超声波辅助选煤装置研究

侯瑞华

（华晋焦煤有限责任公司沙曲选煤厂，山西 柳林 033300）

引言

高档煤炭产品的有限可用性和广泛的工业需求，迫使许多行业依赖进口煤炭来满足其需求。为了满足未来的煤炭需求，避免进口昂贵的高品位煤炭，应强调高效、充分地利用低品位煤炭。与高品位煤不同，高灰分、矿物杂质和低碳值等问题阻碍了低品位煤的工业应用。除此之外，它还可能含有各种碳酸盐、长石、磷酸盐、方沸石、硫化物和硫酸盐[1]。由于这些有害杂质的存在，直接利用未经选矿的低品位煤是不可取的。对于工业规模的煤炭清洁，常用选矿技术有物理和化学选矿技术。这些技术存在工艺效率低，煤表面存在煤泥涂层等缺陷。加入超声波可以显著提高处理效率消耗和较低的试剂消耗，这为未来的研究提供了方向。

1 超声波机理

几十年来超声波在煤炭加工中的应用一直是研究的热点如图1 所示。超声波产生声空化和声流现象[2],声空化现象在20～40 kHz 的低频率范围内最为显著，而声流在400 kHz 和1 MHz 以上的超声波和兆音速中占主导地位。低频煤炭加工最为有效，在声空化过程中，超声波激活会破坏溶液相中分子的吸引力，如图2 所示，在超声波振动的影响下，水介质经历了交替的稀疏和压缩循环。

图1 超声波在煤炭加工中的应用

图2 煤加工的超声波机理

2 超声波辅助物理选煤

2.1 超声波煤浆预处理

物理选矿工艺主要用于根据物理性质（如比重）的差异，将煤从煤灰杂质中分离出来。物理选矿工艺适用于优质煤。然而，当处理低品位煤时，尤其是对于含硫量高、煤泥涂层过多以及基质中存在化学结合杂质的煤，它们的效果较差。为了提高这些过程的性能，采用超声波作为预处理，已开发了各种类型的超声波设备[3-5]，如表1 所示。

表1 超声波设备

煤浆处理由下页图3 设备组成，用于在超声波的帮助下处理煤浆，通过比重差异从煤中分离灰分和硫。该设备包括一个垂直导管，煤浆通过该导管，然后用超声波进行处理，超声波频率在范围内，最好在70～90 kHz 之间。该方法包括三个步骤，一是将煤和水混合形成煤浆；二是选用80 kHz 频率对煤浆进行超声波处理，以打破灰分、硫与煤的物理结合；三是使用振动筛设备从煤中物理分离灰分和硫，以获得灰分和硫含量降低的洁净煤。

图3 煤浆预处理装置

实验结果表明，洁净煤产量从3%提高到10%，洁净煤的提取量增加，以及降低经处理煤的硫、汞、灰分和水分含量。这些结果归因于气泡空化产生的超声波冲击波，气泡空化破坏了形成矿物杂质的煤和灰之间的固有键，并擦洗了煤颗粒中的杂质。空化也有助于清除煤表面上不需要的粘土颗粒、煤泥、水凝胶和氧化产物。

2.2 超声波振动托盘

超声波振动托盘如图4 所示，该方法涉及通过以下方式制备煤浆，保持煤和水的体积相等，并将预磨好的浆料送入垂直倾斜的装置托盘板中，托盘板由超声波组成传感器安装在其下表面，在泥浆运动过程中产生强烈的振动波，重力施加在泥浆上的强烈振动波会导致灰杂质和煤之间的物理微观洗涤效果。经过水力旋流器、螺旋分离器等物理过程后，使用该设备处理的泥浆选矿机、振动台、离心机、筛网和螺旋分级机显示出更大程度的脱矿。

图4 超声波振动托盘装置

煤泥湿筛成不同的组分如表2 所示，湿法筛分后得到的煤馏分在一台超声波发生器中进行超声处理使用含声波探头的脱泥装置的水系统（直径3.8 cm，10 kHz，350 W），强度为0.5 W/cm2，脉冲数为10（每5 s）和在声波传播过程中脱出尺寸过小的颗粒将作为水悬浮液从仪器中移除处理。实验装置的示意图如图5所示。灰烬超声脱出的尺寸过小颗粒的含量变化范围为55%（对于8×16 目）～86.9%（对于50×100 目）的质量。表2 列出了不同煤种声波脱泥前后灰分含量的比较。与散装相比发现了超声波脱泥样品的灰分含量降低在50 s，超声波处理时间后，观察到30×50 目镍脱泥组分的除灰率较高，为31.1%，不同馏分的可燃值回收率范围为97.6%～99.8%。声波处理后灰分含量的降低归因于与煤相关的煤泥和细粘土颗粒的去除。该脱泥步骤被认为是必要的，因为煤泥的存在会干扰后续浮选或油凝聚过程中的煤试剂相互作用。

表2 不同粒级的灰分含量

图5 超声波辅助脱泥系统

3 结语

利用超声波空化作用改进物理选矿脱泥装置，超声波处理有助于去除氧化表面低品位煤中存在的灰层、杂质和硫。提高现场的灰分和硫去除率降低化学品消耗，缩短处理时间。通过超声波可以在更短的处理时间、更低的能耗和更低的试剂消耗下提高工艺回收率。基于超声波的煤炭选矿技术的发展将有效生产洁净煤，缓解环境问题，以及加强一个国家的能源安全。