机械搅拌消除浮选精矿泡沫的试验研究

徐 胜

(中煤科工集团北京华宇工程有限公司，河南 平顶山 467000)

机械搅拌消除浮选精矿泡沫的试验研究

徐 胜

(中煤科工集团北京华宇工程有限公司，河南 平顶山 467000)

为解决浮选精矿泡沫稳定性强、粘度大，难以自然消除的问题，以河南神火矿区浮选精矿为对象，探索通过机械搅拌消除泡沫的可行性。试验结果表明：试验范围内，搅拌轴转速、搅拌时间、叶轮片数均对消泡效果有极显著或显著的影响，且叶轮片数的影响最显著，搅拌时间次之，搅拌轴转速影响最小；随着搅拌速度或叶轮片数的增加，消泡率呈先增加后减少的趋势，随着搅拌时间的增加，消泡率呈先增加后趋于稳定的趋势；试验范围内，在搅拌轴转速为418 r/min、搅拌时间为3 min、叶轮片数为4个的条件下，浮选精矿消泡效果最好，消泡率平均值高达84.93%。

浮选精矿泡沫；机械搅拌；稳定性；粘度；消泡率

浮选精矿泡沫是煤泥浮选过程中产生的一种固-液-气三相泡沫，具有一定稳定性，在较长时间内难以破裂[1-3]。浮选精矿含有的大量泡沫，不但导致煤泥泵汽蚀现象严重，加压过滤机效率低下，而且致使选煤厂浮选生产不稳定，严重影响正常生产和企业经济效益[4-5]。

通常消除浮选精矿泡沫的方法有两种，即化学消泡法和物理消泡法[6-11]。化学消泡法是向浮选精矿泡沫中加入一定量的消泡剂，利用其特殊性质消除泡沫[12]，该方法的消泡机理是通过消泡剂降低泡沫的机械强度和液膜表面的粘度[13]；主要的消泡剂种类包括油脂类、脂肪酸类、醇类、醚类、磺酸类、聚硅氧烷类及铝矾土、硫酸亚铁等无机盐类[7,6,14-20]；由于化学消泡法的成本较高，消泡剂在使用过程可能失去活性，且需要多次少量添加[12]，故实际生产中应用较少。物理消泡法是通过机械力(机械搅拌)引起的强震动或压力频繁变化，促使泡沫破裂，从而达到消泡的目的[21]，故又称为机械搅拌消泡；利用该方法消泡只需增加一些简单的设备，在消耗较少能量的条件下即可达到消泡的目的，具有成本低、操作简便、消泡率高等优点[22-23]。

为解决浮选生产中精矿泡沫不易消除的问题，以河南神火矿区浮选精矿为研究对象，探索采用机械搅拌法消除泡沫的可行性，并研究了搅拌轴转速、搅拌时间、叶轮片数对消泡效果的影响。

1 试验

1.1 试验装置

浮选精矿消泡装置主要由搅拌电机、给料管、搅拌轴、导向筒、叶轮、筒体、出料管组成，结构示意图如图1所示。工作过程中，浮选精矿通过给料管再经导向筒进入叶轮上方，精矿泡沫在叶轮的强搅拌作用下破裂，经消泡的精矿由筒体下部排料口排出，未破裂的精矿泡沫继续上浮；由于叶轮的强搅拌和矿浆的强湍流综合作用，精矿泡沫在上浮过程中被破坏。通过上述循环过程的持续进行，实现浮选精矿消泡的目的。

1—搅拌电机；2—给料管；3—搅拌轴；4—导向筒；5—叶轮；6—筒体；7—出料管

1.2 试验方案

试验主要考察搅拌轴转速、搅拌时间、叶轮片数三个因素对浮选精矿消泡效果的影响，并确定各因素的最佳水平。在进行单因素优选试验时，将搅拌轴转速分别调整为168、218、268、318、368、418、568、718 r/min，搅拌时间分别调整为1、1.5、2、3、5、7、9、15 min，叶轮片数分别调整为3、4、6、8，在确定的最佳条件基础上进行正交试验，进一步考察多因素综合作用对浮选精矿消泡效果的影响。

将适量浮选精矿给入φ300 mm×400 mm的有机玻璃搅拌桶内，给料时要控制桶内液位，确保搅拌过程中精矿不会溅出；调整搅拌叶轮(图2(a)、(b))到搅拌桶底部的距离，使二者保持在100 mm。试验前后分别测定桶内泡沫高度，并计算消泡前后的浮选精矿泡沫体积，气泡间基液量所占体积忽略不计，然后根据相关计算式计算消泡率。

图2 搅拌叶轮结构示意图

1.3 评价指标

采用消泡率来评价浮选精矿消泡效果，即一定体积的浮选精矿经消泡处理后，被消去的泡沫体积与原泡沫总体积之比，具体计算式为：

式中：ηv为消泡率，%；V0为消泡前的泡沫总体积，m3；Vt为消泡后的泡沫总体积，m3。

2 试样性质

试样是河南神火集团所属选煤厂的浮选精矿，该选煤厂入选原煤为高变质程度的无烟煤。该试样的X-射线衍射图谱如图3所示。由图3可知：试样的主要成分是煤，脉石矿物主要是高岭石，此外，还含有少量的黄铁矿、白云石、方解石、石英等。高岭石遇水极易泥化，且粒度微细，致使浮选精矿粘度增大，浮选精矿泡沫稳定性增强，消泡难度增加；另外，由于粘土类矿物亲水、吸附能力强，导致洗选产品的灰分和水分均增高，脱水作业难度加大。

图3 浮选精矿的X-射线衍射图谱

为查看试样的粒度组成，根据MT/T 477—2008《煤炭筛分试验方法》规定，采用筛孔尺寸分别为0.5、0.25、0.125、0.074、0.045 mm的标准套筛对其进行湿法小筛分，结果如表1所示。

表1 试样粒度组成

由表1可知：试样中<0.074 mm粒级产率高达49.38%，灰分为14.24%。细粒级产率高，灰分高，导致浮选精矿泡沫粘度增大，稳定性增加，在短时间内难以消泡、沉降，进而严重影响后续作业及其效果，如加压过滤机上料困难、精矿脱水困难等。

根据MT/T 478—2008《煤炭浮沉试验方法》规定，对试样密度组成进行检测，结果如表2所示。由表2可知：<1.50 g/cm3密度级产率为84.87%，灰分为6.72%，说明低灰精矿是浮选精矿的主要组分，也说明煤与脉石矿物的解离程度较好；>1.50 g/cm3密度级产率较低，但灰分较高，如1.60～1.80 g/cm3密度级灰分高达42.08%，>1.80 g/cm3密度级灰分高达50.69%。

表2 试样密度组成

3 试验结果与分析

3.1 搅拌轴转速对浮选精矿消泡效果的影响

在搅拌时间为5 min、叶轮片数为4个的条件下，考察搅拌轴转速对浮选精矿消泡效果的影响，结果如图4所示。

图4 搅拌轴转速与消泡率的关系曲线

由图4可知：随着搅拌轴转速的增加，消泡率逐渐增大，当搅拌轴转速为418 r/min时，消泡率最大，为84.38%；当搅拌轴转速进一步增大时，消泡率迅速减少。这主要是因为搅拌轴转速较低时离心力不足，泡沫获得的能量较小，不足以改变其表面压力，因而无法使泡沫破灭；在搅拌轴转速增大后离心力增加，泡沫获得的能量也增加，气泡的撞击力增大，泡沫上的固体颗粒与气-液接触界面的能量改变，气泡内部的平衡被打破，表面能降低，导致其最终破灭；当搅拌轴转速增加到一定程度后，搅拌过程中吸入了大量空气，且矿浆中残存有药剂，致使其在搅拌过程中二次起泡。

3.2 搅拌时间对浮选精矿消泡效果的影响

搅拌时间是影响浮选精矿消泡效果的重要因素之一，合适的搅拌时间可使浮选精矿消泡效果实现最大化。在搅拌轴转速为418 r/min、叶轮片数为4个的条件下，考察搅拌时间对浮选精矿消泡效果的影响，结果如图5所示。

由图5可知：随着搅拌时间的增加，消泡率大幅增加，此时消泡速率远远大于生泡速率；随着搅拌时间的持续增加，消泡率缓慢增加，最终趋于稳定；在5～10 min时消泡效果最佳，此时消泡速率几乎等于生泡速率，二者达到动态平衡。考虑到5～10 min时消泡率变化不大，但能量消耗不断增加，从工业应用角度出发，搅拌时间以5 min为宜。

图5 搅拌时间与消泡率的关系曲线

3.3 叶轮片数对浮选精矿消泡效果的影响

在搅拌轴转速为418 r/min、搅拌时间为5 min的条件下，考察叶轮片数对浮选精矿消泡效果的影响，结果如图6所示。

图6 叶轮片数与消泡率的关系曲线

由图6可知：随着叶轮片数的增加，消泡率呈先增加后减少的趋势。在叶轮片数从3个增加到4个时，消泡率从78.13%增加到84.38%，消泡率增加较为明显；当叶轮片数从4个增加到6个时，消泡率迅速从84.38%降到64.28%，消泡率显著降低，不利于消除泡沫。综合考虑，叶轮片数为4个时消泡效果最好。

3.4 多因素综合作用对浮选精矿消泡效果的影响

为进一步探寻浮选精矿消泡的最佳方式，在单因素优选的基础上进行正交试验，考察多因素及其综合作用对浮选精矿消泡效果的影响。正交试验因素水平表如表3所示，试验结果如表4所示，方差分析结果如表5所示。

由表4、表5可知：搅拌轴转速、搅拌时间、叶轮片数均对消泡率有极显著或显著的影响，其显著性从大到小依次为叶轮片数、搅拌时间、搅拌轴转速。在搅拌轴转速为418 r/min、搅拌时间为3 min、叶轮片数为4个的条件下，消泡率平均值高达84.93%，消泡效果很理想。

表3 因素与水平表

表4 浮选精矿消泡试验结果

表5 方差分析结果

注：“***”表示影响极显著或显著。

这与以下原因有关：

(1)叶轮片数越多，一定搅拌速度下产生的负压越大，这在一定程度上能够达到消泡的目的，但矿浆的二次起泡能力增强，不利于泡沫消除。

(2)搅拌时间的长短对消泡效果的影响与破坏气泡所需的时间有关，如果搅拌时间较短，叶轮来不及破坏泡沫，消泡率就会降低；如果适当延长搅拌时间，消泡率就会增加。

(3)低的搅拌轴转速仅能影响矿浆内部，无法改变气泡的表面能，消泡率就较低；高的搅拌轴转速会使矿浆的二次起泡能力增强，也不利于消泡；合适的搅拌轴转速，不但可以影响矿浆和气泡，而且能使矿浆的二次起泡能力最弱，从而实现消泡效果的最佳化。

4 结论

(1)浮选精矿试样中的细粒级产率高，灰分较高的细泥产率也高，加上残余药剂等因素的影响，浮选精矿泡沫稳定性极强，难以自然消除。

(2)机械搅拌对浮选精煤泡沫消泡效果有重要影响，在搅拌轴转速为418 r/min、搅拌时间为3 min、叶轮片数为4的条件下，浮选精矿消泡效果最好，消泡率平均值高达84.93%，可以较好的满足现场要求。

(3)搅拌轴转速、搅拌时间、叶轮片数均对消泡率有极显著或显著的影响，就三个影响因素的显著性而言，在试验范围内，叶轮片数最突出，搅拌时间居中，搅拌轴转速最小。

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Experimental study on defoaming of flotation concentrate by means of mechanical agitation

XU Sheng

(China Coal Technology & Engineering Group Beijing Huayu Engineering Co., Ltd., Pingdingshan, Henan 467000,China)

Flotation concentrate is hard to get naturally defoamed because the foam is highly stable and viscous in nature. To tackle this problem, experimental study is made on the feasibility of defoaming through mechanical agitation with the flotation concentrate from Shenhuo mining area, Henan Province as the object of study. Result of test shows that the agitator speed, stirring time and number of blades all exert significant or noticeable effect on defoaming efficacy. Among them, the number of blades plays a most pronounced role which is followed by stirring time, with the stirring speed producing a least influence. With the increase of speed and number of blades, the rate of defoaming tends to first go up and then drop down. With the increase of stirring time, the defoaming rate is seen to first increase and then remain stable. An optimum defoaming performance can be expected at a stirring speed of 418 r/m, a stirring time of 3 minutes and a number of 4 blades. In this case, the defoaming rate is up to 84.93 percent on average.

flotation concentrate froth; mechanical agitation; stability; viscosity; defoaming rate

1001-3571(2016)01-0019-05

TD943

A

2016-01-08

10.16447/j.cnki.cpt.2016.01.005

徐 胜(1982—)，男，重庆市丰都县人，工程师，从事选煤厂设计管理工作。

E-mail:hyxs118@126.com Tel: 15836936055