射流-攪拌組合式煤泥調(diào)漿裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

馮岸岸，周 偉，朱金波，張 勇，王海楠，韓有理，王 超，費(fèi)之奎

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

我國是世界產(chǎn)煤大國，同時(shí)也是用煤大國。雖然近年來在不斷開發(fā)新能源，但仍然改變不了煤炭的在能源格局中的主體地位。隨著采煤自動(dòng)化和機(jī)械化程度的提高，原煤越來越趨向于“貧、細(xì)、雜”[1]，選煤廠原煤中有20%以上的<0.5 mm粒級(jí)煤泥需要分選，細(xì)粒煤的有效分選成為選煤行業(yè)研究的熱點(diǎn)[2-3]，雖然分選細(xì)粒煤的工藝設(shè)備很多，但浮選仍然是最經(jīng)濟(jì)、有效的方法。煤泥調(diào)漿設(shè)備是浮選工藝中十分重要的環(huán)節(jié)，常用的煤泥調(diào)漿方式主要有機(jī)械攪拌式、射流混合式、靜態(tài)混合式和霧化式調(diào)漿設(shè)備等。隨著對(duì)調(diào)漿工作的重視以及實(shí)際工作的需要，開發(fā)新型的煤泥調(diào)漿裝置顯得尤為重要，并且為了解決細(xì)粒煤在浮選過程存在精煤灰分高、回收率低的問題[4-5]，彌補(bǔ)浮選機(jī)調(diào)漿功能的不足，對(duì)高效調(diào)漿改質(zhì)設(shè)備的研究已經(jīng)刻不容緩。為此，基于前人的研究成果[6-8]，結(jié)合幾種調(diào)漿設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一種射流-攪拌組合式煤泥調(diào)漿裝置，并通過調(diào)漿浮選試驗(yàn)對(duì)該調(diào)漿裝置的調(diào)漿作用進(jìn)行了初步研究，以期提高微細(xì)粒煤泥的浮選效果。

1 調(diào)漿的必要性

煤泥浮選的本質(zhì)就是基于煤和矸石礦物表面物理化學(xué)性質(zhì)的不同，并經(jīng)藥劑處理后強(qiáng)化這種差異，以氣泡作為有效載體將礦粒浮升至液面，從而實(shí)現(xiàn)二者的有效分離。雖然機(jī)械攪拌式浮選機(jī)的攪拌機(jī)構(gòu)具有一定的調(diào)漿作用，但由于礦漿在浮選設(shè)備里面的停留時(shí)間過短，且受浮選環(huán)境的制約(槽體的流場(chǎng)強(qiáng)度不宜太強(qiáng))，導(dǎo)致藥劑無法充分與礦?；旌蟍9]，礦物表面的活化效果往往達(dá)不到預(yù)期，造成高灰細(xì)粒的煤泥分選效果較差，因此浮選前的調(diào)漿工作顯得尤為重要，尤其是對(duì)于無機(jī)械攪拌機(jī)構(gòu)的浮選設(shè)備(如浮選柱等)。煤泥調(diào)漿時(shí)，在外力的作用下，在調(diào)漿槽內(nèi)形成一定強(qiáng)度的湍流流場(chǎng)，可使聚團(tuán)的礦粒充分分散懸浮，并脫除煤表面罩蓋的部分異質(zhì)煤泥；捕收劑在剪切力的作用下彌散成微細(xì)粒油滴，表面積增大，增加了藥劑與煤粒的碰撞和吸附概率，使藥劑和礦粒充分作用，充分活化礦物表面的疏水性、親水性或某些特殊性質(zhì)，進(jìn)而提高浮選效率[10]。實(shí)現(xiàn)煤泥高效調(diào)漿不僅能提高精煤產(chǎn)率，還能大大節(jié)約藥劑用量，降低生產(chǎn)成本，對(duì)實(shí)現(xiàn)微細(xì)粒礦物的高效分選具有重要意義。

2 調(diào)漿設(shè)備類型

按照浮選藥劑分散與混合方式，將煤泥調(diào)漿裝置分為機(jī)械攪拌式、靜態(tài)混合式和霧化分散式三種。

2.1 機(jī)械攪拌式

20世紀(jì)80年代，我國研發(fā)出XY系列礦漿預(yù)處理器[11]，該設(shè)備成為機(jī)械攪拌式調(diào)漿設(shè)備的早期代表，它借助定子-轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)葉片，采用機(jī)械方式將藥劑分散，但由于葉輪線速度(8.0 m/s)的限制，分散后的藥劑油滴直徑較大，與礦粒混合不夠均勻。此后，中國礦業(yè)大學(xué)研發(fā)出強(qiáng)制混合調(diào)漿設(shè)備[12]，在高剪切環(huán)境和強(qiáng)制攪拌流的雙重作用下，可實(shí)現(xiàn)礦漿與浮選藥劑的預(yù)處理。該設(shè)備包括機(jī)械攪拌裝置和調(diào)漿攪拌槽兩部分，主要運(yùn)動(dòng)部件是高速剪切的組合葉輪，采用兩段多層組合方式，并安裝在攪拌槽軸心的上下位置。比如，根據(jù)實(shí)際需要，可在調(diào)漿槽側(cè)壁上設(shè)置擋板和導(dǎo)流筒。

2.2 射流混合式

射流混合式乳化器[13]在我國一些選煤廠得到了使用推廣。工作時(shí)，工作流體(水)從噴嘴高速噴出，在噴射室內(nèi)形成負(fù)壓，浮選藥劑經(jīng)吸藥管吸入混合室從而進(jìn)入環(huán)境流體；在水力的沖擊、剪切作用下，浮選藥劑分散為<15μm的微細(xì)油滴，由混合管噴出，經(jīng)擴(kuò)散管后，與環(huán)境流體中的煤泥發(fā)生碰撞吸附。

2.3 靜態(tài)混合式

靜態(tài)混合器又稱管道混合器[14]，是一種沒有運(yùn)動(dòng)部件的高效混合設(shè)備，該設(shè)備在管道中安裝了若干組混合單元，每一組混合單元均由不同種類的固定板按一定角度交叉組成。通過靜態(tài)混合器時(shí)，入浮煤漿和浮選藥劑會(huì)發(fā)生液體分割、位置移動(dòng)、重新混合；在湍流時(shí)，還會(huì)在斷面方向產(chǎn)生渦流，藥劑受到強(qiáng)烈的剪切作用，與礦漿進(jìn)一步分割、混合，最終達(dá)到調(diào)漿的目的。

2.4 霧化分散式

20世紀(jì)80年代，我國的XK系列礦漿準(zhǔn)備器是霧化分散式的典型代表。該設(shè)備工作時(shí)，浮選藥劑經(jīng)給藥漏斗和噴嘴進(jìn)入起霧圓盤的中心，圓盤在高速旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)下形成強(qiáng)大的離心力，藥劑在離心力的作用下，向外擴(kuò)散形成一層薄薄的油膜，并被圓盤邊緣的鋸齒切割為霧狀的微小液滴，這種液滴比乳化分散的液滴小一個(gè)數(shù)量級(jí)，分散效果較好[15]。

3 射流-攪拌組合式煤泥調(diào)漿裝置

3.1 結(jié)構(gòu)

基于上述煤泥調(diào)漿設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)，將射流混合、管道混合、跌落板混合及高剪切分散混合融于一體，設(shè)計(jì)出組合式調(diào)漿裝置，即射流-攪拌組合式煤泥調(diào)漿裝置，該裝置實(shí)現(xiàn)了煤泥的深度調(diào)漿改質(zhì)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該裝置主要由箱體、藥劑分散系統(tǒng)、管流混合單元、傾角跌落板、多段組合葉輪、擋板和假底混合單元組成。兩組射流混合裝置是藥劑分散系統(tǒng)的核心，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。相對(duì)于傳統(tǒng)射流混合裝置而言，該裝置采用多噴嘴和涵道式擴(kuò)散管結(jié)構(gòu)，增大了多股流體接觸的表面積，更有利于藥劑乳化分散。涵道式擴(kuò)散管的結(jié)構(gòu)如圖3所示，它將流體與藥劑以多股旋轉(zhuǎn)射流方式噴出，有利于進(jìn)一步分散藥劑和形成高剪切環(huán)境。傾角跌落板設(shè)置有坎條，可依據(jù)顆粒的大小實(shí)現(xiàn)不同預(yù)處理時(shí)間，灰分低的粗顆粒緊貼滑板運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于受到坎條的阻擋，運(yùn)動(dòng)速度慢，預(yù)處理時(shí)間長(zhǎng)，有利于礦粒與藥劑的碰撞吸附。桶壁的擋板可實(shí)現(xiàn)和維持高紊流的剪切環(huán)境。

1、3—控制閥門；2、4—流量計(jì)；5—藥劑入料漏斗；6—藥劑箱；7—多噴嘴；8—涵道式擴(kuò)散口；9—管道混合器；10—傾斜跌落板；11—坎條；12—第一層葉輪；13—第二層葉輪；14—定子；15—套筒；16—攪拌擋板；17—假底隔板；18—混合單元；19—皮帶輪

圖2 藥劑分散系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 工作原理

調(diào)漿裝置工作時(shí)，浮選藥劑經(jīng)射流裝置的吸藥管吸入且與清水混合后，由擴(kuò)散管噴出，進(jìn)入藥劑分散槽，完成藥劑初步分散的過程；其溢流與礦漿入料槽的溢流進(jìn)入管道混合器完成第一次混合后，進(jìn)入帶有坎條的跌落板，低灰分的粗顆粒煤泥與高灰分的細(xì)顆粒煤泥由于受到的阻力不同，預(yù)處理(爬升)的時(shí)間也不同；爬升至跌落板頂部的礦漿顆粒在重力的作用下，進(jìn)入第一攪拌空間，在雙層組合葉輪的高剪切和強(qiáng)制攪拌作用下，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)藥劑與礦物的碰撞混合；攪拌后的底流進(jìn)入帶有混合單元的假底，完成礦漿與藥劑的再一次碰撞混合；混合后的底流繼續(xù)進(jìn)入第二攪拌空間，重復(fù)第一攪拌空間相同的操作，保證礦漿與藥劑的充分混合；在物料出料口的管道上再次使用混合單元，完成最后的整流調(diào)質(zhì)過程。

圖3 涵道式擴(kuò)散管結(jié)構(gòu)示意圖

4 調(diào)漿試驗(yàn)

為驗(yàn)證該調(diào)漿裝置對(duì)煤泥浮選效果的影響，進(jìn)行了浮選對(duì)比試驗(yàn)；將一組煤樣(人工混合礦)不經(jīng)過調(diào)漿直接浮選，另一組煤樣(人工混合礦)采用自制的射流-攪拌組合式煤泥調(diào)漿裝置預(yù)先進(jìn)行調(diào)漿后，再進(jìn)行浮選試驗(yàn)。

浮選試驗(yàn)按照GB/T 4757—2013《煤粉(泥)實(shí)驗(yàn)室單元浮選試驗(yàn)方法》進(jìn)行。其中捕收劑為正十二烷，起泡劑為甲基異丁基甲醇，試驗(yàn)煤樣為望峰崗的重介精煤，按照煤∶高嶺石=7∶3的比例制成人工混合礦，煤樣為中等可浮。兩次浮選試驗(yàn)結(jié)果見表1，各粒級(jí)浮選精煤的產(chǎn)率和灰分如圖4所示。

表1 調(diào)漿浮選試驗(yàn)結(jié)果

由表1可知，在礦漿濃度、藥劑用量保持不變的情況下，調(diào)漿后浮選精煤的產(chǎn)率提高了5.89個(gè)百分點(diǎn)。

由圖4可知，調(diào)漿后0.5～0.25 mm粒級(jí)浮選精煤產(chǎn)率提高了2.75個(gè)百分點(diǎn)，0.075～0.045 mm粒級(jí)浮選精煤產(chǎn)率提高了1.83個(gè)百分點(diǎn)，調(diào)漿前后各粒級(jí)(除<0.045 mm粒級(jí))精煤灰分差別不大，調(diào)漿后<0.045 mm粒級(jí)精煤灰分下降了1.72個(gè)百分點(diǎn)。

圖4 調(diào)漿前后各粒級(jí)浮選精煤的產(chǎn)率和灰分Fig.4 Yield and ash of concentrate product of each size fraction before and after the use of the device

0.5～0.25 mm粒級(jí)精煤產(chǎn)率有所提高，可能是由于葉輪攪拌作用脫除了粗煤泥表面的異質(zhì)煤泥，增加了藥劑在煤泥表面的吸附量，提高了疏水效果；而對(duì)于<0.075 mm粒級(jí)煤泥而言，葉輪的攪拌作用打散了易團(tuán)聚的細(xì)顆粒，增加了其與藥劑的碰撞概率，同時(shí)射流裝置使藥劑分散成微細(xì)液滴，增加了藥劑與煤粒的碰撞概率，加之管道混合器增加了藥劑與煤泥的碰撞混合，這些因素都提高了調(diào)漿后煤泥浮選的精煤產(chǎn)率。

5 結(jié)論

通過煤泥調(diào)漿浮選試驗(yàn)，驗(yàn)證了射流-攪拌組合式煤泥調(diào)漿裝置的可行性，結(jié)論如下：

(1)單一調(diào)漿作用達(dá)到的處理效果有限，組合式調(diào)漿工藝可以綜合多種調(diào)漿工藝的優(yōu)點(diǎn)，提高微細(xì)粒煤泥的浮選效果。

(2)經(jīng)射流-攪拌組合式煤泥調(diào)漿裝置處理后，各粒級(jí)精煤產(chǎn)率呈現(xiàn)不同程度的提高，浮選精煤總產(chǎn)率比直接浮選提高了5.89個(gè)百分點(diǎn)；除<0.045 mm粒級(jí)浮選精煤灰分下降了1.72個(gè)百分點(diǎn)外，其他粒級(jí)浮選精煤的灰分變化不大，這表明組合式調(diào)漿對(duì)煤泥浮選有一定的促進(jìn)作用。

(3)射流-攪拌組合式煤泥調(diào)漿裝置對(duì)煤泥浮選的促進(jìn)作用來源于各調(diào)漿單元對(duì)藥劑的分散，對(duì)煤粒的沖洗和分散，以及對(duì)礦漿和藥劑的剪切混合作用，但具體的組合調(diào)漿作用機(jī)理仍有待更深一步的研究。