機(jī)械攪拌消除浮選精礦泡沫的試驗(yàn)研究

徐 勝

(中煤科工集團(tuán)北京華宇工程有限公司，河南 平頂山 467000)

機(jī)械攪拌消除浮選精礦泡沫的試驗(yàn)研究

徐 勝

(中煤科工集團(tuán)北京華宇工程有限公司，河南 平頂山 467000)

為解決浮選精礦泡沫穩(wěn)定性強(qiáng)、粘度大，難以自然消除的問題，以河南神火礦區(qū)浮選精礦為對(duì)象，探索通過機(jī)械攪拌消除泡沫的可行性。試驗(yàn)結(jié)果表明：試驗(yàn)范圍內(nèi)，攪拌軸轉(zhuǎn)速、攪拌時(shí)間、葉輪片數(shù)均對(duì)消泡效果有極顯著或顯著的影響，且葉輪片數(shù)的影響最顯著，攪拌時(shí)間次之，攪拌軸轉(zhuǎn)速影響最??；隨著攪拌速度或葉輪片數(shù)的增加，消泡率呈先增加后減少的趨勢(shì)，隨著攪拌時(shí)間的增加，消泡率呈先增加后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)；試驗(yàn)范圍內(nèi)，在攪拌軸轉(zhuǎn)速為418 r/min、攪拌時(shí)間為3 min、葉輪片數(shù)為4個(gè)的條件下，浮選精礦消泡效果最好，消泡率平均值高達(dá)84.93%。

浮選精礦泡沫；機(jī)械攪拌；穩(wěn)定性；粘度；消泡率

浮選精礦泡沫是煤泥浮選過程中產(chǎn)生的一種固-液-氣三相泡沫，具有一定穩(wěn)定性，在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)難以破裂[1-3]。浮選精礦含有的大量泡沫，不但導(dǎo)致煤泥泵汽蝕現(xiàn)象嚴(yán)重，加壓過濾機(jī)效率低下，而且致使選煤廠浮選生產(chǎn)不穩(wěn)定，嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)和企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益[4-5]。

通常消除浮選精礦泡沫的方法有兩種，即化學(xué)消泡法和物理消泡法[6-11]。化學(xué)消泡法是向浮選精礦泡沫中加入一定量的消泡劑，利用其特殊性質(zhì)消除泡沫[12]，該方法的消泡機(jī)理是通過消泡劑降低泡沫的機(jī)械強(qiáng)度和液膜表面的粘度[13]；主要的消泡劑種類包括油脂類、脂肪酸類、醇類、醚類、磺酸類、聚硅氧烷類及鋁礬土、硫酸亞鐵等無機(jī)鹽類[7,6,14-20]；由于化學(xué)消泡法的成本較高，消泡劑在使用過程可能失去活性，且需要多次少量添加[12]，故實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用較少。物理消泡法是通過機(jī)械力(機(jī)械攪拌)引起的強(qiáng)震動(dòng)或壓力頻繁變化，促使泡沫破裂，從而達(dá)到消泡的目的[21]，故又稱為機(jī)械攪拌消泡；利用該方法消泡只需增加一些簡(jiǎn)單的設(shè)備，在消耗較少能量的條件下即可達(dá)到消泡的目的，具有成本低、操作簡(jiǎn)便、消泡率高等優(yōu)點(diǎn)[22-23]。

為解決浮選生產(chǎn)中精礦泡沫不易消除的問題，以河南神火礦區(qū)浮選精礦為研究對(duì)象，探索采用機(jī)械攪拌法消除泡沫的可行性，并研究了攪拌軸轉(zhuǎn)速、攪拌時(shí)間、葉輪片數(shù)對(duì)消泡效果的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置

浮選精礦消泡裝置主要由攪拌電機(jī)、給料管、攪拌軸、導(dǎo)向筒、葉輪、筒體、出料管組成，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。工作過程中，浮選精礦通過給料管再經(jīng)導(dǎo)向筒進(jìn)入葉輪上方，精礦泡沫在葉輪的強(qiáng)攪拌作用下破裂，經(jīng)消泡的精礦由筒體下部排料口排出，未破裂的精礦泡沫繼續(xù)上??；由于葉輪的強(qiáng)攪拌和礦漿的強(qiáng)湍流綜合作用，精礦泡沫在上浮過程中被破壞。通過上述循環(huán)過程的持續(xù)進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)浮選精礦消泡的目的。

1—攪拌電機(jī)；2—給料管；3—攪拌軸；4—導(dǎo)向筒；5—葉輪；6—筒體；7—出料管

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)主要考察攪拌軸轉(zhuǎn)速、攪拌時(shí)間、葉輪片數(shù)三個(gè)因素對(duì)浮選精礦消泡效果的影響，并確定各因素的最佳水平。在進(jìn)行單因素優(yōu)選試驗(yàn)時(shí)，將攪拌軸轉(zhuǎn)速分別調(diào)整為168、218、268、318、368、418、568、718 r/min，攪拌時(shí)間分別調(diào)整為1、1.5、2、3、5、7、9、15 min，葉輪片數(shù)分別調(diào)整為3、4、6、8，在確定的最佳條件基礎(chǔ)上進(jìn)行正交試驗(yàn)，進(jìn)一步考察多因素綜合作用對(duì)浮選精礦消泡效果的影響。

將適量浮選精礦給入φ300 mm×400 mm的有機(jī)玻璃攪拌桶內(nèi)，給料時(shí)要控制桶內(nèi)液位，確保攪拌過程中精礦不會(huì)濺出；調(diào)整攪拌葉輪(圖2(a)、(b))到攪拌桶底部的距離，使二者保持在100 mm。試驗(yàn)前后分別測(cè)定桶內(nèi)泡沫高度，并計(jì)算消泡前后的浮選精礦泡沫體積，氣泡間基液量所占體積忽略不計(jì)，然后根據(jù)相關(guān)計(jì)算式計(jì)算消泡率。

圖2 攪拌葉輪結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

采用消泡率來評(píng)價(jià)浮選精礦消泡效果，即一定體積的浮選精礦經(jīng)消泡處理后，被消去的泡沫體積與原泡沫總體積之比，具體計(jì)算式為：

式中：ηv為消泡率，%；V0為消泡前的泡沫總體積，m3；Vt為消泡后的泡沫總體積，m3。

2 試樣性質(zhì)

試樣是河南神火集團(tuán)所屬選煤廠的浮選精礦，該選煤廠入選原煤為高變質(zhì)程度的無煙煤。該試樣的X-射線衍射圖譜如圖3所示。由圖3可知：試樣的主要成分是煤，脈石礦物主要是高嶺石，此外，還含有少量的黃鐵礦、白云石、方解石、石英等。高嶺石遇水極易泥化，且粒度微細(xì)，致使浮選精礦粘度增大，浮選精礦泡沫穩(wěn)定性增強(qiáng)，消泡難度增加；另外，由于粘土類礦物親水、吸附能力強(qiáng)，導(dǎo)致洗選產(chǎn)品的灰分和水分均增高，脫水作業(yè)難度加大。

圖3 浮選精礦的X-射線衍射圖譜

為查看試樣的粒度組成，根據(jù)MT/T 477—2008《煤炭篩分試驗(yàn)方法》規(guī)定，采用篩孔尺寸分別為0.5、0.25、0.125、0.074、0.045 mm的標(biāo)準(zhǔn)套篩對(duì)其進(jìn)行濕法小篩分，結(jié)果如表1所示。

表1 試樣粒度組成

由表1可知：試樣中<0.074 mm粒級(jí)產(chǎn)率高達(dá)49.38%，灰分為14.24%。細(xì)粒級(jí)產(chǎn)率高，灰分高，導(dǎo)致浮選精礦泡沫粘度增大，穩(wěn)定性增加，在短時(shí)間內(nèi)難以消泡、沉降，進(jìn)而嚴(yán)重影響后續(xù)作業(yè)及其效果，如加壓過濾機(jī)上料困難、精礦脫水困難等。

根據(jù)MT/T 478—2008《煤炭浮沉試驗(yàn)方法》規(guī)定，對(duì)試樣密度組成進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如表2所示。由表2可知：<1.50 g/cm3密度級(jí)產(chǎn)率為84.87%，灰分為6.72%，說明低灰精礦是浮選精礦的主要組分，也說明煤與脈石礦物的解離程度較好；>1.50 g/cm3密度級(jí)產(chǎn)率較低，但灰分較高，如1.60～1.80 g/cm3密度級(jí)灰分高達(dá)42.08%，>1.80 g/cm3密度級(jí)灰分高達(dá)50.69%。

表2 試樣密度組成

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 攪拌軸轉(zhuǎn)速對(duì)浮選精礦消泡效果的影響

在攪拌時(shí)間為5 min、葉輪片數(shù)為4個(gè)的條件下，考察攪拌軸轉(zhuǎn)速對(duì)浮選精礦消泡效果的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4 攪拌軸轉(zhuǎn)速與消泡率的關(guān)系曲線

由圖4可知：隨著攪拌軸轉(zhuǎn)速的增加，消泡率逐漸增大，當(dāng)攪拌軸轉(zhuǎn)速為418 r/min時(shí)，消泡率最大，為84.38%；當(dāng)攪拌軸轉(zhuǎn)速進(jìn)一步增大時(shí)，消泡率迅速減少。這主要是因?yàn)閿嚢栎S轉(zhuǎn)速較低時(shí)離心力不足，泡沫獲得的能量較小，不足以改變其表面壓力，因而無法使泡沫破滅；在攪拌軸轉(zhuǎn)速增大后離心力增加，泡沫獲得的能量也增加，氣泡的撞擊力增大，泡沫上的固體顆粒與氣-液接觸界面的能量改變，氣泡內(nèi)部的平衡被打破，表面能降低，導(dǎo)致其最終破滅；當(dāng)攪拌軸轉(zhuǎn)速增加到一定程度后，攪拌過程中吸入了大量空氣，且礦漿中殘存有藥劑，致使其在攪拌過程中二次起泡。

3.2 攪拌時(shí)間對(duì)浮選精礦消泡效果的影響

攪拌時(shí)間是影響浮選精礦消泡效果的重要因素之一，合適的攪拌時(shí)間可使浮選精礦消泡效果實(shí)現(xiàn)最大化。在攪拌軸轉(zhuǎn)速為418 r/min、葉輪片數(shù)為4個(gè)的條件下，考察攪拌時(shí)間對(duì)浮選精礦消泡效果的影響，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知：隨著攪拌時(shí)間的增加，消泡率大幅增加，此時(shí)消泡速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于生泡速率；隨著攪拌時(shí)間的持續(xù)增加，消泡率緩慢增加，最終趨于穩(wěn)定；在5～10 min時(shí)消泡效果最佳，此時(shí)消泡速率幾乎等于生泡速率，二者達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡?？紤]到5～10 min時(shí)消泡率變化不大，但能量消耗不斷增加，從工業(yè)應(yīng)用角度出發(fā)，攪拌時(shí)間以5 min為宜。

圖5 攪拌時(shí)間與消泡率的關(guān)系曲線

3.3 葉輪片數(shù)對(duì)浮選精礦消泡效果的影響

在攪拌軸轉(zhuǎn)速為418 r/min、攪拌時(shí)間為5 min的條件下，考察葉輪片數(shù)對(duì)浮選精礦消泡效果的影響，結(jié)果如圖6所示。

圖6 葉輪片數(shù)與消泡率的關(guān)系曲線

由圖6可知：隨著葉輪片數(shù)的增加，消泡率呈先增加后減少的趨勢(shì)。在葉輪片數(shù)從3個(gè)增加到4個(gè)時(shí)，消泡率從78.13%增加到84.38%，消泡率增加較為明顯；當(dāng)葉輪片數(shù)從4個(gè)增加到6個(gè)時(shí)，消泡率迅速?gòu)?4.38%降到64.28%，消泡率顯著降低，不利于消除泡沫。綜合考慮，葉輪片數(shù)為4個(gè)時(shí)消泡效果最好。

3.4 多因素綜合作用對(duì)浮選精礦消泡效果的影響

為進(jìn)一步探尋浮選精礦消泡的最佳方式，在單因素優(yōu)選的基礎(chǔ)上進(jìn)行正交試驗(yàn)，考察多因素及其綜合作用對(duì)浮選精礦消泡效果的影響。正交試驗(yàn)因素水平表如表3所示，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示，方差分析結(jié)果如表5所示。

由表4、表5可知：攪拌軸轉(zhuǎn)速、攪拌時(shí)間、葉輪片數(shù)均對(duì)消泡率有極顯著或顯著的影響，其顯著性從大到小依次為葉輪片數(shù)、攪拌時(shí)間、攪拌軸轉(zhuǎn)速。在攪拌軸轉(zhuǎn)速為418 r/min、攪拌時(shí)間為3 min、葉輪片數(shù)為4個(gè)的條件下，消泡率平均值高達(dá)84.93%，消泡效果很理想。

表3 因素與水平表

表4 浮選精礦消泡試驗(yàn)結(jié)果

表5 方差分析結(jié)果

注：“***”表示影響極顯著或顯著。

這與以下原因有關(guān)：

(1)葉輪片數(shù)越多，一定攪拌速度下產(chǎn)生的負(fù)壓越大，這在一定程度上能夠達(dá)到消泡的目的，但礦漿的二次起泡能力增強(qiáng)，不利于泡沫消除。

(2)攪拌時(shí)間的長(zhǎng)短對(duì)消泡效果的影響與破壞氣泡所需的時(shí)間有關(guān)，如果攪拌時(shí)間較短，葉輪來不及破壞泡沫，消泡率就會(huì)降低；如果適當(dāng)延長(zhǎng)攪拌時(shí)間，消泡率就會(huì)增加。

(3)低的攪拌軸轉(zhuǎn)速僅能影響礦漿內(nèi)部，無法改變氣泡的表面能，消泡率就較低；高的攪拌軸轉(zhuǎn)速會(huì)使礦漿的二次起泡能力增強(qiáng)，也不利于消泡；合適的攪拌軸轉(zhuǎn)速，不但可以影響礦漿和氣泡，而且能使礦漿的二次起泡能力最弱，從而實(shí)現(xiàn)消泡效果的最佳化。

4 結(jié)論

(1)浮選精礦試樣中的細(xì)粒級(jí)產(chǎn)率高，灰分較高的細(xì)泥產(chǎn)率也高，加上殘余藥劑等因素的影響，浮選精礦泡沫穩(wěn)定性極強(qiáng)，難以自然消除。

(2)機(jī)械攪拌對(duì)浮選精煤泡沫消泡效果有重要影響，在攪拌軸轉(zhuǎn)速為418 r/min、攪拌時(shí)間為3 min、葉輪片數(shù)為4的條件下，浮選精礦消泡效果最好，消泡率平均值高達(dá)84.93%，可以較好的滿足現(xiàn)場(chǎng)要求。

(3)攪拌軸轉(zhuǎn)速、攪拌時(shí)間、葉輪片數(shù)均對(duì)消泡率有極顯著或顯著的影響，就三個(gè)影響因素的顯著性而言，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，葉輪片數(shù)最突出，攪拌時(shí)間居中，攪拌軸轉(zhuǎn)速最小。

[1] 穆 梟.三相泡沫穩(wěn)定性與消泡研究[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué),2005.

[2] 吳 倫,魏小磊,桂夏輝,等.無煙煤浮選精礦物理消泡試驗(yàn)研究[J].煤炭工程,2015(1):118-120.

[3] 韓來兵,付曉恒,趙海銘,等.捕收劑和起泡劑對(duì)浮選精礦三相泡沫穩(wěn)定性的影響[J].選煤技術(shù),2015(2):4-7.

[4] 林 娟.關(guān)于浮選精礦泡沫消除的系統(tǒng)改造[J].煤質(zhì)技術(shù),2006(3):53-54.

[5] 趙 勇.高灰細(xì)泥影響浮選精礦質(zhì)量研究[D].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué),2014.

[6] 劉公召,陳爾霆.新型高效消泡劑的研制與應(yīng)用[J].沈陽(yáng)化工學(xué)院學(xué)報(bào),1999(2): 106-109.

[7] 葛成燦,王源升,余紅偉,等.泡沫及消泡劑的研究進(jìn)展[J].材料開發(fā)與應(yīng)用,2010,25(6):81-85.

[8] PELTON R.A review of antifoam mechanisms in fermentation[J].Journal of Industrial Microbiology and Biotechnology,2002,29(4):149-154.

[9] 李 騰,陳建中,沈麗娟,等.浮選精礦摻粗對(duì)其脫水效果的影響[J].礦山機(jī)械,2012(3):85-88.

[10] 劉永康.選煤廠耙式濃縮機(jī)消泡系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐[J].山西焦煤科技,2006(9):45-46.

[11] 呂先浦.浮選精礦的消泡方法[J].選煤技術(shù),1981(3):19-35.

[12] 方書起,李肖斌,雪金勇.機(jī)械攪拌式發(fā)酵罐中的消泡技術(shù)研究與探討[J].化學(xué)工程,2009，37(5):34-37.

[13] PELTON R, FLAHERTY T. Defoamers: linking fundamentals to formulations[J].Polymer International, 2003, 52(4): 479-485.

[14] 竇尹辰.不同結(jié)構(gòu)聚醚改性硅油的制備與消泡性能研究[D].西安：陜西科技大學(xué),2014.

[15] 蔣寶衡.高碳醇類水乳型消泡劑的制備研究[D].廣州：華南理工大學(xué),2014.

[16] 魯亞青.聚醚改性聚硅氧烷消泡劑的制備及復(fù)配研究[D].杭州：浙江大學(xué),2010.

[17] 左 晶,李臨生,安秋風(fēng),等.聚硅氧烷消泡劑的失活和再生機(jī)理[J].日用化學(xué)工業(yè),2005，35(3):167-170.

[18] 馮其明,穆 梟,張國(guó)范,等.鋁土礦浮選泡沫消泡研究[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2005，36(6):955-959.

[19] 曹玉川.新型鐵礦陽(yáng)離子捕收劑的浮選及泡沫性能研究[D]. 長(zhǎng)沙：中南大學(xué),2011.

[20] 周蘇陽(yáng).季銨鹽與鋁硅礦物的界面作用基礎(chǔ)[D]. 長(zhǎng)沙：中南大學(xué),2011.

[21] 萬里平,孟英峰,陳 浩,等.機(jī)械消泡法試驗(yàn)研究[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2013，42(2):29-32.

[22] JOSHI K S,BAUMANN A,JEELANI S A K,et al.Mechanism of bubble coalescence induced by surfactant covered antifoam particles[J].Journal of Colloid and Interface Science,2009,339(2):446-453.

[23] DENKOV N D,MARINOVA K G,TCHOLAKOVA S S.Mechanistic understanding of the modes of action of foam control agents[J].Advances in Colloid and Interface Science,2014,206(S1):57-67.

Experimental study on defoaming of flotation concentrate by means of mechanical agitation

XU Sheng

(China Coal Technology & Engineering Group Beijing Huayu Engineering Co., Ltd., Pingdingshan, Henan 467000,China)

Flotation concentrate is hard to get naturally defoamed because the foam is highly stable and viscous in nature. To tackle this problem, experimental study is made on the feasibility of defoaming through mechanical agitation with the flotation concentrate from Shenhuo mining area, Henan Province as the object of study. Result of test shows that the agitator speed, stirring time and number of blades all exert significant or noticeable effect on defoaming efficacy. Among them, the number of blades plays a most pronounced role which is followed by stirring time, with the stirring speed producing a least influence. With the increase of speed and number of blades, the rate of defoaming tends to first go up and then drop down. With the increase of stirring time, the defoaming rate is seen to first increase and then remain stable. An optimum defoaming performance can be expected at a stirring speed of 418 r/m, a stirring time of 3 minutes and a number of 4 blades. In this case, the defoaming rate is up to 84.93 percent on average.

flotation concentrate froth; mechanical agitation; stability; viscosity; defoaming rate

1001-3571(2016)01-0019-05

TD943

A

2016-01-08

10.16447/j.cnki.cpt.2016.01.005

徐 勝(1982—)，男，重慶市豐都縣人，工程師，從事選煤廠設(shè)計(jì)管理工作。

E-mail:hyxs118@126.com Tel: 15836936055