趙國(guó)華

(河北能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 唐山 063000)

煤炭是我國(guó)的“工業(yè)糧食”，對(duì)我國(guó)社會(huì)與經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展作用不可小覷[1]。選煤是煤炭工業(yè)生產(chǎn)中一個(gè)極其重要的環(huán)節(jié)，在各類選煤設(shè)備中，重介質(zhì)旋流器以體積小、處理能力大、分選效率高等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用，其在各種選煤方法中所占的比重逐年上升[2]。對(duì)于重介質(zhì)旋流器選煤來(lái)說(shuō)，重介懸浮液的粘度是分選過(guò)程中的重要工藝參數(shù)，如果粘度過(guò)低，其中加重質(zhì)就會(huì)迅速沉降，導(dǎo)致重介懸浮液密度不穩(wěn)定，直接影響分選效果；如果粘度過(guò)高，其中重顆粒下沉所受摩擦阻力就會(huì)增大，導(dǎo)致重顆粒不能順利下沉，進(jìn)而混入浮選精礦，直接影響精煤產(chǎn)品質(zhì)量；此外，重介懸浮液粘度過(guò)高，將使洗選產(chǎn)品脫介效果變差，未被脫除的加重質(zhì)混入洗選產(chǎn)品，不但導(dǎo)致重介分選系統(tǒng)介耗增加，而且嚴(yán)重影響洗選產(chǎn)品質(zhì)量。

孫武峰[3]采用差壓式重介懸浮液密度和粘度一體化測(cè)量方法研究了粘度對(duì)重介分選效果的影響，段福山[4]通過(guò)探討懸浮液流體特性研究影響重介懸浮液穩(wěn)定性的因素，其中粘度是一個(gè)重要因素。因此，改善重介懸浮液粘度的新技術(shù)成為提高重介分選效果的重要技術(shù)措施之一。

1 粘度改善技術(shù)影響分選效果的機(jī)理

粘度改善技術(shù)是通過(guò)降低重介懸浮液的粘度，使固體顆粒在其中運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的粘滯阻力減小，促使顆粒按密度分離的分選力(重力或離心力)作用更顯著[5]，進(jìn)而使不同密度級(jí)物料相互混雜的可能性減小，即輕產(chǎn)物中混雜的高密度、高灰分矸石顆粒減少，重產(chǎn)物中混雜的低密度、低灰分精煤顆粒也減少，從而降低疊加效應(yīng)對(duì)精煤質(zhì)量和產(chǎn)率的影響。

1.1 粘度改善技術(shù)的基本原理

重介懸浮液是以粒度很細(xì)的高密度固體微粒與水配制成的懸浮狀態(tài)的兩相流體，所用固體微粒稱為加重質(zhì)，水則稱為加重劑[6]。通常所用的重介懸浮液是由磁鐵礦粉、煤泥、水組成的動(dòng)態(tài)懸浮體系，液體粘性是由分子間引力引起的；氣體粘性是由動(dòng)能不同的分子在流速不同的層間交換引起的。這兩種流體均為均質(zhì)介質(zhì)，符合牛頓內(nèi)摩擦定律。懸浮液的粘性包括由固-液界面增大和顆粒間摩擦、碰撞引起的流動(dòng)切應(yīng)力，其外觀表現(xiàn)為粘性[7]。由于與均質(zhì)介質(zhì)粘性形成的原因不完全相同，工業(yè)上一般將所測(cè)重介懸浮液的粘度稱為視粘度。

粘度改善技術(shù)是在保證重介懸浮液穩(wěn)定性和均一性的基礎(chǔ)上，降低其粘度的技術(shù)[8]。該技術(shù)是向重介懸浮液中加入一定量的高電荷、高分子藥劑，藥劑分子與磁鐵礦粉顆粒發(fā)生作用并吸附在其表面，經(jīng)過(guò)改性的磁鐵礦粉顆粒表面因吸附高電荷分子而帶電，從而使磁鐵礦粉顆粒之間產(chǎn)生靜電斥力，這種靜電斥力恰好抵消了部分磁鐵礦粉顆粒之間的天然聚合力(磁力)，進(jìn)而阻止磁鐵礦粉顆粒之間相互聚合成團(tuán)的趨勢(shì)。由于高電荷分子直接吸附在磁鐵礦粉顆粒表面，故不會(huì)像引入煤泥而使懸浮液粘度增加，但達(dá)到了降低重介懸浮液粘度的目的。重介懸浮液的粘度降低，能夠減小顆粒運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的粘滯阻力干擾，從而使其盡可能按密度分選，進(jìn)而達(dá)到提高分選效果的目的。

1.2 粘度改善技術(shù)對(duì)分選效果的影響

1.2.1 固體顆粒在重介懸浮液中的受力

煤在重介懸浮液中的分選主要是在運(yùn)動(dòng)的液體環(huán)境中進(jìn)行，固體顆粒在重介懸浮液中受到重力(或離心力)和粘滯阻力的共同作用(顆粒沉降時(shí)的受力)。顆粒在離心力場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)受力較重力場(chǎng)更復(fù)雜，但可簡(jiǎn)化為離心力和粘滯阻力規(guī)定顆粒的運(yùn)動(dòng)，而粘滯阻力的方向與顆粒運(yùn)動(dòng)方向相反，兩者的合力使顆粒在重介懸浮液中產(chǎn)生特定運(yùn)動(dòng)。由于顆粒密度的差異，煤與矸石在運(yùn)動(dòng)的重介懸浮液中產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)差，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)二者的分離與分選[9]。但在實(shí)際分選過(guò)程中，由于顆粒在運(yùn)動(dòng)中受重介懸浮液的粘滯阻力影響，且其大小隨顆粒比表面積不同存在差異，因而不能完全按密度分離，導(dǎo)致不同密度的物料相互混雜(圖1)，即輕產(chǎn)物中混入了一定量的高密度、高灰分矸石顆粒，同時(shí)重產(chǎn)物中混入了部分低密度、 低灰分精煤顆粒，兩者的疊加效應(yīng)使精煤產(chǎn)率和精煤質(zhì)量均降低。對(duì)于細(xì)粒煤(<0.5 mm)，重介懸浮液的粘滯阻力影響更突出，導(dǎo)致其按密度分離更困難，故通常重介分選工藝的分選粒度下限不低于0.5 mm。

圖1 重產(chǎn)物與輕產(chǎn)物混雜示意圖

1.2.2 固體顆粒在重介懸浮液中的運(yùn)動(dòng)

在分選過(guò)程中，不同煤顆粒的沉降末速差別決定其將成為何種產(chǎn)品，固體顆粒在重介懸浮液中的運(yùn)動(dòng)末速可以采用Stockes沉降末速公式[10]表達(dá)，

式中：v0為顆粒的沉降末速，m/s；dp為顆粒的直徑，m；ρp為顆粒的密度，kg/m3；ρ1為重介懸浮液的密度，kg/m3；μ1為重介懸浮液的粘度，Pa·s。

Stockes沉降末速公式表明：在一定粒度范圍內(nèi)的固體顆粒，其沉降末速與重介懸浮液的粘度成反比，與二者的密度差成正比。錯(cuò)配物主要為鄰近分選密度的煤顆粒，由于這部分顆粒的密度差小，致使其沉降末速差值微小，在重介質(zhì)旋流器分選過(guò)程中，不同密度的煤顆粒還沒(méi)有完全分離即成為同一產(chǎn)品，進(jìn)而產(chǎn)生錯(cuò)配現(xiàn)象。鄰近密度物總是存在的，要想減少錯(cuò)配現(xiàn)象的發(fā)生，只能提高煤顆粒的沉降末速，使其在成為產(chǎn)品前得到有效分離。粘度改善技術(shù)是直接降低重介懸浮液的粘度，在密度不變的情況下，固體顆粒的沉降末速更高，這就提高了分選過(guò)程中鄰近密度煤顆粒分離的可能性，可以有效減少錯(cuò)配物含量。

2 粘度改善技術(shù)應(yīng)用實(shí)例

唐山礦業(yè)分公司選煤廠重介系統(tǒng)分為東、西兩套系統(tǒng)，兩套系統(tǒng)都有型號(hào)相同的三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器、重介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)及獨(dú)立的產(chǎn)品分級(jí)、脫水、脫介系統(tǒng)。此次工業(yè)試驗(yàn)確定以東系統(tǒng)作為粘度改善技術(shù)的應(yīng)用試點(diǎn)系統(tǒng)，并以西系統(tǒng)作為參比系統(tǒng)。試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)是降低錯(cuò)配物含量，提高重介精煤產(chǎn)率0.2～1.0百分點(diǎn)。

2.1 粘度改善劑與磁鐵礦粉的混合

粘度改善劑是液態(tài)溶質(zhì)，能夠快速溶解于水，根據(jù)此特性將其直接加入重介懸浮液，通過(guò)攪拌使其快速擴(kuò)散到水中，并與水中的懸浮磁鐵礦粉顆粒充分碰撞、接觸，以完成吸附前的必要準(zhǔn)備。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)中，參與分選的重介懸浮液儲(chǔ)存在合格介質(zhì)桶內(nèi)，生產(chǎn)時(shí)由合介泵輸送給重介分選設(shè)備。在分選作業(yè)完成后，合格重介懸浮液重新回到合格介質(zhì)桶，作為再次分選的重介懸浮液；對(duì)于分選過(guò)程中損失的磁鐵礦粉，從系統(tǒng)外補(bǔ)充到合格介質(zhì)桶，并通過(guò)密度控制系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整合格介質(zhì)桶內(nèi)的懸浮液密度[11]。為了使進(jìn)入重介系統(tǒng)的粘度改善劑與重介懸浮液充分混合，并與其中的磁鐵礦粉顆粒充分接觸，將粘度改善劑加入合格介質(zhì)桶，借助返回合介桶的重介懸浮液的沖擊、攪拌作用，使其在重介懸浮液內(nèi)迅速溶解、擴(kuò)散，再通過(guò)循環(huán)介質(zhì)泵的作用使其與補(bǔ)充的磁鐵礦粉顆粒進(jìn)一步碰撞、接觸，從而完成粘度改善劑吸附前的準(zhǔn)備工作。粘度改善劑與重介懸浮液混合過(guò)程如圖2所示。

2.2 粘度改善劑與磁鐵礦粉的吸附

粘度改善劑與補(bǔ)充的磁鐵礦粉顆粒接觸后，自發(fā)地吸附在磁鐵礦粉顆粒表面，并在其表面擴(kuò)展，最終在磁鐵礦粉顆粒表面形成一層帶有高電荷的吸附“膜”。由于吸附粘度改善劑的磁鐵礦粉表面都包裹著一層靜電“膜”，在靜電斥力的作用下，磁鐵礦粉顆粒之間的聚合磁力作用效果減弱，難以聚集成團(tuán)，重介懸浮液的穩(wěn)定性和均一性均提高。

圖2 粘度改善劑與重介懸浮液混合過(guò)程圖

2.3 粘度改善劑的藥劑制度

粘度改善劑是液態(tài)藥劑，可以通過(guò)加藥泵自動(dòng)加藥。在加藥初期需要根據(jù)系統(tǒng)中已有磁鐵礦粉量添加所需的粘度改善劑，并確保藥劑與系統(tǒng)中原有磁鐵礦粉充分混合、撞碰、接觸、吸附、擴(kuò)散；對(duì)于分選系統(tǒng)運(yùn)行期間的藥劑用量，依據(jù)重介分選系統(tǒng)的介質(zhì)損失量添加，即根據(jù)補(bǔ)充的磁鐵礦粉量，按照比例將粘度改善劑添加到合格介質(zhì)桶內(nèi)。

工業(yè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：重介懸浮液中添加粘度改善劑的量，以原煤入選量計(jì)算為6～8 g/t，以補(bǔ)充的磁鐵礦粉量計(jì)算為2.50～4.50 kg/t，即可達(dá)到改善其粘度的目的。

3 應(yīng)用效果與分析

3.1 應(yīng)用粘度改善技術(shù)對(duì)錯(cuò)配物含量的影響

在工業(yè)試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)東、西兩套系統(tǒng)的原煤、精煤、中煤、矸石進(jìn)行生產(chǎn)技術(shù)檢查，并根據(jù)浮沉試驗(yàn)資料和三產(chǎn)品產(chǎn)率統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析。兩套系統(tǒng)的三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器二段低密度分選時(shí)的錯(cuò)配物統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1、表2，對(duì)應(yīng)的錯(cuò)配物曲線如圖3、圖4所示。

表1 東系統(tǒng)旋流器二段的錯(cuò)配物統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

表2 西系統(tǒng)旋流器二段的錯(cuò)配物統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

圖3 東系統(tǒng)旋流器二段的錯(cuò)配物曲線

圖4 西系統(tǒng)旋流器二段的錯(cuò)配物曲線

由圖3和圖4可知：從等誤密度處(或?qū)嶋H分選密度處)的錯(cuò)配物含量來(lái)看，東系統(tǒng)的合計(jì)約為0.70%，西系統(tǒng)的合計(jì)在1.02%以上，這說(shuō)明采用粘度改善技術(shù)后，三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器二段低密度分選時(shí)的錯(cuò)配物含量明顯降低。

由于錯(cuò)配物含量減少，精煤在中煤中的損失量降低，中煤對(duì)精煤的污染減少，此兩項(xiàng)的疊加效應(yīng)使采用粘度改善技術(shù)的重介精煤灰分有所降低；或是在同等精煤灰分條件下，精煤產(chǎn)率得到提高，分選密度和分選效率明顯提高。

3.2 應(yīng)用粘度改善技術(shù)對(duì)精煤產(chǎn)率的影響

東、西兩套系統(tǒng)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)與對(duì)比結(jié)果(表3)說(shuō)明：在同一入料、同一精煤灰分時(shí)，東系統(tǒng)的精煤產(chǎn)率比西系統(tǒng)高0.74個(gè)百分點(diǎn)。根據(jù)篩分資料，50～0.5 mm粒級(jí)原煤的產(chǎn)率為80%，故總精煤產(chǎn)率提高0.59個(gè)百分點(diǎn)。

表3 東、西兩套系統(tǒng)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)與對(duì)比結(jié)果

3.3 應(yīng)用粘度改善技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益

按唐山礦業(yè)分公司選煤廠處理能力3.80 Mt/a、精煤售價(jià)600元/t、末中煤售價(jià)200元/t計(jì)算，采用粘度改善技術(shù)后，每年可以增加精煤產(chǎn)量2.25萬(wàn)t，產(chǎn)品銷售收入增加900萬(wàn)元。根據(jù)工業(yè)試驗(yàn)時(shí)的藥劑用量計(jì)算，每年采購(gòu)粘度改善劑增加的成本為100萬(wàn)元，故每年可增加經(jīng)濟(jì)效益800萬(wàn)元。

4 結(jié)語(yǔ)

影響重介質(zhì)旋流器分選效果的因素很多，重介懸浮液的粘度就是一個(gè)重要因素。唐山礦業(yè)分公司選煤廠的工業(yè)試驗(yàn)說(shuō)明，粘度改善劑可以改善重介懸浮液的粘度，降低其粘滯阻力，使不同顆粒(尤其是細(xì)顆粒)受到的粘滯阻力減小，從而實(shí)現(xiàn)煤與矸石基本按密度分離，進(jìn)而提高重介分選工藝的分選效率和精煤產(chǎn)率，為煤炭企業(yè)帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 楊 周. 重介質(zhì)選煤工藝應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)研究[J].企業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)，2012(10):168-169.

[2] 武樂(lè)鵬，楊立忠.我國(guó)重介質(zhì)選煤技術(shù)的發(fā)展綜述[J].山西煤炭，2010,30(4)：74-75.

[3] 孫武峰.差壓式重介懸浮液密度與粘度一體化測(cè)量方法研究[D].北京：清華大學(xué)，2010.

[4] 段福山.重介質(zhì)懸浮液穩(wěn)定性的探討[J].選煤技術(shù)，2012(6)：104-106.

[5] 丁文濤.臨渙選煤廠煤泥重介工藝分選粗煤泥的應(yīng)用研究[D]. 淮南：安徽理工大學(xué)，2014.

[6] 顧文卿.新編選煤實(shí)用技術(shù)手冊(cè)[M].北京:中國(guó)煤炭工業(yè)出版社，2005：317-404.

[7] 祁澤民，符東旭.選煤重介質(zhì)懸浮液穩(wěn)定性分析[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2008,36(6)：107-109.

[8] 陳肖龍.重介質(zhì)旋流器流場(chǎng)的數(shù)值模擬與分析[D].淮南：安徽理工大學(xué)，2014.

[9] 王兆申.旋流器高耐磨襯里的研究與開(kāi)發(fā)[J].選煤技術(shù)，2005(3)：125-126.

[10] STOCKES G. On the effect of the internal friction on the motion of the pendulums[J].Trans Cambridge PhiloSoc，1851，9(2):8-106.

[11] 金曉明.重介質(zhì)選煤技術(shù)工藝流程分析與管理措施[J].科技風(fēng)，2011,05：64-66.