藥劑制度等因素對浮選效果均有重要影響，文章就浮選前的煤泥調(diào)漿技術(shù)、浮選設(shè)備、浮選工藝發(fā)展概況進行評述，并以南梁選煤廠煤泥浮選經(jīng)濟效益為例，說明浮選技術(shù)在選煤行業(yè)未來發(fā)展中的重要作用。

煤泥；浮選；工藝；設(shè)備；經(jīng)濟效益

浮選是處理細煤泥(<0.5 mm粒級)最有效的途徑之一，同時也是選煤廠煤泥水處理的核心。近年來，我國對環(huán)境治理力度不斷加大，對選煤廠的管理要求也越來越高，各個選煤廠在節(jié)能減排、降本增效的同時，也加大了對煤泥處理的力度。目前我國的選煤能力統(tǒng)計結(jié)果表明，浮選物料量占入選原煤總量的10%以上。

煤泥浮選是在多因素綜合作用下的分選過程，是在固-液-氣三相中完成的一個極其復(fù)雜的物理化學(xué)過程，入浮煤泥性質(zhì)、浮選設(shè)備性能、浮選工藝流程、浮選藥劑制度等因素都會對浮選效果產(chǎn)生重要影響。近年來，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展及檢測技術(shù)的提高，浮選技術(shù)獲得了長足進步。文章對浮選前的煤泥調(diào)漿技術(shù)、浮選設(shè)備、浮選工藝發(fā)展概況進行了較系統(tǒng)的評述，可為今后選煤廠的建設(shè)和浮選設(shè)備、浮選工藝的改進提供一定參考。

1 煤泥調(diào)漿技術(shù)

調(diào)漿是細煤泥浮選的基本前提，其作用是通過藥劑、機械力、非機械力及其組合，將乳化藥劑細化、分散，并使煤粒表面活化，以提高捕收劑與煤粒的有效吸附概率，因此，調(diào)漿效果的好壞直接影響浮選工藝的整體效果。調(diào)漿處理的方式主要有葉輪攪拌式、噴射式、霧化式、管道混合式等，其中以葉輪攪拌式為主。其工作原理是通過均勻攪拌，使礦漿在葉片高速轉(zhuǎn)動形成的剪切力場下充分礦化，同時使煤粒體相性質(zhì)發(fā)生改變，更具親油性，進而提高其可浮性，保證浮選精煤產(chǎn)率穩(wěn)定。

國內(nèi)研究人員從礦漿分散、藥劑乳化、礦漿與藥劑接觸、礦物表面改性以及磁、電、聲、溫等方面，對煤泥調(diào)漿效果進行了大量研究[1-2]。鄭光軍等[3]對磁化處理后的煤、黃鐵礦、煤矸石三種單礦物在不同介質(zhì)中的含氧量、PH值、表面電位、表面濕潤性變化進行了對比分析，發(fā)現(xiàn)磁化處理能夠提高煤粒的可浮性。馬力強等[4]研究了調(diào)漿剪切強度對煤泥浮選效果的影響規(guī)律，結(jié)果表明：經(jīng)高效調(diào)漿機處理后，浮選精煤可燃體回收率可提高9.63個百分點。苗一等[5]研究了多層漿在攪拌槽內(nèi)的宏觀混合特效，認為在液體混合過程中多層軸流式漿比多層徑向流漿的混合效率高。胡錫文等[6]在直徑小于375 mm的攪拌釜內(nèi)，采用八種攪拌器進行攪拌試驗，并就攪拌器的槳型、轉(zhuǎn)速、密度等操作因素對攪拌功率和攪拌時間的影響進行了分析。

GBZ-2700多層攪拌礦漿表面改質(zhì)機結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。該改質(zhì)機采用多段臥式布置，并選用后掠式撓性特殊葉片，能夠提供很高的剪切力和高頻機械效應(yīng)。煤漿中的不同顆粒在強大的剪切動能下，瞬間產(chǎn)生數(shù)十萬次的碰撞、摩擦、剪切等綜合作用，幾乎可使全部煤粒得到有效改質(zhì)，即均質(zhì)作用明顯，因而可使浮選精煤產(chǎn)率提高5～8個百分點，且浮選速度更快。以處理能力為2.50 Mt/a的選煤廠為例，在入浮煤泥量占原煤總量10%的情況下，煤泥經(jīng)表面改質(zhì)機處理過后，浮選精煤量每年可提高1.25～2.00萬t，精煤產(chǎn)量顯著提高。

圖1 GBZ-2700多層攪拌礦漿表面改質(zhì)機結(jié)構(gòu)示意圖

2 浮選設(shè)備與工藝

泡沫浮選是目前廣泛應(yīng)用的細煤泥分選技術(shù)，通過煤與矸石表面的物理化學(xué)性質(zhì)差異進行分選。煤粒因自身表面的疏水特性或經(jīng)浮選藥劑作用后獲得疏水特性，進而在液-氣或水-油界面發(fā)生聚集；而矸石的親水能力較強，下沉后成為尾礦。

近年來，泡沫浮選技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用與科學(xué)研究中取得了長足進展。王懷法[7]介紹了兩段充氣微泡浮選柱的設(shè)計思想與結(jié)構(gòu)特點，將高氣溶射流礦化浮選技術(shù)和渦流力場強化浮選技術(shù)有機地融為一體，并將優(yōu)先浮選技術(shù)納入浮選柱分選體系。程宏志[8-9]提出了振蕩浮選原理，即利用設(shè)置在浮選機分離區(qū)的振蕩分離器來降低浮選泡沫的非選擇性挾帶，研究結(jié)果表明：振蕩浮選能夠明顯改善浮選效果，可使浮選精煤灰分下降1.40個百分點。梁龍等[10]將細煤泥按密度分組，通過試驗研究了不同密度級細煤泥對粗煤泥浮選的促進與抑制程度。李彥君等[11]研究了近年來國內(nèi)外使用的煤泥浮選藥劑，并對煤用浮選藥劑的未來發(fā)展提出了建議。史英祥等[12]闡述了以煤泥可浮性試驗結(jié)果為依據(jù)，合理選擇和制定浮選工藝的思路和方法。牛勇等[13]闡述了難浮煤泥的特點及改善浮選效果的主要方法，并通過試驗證明分支浮選可在滿足精煤灰分的要求下，提高浮選精煤產(chǎn)率。

2.1 浮選設(shè)備

(1)機械攪拌式浮選機。目前，機械攪拌式浮選機是國內(nèi)廣泛應(yīng)用的浮選機，包括XJX型、XJN型、XJM型等。該類浮選機在其核心機構(gòu)——攪拌機構(gòu)的作用下，完成充氣、氣泡彌散與礦化。以XJM-S型浮選機為例，其選用矩形槽體和雙層傘型葉輪，通過自吸空氣、“假底底吸，周邊串料”的方式給料，且葉輪上下循環(huán)量均可調(diào)節(jié)，能夠適應(yīng)不同可浮性煤泥的浮選要求。浮選機工作時，在葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力作用下，充滿定子葉輪的煤漿被甩出，同時在其內(nèi)部產(chǎn)生負壓，空氣和藥劑經(jīng)套筒進入其中，而大部分前室入料通過假底中心吸料管進入葉輪。XJM-S型浮選機結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 XJM-S型機械攪拌式浮選機結(jié)構(gòu)示意圖

(2)浮選柱。浮選柱沒有傳動部件，也沒有機械攪拌機構(gòu)，空氣通過噴射器產(chǎn)生的負壓吸入或者由空氣壓縮機壓入。目前，以旋流微泡浮選柱(圖3)為代表的浮選柱在我國應(yīng)用較廣泛，其主體結(jié)構(gòu)包括浮選段、旋流段、管流礦化段三部分。浮選段根據(jù)逆流碰撞礦化原理，在低紊流的靜態(tài)分選環(huán)境中實現(xiàn)礦物的分離，主要作用是粗選和精選；旋流段是煤泥實現(xiàn)重力分選和旋流浮選的場所，主要作用是掃選浮選段的中礦，回收未被礦化的精煤粒；管流礦化段的作用是將空氣吸入并粉碎成微泡，進而形成循環(huán)中礦的氣-液-固三相體系。

圖3 旋流微泡浮選柱結(jié)構(gòu)示意圖

(3)噴射式浮選機。噴射式浮選機無機械攪拌裝置，以射流微泡浮選機(圖4)為例，其工作原理是：煤漿以15～20 m/s的高速從噴嘴噴出，使混合室內(nèi)產(chǎn)生負壓，空氣經(jīng)吸氣管進入礦化管，經(jīng)射流的“卷裹”和“切割乳化”后形成小氣泡，并與煤漿充分接觸，使其高度礦化；當煤漿到達底部反射頭時，桶內(nèi)壓力基本為零。由于煤漿位于負壓區(qū)內(nèi)，溶解在其中的空氣呈過飽和狀態(tài)，并以微泡形式迅速析出、增大，攜帶煤粒的氣泡上浮至浮選桶表面，沿其周邊溢出并進入精礦收集槽，而尾礦通過底部U形管進入尾礦箱，此時，整個浮選過程完成。

圖4 射流微泡浮選機結(jié)構(gòu)示意圖

上述浮選設(shè)備在我國選煤廠都得到了廣泛應(yīng)用，隨著選煤技術(shù)的進步和選煤生產(chǎn)現(xiàn)場的需要，浮選設(shè)備正加快向大型化、高效化方向發(fā)展。

2.2 浮選工藝

由于浮選入料組分、浮選設(shè)備性能及對最終產(chǎn)品的要求不同，各選煤廠選用的浮選工藝也存在差異。當前我國選煤廠主要采用的典型浮選工藝有三種，即一次浮選工藝、二次浮選工藝、二次尾礦或中礦返回浮選工藝。

(1)采用一次浮選工藝時，煤泥水直接進入單槽或多槽浮選機，分選出精煤、中煤、尾煤三種產(chǎn)品。當煤泥可浮性為極易浮或易浮時，可采用一次浮選工藝；當煤泥可浮性為中等可浮時，需要根據(jù)藥劑制度試驗結(jié)果確定，如果浮選精煤灰分基本滿足最終精煤產(chǎn)品的質(zhì)量要求，則可采用該浮選工藝。煤泥一次浮選原則流程如圖5所示。

圖5 煤泥一次浮選原則流程

(2)二次浮選，即一次浮選精礦泡沫直接進入精選浮選機，對其再次進行分選，以降低浮選精煤灰分。當煤泥可浮性為難浮或極難浮時，依據(jù)MT/T144—1997《選煤實驗室分步釋放浮選試驗方法》，進行煤泥分步釋放試驗，如果“產(chǎn)物4”的累計平均灰分滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求，則可選用全部二次浮選工藝(圖6(a))；當煤泥可浮性為中等可浮，且一次浮選精煤灰分較高時，可根據(jù)浮選速度試驗結(jié)果進一步判斷，如果前2 min刮出的精煤灰分符合產(chǎn)品質(zhì)量要求，則可選用部分二次浮選工藝(圖6(b))。煤泥二次浮選原則流程如圖6所示。

圖6 煤泥二次浮選原則流程

與一次浮選工藝相比，二次浮選工藝適用范圍廣，浮選精度高，但二次浮選必然會使大量合格精煤被重復(fù)分選，導(dǎo)致浮選藥劑用量和電能消耗等增加，進而使浮選成本升高。

(3)二次尾礦返回浮選是將二次浮選尾礦引入一次浮選入料(圖7(a))，二次中礦返回浮選即將二次浮選中礦引入二次或一次浮選入料(圖7(b))，對其繼續(xù)進行分選，以提高浮選精煤產(chǎn)率。該浮選工藝僅適用于采用多臺單槽浮選機的選煤廠，呂梁山煤電公司選煤廠以三臺WPF型噴射浮選機進行二次尾礦或中礦返回浮選，取得了良好的分選效果。

圖7 二次尾礦或中礦返回浮選原則流程

3 煤泥浮選技術(shù)的應(yīng)用

南梁煤礦選煤廠設(shè)計能力為3.00 Mt/a，2013年實際洗選原煤2.50 Mt，其中細煤泥產(chǎn)率為9%～10%，干基產(chǎn)量超過20萬t。由于煤泥灰分高、水分高(約20%)、發(fā)熱量低、粘性大，難以均勻摻入精煤產(chǎn)品銷售。除冬季外，該選煤廠將煤泥落地晾曬后銷售給當?shù)仉姀S，售價約為10元/t；而冬季煤泥濾餅容易結(jié)冰，無法銷售。在煤泥晾曬過程中，遇水流失，遇風(fēng)飛揚，嚴重污染礦區(qū)環(huán)境，不利于文明生產(chǎn)，且低廉的銷售價格影響企業(yè)經(jīng)濟效益的提高。

針對南梁煤礦選煤廠煤泥的一系列浮選試驗表明：該煤泥具有較高的浮選利用價值。可行性分析結(jié)果表明：對該選煤廠進行技術(shù)改造，增加煤泥浮選系統(tǒng)，選用粗選、精選二次浮選工藝可使精煤得到最大限度的回收。為此，選用GBZ-2700礦漿表面改質(zhì)機、WPF4000射流微泡浮選機、KZG500/2000-U浮選精煤壓濾機構(gòu)建浮選系統(tǒng)，對煤泥進行浮選提質(zhì)。浮選系統(tǒng)投入生產(chǎn)后，煤泥浮選效果較好，產(chǎn)品數(shù)質(zhì)量平衡表如表1所示。

表1 產(chǎn)品數(shù)質(zhì)量平衡表

該選煤廠發(fā)熱量23.01 MJ/kg的末煤銷售價格為240元/t，浮選尾煤不計價，浮選精煤發(fā)熱量按照20.92 MJ/kg計算，折算的銷售價格為210元/t。煤泥經(jīng)晾曬后銷售給電廠的價格為10元/t，折算的干基銷售價格為12.50元/t。綜合分析，煤泥浮選系統(tǒng)投入運行后每年可為選煤廠增加銷售收入2 318.55萬元(表2)，經(jīng)濟效益顯著。

表2 銷售收入對比結(jié)果

4 結(jié)語

隨著煤炭資源的不斷開采和采煤機械化程度的提高，原煤煤質(zhì)逐漸變差，細粒煤、超細粒煤在原煤中所占比例逐年增加。在國家對環(huán)境保護力度加大，企業(yè)對經(jīng)濟效益要求提高的情況下，煤泥分選設(shè)備與工藝的研究和應(yīng)用越來越重要。

煤泥調(diào)漿效果對精煤質(zhì)量和產(chǎn)量均有很大影響，就實際應(yīng)用效果來說，多層攪拌礦漿預(yù)處理技術(shù)有著廣闊的應(yīng)用前景。煤泥浮選工藝和設(shè)備具有多樣性，各選煤廠應(yīng)根據(jù)煤泥可浮性試驗結(jié)果，合理制定浮選工藝，科學(xué)選擇浮選設(shè)備，且需要與浮選精煤脫水系統(tǒng)密切結(jié)合，以提高精煤產(chǎn)量和脫硫降灰效果，進而提高企業(yè)效益。

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[2] 馬力強,陳清如.煤泥調(diào)漿技術(shù)與設(shè)備的研究現(xiàn)狀及進展[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2011,39(4):11-16.

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[13] 牛 勇,王懷法.難浮煤泥浮選工藝研究[J].潔凈煤技術(shù),2011,17(3):6-8.

Survey of the development of coal slime flotation technology

DONG Li-zhou，LIU Ji-hong，WANG Jun-tao，LI Fang

(China Coal Zhangjiakou Coal Mining Machinery Co., Ltd., Zhangjiakou, Hebei 075000, China)

Coal slime flotation is now recognized as one of the most economic and efficient separation technologies used to process fine coal slime, and it is also an efficient way for the coal preparation plant to gain the best economic, social and environmental benefit, but flotation efficiency is affected by many factors, such as equipment performance, flotation process, and flotation reagent system etc. coal slurry preparation technology, flotation equipment and the development of flotation technology are introduced, furthermore, taking economic benefit of coal slime flotation in Nanliang coal preparation plant for example to explain the importance of this technology in the future development of the coal preparation industry.

coal slime; flotation; technology; equipment; economic benefit

1001-3571(2015)05-0096-05

TD943

A

2015-07-28

10.16447/j.cnki.cpt.2015.05.026

董立周(1985—)，男，河北省晉州市人，工程師，碩士，主要從事煤炭機械設(shè)計工作。

E-mail:dlz339@163.com Tel:18732395911