選煤廠浮選工藝系統(tǒng)的研究

高旭鵬

(1.河南理工大學(xué)安全學(xué)院，河南 焦作 454000；2.潞安集團(tuán)中小企業(yè)廣源公司，山西 長治 046025)

引 言

煤炭資源是我國需求量最大的一次性能源，并且隨著國民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人類社會對煤炭資源依舊保持著旺盛的需求，為了確保市場上煤炭資源的充足供應(yīng)，各煤炭生產(chǎn)企業(yè)不斷引進(jìn)新型的采煤設(shè)備，使得煤炭開采的深度、效率均得到了極大的提升。但是隨著優(yōu)質(zhì)煤炭資源的不斷減少，人們開始加大對儲存條件差的煤炭資源的開采力度，因其中石英、白云母等雜質(zhì)的含量較高，導(dǎo)致原煤的灰分越來越高，使現(xiàn)有選煤廠的浮選工藝方法已經(jīng)不能適應(yīng)復(fù)雜成分原煤的分選要求，因此，開展新的煤炭浮選方法的研究對于提升我國煤炭資源的浮選效率和浮選質(zhì)量具有十分重大的意義。

1 浮選過程中煤表面作用理論

煤泥浮選是一種根據(jù)物體表面的物理和化學(xué)性質(zhì)對原煤進(jìn)行過濾的工藝方法，在分選過程中影響煤泥分選效果的主要因素包括固-液、氣-液、氣-固的界面特征及在分選時(shí)的相互作用。當(dāng)在分選時(shí)的煤泥顆粒上有足夠氣泡的吸附是煤炭浮選過程正常進(jìn)行的必要條件，在浮選過程中煤粒和泡沫結(jié)合的概率可看作是3組獨(dú)立概率的乘積，可表示為式(1)。

P=Pa×Pc×Pd

(1)

式中：Pa為顆粒和泡沫碰撞后附著的概率；P為顆粒和泡沫形成聚合體的概率；Pc為顆粒和泡沫發(fā)生碰撞的概率；Pd為顆粒和泡沫結(jié)合后不分離的概率。

通常情況下，浮選過程中極細(xì)顆粒一旦和泡沫形成聚合體后其分離的概率基本可以忽略不計(jì)，因此，在浮選過程中煤粒和泡沫結(jié)合的概率又可表示為式(2)。

P=Pc×Pd

(2)

在浮選過程中，煤泥顆粒與上升氣泡發(fā)生碰撞、形成聚合體的概率主要由煤泥顆粒的半徑Rg和上升氣泡的半徑Rb決定，根據(jù)前人對煤泥顆粒與上升氣泡運(yùn)動(dòng)時(shí)的流體動(dòng)力學(xué)方程的研究，其發(fā)生碰撞的概率可表示為式(3)[1]。

(3)

式中：A、n表示隨著氣泡的雷諾數(shù)變化的相對參數(shù)。根據(jù)長期試驗(yàn)研究，在正常的浮選方法中取n=2，因此可以發(fā)現(xiàn)，煤泥的顆粒越大其在浮選的過程中與氣泡結(jié)合的概率會越大。

在正常的煤泥浮選過程中，當(dāng)煤泥顆粒和氣泡在浮選過程中發(fā)生碰撞的時(shí)候并不能完全發(fā)生附著，發(fā)生結(jié)合時(shí)在煤泥顆粒和氣泡之間會形成一層薄薄的水膜，而固、液、氣的三種狀態(tài)的接觸和水膜的破裂是煤泥顆粒和氣泡有效捕捉的前提條件，如果水膜開裂的實(shí)際時(shí)間小于顆粒和氣泡相碰撞的時(shí)間，這時(shí)，顆粒將會和氣泡發(fā)生相結(jié)合，當(dāng)氣泡和顆粒間的非均勻的水膜比較穩(wěn)定時(shí)，其結(jié)合的概率會適當(dāng)?shù)慕档?。這是因?yàn)樗し€(wěn)定性主要是依靠于水膜的結(jié)構(gòu)力。

因?yàn)樗さ臉O性表面很強(qiáng)，需要考慮煤泥顆粒表面和水分子之間及水分子之間相互的吸引作用，所以，水膜可以看成是具有厚度和結(jié)構(gòu)的彈性實(shí)體。

由此可得出在浮選時(shí)極性液體中微小顆粒之間的結(jié)構(gòu)力πs的表達(dá)式[2]，見式(4)。

(4)

式中：h為溶劑化膜的厚度，mm；L為溶劑化膜厚度的衰減度有關(guān)的特性長度，mm；K為液體性質(zhì)參數(shù)，當(dāng)為親水屬性時(shí)k>0，當(dāng)為疏水表面時(shí)k<0；S為微小離子的表面積，mm2。

通過分析及對石英、白云母表面水膜的結(jié)構(gòu)力πs的試驗(yàn)結(jié)果表明，其反應(yīng)時(shí)的排斥結(jié)構(gòu)壓經(jīng)常發(fā)生在h≤8 mm的范圍內(nèi)，且πs與h的關(guān)系遵循上述方程。

2 脫泥浮選機(jī)理研究

根據(jù)現(xiàn)有選煤廠的浮選方式，脫泥浮選主要是指煤泥水在經(jīng)過選煤廠的脫泥設(shè)備進(jìn)行脫泥處理后，通過煤漿處理設(shè)備進(jìn)入到浮選機(jī)內(nèi)進(jìn)行浮選，而脫泥裝置溢流則直接與浮選尾煤共同進(jìn)行脫水后進(jìn)行煤泥的回收，其工藝流程如圖1所示。

圖1 脫泥浮選工藝流程

Ⅰ作業(yè)區(qū)：主要是作為重選作業(yè)區(qū)及重選后產(chǎn)物的脫介及粗煤泥的回收區(qū)域；

Ⅱ作業(yè)區(qū)：主要作為作業(yè)區(qū)的煤泥水的澄清和濃縮的區(qū)域，其中含有細(xì)煤泥的溢流是進(jìn)入到作業(yè)區(qū)的尾泥濃縮工序而不是作為循環(huán)水來使用；

Ⅲ作業(yè)區(qū)：主要是作為煤泥的分選區(qū)域，其包括浮選的精煤的脫水回收作業(yè)和浮選作業(yè)2個(gè)環(huán)節(jié)；

Ⅳ作業(yè)區(qū)：主要是浮選煤礦尾煤濃縮回收的區(qū)域。

濃縮脫媒的循環(huán)系數(shù)可表示為[3]式(5)。

(5)

式中：a為重選后產(chǎn)物中煤泥的分配系數(shù)；b為原煤煤泥中濃縮機(jī)底流中煤泥的分配系數(shù)；c為浮選時(shí)尾煤的產(chǎn)率值；d為再生洗水中含有煤泥的分配系數(shù)。

3 脫泥浮選應(yīng)用效果分析

根據(jù)分析可知，當(dāng)在Ⅳ作業(yè)區(qū)內(nèi)有足夠煤泥的沉淀面積，并配合一定比例的絮凝劑即可使煤泥進(jìn)行合理的沉淀，并獲得再生水，此時(shí)，再生水中所含煤泥的成分已經(jīng)非常低，可將此時(shí)濃縮脫媒的循環(huán)系數(shù)計(jì)算式中煤泥的分配系數(shù)設(shè)置為d=0，脫泥浮選的循環(huán)系數(shù)K可以簡化成式(6)。

(6)

通過分析可知，對于煤泥水系統(tǒng)，通過增加底流的排放量，來增加煤泥底流中的固體產(chǎn)物的b值，可以有效地降低煤泥循環(huán)系數(shù)K的數(shù)值，而在原有洗煤工序中通過設(shè)置原煤濃縮機(jī)的方式來增加脫泥浮選的效果，不僅投入小，而且效果好 ，能夠提高煤炭洗選加工的效率和質(zhì)量。

4 結(jié)論

本文通過對目前我國選煤廠選煤方法的分析研究，確定了影響煤炭洗選效率的主要因素，針對性地對選煤時(shí)浮選過程中煤表面作用理論進(jìn)行了分析研究，在此基礎(chǔ)上提出了一種新的脫泥濃縮洗煤方案，并對其作用機(jī)理和作用效果進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，脫泥濃縮洗煤方案能夠很好地適應(yīng)不同成分原煤的分選，解決了浮選入料時(shí)煤泥的灰分偏高、細(xì)泥產(chǎn)生率高的難題，具有十分可觀的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。