張紅霞

（霍州煤電集團汾河焦煤有限公司回坡底煤礦，山西 洪洞 041600）

煤炭是我國能源消耗的主體，作為一種不可再生化石燃料，直接燃燒或者不充分利用將會造成能源的浪費和環(huán)境污染。因此，需要對煤炭進行分選，才能最大限度地利用煤炭資源［1-2］。鑒于我國煤炭儲量最為豐富的是低階煤，該類型煤炭因為極易破碎，疏水性能差，分選難度大［3］，因此搞好對低階煤的分選是解決煤炭儲量日益減少，提高資源合理利用的有效途徑。浮選作為煤泥分選的一種工藝，已有眾多學者進行了相關(guān)方面的研究，并取得了很多較好的應(yīng)用效果［4-6］。針對回坡底煤礦傾斜板窄通道煤泥分選效果較差的現(xiàn)狀，從理論分析入手，在不改變分選工藝的情況下，通過理論計算得到最佳的分選參數(shù)，為采用傾斜板窄通道進行煤泥分選的礦井提供了重要參考。

1 傾斜通道中顆粒的運動機理

流化床設(shè)備的應(yīng)用得益于科學技術(shù)水平的不斷發(fā)展。當液體在流動時，流動產(chǎn)生的運動阻力可以分離不同密度的流體，因此，以水為介質(zhì)進行礦物分離的工藝得到了普遍應(yīng)用。通過控制水的流速便可分離不同密度的礦物顆粒，當上升水流產(chǎn)生的應(yīng)力和礦物顆粒沉降阻力值相等時，礦物顆粒處于懸浮狀態(tài)，此時密度較大的物質(zhì)沉降，密度較小的物質(zhì)上浮，利用這種原理實現(xiàn)礦物的分選。而在實際分選過程中，待處理的礦物中顆粒粒徑差異大，因為沉積礦物顆粒的存在，導致分選精度下降，往往不能達到分選特定礦物的目的。

圖1 傾斜通道中顆粒的運動軌跡

傾斜通道中礦物顆粒的運動軌跡如圖1所示，定義傾斜通道中的水流速度方向一致且大小相等，礦物顆粒之間的運動互不干擾，當?shù)V物顆粒運動至傾斜通道的板面后，礦物顆粒不再受力順著板面自動下滑。在上述定義下，假設(shè)水的流動速度為U，單位m/s；礦物顆粒某一時刻運行速度為Ut，單位m/s；礦物顆粒在x方向的運行距離為Z，單位m；礦物顆粒在y方向的運行距離為L，單位m；根據(jù)動力學理論，當?shù)V物顆粒的運行距離比L/Z增加時，礦物顆粒的運行速度可以達到較高的值。為達到這一目的，可增大L值，意味著設(shè)備的長度增加，成本較高，因此減小Z值比較合理。當Z值較小時，礦物顆粒的運行速度得到提升，運動至板面的礦物顆粒不會直接沿著板面下滑，而是會出現(xiàn)再懸浮狀態(tài)，這一狀態(tài)才能進入溢流。

針對這一現(xiàn)象，K.Walton進行了詳細的研究，并提出以下假設(shè)：當L/Z的比值很大時，不同粒徑的礦物顆粒均會達到板面位置；當?shù)V物顆粒的上浮力較大時，礦物顆?？梢詫崿F(xiàn)在板面的自由運動；未受到上浮力的礦物顆粒則會順著板面下滑，當流體的雷諾數(shù)小于1 400時，才會處于層流狀態(tài)。

定義傾斜板窄通道的寬度為d，礦物顆粒某一時刻運行速度Ut在y方向的分量為Uy，則礦物顆粒在某一時刻y方向的速度分量Uy等于d/2處的水流速度，則存在以下關(guān)系式：

從公式中可以看出，礦物顆粒的運行速度與板間的水速以及板間距有著密切的關(guān)系，處于過渡區(qū)的礦物顆粒物幾乎完全不受顆粒尺寸的影響，而粗煤泥顆粒正好處于過渡區(qū)內(nèi)，因此可根據(jù)此理論對粗煤泥在傾斜板窄通道內(nèi)進行分選，并可完全實現(xiàn)按密度分選。

2 傾斜通道中不同水速對脫泥工藝的研究

根據(jù)實際生產(chǎn)經(jīng)驗，在傾斜通道得到的溢流產(chǎn)品中，粒徑小于0.045 mm的煤泥的占比能達到50%，且這一部分煤泥的灰分較高，最高達到45%。這種高灰分的煤泥已經(jīng)嚴重影響到產(chǎn)品的質(zhì)量，因此必須進行脫泥工作。而煤泥脫泥工作的原理即為傾斜通道中礦物顆粒的運動機理，考慮到板間距無法改變，因此只能改變水速研究脫泥效果。

此次試驗的水流速度分別為0.004 8 m/s、0.053 m/s以及0.006 1 m/s，分別記作一組、二組、三組，統(tǒng)計不同水流速度下不同粒徑的粗煤泥溢流、底流結(jié)果，得到如表1所示的結(jié)果。

表1 不同水流速度下不同粒徑的粗煤泥溢流、底流統(tǒng)計結(jié)果

從表1中可以看出，當傾斜板窄通道的間距為6 mm時，不同水流速度對煤泥的分選結(jié)果影響巨大，當水速分別為0.004 8 m/s、0.053 m/s、0.006 1 m/s時，得到的溢流產(chǎn)品中粒徑小于0.045 mm的占比分別達到83.98%、75.32%、60.35%，且此時的灰分均較高，均大于40%；而當水流速度增大時，得到的溢流產(chǎn)品中同一尺度粒徑的煤泥的含量呈現(xiàn)增大的趨勢；這就間接說明隨著水流的增大，粒徑較大的煤泥隨水分配的概率增大，在相對較低的水流速度下，得到的灰分較高、粒徑較小的煤泥含量較大。在底流產(chǎn)品中，粒徑小于0.125 mm的產(chǎn)品占比較小，占據(jù)主導地位的是粒徑范圍在0.125～0.5 mm的煤泥。根據(jù)表中統(tǒng)計結(jié)果，按照水流速度從高到低的速度，底流產(chǎn)品中得到的精煤比例依次為20.68%、33.56%和20.36%，對應(yīng)的灰分依次為21.25%、22.36%和22.32%，相比原煤中34.65%的灰分均有了明顯的降低。根據(jù)得到產(chǎn)品的產(chǎn)率和灰分來看，水的流速為0.048 m/s下脫泥效果最佳。

為了更明顯的反應(yīng)不同水流速度下產(chǎn)品的灰分變化，統(tǒng)計不同水流速度下底流產(chǎn)品灰分隨平均粒度的變化規(guī)律，繪制不同水流速度下底流產(chǎn)品灰分平均粒度的變化曲線結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出，隨著粒度的增加，煤泥灰分呈現(xiàn)降低的趨勢，隨著水流速度的增加，粗煤泥灰分呈現(xiàn)增加的趨勢，這一趨勢在平均粒徑大于0.2 mm時更加明顯，因此說明了水流速度對于煤泥分配現(xiàn)象有明顯影響，水流速度越大，這一現(xiàn)象越明顯，水流速度越小，煤泥隨水分配現(xiàn)象不明顯。

圖2 不同水流速度下底流產(chǎn)品灰分隨平均粒度的變化曲線

3 經(jīng)濟效益分析

基于上述研究，2016年整年礦井可洗原煤總共2.30 Mt，礦井效益分析如下：

1）總精煤產(chǎn)率提高2%，精煤銷售價450元/噸、中煤150元/噸。新增利潤為：2.30 Mt/a×2%×（450元/噸-150元/噸）=1 380萬元/年

2）介耗按減少0.5 kg/t原煤計算，介質(zhì)價格按1 400元/t。新增利潤為：（2.30 Mt/a×0.5/1 000）×1 400=161萬元/年

3）浮選系統(tǒng)入料量減少20%，0.25～0.5 mm煤泥含量約按3.25%計算，浮選藥劑煤油按每噸煤泥1 kg計算,仲辛醇藥劑按每噸煤泥0.07 kg計算，煤油0.9萬元/噸，仲辛醇1.1萬元/噸。新增利潤為：

煤油：2.30 Mt/a×3.25%×1 kg/t/1 000×0.9萬元/噸=67.28萬元/年

仲辛醇：2.30 Mt/a×3.25%×0.07 kg/t/1 000×1.1萬元/噸=5.8萬元/年

4）重介系統(tǒng)小時處理能力按提高10%計算,目前重介系統(tǒng)處理能力約為388 t/h時，相當于節(jié)省38.8 t/h的選煤成本，噸煤加工費按30元計算，新增利潤為：38.8 t/h×30元/噸×330天×16小時=819.46萬元/年。

2016年共計新增利潤為：2 433.54萬元。

4 結(jié)論

1）基于礦物洗選工藝中傾斜通道中礦物顆粒的運動機理研究，處于過渡區(qū)的礦物顆粒物幾乎完全不受礦物顆粒尺寸的影響。因此可根據(jù)此理論對粗煤泥在傾斜板窄通道內(nèi)進行分選，并可完全實現(xiàn)密度分選。

2）研究水速分別為0.004 8 m/s、0.053 m/s、0.006 1 m/s時煤泥分選結(jié)果，發(fā)現(xiàn)隨著水流的增大，粒徑較大的煤泥隨水分配的概率增大，在相對較低的水流速度下，得到的灰分較高、粒徑較小的煤泥含量較大。

3）綜合分析不同水流速度下的分選結(jié)果，水的流速為0.048 m/s下脫泥效果最佳，經(jīng)濟效益最佳。