强化重力沉降作用的浮选柱降灰研究

倪 超,谢广元,李 彪,刘 博,彭耀丽,董玉蛟

(1.中国矿业大学煤炭加工与高效洁净利用教育部重点实验室,江苏徐州 221116;2.中国矿业大学化工学院,江苏徐州 221116;3.弗吉尼亚理工大学矿业及矿物工程系,弗吉尼亚黑堡 24061-0258;4.煤炭工业济南设计院有限公司,山东济南 250031)

强化重力沉降作用的浮选柱降灰研究

倪 超1,2,谢广元1,2,李 彪3,刘 博1,2,彭耀丽1,2,董玉蛟4

(1.中国矿业大学煤炭加工与高效洁净利用教育部重点实验室,江苏徐州 221116;2.中国矿业大学化工学院,江苏徐州 221116;3.弗吉尼亚理工大学矿业及矿物工程系,弗吉尼亚黑堡 24061-0258;4.煤炭工业济南设计院有限公司,山东济南 250031)

为降低旋流微泡浮选柱(FCMC)处理高灰细泥含量大煤泥的精煤灰分,构建了强化重力沉降作用、沉降物单独回收的沉降-旋流微泡浮选柱(S-FCMC),研究了结构参数对精煤灰分、产率及浮选完善指标的影响,并与最优工艺参数的FCMC进行对比。结果表明:与FCMC相比,最佳结构参数组合的S-FCMC精煤灰分降低1.17%,尾煤灰分提高10.79%,精煤主导粒级(＜0.045 mm粒级)灰分降低2.48%,＞0.074 mm粒级产率基本相当;沉降物中＜0.045 mm粒级占本级产率＞50%,灰分58.16%。S-FCMC通过强化浮选过程中高灰细泥的重力沉降脱除,有效减少高灰细泥对精煤的污染,降灰效果明显。

浮选柱;高灰细泥;降灰;重力沉降

亲水微细脉石颗粒通过机械输送污染精矿,是微细颗粒矿物浮选的共性难题[1]。随着入浮煤泥中高灰难选细粒煤泥含量增大,高灰细泥对浮选精煤的污染问题凸显,浮精灰分普遍高于企业产品质量要求,重选精煤“背灰”,制约企业经济效益[2-4]。

微细脉石颗粒主要通过机械夹带、颗粒混凝、连生体颗粒及矿泥罩盖污染精矿[5]。其中,机械夹带是亲水脉石矿物上浮进入精矿的主要原因,夹带程度与颗粒大小、矿浆浓度和泡沫水回收率等诸多因素有关[5-8]。为减少浮选过程中微细脉石矿物对精矿的污染,Falutsu创新地设计了一种将精矿泡沫区和矿物捕集区独立分开的改进型浮选柱,Rubio和Valderrama加以发展设计了三产品浮选柱(3PC),其第三产品来源于精矿泡沫层中脱落的矿物颗粒[9-11]。该设备在金、铜矿浮选工业中得到应用,但鲜有应用于煤泥浮选的报道。Mulleneers等[12]基于Hallimond浮选管的结构和工作原理设计了一种半连续沉降浮选装置,其倾斜段的逆流沉降分选机制极大地减少了精矿泡沫中石英颗粒的夹带。与浮选机相比,浮选柱处理高灰细泥含量大煤泥时,有利于改善细粒及微细颗粒的选择性[3,13-14]。

实践证明,旋流微泡浮选柱(FCMC)在分选细粒及微细粒煤泥方面具有独特优势[3,14-15]。本文基于FCMC分选细粒煤泥的优势,借鉴3PC浮选柱、Hallimond浮选管及半连续逆流浮选沉降柱等柱分选设备在降低精矿中脉石颗粒机械夹带污染的结构特点和分选机制,构建了强化重力沉降作用的沉降-旋流微泡浮选柱(S-FCMC),研究结构参数对精煤灰分、产率及浮选完善指标的影响规律,并与FCMC进行对比,探索柱浮选过程中强化重力沉降作用降低精煤灰分的可行性。

1 试 验

1.1 试 样

试验煤样为冀中能源邢台煤矿选煤厂入浮煤泥。该厂要求浮选精煤灰分＜9.00%,但实际生产浮选精煤灰分高于11.00%,最高可达13.45%。由入浮煤泥及浮选精煤粒度组成(表1)可知,入浮煤泥中＜0.045 mm粒级含量＞50%,灰分明显高于其他粒级;浮选精煤粒度减小,灰分持续升高,＜0.074 mm粒级灰分都高于浮选精煤灰分要求,尤其＜0.045 mm粒级灰分较高,且产率高达52.82%,导致总精煤灰分超标。表明浮选过程中存在高灰分细泥对精煤的污染问题。

表1 入浮煤泥及浮选精煤粒度组成Table 1 Size distribution of raw slime and clean coal

1.2 试验装置及系统

S-FCMC试验系统如图1所示(图中H为截留板高度,α为倾斜段倾角),常规FCMC试验系统由该系统改装而成,柱体高度1 400 mm。其中自制S-FCMC的筒体内径45 mm,由长度可调的竖直段柱体和倾斜段柱体通过弯头连接而成。竖直段柱体自上至下分为柱浮选区和旋流分选区,倾斜段柱体自下至上分为沉降浮选区和泡沫富集区。倾斜段柱体以一定角度倾斜安装,下端靠近弯管处设有圆弧形截留板和沉降物排料管,其中截留板高度和倾斜段倾角可根据煤泥可浮性、沉降特性及产品质量要求调整。泡沫富集区位于柱体最上端,上部装有喷淋管,外部装有泡沫精煤收集槽。柱浮选区上部外侧装有给料管,经稳流板过渡至下部的旋流分选区。旋流分选区内设锥形筒,外接串联阀门、中矿循环泵、压力表及气泡发生器的中矿循环管,下侧壁靠近底部位置装有尾矿管。

图1 S-FCMC试验系统示意Fig.1 Schematic diagram of S-FCMC test system

按一定浓度配制的矿浆在调浆桶中完成调浆、加药后,由蠕动泵泵送至S-FCMC(或FCMC)进行分选,精煤溢流排出,尾煤通过尾矿箱排出。尾矿箱与柱体底部尾矿管相连,采用连通器原理布置,柱内泡沫层厚度通过调整尾矿箱高度调节。S-FCMC分选的沉降物通过蠕动泵排出,便于流量控制。中矿循环管道串联自吸式微泡发生器、压力表和阀门,充气量通过阀门调节,充气压力由压力表测量。

1.3 试验步骤及内容

试验步骤:常规FCMC系统分选试验参考文献[16]进行。对于S-FCMC系统,待沉降浮选区矿浆液位达到倾斜段柱体200 mm时,打开沉降物排料管所连阀门,开启蠕动泵并调整至设定转速。柱体顶端有精煤泡沫溢出时,开始计时,稳定运行5 min后同时采取精煤溢流、尾煤流及沉降物流,采样时间3 min,每个产品均连续采样2次作为平行样,试验结果取平均值。样品经过滤、烘干、称重、化验及分析。FCMC采用两产品平衡法计算产率,S-FCMC采用3个产品样烘干后的质量占三者质量之和的比例作为各产品产率。

以煤油为捕收剂,杂醇为起泡剂,浮选入料蠕动泵流量0.61 L/min,泡沫层厚度200 mm。常规FCMC试验中,主要研究捕收剂用量、起泡剂用量、入浮浓度和循环压力对精煤灰分的影响规律。S-FCMC试验中,经探索试验确定,煤油和杂醇用量分别为3 000 g/t和550 g/t,入浮矿浆质量浓度60 g/L,循环泵充气压力0.09 MPa,沉降物排料蠕动泵流量0.11 L/min。主要研究截留板高度、倾斜段倾角、竖直段高度及倾斜段长度对精煤灰分的影响规律。以精煤灰分、产率及浮选完善指标作为综合评价指标。

2 试验结果与分析

2.1 常规FCMC试验结果

图2为常规FCMC的单因素优化试验结果。可以看出,对于高灰细泥含量大且存在高灰细泥对精煤污染的煤泥,仅通过工艺参数优化,常规FCMC分选难于同时保证精煤灰分和精煤产率。因此,有必要改进柱体结构,探索深度降灰的柱体结构形式以保证浮选精煤的数质量。

图2 常规FCMC单因素优化试验结果Fig.2 Single factor optimization results of conventional FCMC

2.2 S-FCMC试验结果

截留板高度对试验评价指标的影响如图3所示。可以看出,增加截留板后,精煤灰分降低,高度增至10 mm时,精煤灰分(8.91%)已满足产品质量要求;高度≤20 mm时,精煤产率及浮选完善指标均随截留板增高而增大。这是因为增设适当高度的截留板可防止柱浮选区上浮矿浆及泡沫直接从沉降物排料管排出,保证精煤颗粒的回收;其次泡沫脱除及矿浆中的高灰细泥在沉降作用下沿倾斜段柱体下侧壁向下运动,截留板可阻挡其返回柱浮选区,避免对精煤的重复污染,保证精煤质量。但截留板高度为25 mm时,矿浆及泡沫通过量明显减小,导致较多精煤颗粒损失于尾煤中;其次,截留板高度过大导致局部矿浆及倾斜段矿化泡沫群过度紊乱,增大矿化颗粒的脱附概率,尤其是低灰粗粒精煤,因此精煤产率明显减小。精煤灰分升高的原因包括:精煤中高灰细泥的比例增大;其次泡沫群过度紊乱,高灰细泥随泡沫及水流机械夹带的回收率增大。

图3 截留板高度对试验评价指标的影响Fig.3 Influence of baffle height on evaluation indexes

倾斜段倾角对试验评价指标的影响如图4所示。可以看出:随着倾角增大,精煤灰分持续升高,精煤产率和浮选完善指标在倾角55°时最大。由于倾斜段长度不变,倾角增大则垂直高度增加,精矿泡沫层所受静压力增大,同时泡沫群升浮阻力减小。倾角由45°增至55°时,泡沫群升浮阻力对浮选精煤质量的影响占主导地位。此时倾角增大,泡沫群升浮阻力减小,气泡过载几率及气泡兼并效应减小,高灰细泥及粗粒精煤因气泡兼并、过载的脱除量均减小,因此精煤产率及灰分均增加[17]。倾角由55°增至65°时,静压力对气含率的影响上升为主导作用,而气含率直接影响精煤的灰分和产率。通常,随着气含率增加,精矿回收率增大,品位降低[18]。因而随着倾角增大,沉降段竖直高度增加,沉降浮选区内的平均气含率降低;加之此时泡沫升浮阻力进一步减小,气泡兼并脱除的高灰细泥量减少,而且重力沉降脱除的高灰细泥重复机械夹带几率增大。因此精煤产率减小,灰分升高,浮选效果变差。

图4 倾斜段倾角对试验评价指标的影响Fig.4 Influence of sediment section obliquity on evaluation indexes

竖直段高度对试验评价指标的影响如图5所示。可以看出,随着竖直段高度增加,精煤灰分持续升高,精煤产率在600 mm增至68.71%后微小波动,浮选完善指标在600 mm达到极大值后降低。S-FCMC采用逆流矿化形式,竖直段高度增加即捕集区高度增加,矿物颗粒在捕集区内的捕集时间延长,颗粒的矿化效率提高,回收率增大。

因此,竖直段高≤600 mm时精煤产率及灰分均增大;高度＞600 mm时,随着捕集区高度增加,由于粗、细颗粒在浮选柱分选过程中运动机制不同[19]:粗粒煤泥因气泡过载、兼并导致损失增加的同时,细粒煤泥的回收率持续增大,因此精煤产率基本保持不变[20]。由于试验研究煤泥具有高灰细泥含量大的煤质特征,以及高灰细泥易通过机械夹带、颗粒混凝及细泥罩盖等方式非选择性的回收,因而随着捕集区高度增加,高灰细泥的回收率持续增大,对精煤的污染加剧,精煤灰分持续升高。

图5 竖直段高度对试验评价指标的影响Fig.5 Influence of cylinder section height on evaluation indexes

倾斜段长度对试验评价指标的影响如图6所示。可以看出,随着倾斜段长度增加,精煤灰分降低,长度为600 mm时达到极小值后略有升高,精煤产率及浮选完善指标呈相反变化趋势。由于截留板入口处矿浆流速一致,倾斜段长度主要影响沉降浮选区内矿浆的扰动程度、矿浆-泡沫界面处气泡兼并和高灰细泥的脱除效应。长度为400 mm时,因沉降空间不足,不仅矿浆扰动剧烈,而且矿浆-泡沫界面能量高,矿浆瞬时动量大,导致矿化颗粒脱附概率大,尤其是低灰粗粒精煤。加之此时沉降距离短,脱附颗粒被气泡再次矿化几率小,精煤产率较低。同时矿浆-泡沫界面波动较大,存在部分矿浆因瞬时动量大直接进入精煤,精煤灰分较高。随着倾斜段长度增大,沉降空间增大,分选指标变好。但长度过大时,泡沫升浮路径太长,同样导致矿化颗粒脱附概率增大;其次,泡沫夹带的高灰细泥主要在矿浆-泡沫界面处脱除,然而此时倾斜段长度大,矿浆末端流速小,矿浆-泡沫界面传质碰撞效应弱,高灰细泥排泄量减少[21]。因此,倾斜段长度为800 mm时,精煤灰分升高,产率及浮选完善指标减小。

图6 倾斜段长度对试验评价指标的影响Fig.6 Influence of settling section height onevaluation indexes

2.3 S-FCMC与FCMC对比

选择满足或接近精煤灰分要求,并且浮选完善指标最高的FCMC与S-FCMC试验结果进行对比,见表2。该条件下的产品粒度组成对比见表3。

从表2,3可以看出:

(1)与FCMC相比,S-FCMC的精煤灰分降低1.17%,精煤产率降低1.62%;S-FCMC精煤中＞0.074 mm粒级产率与FCMC基本相当,＜0.074 mm粒级产率比FCMC低,尤其是＜0.045 mm粒级产率减小1.21%,且灰分降低2.48%。表明,强化重力沉降作用的S-FCMC在保证所有粒级精煤高效回收的同时,有效减少高灰＜0.045 mm粒级细泥对精煤的污染,保证精煤质量。

表2 最佳试验结果对比Table 2 Comparison of optimized test results%

表3 产品粒度组成对比Table 3 Comparison of separation products size distribution%

(2)S-FCMC沉降物中,＜0.045 mm粒级占本级产率大于50%,灰分高达58.16%,接近尾煤灰分,且产率(5.17%)大于FCMC与S-FCMC精煤中＜0.045 mm粒级产率的差值(1.21%)。表明强化重力沉降作用的S-FCMC不仅强化精煤泡沫对高灰细泥的脱除能力,同时减少矿浆中高灰细泥的含量,并在沉降-浮选综合作用下进入沉降物,避免返回柱浮选区再次对精煤污染。

(3)除高灰细泥外,S-FCMC沉降物中还包含部分灰分较高、粒度较粗的中等可浮颗粒。浮选过程中,这部分颗粒易从矿化泡沫脱落。FCMC分选时,上述颗粒只能作为尾煤,但其灰分低于尾煤,导致尾煤灰分偏低。S-FCMC分选时,这部分颗粒通过沉降物排料管排出,与FCMC相比,尾煤灰分提高10.79%,尾煤产率降低8.24%。排出的沉降物可根据其煤质情况灵活处理:可掺入中煤、煤泥或单独作为产品;也可返回浮选入料,通过重复分选避免沉降物中低灰粗粒煤泥的损失,保证精煤的有效回收。

3 结 论

(1)构建了适应高灰细泥含量大煤泥深度降灰的新型S-FCMC,其最佳结构参数组合为:截留板高度20 mm,倾斜段倾角55°,竖直段高度600 mm,倾斜段长度600 mm。

(2)强化重力沉降作用的S-FCMC通过强化精煤泡沫对高灰细泥的脱除能力和减少矿浆中高灰细泥的含量,有效减少精煤中高灰细泥的污染,降低精煤灰分。

(3)沉降物以高灰细泥为主,同时包含部分灰分较高、粒度较粗的中等可浮颗粒。沉降物的排出,避免了高灰细泥对泡沫精煤的循环污染和灰分较高的中等可浮性颗粒直接作为尾煤的损失,同时保证精、尾煤质量,实现煤泥资源的高效综合利用。

[1] Ata S.Phenomena in the froth phase of flotation:A review[J].International Journal of Minerals Processing,2012,102(10):1-12.

[2] 桂夏辉,程 敢,刘炯天,等.异质细泥在煤泥浮选中的过程特征[J].煤炭学报,2012,37(2):301-309.

Gui Xiahui,Cheng Gan,Liu Jiongtian,et al.Process characteristics of heterogeneous fine mud in the coal flotation[J].Journal of China Coal Society,2012,37(2):301-309.

[3] 谢广元,吴 玲,欧泽深,等.煤泥分级浮选工艺的研究[J].中国矿业大学学报,2005,34(6):756-760.

Xie Guangyuan,Wu Ling,Ou Zeshen,et al.Research on fine coal classified flotation flow sheet[J].Journal of China University of Mining&Technology,2005,34(6):756-760.

[4] 李延锋,张晓博,桂夏辉,等.难选煤泥形貌特征及搅拌强化可浮性试验研究[J].中国矿业大学学报,2012,41(6):930-935.

Li Yanfeng,Zhang Xiaobo,Gui Xiahui,et al.Optimization of slime flotation process based on energy input[J].Journal of China University of Mining&Technology,2012,41(6):930-935.

[5] Kirjavainen V M.Review and analysis of factors controlling the mechanical flotation of gangue minerals[J].International Journal of Mineral Processing,1996,46(3):21-34.

[6] Akdemir Ü,Sönmez I·.Investigation of coal and ash recovery and entrainment in flotation[J].Fuel Processing Technology,2003,82 (1):1-9.

[7] Liu Q,Wannas D,Peng Y J.Exploiting the dual functions of polymer depressants in fine particle flotation[J].International Journal of Mineral Processing,2006,80(2-4):244-254.

[8] Yianatos J,Contreras F,Díaz F.Direct measurement of entrainment in large flotation cells[J].Powder Technology,2008,189(6):42-47.

[9] Falutsu M.Column flotation forth studies[D].Toronto:Univesity of Toronto,1991.

[10] Valderrama L,Santander M,Paiva M,et al.Modified-three-product column(3PC)flotation of copper-gold particles in a rougher feed and tailings[J].Minerals Processing,2011,24(7):1397-1401.

[11] Rubio J.Modified column flotation of mineral particles[J].Minerals Processing,1996,48(9):183-196.

[12] Mulleneers H A E,Koopal L K,Swinkels G C C,et al.Flotation of soot particles from a sandy soil sludge[J].Colloids and Surfaces A:Physicochemical and Engineering Aspects,1999,151(5):293-301.

[13] 周凌锋,张立明,甘正如.浮选柱强化细粒分选的研究[J].有色金属(选矿部分),2004(4):33-35.

Zhou Lingfeng,Zhang Liming,Gan Zhengru.Study on intensifying fine separation by using flotation column[J].Nonferrous Metals (Mineral Processing Secton),2004(4):33-35.

[14] 谢广元,吴 玲,欧泽深,等.从细粒煤泥中回收精煤的分选与脱水技术研究[J].煤炭学报,2004,29(5):602-605.

Xie Guangyuan,Wu Ling,Ou Zeshen,et al.Study on separation and dewatering techniques of recovering clean coal from fine coal [J].Journal of China Coal Society,2004,29(5):602-605.

[15] 谢广元,欧泽深,高 敏,等.FCMC-1500型旋流微泡浮选柱在煤泥浮选中的应用研究[J].煤炭科学技术,1997,25(11):26-28.

Xie Guangyuan,Ou Zeshen,Gao Min,et al.The application research of FCMC-1500 type cyclonic micro-bubble flotation column on coal slime flotation[J].Coal Science and Technology,1997,25 (11):26-28.

[16] 彭耀丽,谢广元,蒋兆桂,等.基于高浓度煤泥水的柱式主再浮试验研究[J].煤炭学报,2013,38(S1):195-200.

Peng Yaoli,Xie Guangyuan,Jiang Zhaogui,et al.Experimental study on primary and secondary column flotation based on high concentration coal slurry[J].Journal of China Coal Society,2013,38 (S1):195-200.

[17] Szatkowski M Freyberger.Kinetics of flotation with fine bubbles [J].Trans.Inst.Min.Metall.,1985,94(5):61-69.

[18] 胡卫新.浮选柱气含率的影响机制与调控研究[D].徐州:中国矿业大学,2010.

Hu Weixin.Study on influence mechanism and regulation of flotation column gas hold-up[D].Xuzhou:China University of Mining &Technology,2010.

[19] Ityokumbul M T.Effect of pulp cleaning zone on gangue control in column flotation[J].Minerals Processing,1995,8(10):1231-1237.

[20] Rahman R M,Ata S,Jameson G J.The effect of flotation variables on the recovery of different particle size fractions in the froth and the pulp[J].International Journal of Mineral Processing,2012,106 (3):70-77.

[21] Mathe Z T,Harris M C,Ocoonor C T.Review of froth modeling in steady state flotation systems[J].Minerals Processing,1998,11 (5):397-421.

Enhancement of gravity sedimentation in column flotation to reduce clean coal ash

NI Chao1,2,XIE Guang-yuan1,2,LI Biao3,LIU Bo1,2,PENG Yao-li1,2,DONG Yu-jiao4

(1.Key Laboratory of Coal Processing and Efficient Utilization(Ministry of Education),China University of Mining&Technology,Xuzhou 221116,China; 2.School of Chemical Engineering and Technology,China University of Mining&Technology,Xuzhou 221116,China;3.Department of Mining and Minerals, Virginia Polytechnic Institute and State University,Blacksburg 24061-0258,U.S.A;4.Coal Industry Jinan Design Research Co.,Ltd.,Jinan 250031,China)

A sedimentation cyclonic micro-bubble flotation column(S-FCMC),adopting structure modifications in conventional cyclonic micro-bubble flotation column(FCMC)to enhance gravity sedimentation in froth zone and collect sediment particles as a separate product,was built to avoid high ash fine slime pollution in clean coal.The effect of structure parameters on clean coal ash,yield and flotation perfect index was investigated and evaluated.Optimum results obtained in FCMC and S-FCMC show that the latter is 1.17%lower in clean coal ash and 10.79%higher in tailing ash.Moreover,a much obvious reduction is obtained in＜0.045 mm clean coal ash(2.48%)whereas both machines are equal in＞0.074 mm clean coal yield.The dominant size fraction(＜0.045 mm particles)also takes the highest proportion of more than a half in the sediment product with the 58.16%of ash.This means that,by strengthening gravity sedimentation in flotation process,the proportion of high ash fine slime entrainment can be significantly reduced in S-FCMC clean coal.

flotation column;high ash slime;ash reduction;gravity sedimentation

TD94

A

0253-9993(2014)12-2513-06

2014-01-16 责任编辑:张晓宁

国家自然科学基金资助项目(51374205);江苏高校优势学科建设工程资助项目;高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20110095120021)

倪 超(1988—),男,四川中江人,博士研究生。Tel:0516-83995486,E-mail:sunnichao@126.com。通讯作者:彭耀丽(1971—),男,河南平顶山人,副教授,博士。Tel:0516-83995486,E-mail:peng_yaoli@163.com

倪 超,谢广元,李 彪,等.强化重力沉降作用的浮选柱降灰研究[J].煤炭学报,2014,39(12):2513-2518.

10.13225/j.cnki.jccs.2014.0047

Ni Chao,Xie Guangyuan,Li Biao,et al.Enhancement of gravity sedimentation in column flotation to reduce clean coal ash[J].Journal of China Coal Society,2014,39(12):2513-2518.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2014.0047