流態(tài)化浮選氣泡直徑對粗粒中煤分選效果的影響研究

張 晗，李 超，曹亦俊

(1.鄭州大學(xué) 河南省資源與材料工業(yè)技術(shù)研究院，河南 鄭州 450001；2.鄭州大學(xué) 化工學(xué)院，河南 鄭州 450001)

0 引 言

流態(tài)化浮選是1種將干擾床分選與浮選結(jié)合的新興粗粒分選技術(shù)，即通過在浮選設(shè)備內(nèi)產(chǎn)生一定速度的上升水流以降低顆粒的沉降末速度，使得顆粒保持懸浮狀態(tài)，為粗顆粒創(chuàng)造適宜的靜態(tài)流場環(huán)境，同時浮選氣泡的引入改變煤和矸石顆粒之間的密度差異，提高煤炭顆粒浮選粒度上限，最終實現(xiàn)粗顆粒煤的高效分選[1-4]。

王東東[5]應(yīng)用流態(tài)化浮選技術(shù)，分別對不同粒級煤炭顆粒進(jìn)行實驗，使用Design-Expert 8.0軟件，歸納出不同粒徑煤炭顆粒的最佳分選條件。李寧波[6]通過電導(dǎo)探針法研究流化床浮選中表觀氣速、表觀液速和填充床層高度等對氣泡大小的影響，并分析其對于不同粒級浮選效果的影響。Tariqul Islam[7]通過水力浮選設(shè)備(HydroFloat)在不充氣的條件下模擬了球形顆粒與非球形顆粒對表觀液速和流化床層的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：非球形顆粒比球形顆粒具有更高的床層壓力降和床層膨脹度，進(jìn)一步為三相流態(tài)化浮選建立研究基礎(chǔ)。Jameson等[8]在NovaCell流態(tài)化浮選柱中將煤顆粒的浮選粒度提高至2 mm，可燃物回收率高達(dá)96.7%。

大量研究表明，氣泡尺度不僅影響浮選回收率和浮選速率，還影響浮選的選擇性[9-12]。在流態(tài)化浮選過程中，氣泡與目的礦物黏附，形成氣泡—顆粒聚集體，改變了目的粗礦物顆粒的視密度，在上升水流的推動作用力下溢流進(jìn)入精礦中，強化顆粒密度而弱化了顆粒粒度對分選的影響[13]。沈正昌[14]在前人的研究基礎(chǔ)上總結(jié)如下：對于粗顆粒浮選，一定量的小氣泡存在有利于粗顆粒礦物回收，主要由于小氣泡先覆蓋在粗顆粒礦物表面，相當(dāng)于第2種捕收劑，可促進(jìn)大氣泡與粗顆粒的黏附，從而提高粗顆粒浮選效率。

實驗選用(2～0.15)mm煤炭顆粒，通過改變氣泡發(fā)生器的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生2種不同尺度分布的氣泡群，探究在三相流態(tài)化浮選中氣泡直徑對不同入粒級煤炭顆粒分選效果的影響。

1 實驗裝置與方案

實驗所用的煤樣取自山西某選煤廠的中煤，將選取的煤樣預(yù)先篩分至<2 mm粒級，并采用標(biāo)準(zhǔn)篩將小于2 mm煤粒篩分成(0.45～0.15)mm、(1～0.45)mm、(2～1)mm的3個粒級煤粒，篩除<0.15 mm粒級煤粒，再將上述各粒級分別篩分至(0.22～0.15)mm、(0.3～0.22)mm、(0.45～0.3)mm、(0.6～0.45)mm、(0.9～0.6)mm、(1～0.9)mm、(1.18～1)mm、(1.7～1.18)mm、(2～1.7)mm該9個粒度級，各粒級煤稱重并測得灰分。

實驗所用煤樣各粒級質(zhì)量分?jǐn)?shù)及灰分見表1，實驗所用裝置如圖1所示。

表1 各粒級煤顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)及灰分

圖1 實驗裝置結(jié)構(gòu)示意

在相同的氣速和液速條件下，采用2種結(jié)構(gòu)參數(shù)不同的氣泡發(fā)生器5(分別記為1號和2號)來產(chǎn)生2種尺度分布不同的氣泡，預(yù)先通過高速動態(tài)攝像機捕獲2種氣泡群的分布，并通過Image J 6.0軟件對照片進(jìn)行處理分析，采用索特平均直徑法測得2種氣泡發(fā)生器所產(chǎn)生氣泡的平均直徑d32(如圖2箱線圖所示)，并統(tǒng)計分析了2種氣泡發(fā)生器下的氣泡直徑分布，如圖3所示。筆者定義氣泡直徑d<600 μm的區(qū)域為小氣泡群區(qū)域，d≥600 μm的區(qū)域為大氣泡群區(qū)域。1號氣泡發(fā)生器產(chǎn)生氣泡直徑顯著小于2號。

圖2 不同氣泡發(fā)生器下氣泡平均直徑

圖3 不同氣泡發(fā)生器下氣泡直徑分布

如圖1裝置流程中，分別選取(0.45～0.15)mm、(1～0.45)mm、(2～1)mm粒度級煤樣作為分選入料，1號氣泡發(fā)生器作為氣泡產(chǎn)生裝置。將煤樣預(yù)先在調(diào)漿桶1中進(jìn)行調(diào)漿(質(zhì)量分?jǐn)?shù)38%)，加入捕收劑(煤油，按照1 000 g/t用量添加)。預(yù)先在多級沉降槽中注入一定量清水，加入起泡劑(MIBC，按照20 μg/g用量添加)，開啟出口閥10和水泵13，調(diào)節(jié)液體流量計9至液速為14 L/min，使得流態(tài)化浮選設(shè)備4充滿循環(huán)液體；打開空氣壓縮機泵8，調(diào)節(jié)氣體流量計至氣速為4 L/min，使得流態(tài)化浮選設(shè)備內(nèi)產(chǎn)生穩(wěn)定上升的氣泡；待調(diào)漿桶和流態(tài)化浮選設(shè)備運行穩(wěn)定后，打開閥門2，調(diào)節(jié)礦漿流量計至1.5 L/min；礦漿進(jìn)入流態(tài)化浮選設(shè)備后，上升氣泡群黏附煤炭顆粒，有效改變其視密度，使其有效重力減小，沉降末速度低于上升水流速度的顆粒溢出溢流槽，進(jìn)入多級沉降槽中成為精煤，沉降末速度大于上升水流的顆粒進(jìn)入尾礦槽中成為尾煤。烘干多級沉降槽和尾礦槽中的精尾煤樣，分別稱重并篩分至(0.22～0.15)mm、(0.3～0.22)mm、(0.45～0.3)mm、(0.6～0.45)mm、(0.9～0.6)mm、(1～0.9)mm、(1.18～1)mm、(1.7～1.18)mm、(2～1.7)mm該9個粒度級，測得各粒級煤炭顆?；曳?。

更換氣泡發(fā)生器為2號，其他步驟與上述步驟一致。

2 結(jié)果與討論

2.1 顆粒在不同氣泡群的總體分選結(jié)果

依次選用(0.45～0.15)mm、(1～0.45)mm、(2～1)mm該3種粒度級范圍的煤炭顆粒原料，控制相同的氣速與液速條件，在2種不同的氣泡發(fā)生器條件下進(jìn)行流態(tài)化浮選實驗，過濾、烘干并稱重精尾煤總質(zhì)量，測得其灰分，計算出各煤炭粒度級顆粒浮選精煤產(chǎn)率和灰分。不同入料粒徑的煤炭顆粒浮選產(chǎn)率和回收率如圖4所示。

圖4 各粒級煤炭顆粒在不同氣泡大小條件下的精煤產(chǎn)率

由圖4可知，隨著入料粒度級的增大，精煤產(chǎn)率逐漸減小，表明隨著顆粒粒徑的增大，該粒度級煤炭顆粒的沉降末速度增大，更易從黏附的氣泡表面脫落，減弱了氣泡黏附顆粒并改變其所需浮力的作用，更多粗粒精煤進(jìn)入尾煤中[15]。對比2種氣泡群條件下的浮選產(chǎn)率和灰分發(fā)現(xiàn)：在低粒度級(0.45 mm～0.15 mm)和高粒度級(2 mm～1 mm)入料原煤條件下，1號氣泡發(fā)生器條件下流態(tài)化浮選的精煤灰分略高于2號氣泡發(fā)生器條件下的流態(tài)化浮選精煤灰分，而在中間粒度級(1 mm～0.45 mm)條件下灰分顯著低于2號氣泡發(fā)生器條件下的流態(tài)化浮選精煤灰分，結(jié)果說明具有較多微小尺度氣泡含量的氣泡群比具有較多大尺徑氣泡含量的氣泡群更有利中間粒度級的煤炭流態(tài)化浮選。低粒度級和高粒度級入料浮選時，1號氣泡發(fā)生器的浮選精煤產(chǎn)率均大于2號氣泡發(fā)生器，但對于中間粒級入料時，1號氣泡發(fā)生器的浮選精煤產(chǎn)率小于2號氣泡發(fā)生器。

2.2 顆粒在不同氣泡群的分粒級分選結(jié)果

將上步各粒度級原煤入料經(jīng)流態(tài)化浮選后的精尾煤再次篩分成(0.22～0.15)mm、(0.3～0.22)mm、(0.45～0.3)mm、(0.6～0.45)mm、(0.9～0.6)mm、(1～0.9)mm、(1.18～1)mm、(1.7～1.18)mm、(2～1.7)mm該9個粒度級，稱重并測得其灰分。精尾煤各粒級含量及灰分關(guān)系如圖5所示。由圖5可知，各粒度級中煤經(jīng)流態(tài)化浮選后精尾煤均出現(xiàn)分級現(xiàn)象，且1號所產(chǎn)生的氣泡群條件下浮選后分級程度比2號所產(chǎn)生的氣泡群條件下浮選后的分級程度低。

圖5 不同粒徑煤炭顆粒在不同氣泡群條件下精尾煤的分級質(zhì)量含量及灰分關(guān)系

入料粒度級為(0.45～0.15)mm時，精尾煤分粒級中1號所產(chǎn)生氣泡群條件下的精尾煤灰分均大于2號所產(chǎn)生氣泡群條件下的灰分，對于(0.22～0.15)mm和(0.3～0.22)mm粒度級，1號所產(chǎn)生氣泡群條件下的精尾煤產(chǎn)率略小于2號所產(chǎn)生氣泡群條件下的精尾煤產(chǎn)率，但對于(0.45～0.3)mm粒度級，1號所產(chǎn)生氣泡群條件下的精尾煤產(chǎn)率略大于2號所產(chǎn)生氣泡群條件下精尾煤產(chǎn)率。

入料粒度級為(1～0.45)mm時，精尾煤分粒級中1號所產(chǎn)生氣泡群條件下的精煤灰分均小于2號，尾煤灰分均大于2號；對于(0.6～0.45)mm和(0.9～0.6)mm粒度級，1號所產(chǎn)生氣泡群條件下的精尾煤產(chǎn)率略小于2號所產(chǎn)生氣泡群條件下的精尾煤產(chǎn)率，但對于(1～0.9)mm粒度級，1號所產(chǎn)生氣泡群條件下的精尾煤產(chǎn)率略大于2號所產(chǎn)生氣泡群條件下的精尾煤產(chǎn)率。

入料粒度級為(2～1)mm時，精尾煤分粒級中，1號所產(chǎn)生氣泡群條件下的尾煤灰分均大于2號；精煤灰分對于(1.18～1)mm和(1.7～1.18)mm兩個分粒度級無明顯差別，而分粒度級為(2～1.7)mm時，1號的精煤灰分大于2號的精煤灰分；分粒度級為(1.18～1)mm時，1號的精尾煤產(chǎn)率略小于2號的精尾煤產(chǎn)率，而分粒度級為(1.7～1.18)mm和(2～1.7)mm時，1號的精尾煤產(chǎn)率均大于2號的精尾煤產(chǎn)率。

綜上所述，各粒度級入料經(jīng)過流態(tài)化浮選后，均出現(xiàn)分級現(xiàn)象。精尾煤的分級分析中，對于較粗的粒度級顆粒，1號的精尾煤產(chǎn)率均大于2號的精尾煤產(chǎn)率。中間粒度級(1 mm～0.45 mm)原煤入料時，1號所產(chǎn)生氣泡群條件下的分選效果顯著優(yōu)于2號所產(chǎn)生氣泡群條件下的分選效果，分級程度更低，進(jìn)一步說明具有較高含量小氣泡的氣泡群更有利于中間粒度級的煤炭流態(tài)化浮選回收。

3 結(jié) 論

針對流態(tài)化浮選中氣泡直徑對粗粒中煤分選效果的影響進(jìn)行研究，主要結(jié)論如下：

(1)隨著中煤入料粒度級的增大，流態(tài)化浮選的精煤產(chǎn)率和回收率逐漸減小。

(2)不同粒級原煤入料條件下，氣泡尺度減小有利于中間粒度級流態(tài)化浮選回收。

(3)流態(tài)化浮選后的精尾煤粒度出現(xiàn)分級現(xiàn)象，而減小氣泡尺度可有效減小較粗粒度級的分級程度。