粒度對煤炭浮選動力學的影響淺析

郜大剛

(山西西山煤電股份有限公司 鎮城底礦選煤廠，山西 太原 030200)

煤炭是世界上使用最廣泛的化石能源，約占全球一次能源的30%和全球發電量的41%，盡管存在環境問題，但因其儲量豐富，易回收，成本較低使得2050年之前煤炭在能源供應中仍扮演重要角色。世界上已探明的煤炭儲量超過1.14萬億t，按目前的消費速度計算，足以滿足153年以上的全球能源需求[1,2]. 原煤必須使用不同的技術進行加工，才能在粒度、灰分、硫分和水分含量方面達到所需的產品質量。要生產出經濟價值最高的優質煤，必須綜合運用多種選煤技術。所采用的選煤技術取決于煤的理化性質，如煤種(固有灰分和硫含量)和粒度，其中浮選技術是分選較細粒煤顆粒的有效方法[3].

煤炭浮選是一個非常復雜的過程，學者已經開發了許多模型來描述浮選過程。浮選動力學模型是最常用的浮選模型，它將顆粒、礦漿和流體力學性質有關的不同工藝參數與浮選速率常數聯系起來。粒度對浮選速度有重要影響，是浮選過程中最重要的參數之一[4]. 本文綜述了浮選動力學模型的發展歷史，總結了粒度對浮選回收率、浮選速率常數和產品質量的影響。

1 粒度對浮選動力學的影響

粒度在浮選過程中影響氣泡礦化、氣泡尺寸分布、氣含率、氣泡-顆粒粘附的穩定性以及藥劑吸附等。不同粒度的顆粒對浮選性能的表現不同，但都直接影響浮選回收率和浮選速率常數[5].

1.1 浮選速率常數

Gaudin等人從1931年對粒度與浮選回收率之間的關系進行研究，發現在相同的化學條件下，不同粒度的顆粒表現出不同的浮選動力現象。銅礦的最大浮選回收率在20～100 μm，磷礦的最大浮選回收率在60～200 μm，煤炭浮選的最佳粒度一般小于1.0 mm. Trahar的研究表明，細顆粒和粗顆粒的浮選回收遵循不同的規律，粗顆粒的回收對表面疏水性的變化比細顆粒更敏感。因此，粒度對浮選的影響引起了眾多學者的關注并展開了廣泛的研究[6]. Morris首先研究了粒度與浮選速率常數的關系，發現中等粒度能獲得最大浮選速率，并且對于細顆粒和粗顆粒來說，浮選速率常數是遞減的。與其他粒度相比，細顆粒的浮選速率常數較低，這主要是因為隨著粒度的減小，顆粒與氣泡碰撞的可能性降低。粒度對浮選速率影響的示意圖見圖1[7]，圖中標記了對顆粒回收有不利影響的3種現象，即聚集(A)、夾帶(E)和脫離(D)[8].

圖1 粒度對浮選速率的影響圖

Trahar將浮選速率常數定義為粒度的函數：

(1)

其中，A是比例系數，n是取值在1和2之間的參數[9].

顆粒大小和浮選速率之間的關系十分復雜，Al Taweel等人最先嘗試定義碰撞概率和浮選速率常數之間的關系。對于疏水性很強的煤，他們發現浮選速率由碰撞概率(Pc)決定，碰撞概率隨顆粒尺寸增加而增加[10]. Chander和Polat認為，造成這種結果的關鍵是細粒度顆粒在浮選過程中發生聚集[11,12]. 不同粒級浮選速率常數的差異也可以用浮選過程中碰撞和附著/脫附的綜合作用來解釋。細顆粒浮選速率低的主要原因是氣泡-顆粒碰撞的概率低，而粗顆粒浮選速率低的主要原因是這些顆粒從氣泡表面脫離的可能性高。

Mohns提出了浮選動力學速率隨粒度變化的二次多項式模型[13]：

(2)

其中，a，b，c分別是由礦漿和藥劑濃度共同決定的系數。

1.2 浮選回收率

Panopoulos等人研究了粒度分布對兩種南非煤浮選的影響。根據浮選回收率與粒度的關系，發現最大回收率峰值出現在100～200 μm，在200 μm以上，浮選回收率迅速下降，當粒度為1.0 mm時，浮選回收率幾乎為零。對于相對密度在1.3～1.7的10個粒度，浮選速率的差別很小，灰分含量為2%～31%. 可浮組分的最大浮選速率常數在-500～425 μm. 另外，對于較粗的顆粒，回收率隨顆粒密度的不同而顯著不同，對于細粒度，高密度的顆粒被有效地抑制[14-15].

Vanangamudi和Rao(1986)發展了間歇浮選模型，該模型表明，隨著粒度的增大，浮選速率常數減小。建立了預測浮選產品可燃體回收率和灰分隨藥劑用量變化的數學方程。然而，該模型沒有考慮入料粒度分布的影響。隨后，又建立了一個獨立參數定義的簡單的間歇浮選動力學模型。該模型已經在不同的進料特性、藥劑用量和操作條件下進行了測試。在間歇式浮選槽中進行了4種不同煤種的浮選試驗。結果表明，任何粒度組分的浮選速率常數均與粒度組分的平均值、各粒度范圍內灰分和非灰分的比例以及進料中-75 μm組分的比例有關。對于任何煤，入料中無灰物質的浮選速率常數具有以下形式[16]：

lnKn=Y1-C1·Xn

(3)

其中，n表示入料的第n個粒度；Xn表示第n個粒度的平均粒度；Kn表示第n個粒度的非灰分成分的速率常數；Y1是Kn對Xn的線性曲線的截距，其定義為Xn、第n個粒度范圍內的無灰分的質量分數和75 μm以下的細粒中的非灰分的質量分數的乘積；C1是相同曲線的斜率。所有得到的Kn-Xn曲線的相關系數均大于0.9.

同時，他們還提出了一個模型，考慮了兩種條件下最終回收率與顆粒大小之間的關系：

(4)

式中，a和b是根據煤種和操作條件擬合的常數。他們發現，對于煤粉含量不同的入料，該模型對浮選回收率的預測較好。根據該模型，入料中-75 μm粒度的增加會導致浮選速率常數降低。

根據Vanangamudi等人的另一項研究結果，兩種煤的非灰分和灰分的回收都遵循一級動力學。他們發現，隨著原料中細粒級含量(-75 μm)的增加，最大回收率和一級浮選速率常數降低。這是由于入料煤中粗粒級的產率較低所致。對于第一種煤，當入料中細粒級含量從0增加到27.7%時，精煤最終回收率從83.6%下降到77.1%，一級速率常數從0.065 3 s-1下降到0.047 0 s-1. 當細粒級含量從0增加到27.7%時，粗粒級(355～500 μm)物料的最終回收率從63.2%降到38.1%，浮選速率常數從0.060 5 s-1降到0.033 8 s-1. 中粒級(250～355 μm、150～250 μm和75～150 μm)也表現出類似的趨勢，回收率分別下降了16%、5.7%和0.4%. 動力學研究表明，隨著入料中細粒級含量的增加，浮選速率常數由0.068 2 s-1降至0.035 6 s-1，由0.073 6 s-1降至0.043 5 s-1，由0.077 9 s-1降至0.052 2 s-1. 結果表明，對于粒度為75～150 μm的中間體，浮選回收率最高，浮選速率常數為一級。

Humeres和Debacher (2002) 研究了在pH值為2～12，以氮氣為載氣的改進型Hallimond管中粗煤粒的浮選動力學。在127～505 μm，通過改變入料粒度進行了一系列實驗，發現一級速率常數可以表示為可分離常數與3個新定義的函數的乘積，這3個函數分別是fD、fV和fpH，它們分別依賴于粒度、氣體流量和pH值[17]. 浮選速率常數與粒度呈線性關系，且隨粒度的增大呈強負相關。這種函數關系可以寫成：

fD=e-1.56·dp

(5)

Abkhoshk等人在間歇浮選槽中研究了粒度對煤浮選動力學的影響。他們使用模糊邏輯模型來預測不同粒度煤的累計回收率。以粒度為獨立輸入變量，以一級速率常數和最終浮選回收率為輸出變量。試驗使用5個不同的粒級：0～75 μm、75～150 μm、150～300 μm、300～500 μm和500～800 μm[18]. 發現浮選速率常數和累積回收率與粒度之間的關系是非線性的，可用下列方程描述：

(6)

R∞=-8.890 4·[ln(dp)]2+

92.65·ln(dp)-149.25

(7)

采用模糊邏輯模型，對平均粒徑為37.5 μm、112.5 μm、225 μm、400 μm和625 μm的實驗結果進行了擬合，R2值分別為0.986、0.993、0.983、0.977和0.972. 在接下來的研究中，Kor等人采用不同的回歸分析方法研究了粒度對浮選動力學的影響。對于不同的粒級，二次回歸模型比其他的回歸模型顯示出更好的相關性，這與之前的研究結果是一致的。

2 總 結

煤炭浮選是一個非常復雜的三相過程，涉及許多不同的子過程和相互作用。影響煤浮選動力學的因素很多，其中粒度是最重要的因素之一。粒度對煤炭浮選的影響已被廣泛研究，并提出了許多浮選動力學模型。本文淺析了粒度對浮選動力學的影響，并討論了該領域的研究現狀，旨在對煤炭浮選提供有價值的現實指導意義。

根據浮選實踐，浮選煤的最佳粒度一般小于0.6/0.5 mm或0.25 mm. 煤浮選細粒級和粗粒級浮選回收率呈現不同的趨勢。在75～300 μm的粒度，煤的回收率最高。一般說來，不同煤種和浮選條件下的最佳動力學模型有所不同。研究表明，當浮選粒度在37～375 μm時，浮選速率常數與粒度呈矩形分布的一級動力學模型擬合效果最好。浮選速率常數與粒度有很強的相關性。浮選速率在中等粒度范圍內達到最高，而在細粒級和粗粒級范圍內浮選速率明顯下降。這些趨勢可以用細顆粒與氣泡的低碰撞效率和粗顆粒的高脫離概率來很好地解釋。