朱子祺

(1.國家能源集團神東洗選中心，陜西 榆林 719315；2.中國礦業(yè)大學，江蘇 徐州 221000)

如何將高碳的煤炭資源進行低碳化綜合利用是我國實現(xiàn)碳減排、碳達峰、碳中和目標的難點問題。將煤炭作為反應(yīng)原料而非燃料，并通過以煤熱解、液化和氣化為基礎(chǔ)的現(xiàn)代煤化工方法加以高效轉(zhuǎn)化是解決此問題的重要途徑[1-3]。對煤液化而言，原料的組成對液化效果具有重要的影響。特別是高鏡質(zhì)組含量的煤，往往具有更好的液化效果，如陳洪博等發(fā)現(xiàn)煤中鏡質(zhì)組和殼質(zhì)組的液化轉(zhuǎn)化率可以達到惰質(zhì)組的2.6倍[4]，而國家能源集團鄂爾多斯煤制油實際生產(chǎn)中則發(fā)現(xiàn)鏡質(zhì)組含量提高10百分點，則油收率可提高4百分點[5]。

要獲得低灰、高鏡質(zhì)組含量的原料，就需要在煤炭分選過程中實現(xiàn)煤巖組分的定向分離[6]。盡管浮選[7-9]、靜電選[10，11]、化學方法[12，13]等均可實現(xiàn)煤的煤巖組分的分離富集，但以重介質(zhì)旋流器[14，15]、Falcon分選機[16，17]為代表的物理分離方法因其高處理能力、高分選精度、低分選成本、易大型化和寬入料粒度要求等優(yōu)勢，是更具發(fā)展?jié)摿Φ姆椒?。然而，由于鏡質(zhì)組與惰質(zhì)組的密度一般低于1.5g/cm3，在分選過程中多數(shù)已經(jīng)富集到精煤中，而且兩者密度差異很小，這就需要更低分選密度的高精度分選加工[18]。低分選密度就要求重介質(zhì)懸浮液中的加重質(zhì)含量更低，而這必然弱化顆粒的相互干擾而更快地發(fā)生沉降[19-21]。之前的研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)[22]，即便將磁鐵礦粉的粒度研磨到100μm以下時也會在重力場中極快地沉降，而在旋流器分選中由于離心加速度要遠大于重力加速度，其沉降速度將更快，從而極可能造成分選失效。通過添加低灰煤泥和蒙脫石作為非磁性物引入到懸浮液中以提高其穩(wěn)定性，且蒙脫石、低灰煤泥分別加入時，懸浮液穩(wěn)定性均不及二者同時加入，證明了懸浮液體系中蒙脫石、低灰煤泥和磁鐵礦粉顆粒之間具有協(xié)同效應(yīng)并大幅度提高懸浮液的穩(wěn)定性[22]，但尚未明確在重力場中的穩(wěn)定性好是否也意味著懸浮液在旋流場中也更加穩(wěn)定，以及是否也意味著更好的分選效果。

因此，在本研究中主要將考察不同非磁性物加入的情況下，懸浮液的旋流穩(wěn)定性表現(xiàn)，并驗證其在相同旋流器操作參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下，對一種低階煙煤的實際分選效果，從而為基于懸浮液穩(wěn)定性調(diào)控的重介質(zhì)旋流器高精度煤巖組分分選實踐提供參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

1.1.1 磁鐵礦粉

磁鐵礦粉取自神東集團有限公司煤制油選煤廠，真密度為5.00±0.10g/cm3，磁性物含量大于等于98%。對所取磁鐵礦粉進行了不同時間的研磨，并利用標準篩控制其粒度分別為-45μm、45～150μm和74～300μm。所得三種磁鐵礦粉通過互相混配，獲得粒度分布不同的磁鐵礦粉并開展沉降速度預(yù)實驗，最終獲得沉降速度最慢的比例(-45μm與45～150μm兩個粒級的含量比為3∶1)配制得到實驗用磁鐵礦粉，利用MASTERSIZER 3000激光粒度分析儀分析其粒度分布，如圖1(a)所示。

1.1.2 非磁性物

低灰煤泥作懸浮液非磁性物的組分之一，與蒙脫石粉進行混合后獲得復(fù)配煤泥，以觀察復(fù)配后對懸浮液的旋流穩(wěn)定性和分選效果的影響。其中，低灰煤泥來源于神東集團煤制油選煤廠的精煤產(chǎn)品再加工，具體方法為：來料經(jīng)過1.30g/cm3重液的浮沉，將浮物取出后干燥后在球磨機上研磨1 h作為實驗用低灰煤泥樣品，以降低其粒度，從而延緩其沉降。經(jīng)分析，其干燥基灰分含量為2.01%。用激光粒度分析儀(MASTERSIZER 3000)測定了其粒度分布，結(jié)果如圖1(b)所示。

圖1 粒度分布

蒙脫石是煤中的主要黏土礦物成分之一，浸入水中后具有膨脹性，可形成空間結(jié)構(gòu)，從而阻礙顆粒沉降[23，24]。本研究采用的蒙脫石粉末為市場采購的工業(yè)品，其純度大于等于98%，密度為2.70±0.02g/cm3，粒度上限為74μm、平均粒徑為35.12μm。

1.1.3 煤樣

重介質(zhì)旋流器分選實驗用的煤樣為神東集團有限公司煤制油選煤廠的精煤產(chǎn)品。對其破碎至3mm以下后，篩選出3～0.5 mm的物料作為重介質(zhì)旋流器入料。對煤樣進行了元素分析、工業(yè)分析和顯微組分分析，結(jié)果見表1。煤的密度組成以及不同密度級的灰分和鏡質(zhì)組含量如圖2所示。

表1 煤樣的工業(yè)分析與元素分析 %

圖2 不同密度級下的產(chǎn)率、灰分及鏡質(zhì)組含量

可見，該煤樣的主要產(chǎn)物分布在-1.30g/cm3和1.30～1.40g/cm3密度級，且鏡質(zhì)組含量隨著密度級的提高大幅度下降。為獲得鏡質(zhì)組含量超過75%的產(chǎn)品，需要其灰分小于3%。這意味著在分選過程中需要穩(wěn)定且精確的低密度分選作業(yè)。

1.2 實驗方法

1.2.1 實驗裝置

研究選用型號為SMC150的兩產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器，以產(chǎn)生相應(yīng)的旋流場和開展分選實驗。該旋流器的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。

表2 實驗用兩產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器參數(shù)

試驗系統(tǒng)如圖3所示。其中，渣漿泵的額定流量為3m3/h，揚程為31.5m，效率為40%，軸功率為2.9kW，配用功率為5.5kW。

圖3 分選系統(tǒng)

1.2.2 旋流場穩(wěn)定性指標計算

研究采用四個指標表征旋流條件下懸浮液的穩(wěn)定性，分別為：底流濃縮度(C1)、溢流澄清度(C2)、濃縮效率(Eth)，以及底溢流密度差(ρΔ)，其計算方法見式(1)—(4)[25]。

ρΔ=ρu-ρo

(4)

式中，ρi入料懸浮液密度，g/cm3；ρu為底流懸浮液密度，g/cm3；ρo為溢流懸浮液密度，g/cm3；ρ為水密度，取1g/cm3；δ為加重質(zhì)密度，取5g/cm3。

顯然，對于理想的不會發(fā)生沉降的懸浮液而言，入料密度、底流密度以及溢流密度均應(yīng)相等，即C1與C2的值為1，而Eth與ρΔ為0。而對于真實的懸浮液，懸浮顆粒將在旋流過程中趨向旋流器壁面運動而產(chǎn)生分層，從而使溢流和底流的密度與入料密度不相等。此時，C1、C2、Eth與ρΔ的值均會上升，且其值越大，表征分層現(xiàn)象越顯著，亦即旋流場中懸浮液的穩(wěn)定性越差。通常情況下，旋流器底流與溢流的密度差在0.2～0.5g/cm3時的分選效果更好[25]。

1.2.3 實驗過程

重介質(zhì)懸浮液均通過控制水、磁鐵礦粉和非磁性物的含量，使其密度為1.35g/cm3。本研究中，非磁性物占磁鐵礦粉量的比例分別設(shè)定為30%、40%、50%和60%。其中，非磁性物選擇低灰煤泥、蒙脫石粉末及由低灰煤泥和蒙脫石混配制備?；谇捌谘芯?，選擇蒙脫石占非磁性物含量的79.67%作為配制復(fù)合煤泥的比例，此時復(fù)合煤泥的灰分經(jīng)實際測量約80.00%～81.00%之間。

開展旋流場懸浮液穩(wěn)定性實驗時，配制足量的懸浮液置于攪拌桶中不間斷攪拌，保證混合均勻，而后開啟渣漿泵等入料系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)，運行10min后，采集旋流器的底流、溢流和入料，檢測各物料的密度，利用式(1)—(4)計算穩(wěn)定性指標。開展分選效果實驗時，將足量的懸浮液和煤樣加入到攪拌桶中不間斷攪拌足夠時間，保證煤樣的充分潤濕和體系的均勻，而后開啟渣漿泵等入料系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)，運行10min后，參照《煤用重選設(shè)備工藝性能評定方法》(GB/T 15715—2014)，采集旋流器的底流、溢流和入料，經(jīng)0.5mm篩分分級后，對篩上物進行分析，獲得精煤產(chǎn)率、灰分及鏡質(zhì)組含量參照《煤的顯微組分和礦物測定方法》(GB/T 8899—2013)、可能偏差E、實際分選密度等指標數(shù)據(jù)。需要說明的是，蒙脫石單獨作為懸浮液非磁性物時，并未對分選效果產(chǎn)生與不添加非磁性物時的規(guī)律性差異，且數(shù)據(jù)偏差和波動很大，分選過程極不穩(wěn)定，因此未能獲得有價數(shù)據(jù)，故而未討論此條件的實驗結(jié)果。

2 非磁性物對重介分選的影響

2.1 非磁性物含量及組成對懸浮液旋流場穩(wěn)定性的影響

2.1.1 濃縮度和澄清度

不同非磁性物條件下，懸浮液經(jīng)過旋流后的底流濃縮度C1和溢流澄清度C2的值如圖4所示?？梢姡瑧腋∫旱牡琢鳚饪s度均隨著非磁性物含量的增加而降低，而非磁性物為低灰煤泥或者復(fù)合煤泥時的值要低于蒙脫石。添加低灰煤泥時的值總體更低，且數(shù)據(jù)更加平穩(wěn)。這主要是由于旋流場中懸浮液固體顆粒向旋流器壁面方向移動，低灰煤泥的密度更小，從而使底流密度更小。

圖4 非磁性物對底流濃縮度C1和溢流澄清度C2的影響

懸浮液的溢流澄清度雖然隨著非磁性物的添加量增大也呈現(xiàn)下降的趨勢，且添加復(fù)合煤泥時的溢流澄清度更小，最低甚至接近1.00。僅以蒙脫石為非磁性物時，其溢流澄清度甚至高于無非磁性物添加的情況。由此可知，低灰煤泥及復(fù)合煤泥均在體系中表現(xiàn)出了阻礙懸浮液顆粒在旋流場中分層的作用，而蒙脫石粉末的加入則會使溢流的密度降低。依據(jù)之前對懸浮液重力場穩(wěn)定性的研究發(fā)現(xiàn)，盡管蒙脫石可以在水體系中吸水膨脹，但可與磁鐵礦粉形成磁絮凝或類膠化體效應(yīng)[26，27]，導致靜置條件下，由蒙脫石和磁鐵礦粉制備的懸浮液沉降很快、穩(wěn)定性很差。因此，在旋流場離心加速度遠高于重力加速度的情況下，溢流的密度下降是必然的。而之前的研究亦發(fā)現(xiàn)磁鐵礦粉、蒙脫石和低灰煤泥之間具有協(xié)同效應(yīng)，使懸浮液的穩(wěn)定性更好，懸浮液上層的澄清更加困難[22]。因此表現(xiàn)為復(fù)合煤泥的溢流澄清度總體上更小。

2.1.2 濃縮效率與底溢流密度差

不同非磁性物條件下，懸浮液經(jīng)過旋流后的濃縮效率Eth和底溢流密度差ρΔ的值如圖5所示。其中，底溢流密度差均隨著非磁性物的添加呈現(xiàn)降低的趨勢，且添加復(fù)合煤泥時的差值總體更小，但在非磁性物含量超過40%時與添加低灰煤泥時差異不大；而添加蒙脫石時的密度差值整體要比添加其他兩種非磁性物時高約0.1g/cm3，且其值均高于0.45g/cm3。這再次說明以磁鐵礦粉和蒙脫石制備的懸浮液的穩(wěn)定性較差，且與之前對懸浮液重力場穩(wěn)定性的研究數(shù)據(jù)相匹配[22]。

圖5 非磁性物對濃縮效率Eth和底溢流密度差ρΔ的影響

而濃縮效率產(chǎn)生了類似溢流澄清度相似的現(xiàn)象，即蒙脫石作為非磁性物添加到體系后，其濃縮效率值甚至高于不添加非磁性物的情況。這主要是由于濃縮效率計算公式隱含了底流密度、溢流密度與入料密度的綜合差異，顯然當?shù)琢鳚饪s度和溢流澄清度均較大時，其差異更大，必然使?jié)饪s效率值變大。

2.2 非磁性物含量及組成對分選效果的影響

2.2.1 產(chǎn)率、灰分及鏡質(zhì)組含量

不同非磁性物條件下，經(jīng)相同操作參數(shù)旋流器分選后精煤的產(chǎn)率、灰分及其鏡質(zhì)組含量的變化如圖6所示。可見，僅磁鐵礦粉條件下，盡管不添加非磁性物時的精煤產(chǎn)率達到了90%以上，但其灰分僅從原煤的8.26%降低至6%左右，而鏡質(zhì)組含量低于65%，遠不能達到鏡質(zhì)組含量超過75%的需要。而采用低灰煤泥作為懸浮液非磁性物時，精煤鏡質(zhì)組含量最高僅達到72.5%左右，也未能達到要求。采用復(fù)合煤泥作為懸浮液非磁性物，其含量為30%和40%時，精煤鏡質(zhì)組含量均超過了75%，灰分均低于3%，達到了前期設(shè)定的要求。

結(jié)合2.1節(jié)的數(shù)據(jù)和分析可知，在相同操作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)的旋流器分選中，懸浮液在旋流場中的穩(wěn)定性對同一煤樣的分選效果起到了關(guān)鍵作用。因此，非磁性物加入后的懸浮液表現(xiàn)出了更好的旋流場穩(wěn)定性，從而總體上均取得了遠比僅磁鐵礦粉的懸浮液更好的分選效果。但是從圖6中的數(shù)據(jù)還可以發(fā)現(xiàn)，盡管非磁性物含量越大穩(wěn)定性越好，但并非懸浮液的穩(wěn)定性越好時的實際分選效果越好，而是存在最佳的添加量。就圖6來看，無論是低灰煤泥還是復(fù)合煤泥，綜合考慮產(chǎn)率、灰分、鏡質(zhì)組含量的要求下，30%～40%的非磁性物添加量可以獲得更好的綜合分選結(jié)果。

2.2.2 實際分選密度與分選精度

不同非磁性物條件下，經(jīng)相同操作參數(shù)旋流器分選過程后得到的分配曲線如圖7所示，由此得到的實際分選密度和可能偏差變化如圖8所示?？梢姡c不添加非磁性物相比，實際分選密度和可能偏差均大幅度下降，為實現(xiàn)低密度分選提供了基礎(chǔ)條件。而在非磁性物含量為30%和40%時，復(fù)合煤泥的實際分選密度更低，與圖6中的精煤灰分更小相匹配；而可能偏差總體更小，為獲得高鏡質(zhì)組含量的精煤產(chǎn)品創(chuàng)造了條件。

圖7 各分選條件下的分配曲線

圖8 非磁性物對實際分選密度和可能偏差E的影響

值得注意的是，當非磁性物含量為50%和60%時，盡管使用添加復(fù)合煤泥的懸浮液的實際分選密度和可能偏差均高于低灰煤泥，但圖6中卻顯示出其精煤產(chǎn)率、鏡質(zhì)組含量均要高于添加低灰煤泥的懸浮液。分析其原因，作者認為是由于復(fù)合煤泥中大量的蒙脫石含量造成其密度要高于低灰煤泥，在懸浮液密度統(tǒng)一要求為1.35g/cm3時，懸浮液中的固體體積含量更低，對被選煤顆粒在旋流器中的遷移運動阻礙更小造成的。

3 結(jié) 論

本文探討了不同非磁性物條件下等密度(1.35g/cm3)重介質(zhì)懸浮液在旋流場中的穩(wěn)定性及其對3～0.5mm粒級煤樣的分選效果的影響，主要取得以下結(jié)論：

1)非磁性物的含量及其組成對懸浮液經(jīng)過旋流器后的穩(wěn)定性影響顯著。隨著非磁性物含量的增大，底流濃縮度、溢流澄清度、濃縮效率和底溢流密度差均呈現(xiàn)下降趨勢。但添加蒙脫石后的溢流澄清度和濃縮效率均要高于不添加非磁性物的懸浮液，而添加蒙脫石與低灰煤泥的復(fù)合煤泥卻獲得了最高的溢流澄清度、底溢流密度差和濃縮效率，表明蒙脫石、低灰煤泥和磁鐵礦粉三者存在協(xié)同效應(yīng)，能夠阻礙懸浮液在旋流過程中的分層失穩(wěn)現(xiàn)象。

2)在懸浮液密度均為1.35g/cm3，以及相同的旋流器操作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下，不添加非磁性物的懸浮液無法實現(xiàn)良好的分選效果；而添加蒙脫石和低灰煤泥制備的復(fù)合煤泥的懸浮液能獲得最好的分選效果，在非磁性物含量為30%和40%時，得到了灰分低于3%、鏡質(zhì)組含量高于75%的精煤產(chǎn)品，而添加低灰煤泥或蒙脫石的懸浮液均未能達到此要求。

3)懸浮液在旋流場中的穩(wěn)定性對同一煤樣的分選效果起到了關(guān)鍵作用。但并非懸浮液在旋流場中的穩(wěn)定性越好，則分選效果越好，而是存在最佳的添加量。這主要是由于添加過多的非磁性物后盡管提高了懸浮液的穩(wěn)定性，但也同時阻礙了分離過程中被選煤顆粒在旋流器中的遷移運動。