重介質(zhì)懸浮液黏度影響因素及應(yīng)用實(shí)踐

陳金拴，王文彬，趙 云，張啟平，趙 杰

1延安車村煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 陜西子長 717300

2延安市禾草溝煤業(yè)有限公司 陜西延安 717300

3中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司 河北唐山 063000

懸浮液的黏性是由固液界面增大和顆粒間摩擦、碰撞所引起的流動(dòng)切應(yīng)力，外觀表現(xiàn)為黏性。在工業(yè)上，一般將所測得的懸浮液黏度稱為視黏度，硬球顆粒分散于牛頓流體的懸浮液通常具有典型的非牛頓行為，例如剪切變稀和剪切增稠。重介質(zhì)選煤普遍采用磁鐵粉與水配制成的懸浮液作為分選介質(zhì)，懸浮液的密度、黏度是影響懸浮液流變特性的兩項(xiàng)重要工藝參數(shù)[1-4]。密度通常介于被分選的高密度物料與低密度物料之間，并與生產(chǎn)指標(biāo)對應(yīng)。黏度影響密度的穩(wěn)定性，黏度過低時(shí)，重介質(zhì)懸浮液中加重質(zhì)會(huì)迅速沉降，使得重介質(zhì)懸浮液密度不穩(wěn)定，直接影響分選效果；黏度過高時(shí)，小粒級物料因黏滯阻力的增大而增加發(fā)生錯(cuò)配的概率，降低分選精度，同時(shí)高黏度會(huì)降低脫介效率，增加介質(zhì)消耗，降低產(chǎn)品質(zhì)量[5]。

重介質(zhì)懸浮液參數(shù)調(diào)控中，固體體積分?jǐn)?shù)是一個(gè)重要概念，其與黏度存在相關(guān)性。固體體積分?jǐn)?shù)越大，懸浮液黏度越大；反之，固體體積分?jǐn)?shù)越小，黏度越小。一般而言，行業(yè)內(nèi)常采用的固體體積分?jǐn)?shù)范圍是 15%～35%[6-7]。目前，在工業(yè)上并沒有重介質(zhì)懸浮液黏度在線檢測設(shè)備，選煤工業(yè)上一般采用煤泥含量 (懸浮液中煤泥質(zhì)量占總固體顆粒質(zhì)量的百分比) 作為評價(jià)重介質(zhì)懸浮液黏度的一項(xiàng)指標(biāo)，以指導(dǎo)生產(chǎn)。這是因?yàn)椋耗嗪繉χ亟橘|(zhì)懸浮液的黏度以及穩(wěn)定性影響很大[8-12]，選煤生產(chǎn)調(diào)控中，通過固體體積分?jǐn)?shù)反映懸浮液黏度。重介懸浮液中，固體顆粒除了密度不同以外，粒度、表面性質(zhì)等差異很大，對懸浮液黏度的影響需要分開探討。本研究對不同粒度分布、表面潤濕性、固體體積分?jǐn)?shù)下的固體懸浮液黏度進(jìn)行了試驗(yàn)分析，以對重介質(zhì)分選過程中懸浮液的參數(shù)調(diào)控提供參考。

1 試驗(yàn)研究

1.1 試樣性質(zhì)

試驗(yàn)樣品選用延安子長礦區(qū)禾草溝二號煤礦選煤廠生產(chǎn)的浮選精煤泥樣、浮選尾煤泥樣、磁體礦粉、合格介質(zhì)所含煤泥、氯化鋅等，所選原料在真密度、粒度組成、表面潤濕性方面均存在差異，具體如表1所列。

表1 試樣性質(zhì)差異Tab.1 Differences of sample properties

選用 ZNN-D6B 六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì) (見圖1) 進(jìn)行黏度測定。測定過程基于牛頓內(nèi)摩擦定律原理即：流體層間切應(yīng)力τ與速度梯度成正比。比例系數(shù)μ即為對應(yīng)的流體黏度，水在 20.2 ℃ 下的動(dòng)力黏度μ=1.0×10-3Pa·s。

圖1 ZNN-D6B 六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)Fig.1 ZNN-D6B six-speed rotational viscometer

試驗(yàn)前用激光粒度分析儀對試驗(yàn)樣品的粒度分布進(jìn)行了測定，試樣粒度分布如圖2 所示，樣品粒度統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2 所列?？梢钥闯觯菏苓x廠洗選原煤矸石易泥化、精煤質(zhì)硬的影響，系統(tǒng)中精煤泥和尾煤泥在粒度分布上存在顯著差異，精煤泥 (浮精) 平均粒度在150 μm，尾煤泥以高灰細(xì)泥 (-43 μm) 為主。選廠所用磁鐵礦粉粒度分布集中在 10～ 80 μm，合介懸浮液所含煤泥平均粒度為 15 μm，以細(xì)粒為主。

圖2 樣品粒度分布Fig.2 Particle size distribution of samples

表2 樣品粒度分析結(jié)果Tab.2 Particle size analysis results of samples

1.2 結(jié)果分析

將各樣品單獨(dú)與水配制成不同體積分?jǐn)?shù)的懸浮液，同時(shí)增加氯化鋅溶液作為對比，黏度測定結(jié)果如圖3 所示。

圖3 不同體積分?jǐn)?shù)下各樣品的黏度Fig.3 Viscosities of samples under different volume fractions

由圖3 可以看出：浮選精煤泥樣與氯化鋅重液黏度變化趨勢相近，且隨體積分?jǐn)?shù)增加黏度升高；在體積分?jǐn)?shù) 30% 以內(nèi)時(shí)，隨體積分?jǐn)?shù)增加，黏度升高趨勢平緩；當(dāng)體積分?jǐn)?shù)提高到 37.5% 左右時(shí)，黏度增加到相對偏高的 10×10-3Pa·s。浮選尾煤泥與磁鐵礦粉黏度變化趨勢相近，且隨體積分?jǐn)?shù)增加黏度升高；在體積分?jǐn)?shù) 25% 以內(nèi)時(shí)，隨體積分?jǐn)?shù)增加，黏度升高趨勢平緩；在體積分?jǐn)?shù)提高到 25% 以上時(shí)，黏度顯著增加到 10×10-3Pa·s 以上；在同樣體積分?jǐn)?shù)下，較浮選精煤泥樣和氯化鋅重液，這兩種樣品的黏度明顯偏高。

相同體積分?jǐn)?shù)下，磁鐵礦粉、浮選精煤泥、浮選尾煤泥與水形成的懸浮液的計(jì)算密度如圖4 所示。

圖4 相同固體體積分?jǐn)?shù)下懸浮液 (溶液) 的密度Fig.4 Densities of suspensions (solutions) under same solid volume fraction

由圖4 可以看出：相同體積分?jǐn)?shù)下，尾煤泥形成的懸浮液密度與精煤泥形成的懸浮液密度接近，與磁鐵礦粉形成的懸浮液密度差異顯著。但尾煤泥懸浮液的黏度與磁鐵礦粉懸浮液黏度接近，與精煤泥懸浮液黏度差異顯著。由此可以判斷，懸浮液黏度受固體加重質(zhì)密度影響較小。

為判斷粒度組成以及表面潤濕性對黏度的影響，通過小篩分將精煤泥、磁鐵礦粉分為 250～ 125 μm、125～ 45 μm、-45 μm 3 個(gè)粒級，將不同粒級物料的體積分?jǐn)?shù)配制成 25%，黏度測定結(jié)果如圖5 所示。

圖5 不同粒級物料在體積分?jǐn)?shù)為 25% 時(shí)的黏度Fig.5 Viscosities of materials with different particle sizes at a volume fraction of 25%

由圖5 可以看出：同樣密度的物料，親水性物料的懸浮液黏度偏高，疏水性物料的懸浮液黏度偏低[13]。分析認(rèn)為：顆粒表面的親水集團(tuán)很容易與水結(jié)合，導(dǎo)致自由水減少，從而使懸浮液黏度升高。提高顆粒表面疏水性，懸浮液中顆粒表面水化膜變薄，水被排斥在顆粒表面之外，自由水含量提高，懸浮液黏度降低。可見：提高顆粒表面的疏水性，有利于制備高體積分?jǐn)?shù)的懸浮液。

對于精煤泥和磁鐵礦粉，250～ 125 μm、125～ 45 μm 粒級物料的黏度接近，精煤泥 -45 μm 粒級物料黏度降低，磁鐵礦粉 -45 μm 粒級物料黏度升高。這是因?yàn)椋杭?xì)顆粒的比表面積相對較大，體積較大的水化膜包圍在顆粒表面，水化膜的占比隨懸浮液固相體積分?jǐn)?shù)的增加而增大，顆粒被擠壓并且相互之間發(fā)生團(tuán)聚，顆粒間作用力增強(qiáng)，引起黏度升高。精煤泥 -45 μm 粒級物料黏度降低的可能原因?yàn)椋杭?xì)粒精煤泥粒度組成構(gòu)成“雙峰”分布，大顆粒不能進(jìn)入的空隙小顆粒卻能進(jìn)入，增加了堆積效率，充當(dāng)“潤滑劑”，加強(qiáng)了懸浮液中顆粒的相對流動(dòng)，從而降低黏度。

精煤泥以及尾煤泥 -45 μm 粒級物料不同體積分?jǐn)?shù)下黏度變化規(guī)律如圖6 所示?？梢钥闯觯吼ざ入S體積分?jǐn)?shù)升高的趨勢明顯。這是由于：固體體積分?jǐn)?shù)很低時(shí)，顆粒間直接接觸少，此時(shí)懸浮液的內(nèi)摩擦力雖有增加，但其增加值與顆粒體積含量大致成正比；隨體積分?jǐn)?shù)的增大，固體顆粒間的直接碰撞與摩擦不可避免得增多。這種增加開始時(shí)屬于黏性切應(yīng)力，以后體積分?jǐn)?shù)再增大將過渡為慣性切應(yīng)力。當(dāng)體積分?jǐn)?shù)增大到相當(dāng)高的數(shù)值后，懸浮液將發(fā)生結(jié)構(gòu)化，黏度隨固體體積分?jǐn)?shù)增加而急劇增大。親水性尾煤泥的黏度明顯高于疏水性的精煤泥，以 10×10-3Pa·s 為分界點(diǎn)，精煤泥體積分?jǐn)?shù)可提高到 35% 左右，尾煤泥體積分?jǐn)?shù)需控制在 23% 以內(nèi)。實(shí)際生產(chǎn)過程中，需要結(jié)合洗選原煤特點(diǎn)確定分流物料及其量。原煤矸石泥化嚴(yán)重、精煤質(zhì)硬不易破碎的情況下 (比如氣煤)，合介中的煤泥以親水性的高灰細(xì)泥為主，該部分物料是影響合介黏度的主要因素，分流調(diào)控時(shí)宜優(yōu)先選擇高灰細(xì)泥含量高的中矸合介；對于易碎矸石泥化不明顯的原煤 (比如焦煤、貧瘦煤)，分流重點(diǎn)則為精煤泥含量高的精煤合介。

圖6 精煤泥和尾煤泥在不同體積分?jǐn)?shù)下黏度變化Fig.6 Viscosity changes of fine coal slime and tail coal slime under different volume fractions

2 應(yīng)用實(shí)踐

重介質(zhì)懸浮液中，煤泥性質(zhì)及含量影響懸浮液的黏度，同時(shí)也影響重介質(zhì)懸浮液在旋流器中的濃縮強(qiáng)度。以高灰細(xì)泥為主的合介懸浮液，黏度偏高，相應(yīng)的在旋流器中的濃縮效果偏弱；反之，以精煤泥為主的懸浮液，黏度偏低，經(jīng)旋流器后濃縮作用較強(qiáng)。對三產(chǎn)品旋流器而言，二段分選密度主要依靠一段濃縮作用實(shí)現(xiàn)，因此重介懸浮液所含煤泥的性質(zhì)，對黏度以及分選效果有著顯著影響[14-15]。

不同礦區(qū)洗選不同性質(zhì)原煤，選煤廠懸浮液黏度對重介質(zhì)懸浮液濃縮效果的影響結(jié)果如表3 所列。其中，除子長禾草溝選煤廠矸石易泥化外，其他各項(xiàng)目中矸石泥化相對較弱，受此影響，禾草溝項(xiàng)目合介懸浮液經(jīng)重介旋流器后的濃縮作用明顯偏弱。

表3 不同原煤性質(zhì)下黏度對重介質(zhì)懸浮液濃縮效果的影響Tab.3 Influence of viscosity on concentration effect of heavy medium suspension under different raw coal properties g/mL

延安禾草溝二號煤礦生產(chǎn)過程中，合介黏度偏高的主要原因是：合介中高灰細(xì)泥含量較高，該部分物料在懸浮液中呈“介質(zhì)化”存在，且在矸石弧形篩下合介中單位體積含量最高 (見表4)。實(shí)際生產(chǎn)過程中，受限于精煤磁選機(jī)額定處理量的影響，在精煤分流滿足不了生產(chǎn)黏度要求的情況下，通過新增矸石弧形篩下合介分流，可在降低總分流礦漿量的同時(shí)，滿足合介黏度調(diào)控的需要。

表4 禾草溝二號選煤廠重介質(zhì)懸浮液參數(shù)Tab.4 Parameters of heavy medium suspension for Hecaogou No.2 coal preparation plant

山西長治武鄉(xiāng)榮輝選煤廠洗選原煤以主焦煤、貧瘦煤為主，原煤質(zhì)脆易碎，原生煤泥中精煤泥含量高，粗煤泥分選精度偏低。實(shí)際生產(chǎn)過程中，懸浮液黏度偏高，主要為合介中精煤泥含量偏高造成的 (見表5)。通過更換細(xì)篩條、小篩縫精煤脫介弧形篩 (0.5 mm 更換為 0.4 mm)，減少粗精煤泥在合介中的循環(huán)量，在保障合介懸浮液黏度的情況下，有效地降低了精煤磁選分流量，介耗由最初的 2 kg/t 原煤降低到目前 1.2 kg/t 原煤。

表5 武鄉(xiāng)榮輝選煤廠重介質(zhì)懸浮液參數(shù)Tab.5 Parameters of heavy medium suspension for Ronghui coal preparation plant in Wuxiang

3 結(jié)論

(1) 重介質(zhì)懸浮液的黏度隨固體體積分?jǐn)?shù)的增加而增大，且當(dāng)體積分?jǐn)?shù)增大 25%～ 30% 時(shí)，懸浮液將發(fā)生結(jié)構(gòu)化，黏度隨固體體積分?jǐn)?shù)增加而急劇增大。相同體積分?jǐn)?shù)下：物料真密度對黏度的影響不顯著；表面潤濕性對黏度影響顯著，疏水性顆粒表面水化膜薄，自由水含量高，懸浮液黏度低；細(xì)顆粒的比表面積大，相應(yīng)的懸浮液黏度更高，粒度組成在 250～ 45 μm 時(shí)，物料的黏度變化不大，當(dāng)粒度小于 45 μm 時(shí)，親水性物料的黏度升高，疏水性物料的黏度降低。

(2) 以 10×10-3Pa·s 黏度為分界點(diǎn)，疏水性的精煤泥體積分?jǐn)?shù)可提高到 35% 左右，尾煤泥體積分?jǐn)?shù)需控制在 23% 以內(nèi)。對于洗選不同性質(zhì)原煤的重介選煤廠，可針對合介懸浮液所含煤泥的特點(diǎn)，靈活選用篩分或者分流中/矸合介的方法降低懸浮液的黏度，提高分選精度，降低介質(zhì)消耗。