超聲波輔助選煤裝置研究

侯瑞華

（華晉焦煤有限責任公司沙曲選煤廠，山西 柳林 033300）

引言

高檔煤炭產品的有限可用性和廣泛的工業需求，迫使許多行業依賴進口煤炭來滿足其需求。為了滿足未來的煤炭需求，避免進口昂貴的高品位煤炭，應強調高效、充分地利用低品位煤炭。與高品位煤不同，高灰分、礦物雜質和低碳值等問題阻礙了低品位煤的工業應用。除此之外，它還可能含有各種碳酸鹽、長石、磷酸鹽、方沸石、硫化物和硫酸鹽[1]。由于這些有害雜質的存在，直接利用未經選礦的低品位煤是不可取的。對于工業規模的煤炭清潔，常用選礦技術有物理和化學選礦技術。這些技術存在工藝效率低，煤表面存在煤泥涂層等缺陷。加入超聲波可以顯著提高處理效率消耗和較低的試劑消耗，這為未來的研究提供了方向。

1 超聲波機理

幾十年來超聲波在煤炭加工中的應用一直是研究的熱點如圖1 所示。超聲波產生聲空化和聲流現象[2],聲空化現象在20～40 kHz 的低頻率范圍內最為顯著，而聲流在400 kHz 和1 MHz 以上的超聲波和兆音速中占主導地位。低頻煤炭加工最為有效，在聲空化過程中，超聲波激活會破壞溶液相中分子的吸引力，如圖2 所示，在超聲波振動的影響下，水介質經歷了交替的稀疏和壓縮循環。

圖1 超聲波在煤炭加工中的應用

圖2 煤加工的超聲波機理

2 超聲波輔助物理選煤

2.1 超聲波煤漿預處理

物理選礦工藝主要用于根據物理性質（如比重）的差異，將煤從煤灰雜質中分離出來。物理選礦工藝適用于優質煤。然而，當處理低品位煤時，尤其是對于含硫量高、煤泥涂層過多以及基質中存在化學結合雜質的煤，它們的效果較差。為了提高這些過程的性能，采用超聲波作為預處理，已開發了各種類型的超聲波設備[3-5]，如表1 所示。

表1 超聲波設備

煤漿處理由下頁圖3 設備組成，用于在超聲波的幫助下處理煤漿，通過比重差異從煤中分離灰分和硫。該設備包括一個垂直導管，煤漿通過該導管，然后用超聲波進行處理，超聲波頻率在范圍內，最好在70～90 kHz 之間。該方法包括三個步驟，一是將煤和水混合形成煤漿；二是選用80 kHz 頻率對煤漿進行超聲波處理，以打破灰分、硫與煤的物理結合；三是使用振動篩設備從煤中物理分離灰分和硫，以獲得灰分和硫含量降低的潔凈煤。

圖3 煤漿預處理裝置

實驗結果表明，潔凈煤產量從3%提高到10%，潔凈煤的提取量增加，以及降低經處理煤的硫、汞、灰分和水分含量。這些結果歸因于氣泡空化產生的超聲波沖擊波，氣泡空化破壞了形成礦物雜質的煤和灰之間的固有鍵，并擦洗了煤顆粒中的雜質。空化也有助于清除煤表面上不需要的粘土顆粒、煤泥、水凝膠和氧化產物。

2.2 超聲波振動托盤

超聲波振動托盤如圖4 所示，該方法涉及通過以下方式制備煤漿，保持煤和水的體積相等，并將預磨好的漿料送入垂直傾斜的裝置托盤板中，托盤板由超聲波組成傳感器安裝在其下表面，在泥漿運動過程中產生強烈的振動波，重力施加在泥漿上的強烈振動波會導致灰雜質和煤之間的物理微觀洗滌效果。經過水力旋流器、螺旋分離器等物理過程后，使用該設備處理的泥漿選礦機、振動臺、離心機、篩網和螺旋分級機顯示出更大程度的脫礦。

圖4 超聲波振動托盤裝置

煤泥濕篩成不同的組分如表2 所示，濕法篩分后得到的煤餾分在一臺超聲波發生器中進行超聲處理使用含聲波探頭的脫泥裝置的水系統（直徑3.8 cm，10 kHz，350 W），強度為0.5 W/cm2，脈沖數為10（每5 s）和在聲波傳播過程中脫出尺寸過小的顆粒將作為水懸浮液從儀器中移除處理。實驗裝置的示意圖如圖5所示。灰燼超聲脫出的尺寸過小顆粒的含量變化范圍為55%（對于8×16 目）～86.9%（對于50×100 目）的質量。表2 列出了不同煤種聲波脫泥前后灰分含量的比較。與散裝相比發現了超聲波脫泥樣品的灰分含量降低在50 s，超聲波處理時間后，觀察到30×50 目鎳脫泥組分的除灰率較高，為31.1%，不同餾分的可燃值回收率范圍為97.6%～99.8%。聲波處理后灰分含量的降低歸因于與煤相關的煤泥和細粘土顆粒的去除。該脫泥步驟被認為是必要的，因為煤泥的存在會干擾后續浮選或油凝聚過程中的煤試劑相互作用。

表2 不同粒級的灰分含量

圖5 超聲波輔助脫泥系統

3 結語

利用超聲波空化作用改進物理選礦脫泥裝置，超聲波處理有助于去除氧化表面低品位煤中存在的灰層、雜質和硫。提高現場的灰分和硫去除率降低化學品消耗，縮短處理時間。通過超聲波可以在更短的處理時間、更低的能耗和更低的試劑消耗下提高工藝回收率。基于超聲波的煤炭選礦技術的發展將有效生產潔凈煤，緩解環境問題，以及加強一個國家的能源安全。