張志軍，周琦，溫亞培，李思凡，許振峰

1.中國礦業(yè)大學(北京)化學與環(huán)境工程學院，北京 100083；2.丹東東方測控技術(shù)股份有限公司，遼寧丹東 118002

我國的能源結(jié)構(gòu)特點是“多煤、少氣、貧油”。在多年的經(jīng)濟發(fā)展過程中煤炭一直是我國主要開發(fā)利用的能源，65%的能源消耗來自于煤炭利用。煤炭在今后相當長的一段時間內(nèi)還將是我國主要的能源來源[1-4]。煤炭的洗選加工作為煤炭清潔高效利用的基礎(chǔ)和前提，是必不可少的步驟。我國煤炭雖然儲量豐富但品質(zhì)不高，而原煤經(jīng)過洗選加工能夠脫除大部分的雜質(zhì)礦物，明顯地提高煤炭的品質(zhì)和發(fā)熱量，實現(xiàn)了節(jié)能減排和環(huán)境保護[5-7]。在國內(nèi)入選原煤多為難選煤和極難選煤以及產(chǎn)品質(zhì)量要求越來越高的情況下，重介質(zhì)旋流器憑借分選精度高、處理量大、物料適應(yīng)能力強、結(jié)構(gòu)簡單和成本較低等優(yōu)點，成為煤炭洗選加工過程中不可或缺的分選設(shè)備[8]。

重介質(zhì)旋流器利用阿基米德原理在離心力場中對煤和矸石按密度的差異進行分選。重介質(zhì)懸浮液在離心慣性作用力下向旋流器壁富集，同時在重力的作用下向下沉降，形成自外而內(nèi)減小、自上而下增大的密度分布。物料在一定壓強下沿給料管切線給料，在旋流器中形成回旋流向下運動，由于旋流器的結(jié)構(gòu)從上至下流動斷面逐漸變小，使得內(nèi)層懸浮液在一定位置開始轉(zhuǎn)而向上運動，形成一種雙螺旋結(jié)構(gòu)。物料在通過重介質(zhì)旋流器時，高密度顆粒向外、向下運動，最后從底流口流出，而低密度顆粒向內(nèi)、向上運動，最后從溢流口流出，以此形成分選[9-11]。

重介質(zhì)懸浮液主要是由水、磁鐵礦粉和煤泥組成的一種不穩(wěn)定的體系，三者不同的配比影響了懸浮液的穩(wěn)定性和流動性。懸浮液穩(wěn)定性主要影響實際分選密度和分選精度，穩(wěn)定性低會導(dǎo)致旋流器內(nèi)懸浮液密度分布不均勻，導(dǎo)致實際分選密度與預(yù)設(shè)值相差過大、分選精度降低，進而影響分選產(chǎn)品的品質(zhì)和產(chǎn)率[12]。懸浮液流動性決定了物料(特別是微細粒物料)通過懸浮液到達溢流口或底流口的難易程度，主要通過黏度表征，黏度過大會導(dǎo)致懸浮液流動性差，使得顆粒難以快速沉降或上浮，使錯配物含量增加，影響分選精度及效率[13]。重介質(zhì)旋流器的分選效果與許多因素相關(guān)，當前的研究主要集中在對重介質(zhì)旋流器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化以及內(nèi)部流場的模擬，對懸浮液組成的研究還比較少。O’Brien等[14]研究發(fā)現(xiàn)，懸浮液密度越低，非磁性物含量對懸浮液穩(wěn)定性的影響越大。馬秀文[15]研究發(fā)現(xiàn)在高密度懸浮液中，煤泥含量越高，則懸浮液黏度越大，穩(wěn)定性越好；而加重質(zhì)和煤泥的粒度越細，分選的可能偏差E越小。祁澤民等[16]通過分析重介質(zhì)懸浮液穩(wěn)定性發(fā)現(xiàn)，同一密度下懸浮液中的煤泥含量可以有很大不同，且存在一個煤泥含量的最佳值，此最佳值需要根據(jù)各選煤廠實際情況由試驗來確定。由前人研究成果可知，煤泥含量對懸浮液的穩(wěn)定性和流動性均具有重要影響，但尚沒有學者對其進行綜合研究。

本文將通過對懸浮液密度變化及零時表觀黏度的測量，研究不同的煤泥含量對懸浮液穩(wěn)定性和流動性的影響，為實際生產(chǎn)中懸浮液的煤泥含量的選擇提供參考。

1 試驗部分

1.1 試驗樣品

磁鐵礦粉小于0.045 mm粒級含量越高時，重介質(zhì)旋流器分選效果越好[17]。本試驗所用磁鐵礦粉來自某選煤廠所用的重介質(zhì)，密度為4.72 g/cm3，其粒度分布見表1。

表1 試驗用磁鐵礦粉粒度分布

試驗用煤泥樣品來自某選煤廠的煤泥，研究發(fā)現(xiàn)粒度大于0.074 mm的煤泥對懸浮液穩(wěn)定性和流動性的影響很小，因此使用0.074 mm標準篩篩出小于0.074 mm的樣品作為試驗所用煤泥，其灰分為35%，密度為1.55 g/cm3。為了查明煤泥中的主要成分，進行了X射線熒光光譜(XRF)分析，其結(jié)果見表2。

表2 煤泥樣品主要成分分析結(jié)果Tab.2 Analysis results of main components of coal slime sample

對煤泥進行X射線衍射光譜分析(XRD)如圖1所示，結(jié)合XRF分析結(jié)果可以確定，煤泥中的無機礦物為高嶺石、石英、黃鐵礦，其中高嶺石是最主要的組成部分，石英與黃鐵礦次之，其他礦物含量極少。

1.2 重介質(zhì)懸浮液密度變化測量

重介質(zhì)懸浮液密度變化的測量裝置如圖2所示，主要由一個1 L的量筒及一根細管連接而成，該細管底部距量筒頂部35 cm。分別將配置好的不同煤泥含量的重介質(zhì)懸浮液倒入量筒中，液面高度距量筒頂部5 cm，細管中加入一定高度的水，打開閥門，每3 s記錄一次細管中液面高度的變化，并根據(jù)U形管的原理，通過公式ρ水gh水=ρ液gh液，可以算出每隔3 s懸浮液的密度，從而得到距離懸浮液液面30 cm處懸浮液密度隨時間的變化關(guān)系。

圖1 煤泥樣品的X射線衍射圖譜Fig.1 X-ray diffraction pattern of coal slime sample

圖2 重介質(zhì)懸浮液密度測量示意圖Fig.2 Apparatus for suspension density measurement

1.3 重介質(zhì)懸浮液零時表觀黏度測量

零時表觀黏度通過NDJ-5S數(shù)顯黏度計測量。由于磁鐵礦粉作為加重質(zhì)導(dǎo)致懸浮液本身不穩(wěn)定，且人力攪拌增大了誤差，使黏度在不同的時間顯示出不同的數(shù)值。在30 r/min和60 r/min的轉(zhuǎn)速下分別對不同密度及煤泥含量的重介質(zhì)懸浮液進行黏度測量，每隔3 s時間讀取一次黏度值，將這些數(shù)值進行線性擬合，根據(jù)線性方程得到時間為零時的黏度數(shù)值，記為該條件下懸浮液的零時表觀黏度[18]，可以較好地消除誤差并反映表觀黏度。

1.4 實驗室重介質(zhì)旋流器分選試驗

為探究實際分選中的煤泥含量最佳值，在實驗室搭建了小型的重介質(zhì)旋流器分選系統(tǒng)。旋流器內(nèi)徑為100 mm，錐角為45°，分選系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 重介質(zhì)旋流器分選系統(tǒng)Fig.3 Heavy-medium cyclone separation system

煤樣來自某選煤廠原煤，將原煤破碎篩分后取粒度為3～6 mm的煤樣，再對其進行浮沉試驗，選出1.4～1.5 g/cm3和1.6～1.7 g/cm3兩個密度級的煤樣，兩個密度級樣品按質(zhì)量比為1∶1配置成試驗煤樣。在煤泥含量分別為5%、10%、15%、20%、25%、30%的情況下，配制出密度為1.50 g/cm3的重介質(zhì)懸浮液(考慮實驗室旋流器的旋流力場中實際分選密度比懸浮液密度大約高0.05 g/cm3)，對煤樣進行重介質(zhì)旋流器分選試驗。分選后的底流和溢流產(chǎn)物在密度為1.55 g/cm3的氯化鋅溶液中進行浮沉試驗后計算錯配物。

2 結(jié)果與討論

2.1 煤泥含量對懸浮液密度的影響

懸浮液初始密度為1.3 g/cm3、1.4 g/cm3、1.5 g/cm3和1.6 g/cm3時的密度變化如圖4所示。當懸浮液初始密度為1.3 g/cm3時，靜置一段時間后，由于懸浮液中磁鐵粉顆粒的沉降，懸浮液密度會降低。因此，當懸浮液穩(wěn)定性差時，懸浮液密度隨放置時間增加而逐漸降低，無法維持設(shè)計的分選密度，不能達到預(yù)期的分選效果。隨煤泥含量的提高，懸浮液密度下降速度逐漸減小，但當煤泥含量為40%，懸浮液仍然不能保持較好的穩(wěn)定性。當懸浮液初始密度為1.4 g/cm3、1.5 g/cm3和1.6 g/cm3時，其煤泥含量分別為40%、30%和20%時，懸浮液密度幾乎沒有變化，此時的懸浮液穩(wěn)定性較好。在實際生產(chǎn)中，要保證懸浮液的穩(wěn)定性，煤泥含量應(yīng)高于此值。研究表明，懸浮液初始密度越大，則其達到穩(wěn)定所需的煤泥含量越少。

圖4 煤泥含量對不同初始密度的懸浮液密度變化的影響Fig.4 Effect of coalslimecontent on dense medium suspension density at different initial densities

煤泥含量的增加對重介質(zhì)懸浮液的穩(wěn)定性有促進作用，但還需考慮其含量對懸浮液流動性的影響。

2.2 煤泥含量對懸浮液零時表觀黏度的影響

對重介質(zhì)懸浮液進行黏度測量試驗，因測量過程中黏度并非定值，而是隨時間增加而降低，故采用測量零時表觀黏度的方法。如圖5(a)所示，當重介質(zhì)懸浮液的初始密度為1.3 g/cm3，煤泥含量為10%和20%時，無論黏度計轉(zhuǎn)速為30 r/min或60 r/min，零時表觀黏度均分別穩(wěn)定在2.10 mPa·s和2.70 mPa·s左右，可以認為該條件下的懸浮液為牛頓流體。在其他懸浮液初始密度下，轉(zhuǎn)速30 r/min時的零時表觀黏度均比轉(zhuǎn)速60 r/min時的大，懸浮液在增加切變率時黏度降低，此時懸浮液屬于非牛頓流體，如圖5(b)(c)(d)所示。

在相同的懸浮液初始密度和轉(zhuǎn)速下，煤泥含量越高則零時表觀黏度越大；相同煤泥含量和轉(zhuǎn)速下，懸浮液的零時表觀黏度隨重介質(zhì)懸浮液的初始密度增大而增大，且初始密度越高、煤泥含量越大時，該趨勢越明顯。試驗結(jié)果說明，當分選密度或煤泥含量較高時，需要考慮高懸浮液密度和高煤泥含量引起的高黏度值對顆粒在重介質(zhì)旋流器中的通過性的影響。

因此，煤泥含量的增大雖然對重介質(zhì)懸浮液的穩(wěn)定性有促進作用，但也會惡化其流動性，故重介質(zhì)旋流器分選中煤泥含量最佳值需要通過優(yōu)化確定。

圖5 煤泥含量對不同初始密度的懸浮液零時表觀黏度的影響Fig.5 Effect of coal slime content on apparent viscosity of suspension at 0s

2.3 基于實驗室重介質(zhì)旋流器分選試驗的煤泥含量優(yōu)化

在搭建的實驗室小型重介質(zhì)旋流器進行分選試驗，配置密度為1.50 g/cm3的不同煤泥含量的重介質(zhì)懸浮液，以探究實際分選中的煤泥含量的最佳值，試驗結(jié)果如圖6所示。當煤泥含量從5%逐漸增加到20%時，溢流錯配物和底流錯配物含量都逐漸減少，表明煤泥含量的提高有助于重介質(zhì)懸浮液穩(wěn)定性的改善，進而改善分選效果。當煤泥含量達到20%時，分選效果達到最佳，此時溢流錯配物和底流錯配物分別從煤泥含量為5%時的8.16%、9.73%降低至6.20%、6.12%。當繼續(xù)增加煤泥含量時，溢流錯配物和底流錯配物含量又逐漸增加，表明當重介質(zhì)懸浮液密度為1.50 g/cm3時，煤泥含量超過20%會使得懸浮液黏度顯著上升，導(dǎo)致分選效果惡化。

通過實驗室重介質(zhì)旋流器的分選試驗發(fā)現(xiàn)，在確定的重介質(zhì)懸浮液密度下，懸浮液的煤泥含量最佳值需綜合考慮煤泥對懸浮液穩(wěn)定性及流變性的影響，應(yīng)基于分選密度來確定。

圖6 煤泥含量對錯配物含量的影響Fig.6 Effect of coal slime content on mismatch rate

3 結(jié) 論

(1) 重介質(zhì)懸浮液的穩(wěn)定性和流動性是影響重介質(zhì)旋流器分選效果的兩個相互矛盾的因素，實際分選中需要較高的懸浮液穩(wěn)定性和較好的流動性，而懸浮液的煤泥含量是影響其穩(wěn)定性和流動性的主要因素。

(2) 同一懸浮液密度下，煤泥含量越高，懸浮液密度下降越慢、穩(wěn)定性越好。不同密度的懸浮液達到穩(wěn)定所需的煤泥量不同，懸浮液密度越大，達到穩(wěn)定所需的煤泥量越少。重介質(zhì)懸浮液的煤泥含量對其流動性的影響效果與穩(wěn)定性相反，懸浮液密度越大、煤泥含量越高，則黏度越大，流動性越差。

(3) 實際分選中煤泥含量最佳值的確定，需綜合考慮懸浮液的穩(wěn)定性和流動性對分選效果的影響。在實驗室重介質(zhì)旋流器分選試驗中以及相應(yīng)的試驗條件下，當懸浮液密度為1.50 g/cm3時，煤泥含量的最佳值為20%。