高选择性浮选机设计原理及分选效果

张生太 霍永星 孟浩 丁启军

（青海盐湖工业股份有限公司，青海格尔木 816000）

0.引言

浮选是煤泥分选的有效方法，各种浮选机广泛应用于选煤生产中。随着煤炭市场的需求，洁净煤灰分含量不断降低，浮选洁净煤灰分含量较高，已成为制约选煤厂洁净煤产率和经济效益提高的重要因素。由于浮选根据矿物表面性质的不同分离目标矿物和杂质，很难进一步降低浮选精煤的灰分含量。近年来，工业上应用的柱浮选技术和设备采用旋流-静态微气泡分离原理，辅以喷淋水，使浮选精煤的灰分含量进一步降低1～2个百分点。根据振荡浮选原理和相似理论，研制了高选择性浮选机，显著提高了浮选效果。

1.浮选中的细泥污染机理

浮选细矿精煤产品受到大量高灰分优质细泥的严重污染，其原因根源主要在于浮选精矿精煤产品通过液流中富含亲水金属矿物的细碎机械废水输送，是生产浮选精煤过程中常见的污染现象。细泥废水污染主要分为有多种污染作用及其机理：细碎机械细泥夹带、细碎粗泥污水覆盖、颗粒团聚等。机械进料夹带一般是主要安装形式之一，机械夹带是指亲水性脉石矿物（高灰分颗粒）。夹带程度取决于进料粒度、矿物成分、浓度、粘度、水回收率和许多工艺变量。通过对浮选过程的分析，研究并提出了夹带机理[1]。

1.1 亲水性颗粒的浮选过程

在亲水性颗粒的浮选过程中，气泡由气泡聚合物携带。气泡以气泡聚合物的形式漂浮:多个矿化气泡形成气体絮体，它们之间的空隙充满泥浆，粘附在气泡上的颗粒在气泡浮力的作用下漂浮在泡沫层上。填充在矿浆气泡泡沫间隙层层中的各种矿浆气泡处于一种动态平衡运行状态：旧的矿浆在各种重力相互作用下不断浸泡排出，新生的矿浆不断得到补充。矿浆水膜之间的相互作用粘附和矿浆气泡的横向翻转共同作用形成一个具有快速浸泡排出气泡功能的“过滤絮体”。所以当这些气泡泡沫聚合物快速上升和停止漂浮时，就像一些矿浆通过海水过滤过的介质一样，一些亲和疏水性非具有目标性的矿物分子颗粒就会被困在气泡聚合物中以快速提升和停止漂浮，形成一个机械性的夹带并将这些高灰分矿物颗粒快速输送至矿浆泡沫间隙层。

1.2 颗粒的非选择性附着

颗粒的非自然选择性和粘附着主要是由于大的气泡表面积和张力作用在细细胞颗粒上的强大表面力，导致一个矿石泡沫颗粒在两个气泡上之间没有一种选择性的非自然接触性和粘附，气泡被直接带入矿石泡沫的表层。

1.3 稳态粘附

非浮选目标尾煤矿物的“准稳态粘附”有时为了快速获得纯低温高灰分洁净页岩煤，向目标尾矿中大量排放一些含有较高灰度成分的中等密度煤矿物颗粒。然而，浮选分类是根据目标矿物颗粒表面化学物理和气体化学性质的密度差异较大来进行分类的。例如，当与固体气泡发生碰撞的气体能量合适时，具有一定可逆疏松亲水性的中低层煤矿物颗粒不能形成克服可逆粘附谷的过程，其中的“能量屏障”不能实现一种稳定可逆粘附，但是却可以直接克服第二层的能量谷，形成一种具有一定可逆粘附倾向的“仅稳态粘附”。

1.4 富集

液体泡沫表面的不稳定灰度水平大大降低了液体泡沫在表层的两次富集。由于浮选机不稳定，上游直接将具有高灰度的颗粒直接送入没有泡沫的表层，从而减少了2种富集。

2.振荡浮选原理

泡沫层中的亲水性杂质颗粒和疏水性煤颗粒是不同的，两者的浮选原理完全不同，机械夹带是进入高灰分洁净煤的重要途径。当气泡聚合物在外力作用下分散时，夹带的亲水性颗粒失去支撑，落入浆液中。由于系统自由能的减少，强粘附会自发发生，即

式中，W1，W2为粘附前、后体系的自由能；ΔW为粘附前、后体系自由能变化量；ΔA为粘附面积；бsg,бsl,бlg为固-气、固-液、液-气相界面自由能；θ为接触角。

式（1）中，θ∈（0，180°)，cosθ∈（1，-1)，ΔW<0，且随θ值增大（即疏水性增强），|ΔW|增加。根据热力学第二定律，ΔW<0，粘附具有自发进行的趋势；|ΔW|越大（即体系自由能降低得越多），粘附越牢固。因此，当疏水性煤颗粒的矿化气泡在一定范围内受到外力作用时，粘附在其上的煤颗粒不会脱落并随气泡一起漂浮在泡沫层中。

布置在浮选槽分离区的高选择性振动分离器（机械振动装置）在外部激振力作用下产生简谐振动，运动方程为

式中，x为分离器震动位移，m；A为机械振动振幅，m；ω为振动圆频率，rad/s，ω=2∏f；t为运动时间，s。

分离器的简单频谱振动使其周围的介质产生谐波脉冲运动，运动方程为

式中，x为振动波引起的介质中质点位移，m；Ao为波幅，m；f为振动频率，Hz。

从而，被夹带的亲水性矿粒获得动能，所受惯性力最大值为

式中，m为与矿粒同体积的介质（矿浆）质量，kg。

当夹带的亲水性矿石颗粒惯性力大于夹带合力（各种表面力、气泡阻力等）时，机械夹带的亲水性矿石颗粒可自由落入矿浆中，从而减少或消除夹带污染，提高浮选效果。

3.高选择性浮选机工作原理

在叶轮振动机械浮选机叶轮的径向高速旋转紊流运动效应作用下，矿浆直接抛出被吸入叶轮腔，通过叶轮高压套筒定子沿叶轮腔的内部外缘沿着稳定阀的方向高速流动后再直接抛出矿浆进入叶轮浮动机械的选池。由于叶轮高速移动的喷射真空气泡泥浆在叶轮出口处通常需要具有高速径向喷射真空运动紊流效应，以利于叶轮产生一定的外部喷射真空。并且在一定大的应用程度上在该叶轮浮选射流的高速径向喷射紊流运动效应作用下，外部的大量真空气泡和泥浆通过高压套筒直接抛出进入叶轮腔，吸入叶轮腔的浮选槽，在叶轮浮选浆液的高速径向紊流喷射运动效应作用下，分散并混合形成细小的大面积气泡，均匀而弹性地扩散分布在叶轮浮选池的槽内[2]。在该搅拌机构的较大搅拌压力作用下，槽内固体浆液颗粒处于全部的紊流运动状态。这种宏观上的湍流运动产生矿浆颗粒间的迁移运动现象，使矿浆颗粒持续悬浮，微观的湍流运动决定了相互作用在矿浆流体和其他固体矿浆颗粒上的相互应力，导致相互作用凝结、空气分散、颗粒－机械气泡矿化碰撞和矿浆脱落。

浮选机主要用于分离铜、锌、铅、镍、金等有色金属。它也可用于黑色金属和非金属的粗加工和清洗。本机由电机三角带带动叶轮旋转，产生离心作用形成负压。一方面，将足够的空气与矿浆混合，一方面，将矿浆混合物与药物混合，同时对泡沫进行精制，使矿物粘附在泡沫上，浮到矿浆表面，形成矿化泡沫。调整闸门高度，控制液位，用刮刀刮出有用的泡沫。煤泥和药剂充分混合后，被送入浮选机第一室的槽底[3]。叶轮旋转后，轮腔内形成负压，使槽下和槽内的纸浆分别从叶轮的下吸口和上吸口进入混合区，空气沿导风套进入混合区，纸浆、空气和试剂在其中混合。在叶轮离心力的作用下，混合矿浆进入矿化区，空气形成气泡并破碎，与煤粒充分接触，形成矿化气泡。在定子和紊流板的作用下，它在槽的横截面上均匀分布，向上进入分离区，富集料形成泡沫层，由刮泡机构排出，形成洁净煤泡沫。

4.高选择性浮选机的设计

根据相似原理和浮选机的工作原理，确定了浮选机的模拟放大准则，即在关键尺寸几何相似的前提下，运动相似准则—叶轮边缘线速度恒定采用（即对应点速度相等），保证相似的固液悬浮状态；采用动态相似准则—恒定气流数和恒定功率数，保证相似的充气率和混合强度[4]。其中在浮选机研究和浮选动力学理论研究的基础上，通过探索大型浮选机流体动力学的特殊规律，北京矿冶研究总院介绍了浮选机中不同粒径矿物与气泡之间的粘附和脱落过程以及影响这些过程的原因，提出了KYF系列和JJF-130大型浮选设备的设计原则。

4.1 机械结构参数设计

根据几何相似准则，研究确定

式中，D为叶轮直径，m；De为槽体当量圆面积直径，m；H为槽体的有效深度，m；V为槽体的有效容积，m3。

当浮选槽容积V=8m2时，由方程组（4）计算得D=0.6985；De=2.728，H=1.368；叶轮直径圆整为公称尺寸，取D=700mm。

4.2 动力参数设计

根据运动相似和动力相似准则确定的相似准数为

式中，V2为叶轮边缘线速度，m/s；n为叶轮转速，r/s；P为搅拌功率，kW；p为矿浆密度，kg/m2，浓度为80g/L煤浆，P=1.026kg/m'；NQa为气流数，无因次；Np为功率数，无因次；Qa为充气量，m2/s。

计算得叶轮转速n=v2/∏D=4.047r/s,充气量Qa=0.085nD3=0.118m2'/s,充气速率 qa=4QaX60∣πDe2=1.2m3/（m2min），搅拌功率P=1.42pn3D5=16.2kW。

研制的样机实测充气速率为1.22m2/（m2min），实测搅拌功率为16.7kW，达到了理想的设计精度。

4.3 振动参数的设计

根据振荡浮选原理设计的高选择性振荡分离器由激振源和振动体组成。励磁源是两个振动电机的自同步反向旋转，产生的水平励磁力根据正弦函数变化，即

式中，F为激振力，N；m为振动电机偏心块的质量，kg；r为偏心块重心回转半径，m。振动体由电机底座、振动架、筛、连杆和主振动弹簧组成。通过筛网的水平振动，直接激发其周围（浮选分离区）的矿化气泡和矿浆振荡。总振动质量为820kg。

根据实验室试验，确定的振动强度k=2.0g～4.8g（g为重力加速度，m/s2)，所需最大激振力为

式中，M为总参振质量，kg。

选用2台VВ20114-W型振动电机，最大激振力20kN，额定转速1430r/min，额定功率1.1kW。通过调节振动电机偏心块的夹角，可以无级调节激振力，从而调节振幅；采用变频器调节电源频率，振动频率可无级调节。振幅调节范围为0mm～2mm（无级），选择范围为1mm～2mm；频率调整范围为0Hz～25Hz，选择范围为12Hz～15Hz。

5.高选择性浮选机应用效果

根据该型振荡振动浮选机的原理重新研制的FJG-S8型高精度选择性振荡浮选机完全代替了了原有的XJM-S8型振荡浮选机，在嘉禾的浮选煤厂房内进行了浮选细粒度困难浮高粉煤灰泥进料分选能力试验。该型浮选机进料的浮高灰分能力含量浓度为6%～34%，其中0.045mm的浮高灰分能力含量浓度为68.13%，灰分能力含量浓度为39.88%；浮选进料能力浓度为60g/l～80g/l；其中浮选纸浆精煤进料平均浮高灰泥水分为1.80%，尾选精煤进料平均浮高灰泥水分为5.6%；浮选纸浆混合处理尾煤能力浓度为315m2/h。

FJG-S8和XJM-S8浮选机的各生产指标值的统计分析结果具体如表1所示。子样本检验是每个选机生产指标班次（7h）的一个代表性生产样本。其中通过人数试验（中小学生人数分布）可以检验两台不同浮选机各生产指标样本平均值差异变化的显著性，结果具体见表1；f样本检验（f学生分布）主要用于分析检验2台不同浮选机各生产指标子样本的平均方差异值变化的显著性。

表1 FJG-S8和XJM-S8型浮选机生产指标统计

由以上分析可知，从表1可以看出，在原料灰显著增加（平均增加3.35%）且尾灰含量相同的情况下，与XJM-S8型浮选机相比，FJG-S8型高选择性浮选机精煤灰分降低1.42%，浮选完美指数提高4.14%，浮选效果显著提高。

6.结语

疏水性矿粉的浮选原理与亲水性矿粉有很大不同。前者是由于颗粒与气泡碰撞后自发形成牢固的粘附和漂浮，而机械夹带是亲水性矿石颗粒进入洁净煤的重要途径。介质的振动分离器的分离区域兴奋产生谐波脉冲运动，所以携入的亲水性矿石颗粒可以获得足够的能量自由到自由粒子和回落到纸浆在惯性力的作用下，以减少雾沫污染。在此基础上，研制了FJG-S8振荡分离高选择性浮选机，并应用于典型难选细泥浮选，浮选精矿灰分降低了1.42%，浮选指标提高了4.14%。