選煤用重介質懸浮液的調節分析

丁淑慶

（中國中鋼集團有限公司）

我國擁有豐富的煤礦資源，日益增長的煤炭使用量使得人們越來越重視煤礦開采的經濟性［1］。重介質選煤是目前應用最廣泛的選煤方法［2］，重介選煤以阿基米德定律作為主要的理論依據［3］，即所有浸入到非運動狀態下的液體中的物體都將受到浮力的作用，并且該物體所受浮力的大小等于該物體所浸入水中部分造成的排出液體體積的重量。通過該定律分析計算可知，假設礦物顆粒密度為ρ1，重介質懸浮液密度為ρ2，當ρ1＞ρ2時，礦物顆粒將隨時間的推移不斷發生沉降；當ρ1＜ρ2時，礦物顆粒隨時間的推移開始上浮；當ρ1＝ρ2時，礦物顆粒不發生上浮和沉降［4］。除此之外，礦物顆粒在重介質懸浮液中還受到其他阻力的相互作用。重介質懸浮液的密度、液位、固體體積濃度、黏度等因素的控制，有助于促進懸浮選煤的高效運行。

1 重介質選煤

重介質選煤包含重液和重介質懸浮液2種分選方法，所采用的重介質懸浮液或重液的密度通常介于煤與矸石之間，且大于水的密度，其工藝流程見圖1。目前相比于其他工藝對煤的分離效率，采用重介質重力選煤的分選方法是最高效的。采用重介質選煤的精確度較高，可通過調整重液的密度，較大程度地實現對煤的精確浮選；操作流程簡單，可通過自動控制系統實現浮選過程的自動控制［5-6］；能夠適應的粒度范圍較大，分選適應性較強。塊煤分選機的入料粒度通常為300～13 mm，常見的旋流器一般為13～0.15 mm。生產過程中，重要介質的添加也是必不可少的［7］，在工藝流程中不光需要介質制備，還需要相應的凈化回收系統作為補償。生產過程中溜槽及管道是最容易磨損的，通常采用加固耐磨材料的方法增強其使用壽命。

2 重介質懸浮液

2.1 重介質懸浮液的概念

重介質懸浮液主要是由一些細粒級、高密度的固體小顆粒和純凈水在一定比例下混合配置而成，其中的固相與液相間不能相互溶解，懸浮液中加入的固體小顆粒即為加重質。目前，選煤廠廣泛使用的加重質多為磁鐵礦粉（Fe3O4），主要原因是磁鐵礦粉密度適當、不宜泥化且容易回收等。

影響重介質選礦的懸浮液性質有密度、黏度和穩定性。當礦物顆粒沉浸在重介質懸浮液中時，在重力和浮力的相互作用下，其密度比懸浮液密度小的礦物顆粒在浮力的作用下會不斷上浮，密度比懸浮液密度大的礦物顆粒會不斷下沉。除此之外，當礦物顆粒在懸浮液中運動的過程中，還會受到黏性阻力的作用，所受阻力的大小也和懸浮液的黏度有關，在黏度較大的懸浮液中所受到的阻力也相對較大，運行的速度也相對較小，反之與之相反。所以，懸浮液的密度對懸浮液能否完成分選作業起決定性的作用，同樣采用重介質分選的分選效率則由懸浮液的黏度來決定。

2.2 重介質懸浮液的密度

懸浮液本質上并不屬于溶液，所以從物理意義上來說其與均勻介質所提出的密度的概念并不完全相同，只有將其中的固液兩相作為整體時才能稱其具有密度的概念。綜上所述，懸浮液是由2種不同的質點（固、液）構成的混合物，其密度不能表征每一點的密度，因此，通常稱其為假密度，或懸浮液的物理密度［8］。

在分選過程中，只有當加重質的粒度較細、容積濃度較高且入選礦物顆粒較大時，懸浮液才能被看作為一個整體，才能稱其為分選介質；否則，此時的分選介質只能看作是懸浮液中液體，礦物顆粒在懸浮液中的沉降效果也僅僅是在懸浮液液體中在加重質的影響下的干擾沉降，礦物顆粒排開的懸浮液也不能用懸浮液本身的密度進行分析，應按照懸浮液中液體的密度進行分析。在這種情況下，即使有礦物顆粒的密度比懸浮液的密度低，仍會下沉，浮沉過程也不能按懸浮液的密度來分析，更不可能達到分選的目的。綜上所述，在采用重介質分選時，加重質的顆粒粒度和該懸浮液的濃度與分選物料的礦物顆粒粒度之間存在一定的關系，加重質的密度及容積濃度對懸浮液的密度起決定性影響。

懸浮液中各質點密度的不均一性對重介質的分選效果的好壞的影響起著重要作用。在密度相同的條件下，重質的形狀、大小及尺寸接近礦石顆粒的形狀、大小及尺寸時，影響沉降速度的主要是重質的質量；當重質的形狀、大小及尺寸遠大于礦石顆粒的形狀、大小及尺寸時，礦物顆粒所受的浮力通常被當作其替換的重介質懸浮液的質量。

2.3 重介質懸浮液的黏度

懸浮液的黏度決定著重介質分選的穩定性，流體顆粒之間存在分子間的吸引力，內部顆粒沿流動層之間的接觸面相對運動而產生的內耗特性稱為黏度，黏度是用來表示黏度大小的物理量［9］。為了達到對重介質懸浮液所包含物質進行分離的目的，首先需要保證重介質懸浮液中的物質必須處于移動的狀態。除此外，還要盡量保證懸浮液的黏度，隨著懸浮液黏度的增大自然分離時所產的阻力越大，想要達到分離的目的愈加困難；相反黏度過低的情況下，礦物本身的分層明顯，容易造成分離不準確等因素。黏度是需要考慮的重要因素，影響懸浮液黏度的主要因素如下。

（1）固體顆粒粒度。懸浮液黏度的影響因素眾多，固相物質的粒度也是影響黏度的因素之一。在實際生產中，通常粒度越細，黏度越高，反之亦然。選煤廠中，磁鐵粉的粒度通常是保持不變的確定值，但是煤泥的粒度在實際生產中會隨生產的變化而變化，脫介篩下的煤泥作為泥炭顆粒最直接的來源，故可通過脫介篩篩孔的大小來確定煤泥的最大粒度。

（2）固體體積濃度。懸浮液的黏度隨固體體積濃度的增大而增大，減小而減小，二者之間呈正相關關系。在溶液固體體積濃度不高的情況下，礦物顆粒間的相互碰撞和接觸較少；提高固體體積濃度，礦物顆粒密度增大，自由活動范圍減少，礦物顆粒間的相互碰撞與摩擦隨之增加，由此產生的力稱之為黏性切應力。若繼續增加固體體積濃度，黏性切應力將轉變為慣性切應力。若在此條件下，繼續增加固體體積溶液的濃度并使其達到一個較高的水平，此時懸浮液的結構也將隨固體體積濃度的增加發生變化。因此可得出，黏度受固體體積濃度的影響，通常情況下會隨體積濃度的變化而變化，當固體體積濃度過大時對黏度產生的影響將不利于實際生產，為了保證生產的選別效果，懸浮液的固體體積濃度通常控制在30%以內。

（3）煤泥含量。在懸浮液密度基本不變的前提下，懸浮液的黏度與煤泥含量呈正相關關系。由于加重質的比表面積與懸浮液的黏度和結構化有關，因此與比表面積有關的所有加重質特性，如粒度、形狀和泥漿含量都會對懸浮液的表觀黏度產生影響。

2.4 重介質懸浮液的穩定性

懸浮液的穩定性是指懸浮液保持密度恒定的特性。由于懸浮液自身重力影響，本身具有下降的趨勢，從而導致懸浮液的密度出現分層即密度不均勻的情況，由此可知懸浮液的穩定性和懸浮液的沉降速度越大，沉降速度越不穩定，所以經常用懸浮質在懸浮液中沉降速度的倒數作為穩定性的表示，稱為穩定性指數。

式中，z為加重質顆粒每沉降單位距離所需的時間，s。

由此可見，v愈大，z值愈小，懸浮液的穩定性愈差；z值越大，懸浮液的穩定性越高，因而分選越容易進行。

3 選煤用重介質懸浮液的調節

3.1 重介質懸浮液密度的調整

為了保證重介質分選正常有序的進行，保證懸浮液密度的穩定是首要措施，如何高效準確地實現對重介質懸浮液密度的調控是提高分選效果的重要保障。產品的質檢結果是生產中重介質密度調節的主要依據，可通過快灰數據來確定實際生產中密度的設定值。試驗室中通常采用燒灼法實現對選煤生產中快灰數據的測定，但該法存在時間長、步驟多、受人為因素影響大、精度差的缺點。經最終質檢得到的灰分數據具有滯后性的特點，對于選煤廠實時生產的指導意義不大，這種滯后性的結果很難建設低能耗、優質高效的選煤廠［10-11］。在線測灰檢測儀能夠實時的完成灰分數據的檢測，對選煤廠的選煤生產起到實時檢測及指導的作用，可盡量避免因檢測滯后帶來的產品灰分大規模波動而無法及時發現的問題；但該儀器的檢測結果容易受產品水分含量和殘留介質的影響，需經常檢查手動快速恢復數據的測圖儀。

目前，重介質懸浮液的密度［12］調節主要通過選煤密度控制系統來實現，該控制系統主要由合格介質桶液位計、補加水執行器、磁性物含量儀表、分流箱、密度計、PLC控制模塊、上位計算機構成。上位機得到產品質量數據后，根據密度計測得的實時懸浮密度與開始設置的分選密度進行比對，通過密度控制系統［13-14］實現加水、加介質、分流等相應操作，降低懸浮液液位、煤泥含量、磁性物含量的波動，達到穩定的懸浮密度，分選出品質產品。

在重介質洗滌分離過程中，由于存在非線性、時變性和環境干擾等不確定因素，很難對過程進行建模。因此，選擇了PID控制算法、專家控制算法和模糊控制算法等作為該系統的主要控制算法，進而能夠規避建立模型較困難的難題，提高系統的控制能力。重介質懸浮液密度控制原理見圖2。在重介質清洗操作中，合介桶的液位會隨懸浮液密度的變化而變化，根據這一特性，可通過調節水量來控制懸浮液密度，并可通過填加介質濃度作為輔助變量來提高調節精度。在運行過程中，測量的密度值將實時傳遞到PID控制器，并與預設的密度值進行對比分析。差分信號經專家系統校對核對后反饋給伺服放大器，驅動電機執行機構進行相關操作。具體操作內容：當懸浮液密度超過預設值時，系統自動調節水閥加入補充水，以降低懸浮液密度；當懸浮密度與預設值之差不大于0.002 g/cm3時，系統PID控制器將不對該操作作出響應；當監測的懸浮液密度值與預設值之差超過0.01 g/cm3，但合介質桶內的液位正常時，黏度計算值將會被忽略，系統將分流量設置為45%，以增加懸浮液密度；當合介質罐液位比預設下限低時，為保證旋流裝置入口的壓力足夠且不發生分流，通過添加濃介質的方式來增加此時的懸浮密度，并調整閥門開關，增加水量，提高合介桶內的液位。

3.2 重介質懸浮液黏度的調節

在剪切速率不同的條件下，選煤用重介質懸浮液的黏度隨固體體積濃度的增加而增加。當固體體積濃度一定時，此時的懸浮液的黏度會隨煤泥含量的增大而減小。在固體體積濃度和煤泥含量相同的條件下，剪切速率增加，懸浮液黏度降低，這也符合假塑性流體的特性。

重介質懸浮液的黏度可用懸浮液的固體體積濃度作為表征，在這種方式下能夠通過控制懸浮液固體體積濃度達到對懸浮液黏度控制的效果，盡管無法直接測量懸浮液固體體積濃度，但能根據現場實時數據計算得出，通過這種方式將其控制在所能接受的誤差范圍之內，滿足現場的控制要求。

3.3 重介質懸浮液穩定性調節

加重質的類型、重介質的粒度組成、顆粒間的相互作用和其流場特性是對懸浮液穩定性產生影響的主要因素。目前，常見的加重質通常為磁鐵礦粉，而重介質旋流器和淺槽重介質分選機是分選流廠主要組成部分，這是不能改變的因素。因此，流場中對懸浮液穩定性的控制重點在于對煤泥含量的控制和介質粒度的組成，當分選密度較低時，通常使用加重材料為相對細粒含量較高的材料；當分選密度較高時，通過加入相對細粒級含量更高的加重質，反之相反。與此同時，煤泥的含量也應保持在合理的范圍內，提供合適的黏度環境以便于物料的分選，以制備動態穩定性高的重介質懸浮液。

4 結語

在重介質選煤工藝中，有很多因素可以影響選煤的效率，重介質懸浮液的密度、黏度、桶液位等都是影響的關鍵，而重介質懸浮液密度的調節以及自動控制對重介質選煤有著十分重要的作用，加強懸浮液各項參數的自動化控制對提高重介質選煤有非常積極的意義。除此之外，煤泥密度、重介質密度、懸浮液固體體積濃度這3個因素均對懸浮液密度產生很大的影響。