射流-攪拌耦合式煤泥浮選裝置設(shè)計與試驗研究

朱金波，韓有理，費之奎，王 超，周 偉，朱宏政，朱再勝，王海楠，張 勇，馮岸岸

(安徽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

煤炭清潔高效利用是產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展的需要[1]。2017年我國原煤入選率高達(dá)70.2%，同比增長1.3%[2]；其中微細(xì)煤泥的處理始終是一個難題，浮選機(jī)作為分選微細(xì)煤泥的有效設(shè)備，一直以來深受各大選煤廠青睞[3-4]。目前常用的浮選設(shè)備有機(jī)械攪拌式浮選機(jī)和噴射式浮選機(jī)兩種，其中機(jī)械攪拌式浮選機(jī)具有吸氣量穩(wěn)定、礦漿循環(huán)效果好等特點[5]；噴射式浮選機(jī)具有能耗低、吸氣量大、氣泡粒徑小等特點[6]。環(huán)空射流噴嘴的研究發(fā)現(xiàn)：噴嘴的吸氣效果隨引射管出口距外噴嘴出口間距與其出口的面積比的增加而增加；裝置產(chǎn)生的氣泡粒徑尺寸隨噴嘴距、入料壓力的增大而逐漸減小[7]。由于攪拌過程的二次切割作用可降低氣泡粒徑，且粒徑分布符合正態(tài)分布規(guī)律[8]，因此提出一種耦合兩種浮選機(jī)多重優(yōu)點的射流-攪拌耦合式浮選裝置，并對其進(jìn)行初步試驗研究。

1 射流-攪拌耦合式浮選裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

環(huán)空射流浮選裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。設(shè)備結(jié)構(gòu)包括固定在主軸的上下布置、等速運動的驅(qū)動輪和攪拌輪構(gòu)件；主軸穿過入料槽頂部，采用密封軸承定位；在入料槽上部，沿中心對稱布置六個環(huán)空噴嘴，噴嘴沿入料槽外壁切向穿入內(nèi)壁，噴嘴中心線與驅(qū)動輪中心線在同一水平面，如A—A視圖所示；出料筒與錐形罩布置在出料筒下部。

1—主軸;2—入料槽;3—環(huán)空噴嘴;4—驅(qū)動輪;5—出料筒;6—錐形罩;7—攪拌輪

環(huán)空噴嘴結(jié)構(gòu)如圖2所示，其結(jié)構(gòu)包括引射管、吸氣管和噴嘴。當(dāng)有壓水介質(zhì)流經(jīng)引射管連續(xù)不斷地高速噴射而出時，可在引射管與噴嘴之間的吸氣區(qū)內(nèi)形成穩(wěn)定的負(fù)壓環(huán)境，引射空氣流，持續(xù)抽吸并壓縮空氣，使空氣流與水介質(zhì)流在噴嘴內(nèi)的混合區(qū)內(nèi)預(yù)先混合。

1—引射管；2—連接環(huán)；3—吸氣管；4—噴嘴；5—吸氣區(qū)；6—混合區(qū)

含氣礦漿射流沖擊到驅(qū)動輪時，沖擊力迫使驅(qū)動輪高速旋轉(zhuǎn)，使處于從動狀態(tài)的攪拌輪等速旋轉(zhuǎn)；入料槽內(nèi)的含氣高速礦漿流沖擊到驅(qū)動輪上后，礦漿被甩向入料槽內(nèi)壁，在重力和離心力的雙重作用下，在出料筒內(nèi)沿螺旋方式向下運動，經(jīng)錐形罩引流至攪拌輪；高速旋轉(zhuǎn)的攪拌輪與驅(qū)動輪將吸入的氣泡微團(tuán)再次切割、彌散成微泡，進(jìn)而促進(jìn)氣泡礦化過程的進(jìn)行[9]。

2 試驗

2.1 試驗系統(tǒng)

浮選系統(tǒng)如圖3所示。浮選槽底部設(shè)置有假底和循環(huán)泵，循環(huán)泵與環(huán)空噴嘴通過管道連接；管道設(shè)置有壓力表、液體流量計，可實時測量工作參數(shù)；環(huán)空噴嘴的吸氣管與玻璃轉(zhuǎn)子流量計連接，抽吸礦漿沖擊驅(qū)動輪旋轉(zhuǎn)，在入料槽上部對礦漿、藥劑進(jìn)行初步預(yù)處理；礦漿、藥劑、氣泡經(jīng)出料筒螺旋運動送至攪拌輪上，進(jìn)行氣泡礦化過程；最終，精礦上浮至液面形成穩(wěn)定的泡沫層，尾礦下沉至槽底排出。圖中黑色虛線箭頭代表浮選裝置內(nèi)及浮選槽內(nèi)礦漿流向，黑色實線箭頭代表外部礦漿流向。

圖3 試驗系統(tǒng)示意圖

在一個噴嘴條件下，進(jìn)行吸氣量試驗研究。其裝置結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)如下：

驅(qū)動輪尺寸/(mm×mm)

30×35

驅(qū)動輪直徑/mm

150

驅(qū)動輪葉片數(shù)/個

6

攪拌輪尺寸/(mm×mm)

30×75

攪拌輪直徑/mm

150

攪拌輪葉片數(shù)/個

5

循環(huán)槽尺寸/(mm×mm×mm)

250×250×600

出料筒直徑/mm

70

攪拌輪距循環(huán)槽底距離/mm

25

入料槽直徑/mm

160

環(huán)空噴嘴數(shù)/個

6

2.2 試驗條件

試驗煤樣采自淮南潘一選煤廠<0.5 mm粒級原煤，試驗礦漿濃度為20 g/L，浮選槽體積為20 L；起泡劑為甲基異丁基甲醇(MIBC，分子式：C6H14O，分析純)，捕收劑為正十二烷(C12H26)；入料壓力為0.14 MPa，充氣量為2.5 L/min。依照GB/T 4757—2001《煤粉(泥)實驗室單元浮選試驗方法》進(jìn)行分選試驗。

根據(jù)GB/T 477—2008《煤炭篩分試驗方法》對入料煤泥進(jìn)行粒度組成分析，結(jié)果見表1。

表1 入料粒度組成

由表1可知，0.25～0.075 mm粒級為煤樣的主導(dǎo)粒級，其產(chǎn)率為44.31%，與其他粒級灰分相差不大；<0.075 mm粒級產(chǎn)率為38.13%，加權(quán)平均灰分為20.58%，該粒級產(chǎn)率相對較高，灰分處于中灰煤階；入料灰分為19.95%。

2.3 評價指標(biāo)

試驗采用可燃體回收率、浮選完善指標(biāo)作為評價指標(biāo)[10]，其計算式如下：

式中：Ej為可燃體回收率，%；γj為精煤產(chǎn)率，%；Adj為精煤灰分，%；Ady為原煤灰分，%；ηwf為浮選完善指標(biāo)，%。

2.4 試驗結(jié)果與分析

浮選試驗結(jié)果見表2。由表2可知，在忽略試驗誤差的情況下，浮選精煤產(chǎn)率為66.51%，產(chǎn)率較高，灰分為7.38%，灰分較低，遠(yuǎn)低于一般的煉焦煤灰分要求；浮選尾煤產(chǎn)率為33.50%，灰分為44.92%；0.5～0.25 mm粒級精煤產(chǎn)率為2.23%，灰分為6.15%，產(chǎn)率相對較低，說明該粒級的分選較差； 0.25～0.125 mm粒級精煤產(chǎn)率為19.58%，遠(yuǎn)大于同粒級尾煤產(chǎn)率(4.62%)，該粒級精煤回收率為80.91%；0.125～0.075 mm粒級精煤產(chǎn)率為14.08%，大于同粒級尾煤產(chǎn)率(6.05%)，粒級精煤回收率為69.95%；0.075～0.045 mm粒級精煤產(chǎn)率為10.57%，大于同粒級尾煤產(chǎn)率(2.39%)，該粒級精煤回收率為81.56%；<0.045 mm粒級精煤產(chǎn)率為20.06%，大于同粒級尾煤產(chǎn)率(5.11%)，該粒級精煤回收率為79.70%。

表2 浮選試驗結(jié)果

注：精煤回收率=本粒級精煤全級產(chǎn)率/(本粒級精煤全級產(chǎn)率+本粒級尾煤全級產(chǎn)率)×100%。

綜上所述，裝置對<0.25 mm微細(xì)煤泥的分選效果較好，對微細(xì)煤泥中低灰顆粒的捕收、礦化能力較強(qiáng)，精煤回收率達(dá)到70%～80%，能夠?qū)崿F(xiàn)對煤泥顆粒表面改性，擺脫黏土礦物罩蓋對微細(xì)煤泥分選的影響。通過計算可知，浮選裝置的可燃體回收率為76.95%，浮選完善指標(biāo)達(dá)到52.36%,裝置浮選效率較高，對煤樣回收效果較佳。

3 結(jié)論

(1)結(jié)合機(jī)械攪拌式浮選機(jī)和噴射式浮選機(jī)優(yōu)點設(shè)計了射流-攪拌耦合式浮選裝置，該裝置實現(xiàn)了對微細(xì)煤泥的浮選，達(dá)到了提質(zhì)增效的目的。同時，該裝置可對礦漿進(jìn)行預(yù)處理，簡化了浮選工藝，為礦化過程的進(jìn)行提供良好的流場環(huán)境。

(2)初步試驗研究結(jié)果表明，該裝置的精煤產(chǎn)率為66.51%，灰分為7.38%，對<0.25 mm微細(xì)煤泥具有較好的浮選效果，各個粒級的精煤回收率均達(dá)到70%～80%，可燃體回收率為76.95%，浮選效率為52.36%，浮選效果較好。