高選擇性浮選機(jī)設(shè)計(jì)原理及分選效果

張生太 霍永星 孟浩 丁啟軍

（青海鹽湖工業(yè)股份有限公司，青海格爾木 816000）

0.引言

浮選是煤泥分選的有效方法，各種浮選機(jī)廣泛應(yīng)用于選煤生產(chǎn)中。隨著煤炭市場(chǎng)的需求，潔凈煤灰分含量不斷降低，浮選潔凈煤灰分含量較高，已成為制約選煤廠潔凈煤產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)效益提高的重要因素。由于浮選根據(jù)礦物表面性質(zhì)的不同分離目標(biāo)礦物和雜質(zhì)，很難進(jìn)一步降低浮選精煤的灰分含量。近年來(lái)，工業(yè)上應(yīng)用的柱浮選技術(shù)和設(shè)備采用旋流-靜態(tài)微氣泡分離原理，輔以噴淋水，使浮選精煤的灰分含量進(jìn)一步降低1～2個(gè)百分點(diǎn)。根據(jù)振蕩浮選原理和相似理論，研制了高選擇性浮選機(jī)，顯著提高了浮選效果。

1.浮選中的細(xì)泥污染機(jī)理

浮選細(xì)礦精煤產(chǎn)品受到大量高灰分優(yōu)質(zhì)細(xì)泥的嚴(yán)重污染，其原因根源主要在于浮選精礦精煤產(chǎn)品通過(guò)液流中富含親水金屬礦物的細(xì)碎機(jī)械廢水輸送，是生產(chǎn)浮選精煤過(guò)程中常見(jiàn)的污染現(xiàn)象。細(xì)泥廢水污染主要分為有多種污染作用及其機(jī)理：細(xì)碎機(jī)械細(xì)泥夾帶、細(xì)碎粗泥污水覆蓋、顆粒團(tuán)聚等。機(jī)械進(jìn)料夾帶一般是主要安裝形式之一，機(jī)械夾帶是指親水性脈石礦物（高灰分顆粒）。夾帶程度取決于進(jìn)料粒度、礦物成分、濃度、粘度、水回收率和許多工藝變量。通過(guò)對(duì)浮選過(guò)程的分析，研究并提出了夾帶機(jī)理[1]。

1.1 親水性顆粒的浮選過(guò)程

在親水性顆粒的浮選過(guò)程中，氣泡由氣泡聚合物攜帶。氣泡以氣泡聚合物的形式漂浮:多個(gè)礦化氣泡形成氣體絮體，它們之間的空隙充滿泥漿，粘附在氣泡上的顆粒在氣泡浮力的作用下漂浮在泡沫層上。填充在礦漿氣泡泡沫間隙層層中的各種礦漿氣泡處于一種動(dòng)態(tài)平衡運(yùn)行狀態(tài)：舊的礦漿在各種重力相互作用下不斷浸泡排出，新生的礦漿不斷得到補(bǔ)充。礦漿水膜之間的相互作用粘附和礦漿氣泡的橫向翻轉(zhuǎn)共同作用形成一個(gè)具有快速浸泡排出氣泡功能的“過(guò)濾絮體”。所以當(dāng)這些氣泡泡沫聚合物快速上升和停止漂浮時(shí)，就像一些礦漿通過(guò)海水過(guò)濾過(guò)的介質(zhì)一樣，一些親和疏水性非具有目標(biāo)性的礦物分子顆粒就會(huì)被困在氣泡聚合物中以快速提升和停止漂浮，形成一個(gè)機(jī)械性的夾帶并將這些高灰分礦物顆?？焖佥斔椭恋V漿泡沫間隙層。

1.2 顆粒的非選擇性附著

顆粒的非自然選擇性和粘附著主要是由于大的氣泡表面積和張力作用在細(xì)細(xì)胞顆粒上的強(qiáng)大表面力，導(dǎo)致一個(gè)礦石泡沫顆粒在兩個(gè)氣泡上之間沒(méi)有一種選擇性的非自然接觸性和粘附，氣泡被直接帶入礦石泡沫的表層。

1.3 穩(wěn)態(tài)粘附

非浮選目標(biāo)尾煤礦物的“準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)粘附”有時(shí)為了快速獲得純低溫高灰分潔凈頁(yè)巖煤，向目標(biāo)尾礦中大量排放一些含有較高灰度成分的中等密度煤礦物顆粒。然而，浮選分類是根據(jù)目標(biāo)礦物顆粒表面化學(xué)物理和氣體化學(xué)性質(zhì)的密度差異較大來(lái)進(jìn)行分類的。例如，當(dāng)與固體氣泡發(fā)生碰撞的氣體能量合適時(shí)，具有一定可逆疏松親水性的中低層煤礦物顆粒不能形成克服可逆粘附谷的過(guò)程，其中的“能量屏障”不能實(shí)現(xiàn)一種穩(wěn)定可逆粘附，但是卻可以直接克服第二層的能量谷，形成一種具有一定可逆粘附傾向的“僅穩(wěn)態(tài)粘附”。

1.4 富集

液體泡沫表面的不穩(wěn)定灰度水平大大降低了液體泡沫在表層的兩次富集。由于浮選機(jī)不穩(wěn)定，上游直接將具有高灰度的顆粒直接送入沒(méi)有泡沫的表層，從而減少了2種富集。

2.振蕩浮選原理

泡沫層中的親水性雜質(zhì)顆粒和疏水性煤顆粒是不同的，兩者的浮選原理完全不同，機(jī)械夾帶是進(jìn)入高灰分潔凈煤的重要途徑。當(dāng)氣泡聚合物在外力作用下分散時(shí)，夾帶的親水性顆粒失去支撐，落入漿液中。由于系統(tǒng)自由能的減少，強(qiáng)粘附會(huì)自發(fā)發(fā)生，即

式中，W1，W2為粘附前、后體系的自由能；ΔW為粘附前、后體系自由能變化量；ΔA為粘附面積；бsg,бsl,бlg為固-氣、固-液、液-氣相界面自由能；θ為接觸角。

式（1）中，θ∈（0，180°)，cosθ∈（1，-1)，ΔW<0，且隨θ值增大（即疏水性增強(qiáng)），|ΔW|增加。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，ΔW<0，粘附具有自發(fā)進(jìn)行的趨勢(shì)；|ΔW|越大（即體系自由能降低得越多），粘附越牢固。因此，當(dāng)疏水性煤顆粒的礦化氣泡在一定范圍內(nèi)受到外力作用時(shí)，粘附在其上的煤顆粒不會(huì)脫落并隨氣泡一起漂浮在泡沫層中。

布置在浮選槽分離區(qū)的高選擇性振動(dòng)分離器（機(jī)械振動(dòng)裝置）在外部激振力作用下產(chǎn)生簡(jiǎn)諧振動(dòng)，運(yùn)動(dòng)方程為

式中，x為分離器震動(dòng)位移，m；A為機(jī)械振動(dòng)振幅，m；ω為振動(dòng)圓頻率，rad/s，ω=2∏f；t為運(yùn)動(dòng)時(shí)間，s。

分離器的簡(jiǎn)單頻譜振動(dòng)使其周?chē)慕橘|(zhì)產(chǎn)生諧波脈沖運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)方程為

式中，x為振動(dòng)波引起的介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)位移，m；Ao為波幅，m；f為振動(dòng)頻率，Hz。

從而，被夾帶的親水性礦粒獲得動(dòng)能，所受慣性力最大值為

式中，m為與礦粒同體積的介質(zhì)（礦漿）質(zhì)量，kg。

當(dāng)夾帶的親水性礦石顆粒慣性力大于夾帶合力（各種表面力、氣泡阻力等）時(shí)，機(jī)械夾帶的親水性礦石顆粒可自由落入礦漿中，從而減少或消除夾帶污染，提高浮選效果。

3.高選擇性浮選機(jī)工作原理

在葉輪振動(dòng)機(jī)械浮選機(jī)葉輪的徑向高速旋轉(zhuǎn)紊流運(yùn)動(dòng)效應(yīng)作用下，礦漿直接拋出被吸入葉輪腔，通過(guò)葉輪高壓套筒定子沿葉輪腔的內(nèi)部外緣沿著穩(wěn)定閥的方向高速流動(dòng)后再直接拋出礦漿進(jìn)入葉輪浮動(dòng)機(jī)械的選池。由于葉輪高速移動(dòng)的噴射真空氣泡泥漿在葉輪出口處通常需要具有高速?gòu)较驀娚湔婵者\(yùn)動(dòng)紊流效應(yīng)，以利于葉輪產(chǎn)生一定的外部噴射真空。并且在一定大的應(yīng)用程度上在該葉輪浮選射流的高速?gòu)较驀娚湮闪鬟\(yùn)動(dòng)效應(yīng)作用下，外部的大量真空氣泡和泥漿通過(guò)高壓套筒直接拋出進(jìn)入葉輪腔，吸入葉輪腔的浮選槽，在葉輪浮選漿液的高速?gòu)较蛭闪鲊娚溥\(yùn)動(dòng)效應(yīng)作用下，分散并混合形成細(xì)小的大面積氣泡，均勻而彈性地?cái)U(kuò)散分布在葉輪浮選池的槽內(nèi)[2]。在該攪拌機(jī)構(gòu)的較大攪拌壓力作用下，槽內(nèi)固體漿液顆粒處于全部的紊流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。這種宏觀上的湍流運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生礦漿顆粒間的遷移運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，使礦漿顆粒持續(xù)懸浮，微觀的湍流運(yùn)動(dòng)決定了相互作用在礦漿流體和其他固體礦漿顆粒上的相互應(yīng)力，導(dǎo)致相互作用凝結(jié)、空氣分散、顆粒－機(jī)械氣泡礦化碰撞和礦漿脫落。

浮選機(jī)主要用于分離銅、鋅、鉛、鎳、金等有色金屬。它也可用于黑色金屬和非金屬的粗加工和清洗。本機(jī)由電機(jī)三角帶帶動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生離心作用形成負(fù)壓。一方面，將足夠的空氣與礦漿混合，一方面，將礦漿混合物與藥物混合，同時(shí)對(duì)泡沫進(jìn)行精制，使礦物粘附在泡沫上，浮到礦漿表面，形成礦化泡沫。調(diào)整閘門(mén)高度，控制液位，用刮刀刮出有用的泡沫。煤泥和藥劑充分混合后，被送入浮選機(jī)第一室的槽底[3]。葉輪旋轉(zhuǎn)后，輪腔內(nèi)形成負(fù)壓，使槽下和槽內(nèi)的紙漿分別從葉輪的下吸口和上吸口進(jìn)入混合區(qū)，空氣沿導(dǎo)風(fēng)套進(jìn)入混合區(qū)，紙漿、空氣和試劑在其中混合。在葉輪離心力的作用下，混合礦漿進(jìn)入礦化區(qū)，空氣形成氣泡并破碎，與煤粒充分接觸，形成礦化氣泡。在定子和紊流板的作用下，它在槽的橫截面上均勻分布，向上進(jìn)入分離區(qū)，富集料形成泡沫層，由刮泡機(jī)構(gòu)排出，形成潔凈煤泡沫。

4.高選擇性浮選機(jī)的設(shè)計(jì)

根據(jù)相似原理和浮選機(jī)的工作原理，確定了浮選機(jī)的模擬放大準(zhǔn)則，即在關(guān)鍵尺寸幾何相似的前提下，運(yùn)動(dòng)相似準(zhǔn)則—葉輪邊緣線速度恒定采用（即對(duì)應(yīng)點(diǎn)速度相等），保證相似的固液懸浮狀態(tài)；采用動(dòng)態(tài)相似準(zhǔn)則—恒定氣流數(shù)和恒定功率數(shù)，保證相似的充氣率和混合強(qiáng)度[4]。其中在浮選機(jī)研究和浮選動(dòng)力學(xué)理論研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)探索大型浮選機(jī)流體動(dòng)力學(xué)的特殊規(guī)律，北京礦冶研究總院介紹了浮選機(jī)中不同粒徑礦物與氣泡之間的粘附和脫落過(guò)程以及影響這些過(guò)程的原因，提出了KYF系列和JJF-130大型浮選設(shè)備的設(shè)計(jì)原則。

4.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)幾何相似準(zhǔn)則，研究確定

式中，D為葉輪直徑，m；De為槽體當(dāng)量圓面積直徑，m；H為槽體的有效深度，m；V為槽體的有效容積，m3。

當(dāng)浮選槽容積V=8m2時(shí)，由方程組（4）計(jì)算得D=0.6985；De=2.728，H=1.368；葉輪直徑圓整為公稱尺寸，取D=700mm。

4.2 動(dòng)力參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)運(yùn)動(dòng)相似和動(dòng)力相似準(zhǔn)則確定的相似準(zhǔn)數(shù)為

式中，V2為葉輪邊緣線速度，m/s；n為葉輪轉(zhuǎn)速，r/s；P為攪拌功率，kW；p為礦漿密度，kg/m2，濃度為80g/L煤漿，P=1.026kg/m'；NQa為氣流數(shù)，無(wú)因次；Np為功率數(shù)，無(wú)因次；Qa為充氣量，m2/s。

計(jì)算得葉輪轉(zhuǎn)速n=v2/∏D=4.047r/s,充氣量Qa=0.085nD3=0.118m2'/s,充氣速率 qa=4QaX60∣πDe2=1.2m3/（m2min），攪拌功率P=1.42pn3D5=16.2kW。

研制的樣機(jī)實(shí)測(cè)充氣速率為1.22m2/（m2min），實(shí)測(cè)攪拌功率為16.7kW，達(dá)到了理想的設(shè)計(jì)精度。

4.3 振動(dòng)參數(shù)的設(shè)計(jì)

根據(jù)振蕩浮選原理設(shè)計(jì)的高選擇性振蕩分離器由激振源和振動(dòng)體組成。勵(lì)磁源是兩個(gè)振動(dòng)電機(jī)的自同步反向旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的水平勵(lì)磁力根據(jù)正弦函數(shù)變化，即

式中，F(xiàn)為激振力，N；m為振動(dòng)電機(jī)偏心塊的質(zhì)量，kg；r為偏心塊重心回轉(zhuǎn)半徑，m。振動(dòng)體由電機(jī)底座、振動(dòng)架、篩、連桿和主振動(dòng)彈簧組成。通過(guò)篩網(wǎng)的水平振動(dòng)，直接激發(fā)其周?chē)ǜ∵x分離區(qū)）的礦化氣泡和礦漿振蕩?？傉駝?dòng)質(zhì)量為820kg。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，確定的振動(dòng)強(qiáng)度k=2.0g～4.8g（g為重力加速度，m/s2)，所需最大激振力為

式中，M為總參振質(zhì)量，kg。

選用2臺(tái)VВ20114-W型振動(dòng)電機(jī)，最大激振力20kN，額定轉(zhuǎn)速1430r/min，額定功率1.1kW。通過(guò)調(diào)節(jié)振動(dòng)電機(jī)偏心塊的夾角，可以無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)激振力，從而調(diào)節(jié)振幅；采用變頻器調(diào)節(jié)電源頻率，振動(dòng)頻率可無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。振幅調(diào)節(jié)范圍為0mm～2mm（無(wú)級(jí)），選擇范圍為1mm～2mm；頻率調(diào)整范圍為0Hz～25Hz，選擇范圍為12Hz～15Hz。

5.高選擇性浮選機(jī)應(yīng)用效果

根據(jù)該型振蕩振動(dòng)浮選機(jī)的原理重新研制的FJG-S8型高精度選擇性振蕩浮選機(jī)完全代替了了原有的XJM-S8型振蕩浮選機(jī)，在嘉禾的浮選煤廠房?jī)?nèi)進(jìn)行了浮選細(xì)粒度困難浮高粉煤灰泥進(jìn)料分選能力試驗(yàn)。該型浮選機(jī)進(jìn)料的浮高灰分能力含量濃度為6%～34%，其中0.045mm的浮高灰分能力含量濃度為68.13%，灰分能力含量濃度為39.88%；浮選進(jìn)料能力濃度為60g/l～80g/l；其中浮選紙漿精煤進(jìn)料平均浮高灰泥水分為1.80%，尾選精煤進(jìn)料平均浮高灰泥水分為5.6%；浮選紙漿混合處理尾煤能力濃度為315m2/h。

FJG-S8和XJM-S8浮選機(jī)的各生產(chǎn)指標(biāo)值的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果具體如表1所示。子樣本檢驗(yàn)是每個(gè)選機(jī)生產(chǎn)指標(biāo)班次（7h）的一個(gè)代表性生產(chǎn)樣本。其中通過(guò)人數(shù)試驗(yàn)（中小學(xué)生人數(shù)分布）可以檢驗(yàn)兩臺(tái)不同浮選機(jī)各生產(chǎn)指標(biāo)樣本平均值差異變化的顯著性，結(jié)果具體見(jiàn)表1；f樣本檢驗(yàn)（f學(xué)生分布）主要用于分析檢驗(yàn)2臺(tái)不同浮選機(jī)各生產(chǎn)指標(biāo)子樣本的平均方差異值變化的顯著性。

表1 FJG-S8和XJM-S8型浮選機(jī)生產(chǎn)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

由以上分析可知，從表1可以看出，在原料灰顯著增加（平均增加3.35%）且尾灰含量相同的情況下，與XJM-S8型浮選機(jī)相比，F(xiàn)JG-S8型高選擇性浮選機(jī)精煤灰分降低1.42%，浮選完美指數(shù)提高4.14%，浮選效果顯著提高。

6.結(jié)語(yǔ)

疏水性礦粉的浮選原理與親水性礦粉有很大不同。前者是由于顆粒與氣泡碰撞后自發(fā)形成牢固的粘附和漂浮，而機(jī)械夾帶是親水性礦石顆粒進(jìn)入潔凈煤的重要途徑。介質(zhì)的振動(dòng)分離器的分離區(qū)域興奮產(chǎn)生諧波脈沖運(yùn)動(dòng)，所以攜入的親水性礦石顆粒可以獲得足夠的能量自由到自由粒子和回落到紙漿在慣性力的作用下，以減少霧沫污染。在此基礎(chǔ)上，研制了FJG-S8振蕩分離高選擇性浮選機(jī)，并應(yīng)用于典型難選細(xì)泥浮選，浮選精礦灰分降低了1.42%，浮選指標(biāo)提高了4.14%。