射流-搅拌耦合式煤泥浮选装置设计与试验研究

朱金波，韩有理，费之奎，王 超，周 伟，朱宏政，朱再胜，王海楠，张 勇，冯岸岸

(安徽理工大学 材料科学与工程学院，安徽 淮南 232001)

煤炭清洁高效利用是产业持续发展的需要[1]。2017年我国原煤入选率高达70.2%，同比增长1.3%[2]；其中微细煤泥的处理始终是一个难题，浮选机作为分选微细煤泥的有效设备，一直以来深受各大选煤厂青睐[3-4]。目前常用的浮选设备有机械搅拌式浮选机和喷射式浮选机两种，其中机械搅拌式浮选机具有吸气量稳定、矿浆循环效果好等特点[5]；喷射式浮选机具有能耗低、吸气量大、气泡粒径小等特点[6]。环空射流喷嘴的研究发现：喷嘴的吸气效果随引射管出口距外喷嘴出口间距与其出口的面积比的增加而增加；装置产生的气泡粒径尺寸随喷嘴距、入料压力的增大而逐渐减小[7]。由于搅拌过程的二次切割作用可降低气泡粒径，且粒径分布符合正态分布规律[8]，因此提出一种耦合两种浮选机多重优点的射流-搅拌耦合式浮选装置，并对其进行初步试验研究。

1 射流-搅拌耦合式浮选装置结构及工作原理

环空射流浮选装置结构如图1所示。设备结构包括固定在主轴的上下布置、等速运动的驱动轮和搅拌轮构件；主轴穿过入料槽顶部，采用密封轴承定位；在入料槽上部，沿中心对称布置六个环空喷嘴，喷嘴沿入料槽外壁切向穿入内壁，喷嘴中心线与驱动轮中心线在同一水平面，如A—A视图所示；出料筒与锥形罩布置在出料筒下部。

1—主轴;2—入料槽;3—环空喷嘴;4—驱动轮;5—出料筒;6—锥形罩;7—搅拌轮

环空喷嘴结构如图2所示，其结构包括引射管、吸气管和喷嘴。当有压水介质流经引射管连续不断地高速喷射而出时，可在引射管与喷嘴之间的吸气区内形成稳定的负压环境，引射空气流，持续抽吸并压缩空气，使空气流与水介质流在喷嘴内的混合区内预先混合。

1—引射管；2—连接环；3—吸气管；4—喷嘴；5—吸气区；6—混合区

含气矿浆射流冲击到驱动轮时，冲击力迫使驱动轮高速旋转，使处于从动状态的搅拌轮等速旋转；入料槽内的含气高速矿浆流冲击到驱动轮上后，矿浆被甩向入料槽内壁，在重力和离心力的双重作用下，在出料筒内沿螺旋方式向下运动，经锥形罩引流至搅拌轮；高速旋转的搅拌轮与驱动轮将吸入的气泡微团再次切割、弥散成微泡，进而促进气泡矿化过程的进行[9]。

2 试验

2.1 试验系统

浮选系统如图3所示。浮选槽底部设置有假底和循环泵，循环泵与环空喷嘴通过管道连接；管道设置有压力表、液体流量计，可实时测量工作参数；环空喷嘴的吸气管与玻璃转子流量计连接，抽吸矿浆冲击驱动轮旋转，在入料槽上部对矿浆、药剂进行初步预处理；矿浆、药剂、气泡经出料筒螺旋运动送至搅拌轮上，进行气泡矿化过程；最终，精矿上浮至液面形成稳定的泡沫层，尾矿下沉至槽底排出。图中黑色虚线箭头代表浮选装置内及浮选槽内矿浆流向，黑色实线箭头代表外部矿浆流向。

图3 试验系统示意图

在一个喷嘴条件下，进行吸气量试验研究。其装置结构的主要参数如下：

驱动轮尺寸/(mm×mm)

30×35

驱动轮直径/mm

150

驱动轮叶片数/个

6

搅拌轮尺寸/(mm×mm)

30×75

搅拌轮直径/mm

150

搅拌轮叶片数/个

5

循环槽尺寸/(mm×mm×mm)

250×250×600

出料筒直径/mm

70

搅拌轮距循环槽底距离/mm

25

入料槽直径/mm

160

环空喷嘴数/个

6

2.2 试验条件

试验煤样采自淮南潘一选煤厂<0.5 mm粒级原煤，试验矿浆浓度为20 g/L，浮选槽体积为20 L；起泡剂为甲基异丁基甲醇(MIBC，分子式：C6H14O，分析纯)，捕收剂为正十二烷(C12H26)；入料压力为0.14 MPa，充气量为2.5 L/min。依照GB/T 4757—2001《煤粉(泥)实验室单元浮选试验方法》进行分选试验。

根据GB/T 477—2008《煤炭筛分试验方法》对入料煤泥进行粒度组成分析，结果见表1。

表1 入料粒度组成

由表1可知，0.25～0.075 mm粒级为煤样的主导粒级，其产率为44.31%，与其他粒级灰分相差不大；<0.075 mm粒级产率为38.13%，加权平均灰分为20.58%，该粒级产率相对较高，灰分处于中灰煤阶；入料灰分为19.95%。

2.3 评价指标

试验采用可燃体回收率、浮选完善指标作为评价指标[10]，其计算式如下：

式中：Ej为可燃体回收率，%；γj为精煤产率，%；Adj为精煤灰分，%；Ady为原煤灰分，%；ηwf为浮选完善指标，%。

2.4 试验结果与分析

浮选试验结果见表2。由表2可知，在忽略试验误差的情况下，浮选精煤产率为66.51%，产率较高，灰分为7.38%，灰分较低，远低于一般的炼焦煤灰分要求；浮选尾煤产率为33.50%，灰分为44.92%；0.5～0.25 mm粒级精煤产率为2.23%，灰分为6.15%，产率相对较低，说明该粒级的分选较差； 0.25～0.125 mm粒级精煤产率为19.58%，远大于同粒级尾煤产率(4.62%)，该粒级精煤回收率为80.91%；0.125～0.075 mm粒级精煤产率为14.08%，大于同粒级尾煤产率(6.05%)，粒级精煤回收率为69.95%；0.075～0.045 mm粒级精煤产率为10.57%，大于同粒级尾煤产率(2.39%)，该粒级精煤回收率为81.56%；<0.045 mm粒级精煤产率为20.06%，大于同粒级尾煤产率(5.11%)，该粒级精煤回收率为79.70%。

表2 浮选试验结果

注：精煤回收率=本粒级精煤全级产率/(本粒级精煤全级产率+本粒级尾煤全级产率)×100%。

综上所述，装置对<0.25 mm微细煤泥的分选效果较好，对微细煤泥中低灰颗粒的捕收、矿化能力较强，精煤回收率达到70%～80%，能够实现对煤泥颗粒表面改性，摆脱黏土矿物罩盖对微细煤泥分选的影响。通过计算可知，浮选装置的可燃体回收率为76.95%，浮选完善指标达到52.36%,装置浮选效率较高，对煤样回收效果较佳。

3 结论

(1)结合机械搅拌式浮选机和喷射式浮选机优点设计了射流-搅拌耦合式浮选装置，该装置实现了对微细煤泥的浮选，达到了提质增效的目的。同时，该装置可对矿浆进行预处理，简化了浮选工艺，为矿化过程的进行提供良好的流场环境。

(2)初步试验研究结果表明，该装置的精煤产率为66.51%，灰分为7.38%，对<0.25 mm微细煤泥具有较好的浮选效果，各个粒级的精煤回收率均达到70%～80%，可燃体回收率为76.95%，浮选效率为52.36%，浮选效果较好。