利用粘度改善技術提高重介質旋流器分選效果的研究

趙國華

(河北能源職業技術學院，河北 唐山 063000)

煤炭是我國的“工業糧食”，對我國社會與經濟的可持續發展作用不可小覷[1]。選煤是煤炭工業生產中一個極其重要的環節，在各類選煤設備中，重介質旋流器以體積小、處理能力大、分選效率高等優點得到了廣泛應用，其在各種選煤方法中所占的比重逐年上升[2]。對于重介質旋流器選煤來說，重介懸浮液的粘度是分選過程中的重要工藝參數，如果粘度過低，其中加重質就會迅速沉降，導致重介懸浮液密度不穩定，直接影響分選效果；如果粘度過高，其中重顆粒下沉所受摩擦阻力就會增大，導致重顆粒不能順利下沉，進而混入浮選精礦，直接影響精煤產品質量；此外，重介懸浮液粘度過高，將使洗選產品脫介效果變差，未被脫除的加重質混入洗選產品，不但導致重介分選系統介耗增加，而且嚴重影響洗選產品質量。

孫武峰[3]采用差壓式重介懸浮液密度和粘度一體化測量方法研究了粘度對重介分選效果的影響，段福山[4]通過探討懸浮液流體特性研究影響重介懸浮液穩定性的因素，其中粘度是一個重要因素。因此，改善重介懸浮液粘度的新技術成為提高重介分選效果的重要技術措施之一。

1 粘度改善技術影響分選效果的機理

粘度改善技術是通過降低重介懸浮液的粘度，使固體顆粒在其中運動時受到的粘滯阻力減小，促使顆粒按密度分離的分選力(重力或離心力)作用更顯著[5]，進而使不同密度級物料相互混雜的可能性減小，即輕產物中混雜的高密度、高灰分矸石顆粒減少，重產物中混雜的低密度、低灰分精煤顆粒也減少，從而降低疊加效應對精煤質量和產率的影響。

1.1 粘度改善技術的基本原理

重介懸浮液是以粒度很細的高密度固體微粒與水配制成的懸浮狀態的兩相流體，所用固體微粒稱為加重質，水則稱為加重劑[6]。通常所用的重介懸浮液是由磁鐵礦粉、煤泥、水組成的動態懸浮體系，液體粘性是由分子間引力引起的；氣體粘性是由動能不同的分子在流速不同的層間交換引起的。這兩種流體均為均質介質，符合牛頓內摩擦定律。懸浮液的粘性包括由固-液界面增大和顆粒間摩擦、碰撞引起的流動切應力，其外觀表現為粘性[7]。由于與均質介質粘性形成的原因不完全相同，工業上一般將所測重介懸浮液的粘度稱為視粘度。

粘度改善技術是在保證重介懸浮液穩定性和均一性的基礎上，降低其粘度的技術[8]。該技術是向重介懸浮液中加入一定量的高電荷、高分子藥劑，藥劑分子與磁鐵礦粉顆粒發生作用并吸附在其表面，經過改性的磁鐵礦粉顆粒表面因吸附高電荷分子而帶電，從而使磁鐵礦粉顆粒之間產生靜電斥力，這種靜電斥力恰好抵消了部分磁鐵礦粉顆粒之間的天然聚合力(磁力)，進而阻止磁鐵礦粉顆粒之間相互聚合成團的趨勢。由于高電荷分子直接吸附在磁鐵礦粉顆粒表面，故不會像引入煤泥而使懸浮液粘度增加，但達到了降低重介懸浮液粘度的目的。重介懸浮液的粘度降低，能夠減小顆粒運動時受到的粘滯阻力干擾，從而使其盡可能按密度分選，進而達到提高分選效果的目的。

1.2 粘度改善技術對分選效果的影響

1.2.1 固體顆粒在重介懸浮液中的受力

煤在重介懸浮液中的分選主要是在運動的液體環境中進行，固體顆粒在重介懸浮液中受到重力(或離心力)和粘滯阻力的共同作用(顆粒沉降時的受力)。顆粒在離心力場中的運動受力較重力場更復雜，但可簡化為離心力和粘滯阻力規定顆粒的運動，而粘滯阻力的方向與顆粒運動方向相反，兩者的合力使顆粒在重介懸浮液中產生特定運動。由于顆粒密度的差異，煤與矸石在運動的重介懸浮液中產生運動差，進而實現二者的分離與分選[9]。但在實際分選過程中，由于顆粒在運動中受重介懸浮液的粘滯阻力影響，且其大小隨顆粒比表面積不同存在差異，因而不能完全按密度分離，導致不同密度的物料相互混雜(圖1)，即輕產物中混入了一定量的高密度、高灰分矸石顆粒，同時重產物中混入了部分低密度、 低灰分精煤顆粒，兩者的疊加效應使精煤產率和精煤質量均降低。對于細粒煤(<0.5 mm)，重介懸浮液的粘滯阻力影響更突出，導致其按密度分離更困難，故通常重介分選工藝的分選粒度下限不低于0.5 mm。

圖1 重產物與輕產物混雜示意圖

1.2.2 固體顆粒在重介懸浮液中的運動

在分選過程中，不同煤顆粒的沉降末速差別決定其將成為何種產品，固體顆粒在重介懸浮液中的運動末速可以采用Stockes沉降末速公式[10]表達，

式中：v0為顆粒的沉降末速，m/s；dp為顆粒的直徑，m；ρp為顆粒的密度，kg/m3；ρ1為重介懸浮液的密度，kg/m3；μ1為重介懸浮液的粘度，Pa·s。

Stockes沉降末速公式表明：在一定粒度范圍內的固體顆粒，其沉降末速與重介懸浮液的粘度成反比，與二者的密度差成正比。錯配物主要為鄰近分選密度的煤顆粒，由于這部分顆粒的密度差小，致使其沉降末速差值微小，在重介質旋流器分選過程中，不同密度的煤顆粒還沒有完全分離即成為同一產品，進而產生錯配現象。鄰近密度物總是存在的，要想減少錯配現象的發生，只能提高煤顆粒的沉降末速，使其在成為產品前得到有效分離。粘度改善技術是直接降低重介懸浮液的粘度，在密度不變的情況下，固體顆粒的沉降末速更高，這就提高了分選過程中鄰近密度煤顆粒分離的可能性，可以有效減少錯配物含量。

2 粘度改善技術應用實例

唐山礦業分公司選煤廠重介系統分為東、西兩套系統，兩套系統都有型號相同的三產品重介質旋流器、重介質循環系統及獨立的產品分級、脫水、脫介系統。此次工業試驗確定以東系統作為粘度改善技術的應用試點系統，并以西系統作為參比系統。試驗目標是降低錯配物含量，提高重介精煤產率0.2～1.0百分點。

2.1 粘度改善劑與磁鐵礦粉的混合

粘度改善劑是液態溶質，能夠快速溶解于水，根據此特性將其直接加入重介懸浮液，通過攪拌使其快速擴散到水中，并與水中的懸浮磁鐵礦粉顆粒充分碰撞、接觸，以完成吸附前的必要準備。在現場實際生產中，參與分選的重介懸浮液儲存在合格介質桶內，生產時由合介泵輸送給重介分選設備。在分選作業完成后，合格重介懸浮液重新回到合格介質桶，作為再次分選的重介懸浮液；對于分選過程中損失的磁鐵礦粉，從系統外補充到合格介質桶，并通過密度控制系統自動調整合格介質桶內的懸浮液密度[11]。為了使進入重介系統的粘度改善劑與重介懸浮液充分混合，并與其中的磁鐵礦粉顆粒充分接觸，將粘度改善劑加入合格介質桶，借助返回合介桶的重介懸浮液的沖擊、攪拌作用，使其在重介懸浮液內迅速溶解、擴散，再通過循環介質泵的作用使其與補充的磁鐵礦粉顆粒進一步碰撞、接觸，從而完成粘度改善劑吸附前的準備工作。粘度改善劑與重介懸浮液混合過程如圖2所示。

2.2 粘度改善劑與磁鐵礦粉的吸附

粘度改善劑與補充的磁鐵礦粉顆粒接觸后，自發地吸附在磁鐵礦粉顆粒表面，并在其表面擴展，最終在磁鐵礦粉顆粒表面形成一層帶有高電荷的吸附“膜”。由于吸附粘度改善劑的磁鐵礦粉表面都包裹著一層靜電“膜”，在靜電斥力的作用下，磁鐵礦粉顆粒之間的聚合磁力作用效果減弱，難以聚集成團，重介懸浮液的穩定性和均一性均提高。

圖2 粘度改善劑與重介懸浮液混合過程圖

2.3 粘度改善劑的藥劑制度

粘度改善劑是液態藥劑，可以通過加藥泵自動加藥。在加藥初期需要根據系統中已有磁鐵礦粉量添加所需的粘度改善劑，并確保藥劑與系統中原有磁鐵礦粉充分混合、撞碰、接觸、吸附、擴散；對于分選系統運行期間的藥劑用量，依據重介分選系統的介質損失量添加，即根據補充的磁鐵礦粉量，按照比例將粘度改善劑添加到合格介質桶內。

工業試驗數據表明：重介懸浮液中添加粘度改善劑的量，以原煤入選量計算為6～8 g/t，以補充的磁鐵礦粉量計算為2.50～4.50 kg/t，即可達到改善其粘度的目的。

3 應用效果與分析

3.1 應用粘度改善技術對錯配物含量的影響

在工業試驗過程中，對東、西兩套系統的原煤、精煤、中煤、矸石進行生產技術檢查，并根據浮沉試驗資料和三產品產率統計數據進行相關分析。兩套系統的三產品重介質旋流器二段低密度分選時的錯配物統計數據見表1、表2，對應的錯配物曲線如圖3、圖4所示。

表1 東系統旋流器二段的錯配物統計數據

表2 西系統旋流器二段的錯配物統計數據

圖3 東系統旋流器二段的錯配物曲線

圖4 西系統旋流器二段的錯配物曲線

由圖3和圖4可知：從等誤密度處(或實際分選密度處)的錯配物含量來看，東系統的合計約為0.70%，西系統的合計在1.02%以上，這說明采用粘度改善技術后，三產品重介質旋流器二段低密度分選時的錯配物含量明顯降低。

由于錯配物含量減少，精煤在中煤中的損失量降低，中煤對精煤的污染減少，此兩項的疊加效應使采用粘度改善技術的重介精煤灰分有所降低；或是在同等精煤灰分條件下，精煤產率得到提高，分選密度和分選效率明顯提高。

3.2 應用粘度改善技術對精煤產率的影響

東、西兩套系統的產品結構統計與對比結果(表3)說明：在同一入料、同一精煤灰分時，東系統的精煤產率比西系統高0.74個百分點。根據篩分資料，50～0.5 mm粒級原煤的產率為80%，故總精煤產率提高0.59個百分點。

表3 東、西兩套系統的產品結構統計與對比結果

3.3 應用粘度改善技術的經濟效益

按唐山礦業分公司選煤廠處理能力3.80 Mt/a、精煤售價600元/t、末中煤售價200元/t計算，采用粘度改善技術后，每年可以增加精煤產量2.25萬t，產品銷售收入增加900萬元。根據工業試驗時的藥劑用量計算，每年采購粘度改善劑增加的成本為100萬元，故每年可增加經濟效益800萬元。

4 結語

影響重介質旋流器分選效果的因素很多，重介懸浮液的粘度就是一個重要因素。唐山礦業分公司選煤廠的工業試驗說明，粘度改善劑可以改善重介懸浮液的粘度，降低其粘滯阻力，使不同顆粒(尤其是細顆粒)受到的粘滯阻力減小，從而實現煤與矸石基本按密度分離，進而提高重介分選工藝的分選效率和精煤產率，為煤炭企業帶來顯著的經濟效益。

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