改善高浓度煤泥水浮选效果的组合柱浮选工艺

谢广元,倪 超,张 明,刘 博,代立琪,王学霞,彭耀丽,沙 杰

(1.中国矿业大学化工学院,江苏徐州 221116;2.中国矿业大学煤炭加工与高效洁净利用教育部重点实验室,江苏徐州 221116;3.昆士兰大学化工学院,昆士兰州布里斯班 QLD4072)

改善高浓度煤泥水浮选效果的组合柱浮选工艺

谢广元1,2,倪 超1,张 明3,刘 博1,代立琪1,王学霞1,彭耀丽1,2,沙 杰1,2

(1.中国矿业大学化工学院,江苏徐州 221116;2.中国矿业大学煤炭加工与高效洁净利用教育部重点实验室,江苏徐州 221116;3.昆士兰大学化工学院,昆士兰州布里斯班 QLD4072)

为改善高浓度煤泥水的浮选效果,结合喷射式浮选柱(JFC)与旋流微泡浮选柱(FCMC)的分选优势,构建了JFC与FCMC组合工艺试验系统(JFC&FCMC系统),对比分析了FCMC及JFC&FCMC系统处理高浓度煤泥水的分选指标。结果表明:精煤灰分相当的前提下,与FCMC相比,入料浓度为100,120,140,160 g/L时,JFC&FCMC系统的精煤产率分别提高2.85%,1.82%, 0.93%,1.20%,平均提高1.70%;浮选完善指标分别提高1.17%,0.56%,1.48%,1.59%,平均提高1.20%;0.50～0.25 mm煤泥的浮选完善指标分别提高8.22%,6.15%,8.83%,9.51%,平均提高8.18%。JFC&FCMC系统能充分发挥JFC与FCMC的优势,实现高浓度煤泥水的全粒级高效分选,与FCMC相比,显著改善整体分选效果,且浓度越高,分选优势越明显。

高浓度;煤泥水;浮选柱;组合工艺

重介质选煤技术具有分选精度高、对煤质适应性强、易于实现自动控制等突出优点,因此在＞0.5 mm煤炭分选技术中占主导地位,尤以大型无压给料三产品重介质旋流器为主选设备的重介质选煤工艺在我国得到广泛应用[1-3]。然而,随之产生的煤泥水浓度过高问题(一般可达120～160 g/L,甚至更高)却已成为当前重介质选煤厂面临的共性技术难题[4]。

浮选机和浮选柱是工业应用处理＜0.5 mm煤泥的两大类浮选设备。由于对微细粒物料具有高选择性的分选优势,浮选柱在相关技术领域显示出强大的生命力,受到选矿界的重视[5-6]。其中,FCMC型旋流微泡浮选柱(以下简称FCMC)逐渐在我国选煤工业中得到推广应用[7-8]。FCMC适宜的入料浓度(文中浓度均采用固体含量表示,单位g/L)为50～100 g/ L,若超过浓度上限的煤泥水直接进行浮选,则不能同时兼顾精、尾煤质量[9-10]。入料中细泥含量高时,浓度对浮选效果的影响更加显著[11]。谢领辉通过改进FCMC的柱体高度、给料及矿化方式以适应高浓度煤泥水的分选特性,取得了一定效果[12]。刘均章借鉴浮选机多槽串联结构,提出将两台FCMC串联处理高浓度煤泥水的思想,研究表明:FCMC串联浮选工艺对高浓度煤泥水的适应性比单台FCMC更强,有助于改善高浓度煤泥水的分选效果[13]。彭耀丽[4]、谢领辉[14]、李振涛[15]等的研究成果进一步验证了上述结论。浓度高时,串联式FCMC改善了细煤泥的分选效果,但对粗粒煤泥的(这里指浮选入料中粒度＞0.25 mm的颗粒)的分选效果不够理想,仍存在尾煤“跑粗”问题。因此有必要寻求一种对粗粒煤泥具有良好回收效果的浮选设备与FCMC组合,实现高浓度煤泥水的全粒级高效分选。

基于Jameson浮选柱为代表的高效管流矿化短体浮选柱对粗粒矿物的回收效果较好[16-19]。本文将短体喷射式浮选柱(以下简称JFC)分选粗粒煤泥的优势和FCMC分选细粒及微细粒煤泥的优势相结合,构建了JFC与FCMC浮选柱组合工艺试验系统(以下简称JFC&FCMC系统),分析FCMC,JFC&FCMC系统分选高浓度煤泥水的浮选指标随各因素的变化规律,对比了FCMC与JFC&FCMC系统分选高浓度煤泥水的浮选效果及粗粒煤泥的回收效果。

1 试 验

1.1 煤样分析

1.1.1 粒度分析

试验煤样为神火集团薛湖选煤厂的入浮煤泥。从煤样的粒度组成(表1)可知:煤样的加权平均灰分为24.56%,属于中灰等级;各粒级分布不均,主导粒级为0.50～0.25 mm和＜0.045 mm,分别占煤样的30.58%和29.19%。上述两个粒级含量高,有利于研究高浓度条件下粗颗粒及微细粒煤泥的浮选效果。

表1 煤样粒度组成Table 1 Size composition of coal sample

1.1.2 可浮性分析

由探索试验确定的煤样最佳浮选工艺参数见表2。根据最佳浮选参数进行浮选速度试验,如图1所示。根据该厂浮选精煤灰分＜9.50%的要求,查得精煤灰分9.50%时对应的精煤产率为65.70%,计算可得精煤可燃体回收率为78.82%,煤样中等可浮。

表2 浮选最佳工艺参数Table 2 Parameters of optimum flotation technology

1.2 试验系统

JFC&FCMC系统如图2所示,一段采用自制正方形截面的JFC(截面边长100 mm,柱高940 mm),二段采用自制正方形截面的FCMC(截面边长100 mm,柱高1 540 mm)。一段浮选尾矿通过管道自流作为二段浮选入料。FCMC 试验系统直接采用JFC&FCMC系统的二段浮选柱构建。

图1 可浮性曲线Fig.1 Curves of floatability

图2 JFC&FCMC系统示意Fig.2 Schematic diagram of JFC&FCMC system

1.3 试验条件及方法

试验固定条件:FCMC及JFC&FCMC系统试验均采用表2的药剂种类及用量;入料浓度分别为100, 120,140和160 g/L;配制矿浆体积100 L;JFC的入料预矿化压力为0.08 MPa和0.10 MPa;根据现场生产实践选择二段FCMC的循环泵压力为0.14,0.16和0.18 MPa。以浮选精煤灰分、产率及浮选完善指标作为试验综合评价指标。

试验方法:按浓度称取相应质量的煤样,在塑料桶中加水预先润湿后,倒入搅拌桶,再加水至100 L。调浆搅拌10 min后,同时加入定量的捕收剂和起泡剂,加药完毕调浆5 min后,开启给料泵,柱内液位上升至600 mm(以柱体段数计,每段300 mm)时,开启循环泵,出现泡沫层。液位升至给料口时减小给料速度,让泡沫缓慢上升,待有尾矿流出时,根据尾矿流速调整给料速度。调节循环泵压力,稳定运行5 min后同时接取精、尾矿样,接样时间3 min,每个产品均连续采样两次作为平行样,试验结果取平均值。对于JFC&FCMC系统试验,一段JFC尾矿进入二段FCMC柱体至600 mm高度时,开启二段FCMC的循环泵,待二段FCMC有尾矿流出时,同时调节一段JFC的预矿化泵压力和二段FCMC的循环泵压力,稳定运行5 min后同时接取一段JFC和二段FCMC的精、尾矿样,采样方法与FCMC试验相同。一段JFC的尾矿箱与二段FCMC入料口之间装有三通阀,便于接取一段尾矿样。样品经过滤、烘干、称重、制样、分析及化验。

2 结果与分析

2.1 FCMC试验

图3为FCMC在不同循环压力下精煤灰分、产率和浮选完善指标随浓度的变化曲线。

图3 FCMC试验结果Fig.3 Experiment results of FCMC

从图3可以看出,同一循环压力下,入料浓度＞120 g/L时,精煤灰分、产率和浮选完善指标均明显减小,表明FCMC不适于过高浓度煤泥水的浮选。这是因为浮选过程中气泡作为运载工具,浓度过高时,充气量相同的情况下,气泡运载能力相对不足;其次颗粒与颗粒之间、煤粒与气泡之间干扰加剧,加之浮选柱柱体高,矿化泡沫升浮路径长,矿化颗粒的脱附概率增加;再者单位体积矿浆中固体比例增大,气液两相占据空间相应减小,气泡均布程度遭到破坏[4]。导致精煤产率大幅降低,最多降低8.95%,精煤灰分和浮选完善指标相应降低。

相同入料浓度的矿浆,随循环压力增大,精煤产率及灰分持续增加,浮选完善指标的变化规律较复杂。入料浓度为100 g/L时,0.14,0.16 MPa的浮选完善指标明显高于 0.18 MPa;然而 160 g/L时,0.16 MPa的浮选完善指标最大,0.18 MPa次之, 0.14 MPa最小。这是因为FCMC采用负压自吸式微泡发生器,循环压力直接影响气泡发生器吸气量、柱体内气含率和矿浆紊乱程度[20-21]。矿浆浓度低时,循环压力大容易导致矿浆扰动剧烈,高灰细泥通过气泡的机械夹带或者矿浆涌动直接进入精煤的量增加,精煤灰分显著升高,浮选完善指标显著降低,浮选效果恶化[22];相反,矿浆浓度高时,循环压力小,由于气泡运载能力不足导致的精煤损失增加,而且高浓度煤泥水在一定程度上削弱循了环压力增加导致的矿浆扰动。因此入料浓度为100 g/L时,0.18 MPa的浮选完善指标最小;入料浓度为160 g/L时,0.14 MPa的浮选完善指标最小。

为研究不同粒级煤泥的浮选效果,分别对浮选精、尾煤进行筛分试验,并以浮选完善指标作为各粒级煤泥分选效果的评价指标。图4为FCMC分选各粒级煤泥的浮选完善指标随循环压力和入料浓度的变化曲线。

图4 FCMC分选各粒级的浮选完善指标曲线Fig.4 Flotation perfect index curves of each size fraction with FCMC

从图4可以看出,不同循环压力和入料浓度下, 0.500～0.250 mm和0.250～0.125 mm煤泥的浮选完善指标均明显低于＜0.125 mm煤泥。主要原因是高浓度下颗粒与颗粒之间、煤粒与气泡之间干扰加剧,同时浮选柱柱体高,矿化泡沫升浮路径长,矿化颗粒的脱附概率增加,尤其是粒度较粗的煤泥。增大循环压力可改善 0.500～0.250 mm 和 0.250～ 0.125 mm煤泥的浮选效果,但会恶化极细粒煤泥的选择性。其原因是循环压力增大可产生更多的气泡,尤其是微泡,不仅提供更大的可供颗粒附着的表面,而且可作为粗颗粒与大气泡附着的桥梁,增大粗颗粒矿化几率及回收率[23]。但是较大的循环压力增大了矿浆紊乱程度,降低了＜0.045 mm煤泥的分选精度。增大入料浓度,FCMC对粗颗粒煤泥的回收效果逐渐变差。这是因为随着浓度增大,颗粒与颗粒之间、煤粒与气泡之间干扰更加明显,甚至不能实现有效分选,粗粒煤泥损失加剧。

从粒度角度分析,FCMC分选高浓度煤泥水存在的不足是对0.500～0.250 mm煤泥的分选效果较差,浮选完善指标低于其他粒级,而且随入料浓度的增大,该粒级煤泥的回收效果逐渐变差。

2.2 JFC&FCMC系统试验

图5为JFC&FCMC系统在不同的一段预矿化压力和二段循环压力下精煤灰分、产率和浮选完善指标随入料浓度的变化曲线。其中精煤产率为一段、二段精煤产率之和,灰分由加权平均计算得到。

从图5(a),(b)可以看出,JFC&FCMC系统的精煤灰分、产率随浓度及二段循环压力的变化趋势与FCMC相同。相同二段循环压力下,入料浓度≤120 g/L时,一段预矿化压力0.10 MPa与0.08 MPa的精煤灰分、产率基本相当;但浓度＞120 g/L时, 0.10 MPa的精煤灰分、产率均低于0.08 MPa,且浓度越高,差值越大。这是因为一段JFC的柱体较低,随着预矿化压力增大,柱体内矿浆紊动程度显著增加,不仅导致更多的矿化颗粒与气泡脱附,而且泡沫夹带高灰细泥量增大,甚至出现矿浆因瞬时动能较大直接进入精矿的现象。因此一段精煤产率低、灰分高,剩余进入二段FCMC的矿浆浓度相应升高。由于二段FCMC相当于单段FCMC,直接浮选高浓度煤泥水时,不能实现良好分选,二段精煤产率及灰分均降低。入料浓度＞120 g/L时,二段FCMC的浮选效果对JFC&FCMC系统浮选效果的影响更加显著,导致总精煤灰分、产率降低。

从图5(c)可以看出,整体而言,随着矿浆浓度的增大,JFC&FCMC系统的浮选效果持续变差,但均高于图3(b)中FCMC相同浓度下的浮选完善指标。相同入料浓度及二段循环压力下,入料浓度为100 g/L时,0.08 MPa的浮选完善指标明显高于0.10 MPa;然而入料浓度＞120 g/L时,两者关系相反。主要原因是一段预矿化压力和二段循环压力分别决定一段JFC和二段FCMC的柱体内气泡量及矿浆紊动程度,因而这两个参数在不同入料浓度下对浮选完善指标具有大体相同的影响规律。浓度低时,高压力下矿浆扰动剧烈,严重恶化分选效果;浓度高时,对矿浆扰动具有一定的抑制作用,同时低压力下精煤损失严重,因此较高压力下的分选效果更好。由于JFC&FCMC系统浮选过程中两段的分选效果均影响最终的分选指标,因此一段预矿化压力与二段循环压力对分选指标的影响必然存在交互作用,浮选完善指标的变化规律也更加复杂。

图5 JFC&FCMC系统试验结果Fig.5 Experiment results of JFC&FCMC system

图6为不同预矿化压力和入浮浓度下一段JFC分选各粒级的浮选完善指标曲线。由图6可以看出,随着粒度减小,浮选完善指标先增大,在0.250～0.125 mm 出现极大值后减小。整体而言,＞0.125 mm煤泥的分选效果优于细粒级(尤其是＜0.045 mm 煤泥)。提高预矿化压力可改善 ＞0.074 mm粒级的浮选效果,但恶化＜0.045 mm煤泥的选择性。随着入料浓度增加,各粒级分选效果持续变差,入料质量浓度＞140 g/L时表现更加明显。其原因是JFC的静态快浮分选机制:① 入料采用高效管流矿化,提高了粗颗粒矿化效率;②气泡的矿化及分离分别在导流管和分选槽中进行,矿化气泡在柱体内实现相对“静态”的分离环境,减小粗粒脱附的概率;③柱体短,气泡升浮路径短,进一步减小颗粒(尤其是粗颗粒)从气泡脱附的概率。然而由于JFC的柱体短,泡沫二次富集作用不强,同时预矿化压力增大容易导致矿浆紊动剧烈,高灰细泥通过机械夹带或者矿浆涌动直接进入精煤的量增加,降低微细粒级煤泥分选选择性。

由图6与图4对比可知,无论是在不同矿化压力下(入料浓度均为120 g/L),还是在不同浓度下(忽略一段预矿化压力及二段循环压力的差异),一段JFC分选0.500～0.250 mm和0.250～0.125 mm煤泥的浮选完善指标都大于FCMC相应粒级煤泥的浮选完善指标。试验证明:采用JFC作为一段分选设备有利于粗粒煤泥的高效分选回收。

图6 一段JFC分选各粒级浮选完善指标Fig.6 Flotation perfect index of each size fraction with one stage JFC

图7为不同循环压力和入料浓度下二段FCMC分选各粒级的浮选完善指标曲线。与图4相比,图7中各组曲线的变化趋势与FCMC对应曲线大致相同。其主要区别在于,JFC&FCMC系统中,二段FCMC入料为一段JFC尾矿,因此浓度比FCMC分选更低,但可浮性更差。对比试验结果表明,不论在不同循环压力(入料浓度相同)下,还是在不同入料浓度(循环压力相同)下,二段FCMC分选＜0.25 mm煤泥的浮选完善指标均略高于FCMC相同条件下的相应指标。其原因是:①浓度是影响FCMC分选效果的重要工艺参数。通过一段JFC浮选,二段FCMC浮选入料浓度相比FCMC浮选入料浓度降低20%左右,从而有利于二段FCMC分选[4];②通过一段JFC分选,入料中大部分粗粒煤泥已得到较好的分选回收,二段入料粒度组成更有利于FCMC发挥其分选细粒及微细粒煤泥的优势[20,24]。

图7 二段FCMC分选各粒级浮选完善指标Fig.7 Flotation perfect index of each size fraction with second stage FCMC

上述结果表明,在JFC&FCMC系统中,通过一段JFC分选可回收大部分粒度较粗的易浮及中等可浮颗粒,降低进入二段FCMC的矿浆浓度,再发挥FCMC分选细粒及微细粒煤泥的优势保证对以细粒难浮物料为主的剩余矿浆的高精度分选,从而实现高浓度煤泥水的全粒级高效分选。

2.3 两种浮选系统试验结果对比

不同浓度下FCMC和JFC&FCMC系统的试验结果分别有3组和6组,为便于比较,分别选择精煤灰分为9.01%～9.50%、浮选完善指标最高的一组进行对比。图8为两种试验系统不同浓度下的精煤产率、浮选完善指标和0.500～0.250 mm煤泥浮选完善指标的对比曲线。

由图8(a)可知,随着入料浓度从100 g/L增大至160 g/L,JFC&FCMC系统的精煤产率和浮选完善指标均高于FCMC,其中精煤产率分别提高2.85%, 1.82%,0.93%,1.20%,平均提高1.70%;浮选完善指标分别提高1.17%,0.56%,1.48%,1.59%。而且入料浓度＞120 g/L时,随着浓度增加,两种试验系统浮选完善指标的差值呈增大趋势。从图8(b)可以看出,对于煤泥中0.500～0.250 mm颗粒分选而言,随着入料浓度的增加,JFC&FCMC系统的浮选完善指标均明显高于 FCMC,分别提高8.22%,6.15%, 8.83%,9.51%。

图8 两种浮选系统试验结果对比Fig.8 Results comparison of two flotation systems

上述结果证明,JFC&FCMC系统处理高浓度煤泥水具有可行性,与FCMC相比,显著改善了整体分选效果。

3 结 论

(1)入料浓度＞120 g/L时,FCMC的分选效果随浓度的增大持续恶化,增大循环压力有一定的缓解作用。从粒度角度分析,主要由于入浮煤泥中0.500～0.250 mm颗粒的回收效果明显低于其他粒级,且随浓度的增加,该粒级的回收效果变差。

(2)JFC&FCMC系统的浮选效果随浓度的增加持续变差,但均高于相同浓度下FCMC的分选指标,并且随着入料浓度增加,JFC&FCMC系统的优势更加明显;一段JFC分选＞0.250 mm煤泥和二段FCMC分选＜0.250 mm煤泥的浮选完善指标均高于FCMC分选相应粒级的浮选完善指标,保证各粒级煤泥的高效分选。

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Enhanced separation of high concentration coal slurry by a two stages process with different flotation columns

XIE Guang-yuan1,2,NI Chao1,ZHANG Ming3,LIU Bo1,DAI Li-qi1,WANG Xue-xia1,PENG Yao-li1,2,SHA Jie1,2

(1.School of Chemical Engineering and Technology,China University of Mining&Technology,Xuzhou 221116,China;2.Key Laboratory of Coal Processing and Efficient Utilization,Ministry of Education,China University of Mining&Technology,Xuzhou 221116,China;3.School of Chemical Engineering,University of Queensland,Brisbane QLD4072,Australia)

high concentration;coal slurry;flotation column;two stages process

:In order to improve effect separation of high concentration coal slurry,a jet flotation column(JFC)and a cyclonic micro-bubble flotation column(FCMC)was adopted to comprise a two stage flotation system(JFC&FCMC) combining advantages of the two flotation columns.A favorable performance was obtained in treating high concentration coal slurry with the JFC&FCMC flotation system when compared with that of the single stage FCMC system.The comparison of results at the same clean coal ash level indicate that,when feed concentrations are set at 100,120, 140,160 g/L,clean coal yields of JFC&FCMC system are 2.85%,1.82%,0.93%,1.20%higher(1.70%on average)respectively than that of single stage FCMC,flotation perfect indexes of all size fractions are 1.17%,0.56%, 1.48%,1.59%higher(1.20%on average)respectively,while a more significant increase is obtained at the 0.50-0.25 mm coal slime,whose flotation perfect index are 8.22%,6.15%,8.83%,9.51%higher(8.18%on average)in each concentration.So it can be concluded that JFC&FCMC system can combine the advantages of JFC and FCMC whereby separating whole fraction of high concentration coal slurry effectively.Its superiority over FCMC in treating high concentration coal slurry rises with the coal slurry concentration.

谢广元,倪 超,张 明,等. 改善高浓度煤泥水浮选效果的组合柱浮选工艺[J].煤炭学报,2014,39(5):947-953.

10.13225/ j.cnki.jccs.2013.1103

Xie Guangyuan,Ni Chao,Zhang Ming,et al.Enhanced separation of high concentration coal slurry by a two stages process with different flotation columns[J].Journal of China Coal Society,2014,39(5):947-953.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.1103

2013-08-05 责任编辑:张晓宁

高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20110095120021);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2010QNB08);江苏省2013年度普通高校研究生科研创新计划资助项目(CXLX13_953)

谢广元(1962—),男,江苏泰兴人,教授,博士生导师,博士。Tel:0516-83591056,E-mail:xgywl@163.com

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0253-9993(2014)05-0947-07