小锥角水力旋流器对难浮煤泥脱泥浮选工艺试验研究

任瑞晨,程 明,张乾伟,李彩霞

(辽宁工程技术大学矿业学院,辽宁阜新 123000)

小锥角水力旋流器对难浮煤泥脱泥浮选工艺试验研究

任瑞晨,程 明,张乾伟,李彩霞

(辽宁工程技术大学矿业学院,辽宁阜新 123000)

针对通化地区黏土含量大、主导粒级为高灰细粒级的难浮煤泥,采用小锥角水力旋流器进行高效脱泥探索,旋流器产物进行粒度和矿物组成分析,底流进行分步释放浮选试验。结果表明,采用ϕ150 mm小锥角水力旋流器作为煤泥浮选前脱泥的主要设备;ϕ150 mm与ϕ75 mm旋流器串联脱泥工艺中,＜0.045 mm粒级脱除率达到67.73%,灰分为50.10%,且高岭石、伊利石等黏土矿物在ϕ75 mm旋流器溢流中实现富集;ϕ150 mm与ϕ75 mm旋流器底流单独或混合入料浮选,精煤产率(占本级)及可燃体回收率均比原煤泥直接浮选提高了2～3倍。

小锥角水力旋流器;难浮煤泥;脱泥;浮选

浮选是细粒级煤泥分选的最有效方法之一[1－3],是选煤生产的重要环节。随着矿井开采的不断深入,原煤中矸石量大幅增加,煤泥中高灰细泥也随之增加,煤泥浮选不断恶化,出现了尾煤灰分过低、粗粒精煤损失大、药剂消耗增加等问题[4－7]。提高精煤质量和可燃体回收率、减少药剂消耗是当前提高浮选效率、降低成本的关键与矛盾所在[8－10]。要解决此问题,从影响浮选效果的因素出发,通过浮选前脱除异质细泥的方法来实现浮选矿浆粒度及矿物组成的改变,改善浮选环境。选前脱泥有多种方法,如水力旋流器、筛网旋流器、耙式浓缩机等[11－12]。根据“预先抛尾”在非金属矿物分选中的应用和小直径水力旋流器具有超细分级分选作用[13－15],本文拟采用小锥角水力旋流器对试验煤泥进行脱泥浮选工艺试验研究,分析旋流器产物粒度组成、矿物组成及浮选效果,以期对多细粒级、高泥化难浮煤泥的洗选工艺提供参考。

1 试 验

1.1 煤泥性质分析

试验用煤样取自吉林通化煤业集团临江选煤厂的浮选入料,煤种为主焦煤,测定灰分为40.78%。为确定煤泥中的矿物组成,采用布鲁克AXS公司的D8型X射线衍射仪在Cu靶,管电压40 kV,管电流40 mA,在衍射角度为5°～85°的衍射条件下进行XRD物相定性分析,并采用K值法进行物相定量分析。煤泥的矿物组成为:石英15.64%;高岭石6.24%;伊利石12.27%;方解石4.24%;长石1.26%;煤58.45%;其他1.90%。可知,样品中的主要成分是非晶质矿物——煤,含量为58.45%;其次是石英、方解石和长石等自然可浮性较差的矿物,含量为21.14%;伊利石、高岭石等黏土类矿物,含量为18.51%,黏土类矿物在浮选过程中会使矿浆泥化,对浮选精煤质量影响较大。

同时,除非晶质矿物煤外,其他矿物的含量为41.55%,结合实验用煤泥灰分40.78%,两者有所差异。这可能是由取样与测定方法等误差引起的,也可能是在灰分测定时,高温条件下伊利石和高岭石等黏土类矿物晶体片层中的水分及层间烃基被脱除[16－17],从而引起质量损失,造成误差。

煤样按照GB/T 477—2008《煤炭筛分试验方法》中的规定,采用0.500,0.250,0.125,0.100,0.074和0.045 mm的标准套筛进行湿法小筛分试验,以确定煤泥的粒度组成,结果见表1。

表1 煤泥粒度分析Table 1 Size analysis data of coal slime

由表1可知,原煤泥中粗粒级含量较少,＞0.250 mm粒级的产率为3.23%,灰分为20.22%;细粒级含量较高,＜0.045 mm粒级的产率为42.01%,是主导粒级,灰分为50.20%,比＞0.045 mm各粒级加权灰分高16.24%,说明有大量的异质细泥混杂存在于此粒级中,根据原煤泥XRD的分析结果,此粒级细泥大部分为高岭石、伊利石等黏土类矿物及石英;从粒度的变化上看,随着粒度的减小,各粒级灰分逐渐增大,说明黏土类矿物在水中泥化生成了微细颗粒,这些亲水性微细颗粒吸附于气泡或煤粒表面,减少了气泡和煤粒的接触几率,降低浮选选择性,影响精煤质量。因此,浮选前实现＜0.045 mm高灰细粒级的脱泥将是煤泥能够实现高效浮选的重点。

1.2 试验设备及方法

通过单独采用ϕ150,ϕ75,ϕ50 mm三种小锥角水力旋流器进行脱泥试验,确定采用ϕ150 mm与ϕ75 mm小锥角水力旋流器串联进行脱泥试验研究: ϕ150 mm小锥角水力旋流器作为煤泥浮选前脱泥的主要设备,ϕ150 mm旋流器溢流进入ϕ75 mm旋流器进一步分级,确保脱泥过程中主焦煤稀缺煤种的最大回收率。设备主要参数见表2。试验条件:试验煤泥每组30 kg,给料浓度10%,针对不同旋流器给料粒度及底流口径,对入料进行相应的“隔粗”处理,调节变频器为40～45 Hz,使给料泵正常给料,强力搅拌10 min,将混合好的矿浆在0.15 MPa下进行ϕ150 mm小锥角水力旋流器脱泥试验,旋流器溢流在0.25 MPa的压力下进行进一步分级脱泥,接取各旋流器底流、溢流,分别采用D8型X射线衍射仪在与原煤泥相同试验条件及方法下进行定量分析,并分别进行旋流器脱泥分选效果、粒度组成及底流浮选效果分析。

表2 不同直径小锥角水力旋流器参数Table 2 The parameters of different diameter small taper angle hydrocyclones

将原煤泥及各旋流器底流在相同条件下进行分步释放浮选试验。浮选设备为XFD型实验室用1 L浮选机,药剂用量等操作参数根据GB 4757—84《选煤实验室单元浮选试验方法》确定:捕收剂柴油用量420 g/t,起泡剂仲辛醇用量82 g/t,矿浆浓度100 g/ L,叶轮转速1 800 r/min,充气量0.37 m3/(m2· min),试验流程参照MT/T 144—1997《选煤实验室分步释放浮选试验方法》,一次粗选、4次精选,每次刮泡时间为3 min。

2 试验结果与讨论

2.1 不同直径小锥角水力旋流器脱泥浮选工艺分析

分别选用ϕ150,ϕ75,ϕ50 mm三种小锥角水力旋流器对原煤泥进行脱泥分选效果、底流浮选试验研究,结果见表3,4。

表3 不同直径旋流器脱泥分选效果Table 3 Pre-deslimingseparation results of different diameter hydrocyclones

表4 不同直径旋流器底流浮选试验结果Table 4 Flotation test results of different diameter hydrocyclone under flow%

由表3可知,ϕ150,ϕ75,ϕ50 mm三种旋流器底流灰分分别为36.45%,37.01%,37.68%,均比试验煤泥灰分40.78%低,且与相应的溢流灰分差值均大于10.00%,说明小锥角水力旋流器达到了一定的脱泥降灰效果,部分高灰非煤矿物在分级分选中通过溢流排出;从各旋流器底流灰分来看,随着旋流器直径的减小,灰分呈增加趋势,说明矿泥脱除率随着旋流器直径减小而降低。

由表4可知,在满足精煤灰分Ad≤12.00%的条件下,ϕ150,ϕ75,ϕ50 mm三种旋流器底流浮选精煤产率(占全级)、可燃体回收率及综合尾煤灰分与原煤泥直接浮选相比,均有较大幅度的提高,煤泥经脱泥后浮选效果明显改善;ϕ150 mm旋流器底流浮选可燃体回收率为49.67%,综合尾煤灰分为50.52%,精煤产率(占本级)为35.63%,均比ϕ75 mm与ϕ50 mm两种旋流器高,但精煤产率占原煤泥全级的22.00%,与其他两种旋流器相比较低,这是因为ϕ150 mm旋流器脱泥工艺中,抛除了大量细泥,减少了高灰细粒级矿泥对浮选精煤质量的影响,达到了较好的浮选效果,但与ϕ75 mm与ϕ50 mm两种旋流器相比,较多的煤及粗粒级进入溢流,导致溢流灰分降低,底流产率降低,浮选入料量减少,影响了浮选精煤占煤泥全粒级的产率。

2.2 ϕ150 mm与ϕ75 mm旋流器串联脱泥浮选工艺分析

由2.1节试验研究可得,ϕ150 mm小锥角水力旋流器可实现较好的脱泥分选效果,而且底流浮选精煤占本级产率最高,选作为煤泥浮选前脱泥的主要设备。针对由底流产率较低而影响了浮选精煤占全级产率的问题,在与2.1相同的试验条件下,选取ϕ150 mm与ϕ75 mm旋流器串联脱泥工艺进行试验研究。

由表5可知,两串联旋流器综合底流、溢流灰分相差13.31%,其中底流产率为71.55%,灰分与ϕ150 mm旋流器相近,为36.79%;溢流灰分为50.10%,比ϕ150 mm旋流器提高了3.73%。与表3中各直径旋流器脱泥效果相比,ϕ150 mm与ϕ75 mm旋流器串联工艺达到了更好的脱泥降灰效果。

表5 ϕ150 mm与ϕ75 mm旋流器串联脱泥分选效果Table 5 Pre-deslimingseparation results of series ϕ150 mm and ϕ75 mm hydrocyclone

对ϕ150 mm与ϕ75 mm旋流器串联脱泥工艺各产品进行粒度分析,结果如图1所示。可知,ϕ150－Y中＞0.045 mm粒级含量为17.66%,溢流存在“跑粗”问题;串ϕ75－D中＞0.045 mm粒级含量为61.27%,串ϕ75－Y中＜0.045 mm粒级含量为98.70%,说明旋流器串联达到了很好的“截粗”效果;将ϕ75－Y作为细泥尾矿,则抛除量为总煤泥的28.45%,与原煤泥中＜0.045 mm粒级42.01%相比,脱泥效率达到了67.73%,ϕ150 mm与ϕ75 mm旋流器串联脱泥工艺达到了很好的脱泥效果。ϕ150－D中＞0.250 mm粗粒级、0.250～0.074 mm中粒级比串ϕ75－D高, 0.074～0.045 mm细粒级及＜0.045 mm极细粒级比串ϕ75－D低;ϕ150－D主导粒级为0.250～0.074 mm,含量为38.82%,ϕ75－D主导粒级为＜0.045 mm,含量为38.73%。说明小锥角水力旋流器串联脱泥工艺可确保脱泥过程中粗粒级的回收率,也可以为煤泥分级实现窄粒级浮选提供可能。

针对小锥角水力旋流器脱泥抛除的矿物成分,对ϕ150 mm与ϕ75 mm旋流器串联脱泥工艺中各产品

图1 ϕ150 mm与ϕ75 mm旋流器串联产品的粒度分析Fig.1 Size analysis of series ϕ150 mm and ϕ75 mm hydrocyclone products

进行XRD分析,结果如图2所示。可知,ϕ150－Y、串ϕ75－Y矿物组成中黏土类矿物高岭石、伊利石含量之和分别为21.41%,25.59%,分别高于原煤泥(18.51%)2.90%,7.08%,且串ϕ75－Y中明显增加,说明通过串联两种不同直径小锥角水力旋流器的应用,黏土类矿物在旋流器溢流中实现了较好的富集,降低了浮选入料中极细粒级矿泥对浮选的影响,有利于浮选效果的提高。对于串联脱泥工艺中ϕ75 mm旋流器的溢流产品,可与浮选尾煤合并进行尾矿浓缩压滤处理,在尾煤燃烧之后,可考虑石英、高岭石等有用矿物的分选提纯,实现尾煤综合利用。

图2 ϕ150 mm与ϕ75 mm旋流器串联产品的物质组成Fig.2 Compositions of series ϕ150 mm and ϕ75 mm hydrocyclone products

由表6可知,ϕ150－D、串ϕ75－D及混合3种入料浮选效果均较好,在满足精煤灰分Ad≤12.00%的条件下,ϕ150－D精煤产率(占本级)、可燃体回收率ε、尾煤灰分分别为37.63%,52.27%,51.60%,均高于其他两种入料,结合图1,3种浮选入料的粒度组成不同,ϕ150－D粗粒级较多,串ϕ75－D细粒级较多,说明粗、细煤泥表现出不同的可浮性,入浮粒度越宽,浮选效果也会变差;与原煤泥直接浮选相比,3种入料精煤产率(占本级)及可燃体回收率ε均提高了2～3倍,且尾煤灰分也有不同程度的提高,说明浮选前脱除细粒级高灰矿泥、减少煤泥中极微细的细泥颗粒,是改善浮选效果的关键所在;3种精煤占全级的产率分别为21.67%,3.79%,24.84%,其中ϕ150－D、串ϕ75－D两种旋流器底流单独浮选精煤产率之和高于混合浮选,说明窄粒级浮选更有利于强化各粒级煤泥回收,提高浮选效益。同时结果也表明两种旋流器底流既可混合浮选,也可单独作浮选入料,ϕ150 mm与ϕ75 mm旋流器串联脱泥浮选工艺具有很好的灵活性,同时也为煤泥窄粒级浮选提供了良好的工艺参考。

表6 串联旋流器底流浮选试验结果Table 6 Flotation test results of series hydrocyclone under flow%

3 结 论

(1)原煤泥中＜0.045 mm粒级为主导粒级,产率为42.01%,灰分为50.20%,此粒级中含有大量高岭石和伊利石等黏土类矿物,造成原煤泥难以实现有效浮选。通过小锥角水力旋流器预先脱泥,黏土类矿物在旋流器溢流中实现富集,降低了浮选入料中极细粒级矿泥对浮选精煤质量的污染。

(2)ϕ150 mm与ϕ75 mm小锥角水力旋流器串联脱泥工艺中脱泥效率达到67.73%,灰分为50.10%,其中ϕ150－D中＜0.045 mm粒级含量为28.06%,比原煤泥42.01%低13.95%;ϕ75－Y中＜0.045 mm粒级含量为98.70%,串联脱泥工艺确保了脱泥过程中较粗粒级的回收。

(3)两种底流单独或混合入料浮选,精煤产率(占本级)及可燃体回收率均比原煤泥直接浮选提高了2～3倍,尾煤灰分也有不同程度的提高。

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Study on small taper angle hydrocyclone for pre-desliming flotation process of a difficult-to-float coal slime

REN Rui-chen,CHENG Ming,ZHANG Qian-wei,LI Cai-xia

(College of Mining Engineering,Liaoning Technical University,Fuxin 123000,China)

An experimental study about pre-desliming flotation was made for the difficult-to-float coal slime from Tonghua,which is characterized by high content of clay mineral and high-ash fine fraction.The efficient desliming process was explored by small taper angle hydrocyclone,the particle size and mineral composition of cyclone products were analyzed,and underflow products were studied through progressive release flotation.The results show that ϕ150 mm hydrocyclone is chosen as the main desliming equipment.In the process of ϕ150 mm and ϕ75 mm hydraulic cyclone series connection,the whole desliming efficiency of fine particles＜0.045 mm is up to 67.73%,the ash content is 50.10%,and the minerals of Kaolinite and illite are got enriched in overflow.The two kinds of underflow can be used as feed of the flotation alone or mixed,and compared with the direct flotation of the raw coal slime,both the combustible material recovery and clean coal production rate are improved by 2－3 times.

small taper angle hydrocyclone;difficult-to-float coal slime;pre-desliming;flotation

TD923

A

0253－9993(2014)03－0543－06

任瑞晨,程 明,张乾伟,等.小锥角水力旋流器对难浮煤泥脱泥浮选工艺试验研究[J].煤炭学报,2014,39(3):543－548.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0509

Ren Ruichen,Cheng Ming,Zhang Qianwei,et al.Study on small taper angle hydrocyclone for pre-desliming flotation process of a difficultto-float coal slime[J].Journal of China Coal Society,2014,39(3):543－548.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0509

2013－04－19 责任编辑:张晓宁

辽宁省科技厅计划资助项目(2009402008);辽宁省教育厅重点实验室基金资助项目(Ls2010072)

任瑞晨(1958—),男,辽宁本溪人,教授。E－mail:ruichenren@263.net