馬力強(qiáng)，李吉輝，黃 根，于躍先

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；2.西安科技大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，陜西 西安 710054)

隨著入浮煤泥粒度下降、灰分升高，煤泥浮選難度不斷加大，煤泥浮選調(diào)漿環(huán)節(jié)的重要性越來(lái)越得到重視[1-2]。傳統(tǒng)的煤泥浮選調(diào)漿設(shè)備主要有礦漿預(yù)處理器和礦漿準(zhǔn)備器，這兩種設(shè)備自上世紀(jì)80年代開(kāi)發(fā)以來(lái)，廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)煉焦煤選煤廠，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、運(yùn)行穩(wěn)定、能耗低的優(yōu)點(diǎn)，調(diào)漿效果得到了普遍認(rèn)可。但是，無(wú)論是礦漿預(yù)處理器還是礦漿準(zhǔn)備器都難以全面滿足煤泥浮選所需要的高分散、高效碰撞接觸的流體力學(xué)環(huán)境，特別是對(duì)于高灰細(xì)粒的難浮煤泥，二者調(diào)漿不充分的缺陷更加突出[3-5]。

浮選調(diào)漿環(huán)節(jié)包括藥劑的分散、藥劑與礦粒的充分接觸和吸附及礦粒表面改質(zhì)等過(guò)程。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)調(diào)漿過(guò)程進(jìn)行了大量研究，普遍認(rèn)為預(yù)先調(diào)漿對(duì)后續(xù)浮選效果有顯著影響[6-8]。在金屬礦選礦領(lǐng)域，高剪切調(diào)漿對(duì)硫化銅礦、金礦、氧化鈾礦、黃鐵礦等許多礦石的浮選均有良好的改善作用[9-10]。在煤泥浮選領(lǐng)域，許多研究表明，浮選前充分調(diào)漿可明顯提高煤泥礦化程度，改善煤泥浮選效果，顯著降低浮選藥耗[11-12]。

近年來(lái)，以表面改質(zhì)調(diào)漿機(jī)為代表的高剪切調(diào)漿裝備在多個(gè)選煤廠得到了成功應(yīng)用，在改善浮選工藝指標(biāo)、節(jié)約浮選藥劑方面取得了較好的效果。為了全面闡述煤泥高剪切調(diào)漿技術(shù)，對(duì)煤泥高剪切調(diào)漿的主要機(jī)理、實(shí)驗(yàn)室及工業(yè)應(yīng)用效果進(jìn)行了分析與介紹，以期引起廣大選煤科研、工程技術(shù)人員對(duì)煤泥浮選調(diào)漿環(huán)節(jié)的重視，為浮選調(diào)漿理論研究與設(shè)備選型提供參考。

1 煤泥高剪切調(diào)漿技術(shù)

煤泥高剪切調(diào)漿技術(shù)根據(jù)煤泥表面性質(zhì)和粒度組成特性，采用合理的調(diào)漿方式，將機(jī)械能高效轉(zhuǎn)化為調(diào)漿所需的流體動(dòng)能，通過(guò)輸入適宜的能量，對(duì)礦漿施加充分的流體剪切力，強(qiáng)化煤粒表面凈化、藥劑分散、煤粒與藥劑有效碰撞等作用，從而促進(jìn)煤粒與藥劑的“充分接觸”與“有效黏附”，實(shí)現(xiàn)顆粒的表面疏水改性。

大量的試驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐證明，簡(jiǎn)單的礦漿攪拌過(guò)程和浮選機(jī)本身的浮選過(guò)程都不能很好地滿足上述作用發(fā)生所需的流體力學(xué)環(huán)境。

1.1 作用機(jī)理

煤泥高剪切調(diào)漿作用機(jī)理可分為以下三個(gè)方面：

(1)高剪切調(diào)漿凈化煤粒表面。煤泥顆粒表面附著有大量細(xì)泥顆粒，中、高灰細(xì)泥會(huì)降低煤粒表面的疏水性，使煤粒難以與捕收劑油滴或氣泡發(fā)生黏附而損失在尾煤中[2]。高剪切調(diào)漿可以擦除罩蓋在煤粒表面的細(xì)泥顆粒，使煤粒暴露出干凈表面，從而改善煤粒表面的疏水性，顯著增強(qiáng)顆粒與捕收劑油滴間的黏附作用。調(diào)漿剪切強(qiáng)度和時(shí)間共同決定了表面清洗作用的強(qiáng)弱[13-15]。

(2)高剪切調(diào)漿提高捕收劑的分散度。煤泥浮選捕收劑多為非極性烴類油，在水中以油滴的形式存在，而良好的藥劑分散可以提高單位體積礦漿中藥劑油滴的數(shù)量。不難理解高剪切調(diào)漿將促進(jìn)捕收劑的分散，有利于提高藥劑與煤泥顆粒的碰撞概率[16-17]。

(3)強(qiáng)度適宜的高剪切調(diào)漿提高捕收劑油滴與煤粒的碰撞概率。理論上，提高調(diào)漿強(qiáng)度會(huì)增加顆粒間的碰撞頻率，而隨著藥劑分散度的增大，會(huì)進(jìn)一步增加油滴與煤泥顆粒的碰撞概率[18]。但是，由于非極性烴類油主要通過(guò)物理作用吸附在煤泥顆粒表面[19]，強(qiáng)烈的湍流沖刷作用容易使其發(fā)生解吸，因此過(guò)度調(diào)漿反而會(huì)增大捕收劑與煤粒的解吸概率。

綜上分析，對(duì)于煤泥浮選礦漿體系，捕收劑與煤泥顆粒間的有效吸附受到顆粒理論碰撞概率、顆粒繞流概率、解吸概率以及顆粒表面清潔程度的共同影響，調(diào)漿強(qiáng)度與上述各因素關(guān)系密切。由于當(dāng)前煤泥浮選中的調(diào)漿過(guò)程普遍不夠充分，因此適度提高調(diào)漿強(qiáng)度是提升浮選精煤產(chǎn)率和質(zhì)量的關(guān)鍵。

1.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

1.2.1 高剪切調(diào)漿凈化煤粒表面[20]

試驗(yàn)煤樣取自火燒鋪選煤廠中煤沉降離心機(jī)。粒度分析表明：該煤樣中>75 μm粒級(jí)產(chǎn)率占85.11%，灰分為 42.30%；<75 μm的細(xì)粒煤占14.89%，灰分高達(dá)51.12%?？梢?jiàn)，該煤樣中含有大量高灰細(xì)泥，在浮選過(guò)程中，這部分高灰細(xì)泥會(huì)罩蓋在粗粒煤表面，影響粗粒煤的浮選。

高剪切調(diào)漿試驗(yàn)在1 L 的攪拌桶中進(jìn)行。試驗(yàn)采用德國(guó)Hei-Torque 100無(wú)極精確變速攪拌器，變速范圍為10～2 000 r/min，攪拌葉輪為六葉豎漿，調(diào)漿時(shí)間為10 min。利用Mastersizer 3000激光粒度儀研究了不同調(diào)漿轉(zhuǎn)速條件下礦漿中固體顆粒的粒度組成變化，結(jié)果如圖1所示。從圖1可以看出：隨著調(diào)漿轉(zhuǎn)速的增加，礦漿中固體顆粒的粒度分布峰向左側(cè)偏移，表明調(diào)漿后礦漿中固體顆粒粒度變小，細(xì)粒增加；隨著調(diào)漿轉(zhuǎn)速的增加，中間粒度級(jí)(76～240 μm)和細(xì)粒級(jí)(<76 μm)的含量均增加，而粗粒級(jí)(>240 μm)的含量逐漸減少，說(shuō)明高剪切調(diào)漿將細(xì)泥從粗粒表面剝離下來(lái)，從而導(dǎo)致礦漿中細(xì)粒含量增加。

圖1 不同調(diào)漿轉(zhuǎn)速條件下礦粒粒度組成變化

1.2.2 高剪切調(diào)漿浮選試驗(yàn)[18]

試驗(yàn)煤樣選用開(kāi)灤集團(tuán)錢(qián)家營(yíng)礦選煤廠浮選入料。實(shí)驗(yàn)室調(diào)漿試驗(yàn)采用的是自制5級(jí)轉(zhuǎn)速攪拌器(容量為1 L)，攪拌葉輪形式為斜葉開(kāi)啟渦輪式。由于葉輪線速度是表征攪拌過(guò)程剪切強(qiáng)度的重要指標(biāo)，也是攪拌器放大的基準(zhǔn)指標(biāo)之一，因此試驗(yàn)采用葉輪線速度作為剪切強(qiáng)度指標(biāo)。

試驗(yàn)過(guò)程中，葉輪線速度設(shè)為5級(jí)可調(diào)，分別為1.63、2.28、4.14、5.90、8.23 m/s，調(diào)漿時(shí)間為2 min。采用可燃體回收率來(lái)考察調(diào)漿效果，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：在調(diào)漿試驗(yàn)中，當(dāng)葉輪線速度由1.63 m/s 提高到2.28 m/s時(shí)，捕收劑油滴與煤粒碰撞概率提高，可燃體回收率隨之增加，且當(dāng)葉輪線速度由2.28 m/s提高到4.14 m/s時(shí)，雖然捕收劑油滴與煤粒理論碰撞概率增加，但隨著捕收劑油滴進(jìn)一步分散，繞流概率也增加，反而造成微細(xì)油滴與煤泥顆粒發(fā)生碰撞的概率下降，因此可燃體回收率略有下降；繼續(xù)增大葉輪線速度，油滴獲得的動(dòng)能增加，當(dāng)增加到可突破靜電勢(shì)壘的程度，又會(huì)減弱繞流效應(yīng)，使顆粒碰撞概率增加；當(dāng)葉輪線速度由4.14 m/s提高到5.90 m/s時(shí)，得到了試驗(yàn)中最大的可燃體回收率(92.73%)；當(dāng)葉輪線速度超過(guò)5.90 m/s后，可燃體回收率反而下降，這是因?yàn)樵谶^(guò)度調(diào)漿條件下，已吸附到煤泥顆粒上的捕收劑在過(guò)強(qiáng)剪切作用下容易發(fā)生解吸，故導(dǎo)致可燃體回收率下降。

圖2 調(diào)漿轉(zhuǎn)速對(duì)可燃體回收率的影響

由此可以看出，在表面清洗、藥劑分散、碰撞、繞流、解吸等因素的共同作用下，調(diào)漿剪切強(qiáng)度對(duì)煤泥浮選效果有很大影響。通過(guò)改變攪拌葉輪線速度來(lái)調(diào)控調(diào)漿設(shè)備的剪切強(qiáng)度，可以大幅度改善浮選效果，但存在適宜的調(diào)漿剪切強(qiáng)度，調(diào)漿不足或者過(guò)度調(diào)漿都不利于可燃體回收率的提高。

2 BGT系列表面改質(zhì)調(diào)漿機(jī)

從調(diào)漿機(jī)理研究、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)以及大量選煤廠生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析可知，目前的煤泥調(diào)漿設(shè)備普遍存在調(diào)漿強(qiáng)度不足和能量輸入不夠的問(wèn)題。

BGT系列表面改質(zhì)調(diào)漿機(jī)(圖3)是國(guó)家“863”計(jì)劃“高灰難選煤泥的高效分選設(shè)備與工藝研究”課題的科研成果，是在高剪切調(diào)漿理論指導(dǎo)下，通過(guò)對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使調(diào)漿方式、能量輸入與礦漿體系能夠相互耦合的一種全新的高效調(diào)漿設(shè)備。該系列設(shè)備處理能力為400～1 500 m3/h，采用分室調(diào)漿結(jié)構(gòu)立式布置，礦漿和浮選藥劑自下部給入桶體逐級(jí)進(jìn)入各室，經(jīng)特殊結(jié)構(gòu)多級(jí)高剪切調(diào)漿后，從桶體上部排出，給入浮選設(shè)備。

圖3 表面改質(zhì)調(diào)漿機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

近十年的工業(yè)應(yīng)用顯示，該設(shè)備適用于各種煤質(zhì)的浮選預(yù)處理，特別是在難浮、選擇性差的高灰微細(xì)粒煤泥調(diào)漿中，體現(xiàn)出了突出的調(diào)漿改質(zhì)及節(jié)約藥劑效果。

3 工業(yè)應(yīng)用

3.1 在錢(qián)家營(yíng)礦選煤廠的應(yīng)用[21]

河北開(kāi)灤集團(tuán)錢(qián)家營(yíng)礦選煤廠設(shè)計(jì)處理能力為6.30 Mt/a，主要入選煤種為肥煤，浮選采用一次粗選+一次精選工藝。原系統(tǒng)有4組XJM-S型28m3浮選機(jī)，采用4臺(tái)XY-3.0型礦漿預(yù)處理器與之配套。2014—2016年間，該廠先后采用4臺(tái)BGT2500型表面改質(zhì)調(diào)漿機(jī)替換了原系統(tǒng)的4臺(tái)礦漿預(yù)處理器?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，采用表面改質(zhì)調(diào)漿機(jī)調(diào)漿后，在精煤灰分相當(dāng)情況下，精煤產(chǎn)率提高了18.34個(gè)百分點(diǎn)，同時(shí)節(jié)省捕收劑用量27.14%。

3.2 在林西礦選煤廠的應(yīng)用[22]

河北開(kāi)灤集團(tuán)林西礦選煤廠設(shè)計(jì)處理能力為1.80 Mt/a，主要入選煤種為焦煤，浮選采用一次粗選+一次精選工藝。一、二次浮選設(shè)備分別為FJC36-4、FJC28-2噴射式浮選機(jī)，礦漿預(yù)處理采用PM-400型管道混合器。2017年，該廠利用1臺(tái)BGT2500型表面改質(zhì)調(diào)漿機(jī)替換了原系統(tǒng)的管道混合器。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，采用表面改質(zhì)調(diào)漿機(jī)調(diào)漿后，在精煤灰分相當(dāng)?shù)那闆r下，精煤產(chǎn)率提高約15個(gè)百分點(diǎn)。

3.3 在西曲礦選煤廠的應(yīng)用[23]

西山煤電集團(tuán)西曲礦選煤廠設(shè)計(jì)處理能力為4.00 Mt/a，主要入選煤種為焦煤，浮選系統(tǒng)采用4臺(tái)WEMCO-144型浮選機(jī)，配備4臺(tái)XY-3.0礦漿預(yù)處理器。2017年，該廠采用1臺(tái)BGT2500型表面改質(zhì)調(diào)漿機(jī)替換了浮選系統(tǒng)中的一臺(tái)礦漿預(yù)處理器?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，采用表面改質(zhì)調(diào)漿機(jī)調(diào)漿后，在精煤灰分相當(dāng)?shù)那闆r下，精煤產(chǎn)率提高了8.12個(gè)百分點(diǎn)，同時(shí)節(jié)省捕收劑用量17%。

3.4 在任家莊選煤廠的應(yīng)用[24]

寧煤集團(tuán)任家莊選煤廠設(shè)計(jì)處理能力為2.40 Mt/a，主要入選煤種為1/3焦煤，浮選系統(tǒng)采用3臺(tái)XJM-16型浮選機(jī)，配3臺(tái)XY礦漿預(yù)處理器。2012—2014年間，該廠先后采用3臺(tái)BGT2200型表面改質(zhì)調(diào)漿機(jī)替換了浮選系統(tǒng)中的3臺(tái)礦漿預(yù)處理器?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，采用表面改質(zhì)調(diào)漿機(jī)后，在精煤灰分相當(dāng)?shù)那闆r下，精煤產(chǎn)率提高了3.37個(gè)百分點(diǎn)。

3.5 在布爾臺(tái)選煤廠浮選系統(tǒng)工業(yè)試驗(yàn)線上的應(yīng)用[25]

神東洗選中心布爾臺(tái)選煤廠為動(dòng)力煤選煤廠，主要煤種以長(zhǎng)焰煤、不黏煤為主，設(shè)計(jì)能力為3.10 Mt/a。為拓展細(xì)粒煤泥銷路，神東洗選中心委托中國(guó)礦業(yè)大學(xué)王永田教授技術(shù)團(tuán)隊(duì)在布爾臺(tái)選煤廠進(jìn)行了浮選工業(yè)性試驗(yàn)研究，探索低階動(dòng)力煤煤泥浮選的可行性。浮選系統(tǒng)工業(yè)試驗(yàn)線選用1臺(tái)φ2 m的浮選柱，配備了1臺(tái)BGT2000型表面改質(zhì)調(diào)漿機(jī)。工業(yè)性試驗(yàn)結(jié)果表明：盡管低階煤浮選非常困難，但在王永田教授技術(shù)團(tuán)隊(duì)的努力攻關(guān)下，通過(guò)選用合適的藥劑及工藝，取得了可喜的階段性成果：在入料平均灰分為27.79%條件下，獲得了平均灰分為7.43%、產(chǎn)率為71.88%的浮選精煤。雖然沒(méi)有其他預(yù)處理設(shè)備的對(duì)比數(shù)據(jù)，但試驗(yàn)結(jié)果表明，表面改質(zhì)調(diào)漿機(jī)調(diào)漿在低階煤的浮選過(guò)程中起到了良好的促進(jìn)作用，滿足了難浮低階煤泥的調(diào)漿需求。

4 結(jié)論

(1)調(diào)漿剪切強(qiáng)度是影響浮選效果的重要因素。捕收劑與煤泥顆粒間的有效吸附概率受到顆粒表面凈化、顆粒理論碰撞概率、顆粒繞流概率以及解吸概率的共同影響，適宜的調(diào)漿強(qiáng)度可以創(chuàng)造促進(jìn)上述機(jī)制發(fā)生的流體力學(xué)環(huán)境，調(diào)漿不足或過(guò)度都不利于浮選。

(2)目前煤泥調(diào)漿環(huán)節(jié)普遍存在調(diào)漿強(qiáng)度不足、能量輸入不夠的問(wèn)題。采用高剪切調(diào)漿技術(shù)，通過(guò)適宜的能量輸入，有助于改善各煤種的浮選效果，節(jié)省捕收劑用量。

(3)隨著優(yōu)質(zhì)煉焦煤資源的枯竭和選煤工藝的變革，高灰微細(xì)難浮煤泥入浮將越來(lái)越普遍，高剪切調(diào)漿技術(shù)及設(shè)備必將在煤泥浮選中起到越來(lái)越重要的作用。