煤泥在傾斜板窄通道中的分選研究和實(shí)踐

張紅霞

（霍州煤電集團(tuán)汾河焦煤有限公司回坡底煤礦，山西 洪洞 041600）

煤炭是我國能源消耗的主體，作為一種不可再生化石燃料，直接燃燒或者不充分利用將會造成能源的浪費(fèi)和環(huán)境污染。因此，需要對煤炭進(jìn)行分選，才能最大限度地利用煤炭資源［1-2］。鑒于我國煤炭儲量最為豐富的是低階煤，該類型煤炭因?yàn)闃O易破碎，疏水性能差，分選難度大［3］，因此搞好對低階煤的分選是解決煤炭儲量日益減少，提高資源合理利用的有效途徑。浮選作為煤泥分選的一種工藝，已有眾多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)方面的研究，并取得了很多較好的應(yīng)用效果［4-6］。針對回坡底煤礦傾斜板窄通道煤泥分選效果較差的現(xiàn)狀，從理論分析入手，在不改變分選工藝的情況下，通過理論計(jì)算得到最佳的分選參數(shù)，為采用傾斜板窄通道進(jìn)行煤泥分選的礦井提供了重要參考。

1 傾斜通道中顆粒的運(yùn)動機(jī)理

流化床設(shè)備的應(yīng)用得益于科學(xué)技術(shù)水平的不斷發(fā)展。當(dāng)液體在流動時(shí)，流動產(chǎn)生的運(yùn)動阻力可以分離不同密度的流體，因此，以水為介質(zhì)進(jìn)行礦物分離的工藝得到了普遍應(yīng)用。通過控制水的流速便可分離不同密度的礦物顆粒，當(dāng)上升水流產(chǎn)生的應(yīng)力和礦物顆粒沉降阻力值相等時(shí)，礦物顆粒處于懸浮狀態(tài)，此時(shí)密度較大的物質(zhì)沉降，密度較小的物質(zhì)上浮，利用這種原理實(shí)現(xiàn)礦物的分選。而在實(shí)際分選過程中，待處理的礦物中顆粒粒徑差異大，因?yàn)槌练e礦物顆粒的存在，導(dǎo)致分選精度下降，往往不能達(dá)到分選特定礦物的目的。

圖1 傾斜通道中顆粒的運(yùn)動軌跡

傾斜通道中礦物顆粒的運(yùn)動軌跡如圖1所示，定義傾斜通道中的水流速度方向一致且大小相等，礦物顆粒之間的運(yùn)動互不干擾，當(dāng)?shù)V物顆粒運(yùn)動至傾斜通道的板面后，礦物顆粒不再受力順著板面自動下滑。在上述定義下，假設(shè)水的流動速度為U，單位m/s；礦物顆粒某一時(shí)刻運(yùn)行速度為Ut，單位m/s；礦物顆粒在x方向的運(yùn)行距離為Z，單位m；礦物顆粒在y方向的運(yùn)行距離為L，單位m；根據(jù)動力學(xué)理論，當(dāng)?shù)V物顆粒的運(yùn)行距離比L/Z增加時(shí)，礦物顆粒的運(yùn)行速度可以達(dá)到較高的值。為達(dá)到這一目的，可增大L值，意味著設(shè)備的長度增加，成本較高，因此減小Z值比較合理。當(dāng)Z值較小時(shí)，礦物顆粒的運(yùn)行速度得到提升，運(yùn)動至板面的礦物顆粒不會直接沿著板面下滑，而是會出現(xiàn)再懸浮狀態(tài)，這一狀態(tài)才能進(jìn)入溢流。

針對這一現(xiàn)象，K.Walton進(jìn)行了詳細(xì)的研究，并提出以下假設(shè)：當(dāng)L/Z的比值很大時(shí)，不同粒徑的礦物顆粒均會達(dá)到板面位置；當(dāng)?shù)V物顆粒的上浮力較大時(shí)，礦物顆?？梢詫?shí)現(xiàn)在板面的自由運(yùn)動；未受到上浮力的礦物顆粒則會順著板面下滑，當(dāng)流體的雷諾數(shù)小于1 400時(shí)，才會處于層流狀態(tài)。

定義傾斜板窄通道的寬度為d，礦物顆粒某一時(shí)刻運(yùn)行速度Ut在y方向的分量為Uy，則礦物顆粒在某一時(shí)刻y方向的速度分量Uy等于d/2處的水流速度，則存在以下關(guān)系式：

從公式中可以看出，礦物顆粒的運(yùn)行速度與板間的水速以及板間距有著密切的關(guān)系，處于過渡區(qū)的礦物顆粒物幾乎完全不受顆粒尺寸的影響，而粗煤泥顆粒正好處于過渡區(qū)內(nèi)，因此可根據(jù)此理論對粗煤泥在傾斜板窄通道內(nèi)進(jìn)行分選，并可完全實(shí)現(xiàn)按密度分選。

2 傾斜通道中不同水速對脫泥工藝的研究

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，在傾斜通道得到的溢流產(chǎn)品中，粒徑小于0.045 mm的煤泥的占比能達(dá)到50%，且這一部分煤泥的灰分較高，最高達(dá)到45%。這種高灰分的煤泥已經(jīng)嚴(yán)重影響到產(chǎn)品的質(zhì)量，因此必須進(jìn)行脫泥工作。而煤泥脫泥工作的原理即為傾斜通道中礦物顆粒的運(yùn)動機(jī)理，考慮到板間距無法改變，因此只能改變水速研究脫泥效果。

此次試驗(yàn)的水流速度分別為0.004 8 m/s、0.053 m/s以及0.006 1 m/s，分別記作一組、二組、三組，統(tǒng)計(jì)不同水流速度下不同粒徑的粗煤泥溢流、底流結(jié)果，得到如表1所示的結(jié)果。

表1 不同水流速度下不同粒徑的粗煤泥溢流、底流統(tǒng)計(jì)結(jié)果

從表1中可以看出，當(dāng)傾斜板窄通道的間距為6 mm時(shí)，不同水流速度對煤泥的分選結(jié)果影響巨大，當(dāng)水速分別為0.004 8 m/s、0.053 m/s、0.006 1 m/s時(shí)，得到的溢流產(chǎn)品中粒徑小于0.045 mm的占比分別達(dá)到83.98%、75.32%、60.35%，且此時(shí)的灰分均較高，均大于40%；而當(dāng)水流速度增大時(shí)，得到的溢流產(chǎn)品中同一尺度粒徑的煤泥的含量呈現(xiàn)增大的趨勢；這就間接說明隨著水流的增大，粒徑較大的煤泥隨水分配的概率增大，在相對較低的水流速度下，得到的灰分較高、粒徑較小的煤泥含量較大。在底流產(chǎn)品中，粒徑小于0.125 mm的產(chǎn)品占比較小，占據(jù)主導(dǎo)地位的是粒徑范圍在0.125～0.5 mm的煤泥。根據(jù)表中統(tǒng)計(jì)結(jié)果，按照水流速度從高到低的速度，底流產(chǎn)品中得到的精煤比例依次為20.68%、33.56%和20.36%，對應(yīng)的灰分依次為21.25%、22.36%和22.32%，相比原煤中34.65%的灰分均有了明顯的降低。根據(jù)得到產(chǎn)品的產(chǎn)率和灰分來看，水的流速為0.048 m/s下脫泥效果最佳。

為了更明顯的反應(yīng)不同水流速度下產(chǎn)品的灰分變化，統(tǒng)計(jì)不同水流速度下底流產(chǎn)品灰分隨平均粒度的變化規(guī)律，繪制不同水流速度下底流產(chǎn)品灰分平均粒度的變化曲線結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出，隨著粒度的增加，煤泥灰分呈現(xiàn)降低的趨勢，隨著水流速度的增加，粗煤泥灰分呈現(xiàn)增加的趨勢，這一趨勢在平均粒徑大于0.2 mm時(shí)更加明顯，因此說明了水流速度對于煤泥分配現(xiàn)象有明顯影響，水流速度越大，這一現(xiàn)象越明顯，水流速度越小，煤泥隨水分配現(xiàn)象不明顯。

圖2 不同水流速度下底流產(chǎn)品灰分隨平均粒度的變化曲線

3 經(jīng)濟(jì)效益分析

基于上述研究，2016年整年礦井可洗原煤總共2.30 Mt，礦井效益分析如下：

1）總精煤產(chǎn)率提高2%，精煤銷售價(jià)450元/噸、中煤150元/噸。新增利潤為：2.30 Mt/a×2%×（450元/噸-150元/噸）=1 380萬元/年

2）介耗按減少0.5 kg/t原煤計(jì)算，介質(zhì)價(jià)格按1 400元/t。新增利潤為：（2.30 Mt/a×0.5/1 000）×1 400=161萬元/年

3）浮選系統(tǒng)入料量減少20%，0.25～0.5 mm煤泥含量約按3.25%計(jì)算，浮選藥劑煤油按每噸煤泥1 kg計(jì)算,仲辛醇藥劑按每噸煤泥0.07 kg計(jì)算，煤油0.9萬元/噸，仲辛醇1.1萬元/噸。新增利潤為：

煤油：2.30 Mt/a×3.25%×1 kg/t/1 000×0.9萬元/噸=67.28萬元/年

仲辛醇：2.30 Mt/a×3.25%×0.07 kg/t/1 000×1.1萬元/噸=5.8萬元/年

4）重介系統(tǒng)小時(shí)處理能力按提高10%計(jì)算,目前重介系統(tǒng)處理能力約為388 t/h時(shí)，相當(dāng)于節(jié)省38.8 t/h的選煤成本，噸煤加工費(fèi)按30元計(jì)算，新增利潤為：38.8 t/h×30元/噸×330天×16小時(shí)=819.46萬元/年。

2016年共計(jì)新增利潤為：2 433.54萬元。

4 結(jié)論

1）基于礦物洗選工藝中傾斜通道中礦物顆粒的運(yùn)動機(jī)理研究，處于過渡區(qū)的礦物顆粒物幾乎完全不受礦物顆粒尺寸的影響。因此可根據(jù)此理論對粗煤泥在傾斜板窄通道內(nèi)進(jìn)行分選，并可完全實(shí)現(xiàn)密度分選。

2）研究水速分別為0.004 8 m/s、0.053 m/s、0.006 1 m/s時(shí)煤泥分選結(jié)果，發(fā)現(xiàn)隨著水流的增大，粒徑較大的煤泥隨水分配的概率增大，在相對較低的水流速度下，得到的灰分較高、粒徑較小的煤泥含量較大。

3）綜合分析不同水流速度下的分選結(jié)果，水的流速為0.048 m/s下脫泥效果最佳，經(jīng)濟(jì)效益最佳。