強化重力沉降作用的浮選柱降灰研究

倪 超,謝廣元,李 彪,劉 博,彭耀麗,董玉蛟

(1.中國礦業(yè)大學煤炭加工與高效潔凈利用教育部重點實驗室,江蘇徐州 221116;2.中國礦業(yè)大學化工學院,江蘇徐州 221116;3.弗吉尼亞理工大學礦業(yè)及礦物工程系,弗吉尼亞黑堡 24061-0258;4.煤炭工業(yè)濟南設計院有限公司,山東濟南 250031)

強化重力沉降作用的浮選柱降灰研究

倪 超1,2,謝廣元1,2,李 彪3,劉 博1,2,彭耀麗1,2,董玉蛟4

(1.中國礦業(yè)大學煤炭加工與高效潔凈利用教育部重點實驗室,江蘇徐州 221116;2.中國礦業(yè)大學化工學院,江蘇徐州 221116;3.弗吉尼亞理工大學礦業(yè)及礦物工程系,弗吉尼亞黑堡 24061-0258;4.煤炭工業(yè)濟南設計院有限公司,山東濟南 250031)

為降低旋流微泡浮選柱(FCMC)處理高灰細泥含量大煤泥的精煤灰分,構建了強化重力沉降作用、沉降物單獨回收的沉降-旋流微泡浮選柱(S-FCMC),研究了結構參數(shù)對精煤灰分、產率及浮選完善指標的影響,并與最優(yōu)工藝參數(shù)的FCMC進行對比。結果表明:與FCMC相比,最佳結構參數(shù)組合的S-FCMC精煤灰分降低1.17%,尾煤灰分提高10.79%,精煤主導粒級(＜0.045 mm粒級)灰分降低2.48%,＞0.074 mm粒級產率基本相當;沉降物中＜0.045 mm粒級占本級產率＞50%,灰分58.16%。S-FCMC通過強化浮選過程中高灰細泥的重力沉降脫除,有效減少高灰細泥對精煤的污染,降灰效果明顯。

浮選柱;高灰細泥;降灰;重力沉降

親水微細脈石顆粒通過機械輸送污染精礦,是微細顆粒礦物浮選的共性難題[1]。隨著入浮煤泥中高灰難選細粒煤泥含量增大,高灰細泥對浮選精煤的污染問題凸顯,浮精灰分普遍高于企業(yè)產品質量要求,重選精煤“背灰”,制約企業(yè)經濟效益[2-4]。

微細脈石顆粒主要通過機械夾帶、顆粒混凝、連生體顆粒及礦泥罩蓋污染精礦[5]。其中,機械夾帶是親水脈石礦物上浮進入精礦的主要原因,夾帶程度與顆粒大小、礦漿濃度和泡沫水回收率等諸多因素有關[5-8]。為減少浮選過程中微細脈石礦物對精礦的污染,Falutsu創(chuàng)新地設計了一種將精礦泡沫區(qū)和礦物捕集區(qū)獨立分開的改進型浮選柱,Rubio和Valderrama加以發(fā)展設計了三產品浮選柱(3PC),其第三產品來源于精礦泡沫層中脫落的礦物顆粒[9-11]。該設備在金、銅礦浮選工業(yè)中得到應用,但鮮有應用于煤泥浮選的報道。Mulleneers等[12]基于Hallimond浮選管的結構和工作原理設計了一種半連續(xù)沉降浮選裝置,其傾斜段的逆流沉降分選機制極大地減少了精礦泡沫中石英顆粒的夾帶。與浮選機相比,浮選柱處理高灰細泥含量大煤泥時,有利于改善細粒及微細顆粒的選擇性[3,13-14]。

實踐證明,旋流微泡浮選柱(FCMC)在分選細粒及微細粒煤泥方面具有獨特優(yōu)勢[3,14-15]。本文基于FCMC分選細粒煤泥的優(yōu)勢,借鑒3PC浮選柱、Hallimond浮選管及半連續(xù)逆流浮選沉降柱等柱分選設備在降低精礦中脈石顆粒機械夾帶污染的結構特點和分選機制,構建了強化重力沉降作用的沉降-旋流微泡浮選柱(S-FCMC),研究結構參數(shù)對精煤灰分、產率及浮選完善指標的影響規(guī)律,并與FCMC進行對比,探索柱浮選過程中強化重力沉降作用降低精煤灰分的可行性。

1 試 驗

1.1 試 樣

試驗煤樣為冀中能源邢臺煤礦選煤廠入浮煤泥。該廠要求浮選精煤灰分＜9.00%,但實際生產浮選精煤灰分高于11.00%,最高可達13.45%。由入浮煤泥及浮選精煤粒度組成(表1)可知,入浮煤泥中＜0.045 mm粒級含量＞50%,灰分明顯高于其他粒級;浮選精煤粒度減小,灰分持續(xù)升高,＜0.074 mm粒級灰分都高于浮選精煤灰分要求,尤其＜0.045 mm粒級灰分較高,且產率高達52.82%,導致總精煤灰分超標。表明浮選過程中存在高灰分細泥對精煤的污染問題。

表1 入浮煤泥及浮選精煤粒度組成Table 1 Size distribution of raw slime and clean coal

1.2 試驗裝置及系統(tǒng)

S-FCMC試驗系統(tǒng)如圖1所示(圖中H為截留板高度,α為傾斜段傾角),常規(guī)FCMC試驗系統(tǒng)由該系統(tǒng)改裝而成,柱體高度1 400 mm。其中自制S-FCMC的筒體內徑45 mm,由長度可調的豎直段柱體和傾斜段柱體通過彎頭連接而成。豎直段柱體自上至下分為柱浮選區(qū)和旋流分選區(qū),傾斜段柱體自下至上分為沉降浮選區(qū)和泡沫富集區(qū)。傾斜段柱體以一定角度傾斜安裝,下端靠近彎管處設有圓弧形截留板和沉降物排料管,其中截留板高度和傾斜段傾角可根據煤泥可浮性、沉降特性及產品質量要求調整。泡沫富集區(qū)位于柱體最上端,上部裝有噴淋管,外部裝有泡沫精煤收集槽。柱浮選區(qū)上部外側裝有給料管,經穩(wěn)流板過渡至下部的旋流分選區(qū)。旋流分選區(qū)內設錐形筒,外接串聯(lián)閥門、中礦循環(huán)泵、壓力表及氣泡發(fā)生器的中礦循環(huán)管,下側壁靠近底部位置裝有尾礦管。

圖1 S-FCMC試驗系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of S-FCMC test system

按一定濃度配制的礦漿在調漿桶中完成調漿、加藥后,由蠕動泵泵送至S-FCMC(或FCMC)進行分選,精煤溢流排出,尾煤通過尾礦箱排出。尾礦箱與柱體底部尾礦管相連,采用連通器原理布置,柱內泡沫層厚度通過調整尾礦箱高度調節(jié)。S-FCMC分選的沉降物通過蠕動泵排出,便于流量控制。中礦循環(huán)管道串聯(lián)自吸式微泡發(fā)生器、壓力表和閥門,充氣量通過閥門調節(jié),充氣壓力由壓力表測量。

1.3 試驗步驟及內容

試驗步驟:常規(guī)FCMC系統(tǒng)分選試驗參考文獻[16]進行。對于S-FCMC系統(tǒng),待沉降浮選區(qū)礦漿液位達到傾斜段柱體200 mm時,打開沉降物排料管所連閥門,開啟蠕動泵并調整至設定轉速。柱體頂端有精煤泡沫溢出時,開始計時,穩(wěn)定運行5 min后同時采取精煤溢流、尾煤流及沉降物流,采樣時間3 min,每個產品均連續(xù)采樣2次作為平行樣,試驗結果取平均值。樣品經過濾、烘干、稱重、化驗及分析。FCMC采用兩產品平衡法計算產率,S-FCMC采用3個產品樣烘干后的質量占三者質量之和的比例作為各產品產率。

以煤油為捕收劑,雜醇為起泡劑,浮選入料蠕動泵流量0.61 L/min,泡沫層厚度200 mm。常規(guī)FCMC試驗中,主要研究捕收劑用量、起泡劑用量、入浮濃度和循環(huán)壓力對精煤灰分的影響規(guī)律。S-FCMC試驗中,經探索試驗確定,煤油和雜醇用量分別為3 000 g/t和550 g/t,入浮礦漿質量濃度60 g/L,循環(huán)泵充氣壓力0.09 MPa,沉降物排料蠕動泵流量0.11 L/min。主要研究截留板高度、傾斜段傾角、豎直段高度及傾斜段長度對精煤灰分的影響規(guī)律。以精煤灰分、產率及浮選完善指標作為綜合評價指標。

2 試驗結果與分析

2.1 常規(guī)FCMC試驗結果

圖2為常規(guī)FCMC的單因素優(yōu)化試驗結果?？梢钥闯?對于高灰細泥含量大且存在高灰細泥對精煤污染的煤泥,僅通過工藝參數(shù)優(yōu)化,常規(guī)FCMC分選難于同時保證精煤灰分和精煤產率。因此,有必要改進柱體結構,探索深度降灰的柱體結構形式以保證浮選精煤的數(shù)質量。

圖2 常規(guī)FCMC單因素優(yōu)化試驗結果Fig.2 Single factor optimization results of conventional FCMC

2.2 S-FCMC試驗結果

截留板高度對試驗評價指標的影響如圖3所示?？梢钥闯?增加截留板后,精煤灰分降低,高度增至10 mm時,精煤灰分(8.91%)已滿足產品質量要求;高度≤20 mm時,精煤產率及浮選完善指標均隨截留板增高而增大。這是因為增設適當高度的截留板可防止柱浮選區(qū)上浮礦漿及泡沫直接從沉降物排料管排出,保證精煤顆粒的回收;其次泡沫脫除及礦漿中的高灰細泥在沉降作用下沿傾斜段柱體下側壁向下運動,截留板可阻擋其返回柱浮選區(qū),避免對精煤的重復污染,保證精煤質量。但截留板高度為25 mm時,礦漿及泡沫通過量明顯減小,導致較多精煤顆粒損失于尾煤中;其次,截留板高度過大導致局部礦漿及傾斜段礦化泡沫群過度紊亂,增大礦化顆粒的脫附概率,尤其是低灰粗粒精煤,因此精煤產率明顯減小。精煤灰分升高的原因包括:精煤中高灰細泥的比例增大;其次泡沫群過度紊亂,高灰細泥隨泡沫及水流機械夾帶的回收率增大。

圖3 截留板高度對試驗評價指標的影響Fig.3 Influence of baffle height on evaluation indexes

傾斜段傾角對試驗評價指標的影響如圖4所示。可以看出:隨著傾角增大,精煤灰分持續(xù)升高,精煤產率和浮選完善指標在傾角55°時最大。由于傾斜段長度不變,傾角增大則垂直高度增加,精礦泡沫層所受靜壓力增大,同時泡沫群升浮阻力減小。傾角由45°增至55°時,泡沫群升浮阻力對浮選精煤質量的影響占主導地位。此時傾角增大,泡沫群升浮阻力減小,氣泡過載幾率及氣泡兼并效應減小,高灰細泥及粗粒精煤因氣泡兼并、過載的脫除量均減小,因此精煤產率及灰分均增加[17]。傾角由55°增至65°時,靜壓力對氣含率的影響上升為主導作用,而氣含率直接影響精煤的灰分和產率。通常,隨著氣含率增加,精礦回收率增大,品位降低[18]。因而隨著傾角增大,沉降段豎直高度增加,沉降浮選區(qū)內的平均氣含率降低;加之此時泡沫升浮阻力進一步減小,氣泡兼并脫除的高灰細泥量減少,而且重力沉降脫除的高灰細泥重復機械夾帶幾率增大。因此精煤產率減小,灰分升高,浮選效果變差。

圖4 傾斜段傾角對試驗評價指標的影響Fig.4 Influence of sediment section obliquity on evaluation indexes

豎直段高度對試驗評價指標的影響如圖5所示。可以看出,隨著豎直段高度增加,精煤灰分持續(xù)升高,精煤產率在600 mm增至68.71%后微小波動,浮選完善指標在600 mm達到極大值后降低。S-FCMC采用逆流礦化形式,豎直段高度增加即捕集區(qū)高度增加,礦物顆粒在捕集區(qū)內的捕集時間延長,顆粒的礦化效率提高,回收率增大。

因此,豎直段高≤600 mm時精煤產率及灰分均增大;高度＞600 mm時,隨著捕集區(qū)高度增加,由于粗、細顆粒在浮選柱分選過程中運動機制不同[19]:粗粒煤泥因氣泡過載、兼并導致?lián)p失增加的同時,細粒煤泥的回收率持續(xù)增大,因此精煤產率基本保持不變[20]。由于試驗研究煤泥具有高灰細泥含量大的煤質特征,以及高灰細泥易通過機械夾帶、顆粒混凝及細泥罩蓋等方式非選擇性的回收,因而隨著捕集區(qū)高度增加,高灰細泥的回收率持續(xù)增大,對精煤的污染加劇,精煤灰分持續(xù)升高。

圖5 豎直段高度對試驗評價指標的影響Fig.5 Influence of cylinder section height on evaluation indexes

傾斜段長度對試驗評價指標的影響如圖6所示?？梢钥闯?隨著傾斜段長度增加,精煤灰分降低,長度為600 mm時達到極小值后略有升高,精煤產率及浮選完善指標呈相反變化趨勢。由于截留板入口處礦漿流速一致,傾斜段長度主要影響沉降浮選區(qū)內礦漿的擾動程度、礦漿-泡沫界面處氣泡兼并和高灰細泥的脫除效應。長度為400 mm時,因沉降空間不足,不僅礦漿擾動劇烈,而且礦漿-泡沫界面能量高,礦漿瞬時動量大,導致礦化顆粒脫附概率大,尤其是低灰粗粒精煤。加之此時沉降距離短,脫附顆粒被氣泡再次礦化幾率小,精煤產率較低。同時礦漿-泡沫界面波動較大,存在部分礦漿因瞬時動量大直接進入精煤,精煤灰分較高。隨著傾斜段長度增大,沉降空間增大,分選指標變好。但長度過大時,泡沫升浮路徑太長,同樣導致礦化顆粒脫附概率增大;其次,泡沫夾帶的高灰細泥主要在礦漿-泡沫界面處脫除,然而此時傾斜段長度大,礦漿末端流速小,礦漿-泡沫界面?zhèn)髻|碰撞效應弱,高灰細泥排泄量減少[21]。因此,傾斜段長度為800 mm時,精煤灰分升高,產率及浮選完善指標減小。

圖6 傾斜段長度對試驗評價指標的影響Fig.6 Influence of settling section height onevaluation indexes

2.3 S-FCMC與FCMC對比

選擇滿足或接近精煤灰分要求,并且浮選完善指標最高的FCMC與S-FCMC試驗結果進行對比,見表2。該條件下的產品粒度組成對比見表3。

從表2,3可以看出:

(1)與FCMC相比,S-FCMC的精煤灰分降低1.17%,精煤產率降低1.62%;S-FCMC精煤中＞0.074 mm粒級產率與FCMC基本相當,＜0.074 mm粒級產率比FCMC低,尤其是＜0.045 mm粒級產率減小1.21%,且灰分降低2.48%。表明,強化重力沉降作用的S-FCMC在保證所有粒級精煤高效回收的同時,有效減少高灰＜0.045 mm粒級細泥對精煤的污染,保證精煤質量。

表2 最佳試驗結果對比Table 2 Comparison of optimized test results%

表3 產品粒度組成對比Table 3 Comparison of separation products size distribution%

(2)S-FCMC沉降物中,＜0.045 mm粒級占本級產率大于50%,灰分高達58.16%,接近尾煤灰分,且產率(5.17%)大于FCMC與S-FCMC精煤中＜0.045 mm粒級產率的差值(1.21%)。表明強化重力沉降作用的S-FCMC不僅強化精煤泡沫對高灰細泥的脫除能力,同時減少礦漿中高灰細泥的含量,并在沉降-浮選綜合作用下進入沉降物,避免返回柱浮選區(qū)再次對精煤污染。

(3)除高灰細泥外,S-FCMC沉降物中還包含部分灰分較高、粒度較粗的中等可浮顆粒。浮選過程中,這部分顆粒易從礦化泡沫脫落。FCMC分選時,上述顆粒只能作為尾煤,但其灰分低于尾煤,導致尾煤灰分偏低。S-FCMC分選時,這部分顆粒通過沉降物排料管排出,與FCMC相比,尾煤灰分提高10.79%,尾煤產率降低8.24%。排出的沉降物可根據其煤質情況靈活處理:可摻入中煤、煤泥或單獨作為產品;也可返回浮選入料,通過重復分選避免沉降物中低灰粗粒煤泥的損失,保證精煤的有效回收。

3 結 論

(1)構建了適應高灰細泥含量大煤泥深度降灰的新型S-FCMC,其最佳結構參數(shù)組合為:截留板高度20 mm,傾斜段傾角55°,豎直段高度600 mm,傾斜段長度600 mm。

(2)強化重力沉降作用的S-FCMC通過強化精煤泡沫對高灰細泥的脫除能力和減少礦漿中高灰細泥的含量,有效減少精煤中高灰細泥的污染,降低精煤灰分。

(3)沉降物以高灰細泥為主,同時包含部分灰分較高、粒度較粗的中等可浮顆粒。沉降物的排出,避免了高灰細泥對泡沫精煤的循環(huán)污染和灰分較高的中等可浮性顆粒直接作為尾煤的損失,同時保證精、尾煤質量,實現(xiàn)煤泥資源的高效綜合利用。

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Enhancement of gravity sedimentation in column flotation to reduce clean coal ash

NI Chao1,2,XIE Guang-yuan1,2,LI Biao3,LIU Bo1,2,PENG Yao-li1,2,DONG Yu-jiao4

(1.Key Laboratory of Coal Processing and Efficient Utilization(Ministry of Education),China University of Mining&Technology,Xuzhou 221116,China; 2.School of Chemical Engineering and Technology,China University of Mining&Technology,Xuzhou 221116,China;3.Department of Mining and Minerals, Virginia Polytechnic Institute and State University,Blacksburg 24061-0258,U.S.A;4.Coal Industry Jinan Design Research Co.,Ltd.,Jinan 250031,China)

A sedimentation cyclonic micro-bubble flotation column(S-FCMC),adopting structure modifications in conventional cyclonic micro-bubble flotation column(FCMC)to enhance gravity sedimentation in froth zone and collect sediment particles as a separate product,was built to avoid high ash fine slime pollution in clean coal.The effect of structure parameters on clean coal ash,yield and flotation perfect index was investigated and evaluated.Optimum results obtained in FCMC and S-FCMC show that the latter is 1.17%lower in clean coal ash and 10.79%higher in tailing ash.Moreover,a much obvious reduction is obtained in＜0.045 mm clean coal ash(2.48%)whereas both machines are equal in＞0.074 mm clean coal yield.The dominant size fraction(＜0.045 mm particles)also takes the highest proportion of more than a half in the sediment product with the 58.16%of ash.This means that,by strengthening gravity sedimentation in flotation process,the proportion of high ash fine slime entrainment can be significantly reduced in S-FCMC clean coal.

flotation column;high ash slime;ash reduction;gravity sedimentation

TD94

A

0253-9993(2014)12-2513-06

2014-01-16 責任編輯:張曉寧

國家自然科學基金資助項目(51374205);江蘇高校優(yōu)勢學科建設工程資助項目;高等學校博士學科點專項科研基金資助項目(20110095120021)

倪 超(1988—),男,四川中江人,博士研究生。Tel:0516-83995486,E-mail:sunnichao@126.com。通訊作者:彭耀麗(1971—),男,河南平頂山人,副教授,博士。Tel:0516-83995486,E-mail:peng_yaoli@163.com

倪 超,謝廣元,李 彪,等.強化重力沉降作用的浮選柱降灰研究[J].煤炭學報,2014,39(12):2513-2518.

10.13225/j.cnki.jccs.2014.0047

Ni Chao,Xie Guangyuan,Li Biao,et al.Enhancement of gravity sedimentation in column flotation to reduce clean coal ash[J].Journal of China Coal Society,2014,39(12):2513-2518.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2014.0047