煤泥浮选高剪切调浆技术装备及其应用

马力强，李吉辉，黄 根，于跃先

(1.中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院，北京 100083；2.西安科技大学 化学与化工学院，陕西 西安 710054)

随着入浮煤泥粒度下降、灰分升高，煤泥浮选难度不断加大，煤泥浮选调浆环节的重要性越来越得到重视[1-2]。传统的煤泥浮选调浆设备主要有矿浆预处理器和矿浆准备器，这两种设备自上世纪80年代开发以来，广泛应用于国内炼焦煤选煤厂，具有结构简单、操作简便、运行稳定、能耗低的优点，调浆效果得到了普遍认可。但是，无论是矿浆预处理器还是矿浆准备器都难以全面满足煤泥浮选所需要的高分散、高效碰撞接触的流体力学环境，特别是对于高灰细粒的难浮煤泥，二者调浆不充分的缺陷更加突出[3-5]。

浮选调浆环节包括药剂的分散、药剂与矿粒的充分接触和吸附及矿粒表面改质等过程。国内外学者对调浆过程进行了大量研究，普遍认为预先调浆对后续浮选效果有显著影响[6-8]。在金属矿选矿领域，高剪切调浆对硫化铜矿、金矿、氧化铀矿、黄铁矿等许多矿石的浮选均有良好的改善作用[9-10]。在煤泥浮选领域，许多研究表明，浮选前充分调浆可明显提高煤泥矿化程度，改善煤泥浮选效果，显著降低浮选药耗[11-12]。

近年来，以表面改质调浆机为代表的高剪切调浆装备在多个选煤厂得到了成功应用，在改善浮选工艺指标、节约浮选药剂方面取得了较好的效果。为了全面阐述煤泥高剪切调浆技术，对煤泥高剪切调浆的主要机理、实验室及工业应用效果进行了分析与介绍，以期引起广大选煤科研、工程技术人员对煤泥浮选调浆环节的重视，为浮选调浆理论研究与设备选型提供参考。

1 煤泥高剪切调浆技术

煤泥高剪切调浆技术根据煤泥表面性质和粒度组成特性，采用合理的调浆方式，将机械能高效转化为调浆所需的流体动能，通过输入适宜的能量，对矿浆施加充分的流体剪切力，强化煤粒表面净化、药剂分散、煤粒与药剂有效碰撞等作用，从而促进煤粒与药剂的“充分接触”与“有效黏附”，实现颗粒的表面疏水改性。

大量的试验和生产实践证明，简单的矿浆搅拌过程和浮选机本身的浮选过程都不能很好地满足上述作用发生所需的流体力学环境。

1.1 作用机理

煤泥高剪切调浆作用机理可分为以下三个方面：

(1)高剪切调浆净化煤粒表面。煤泥颗粒表面附着有大量细泥颗粒，中、高灰细泥会降低煤粒表面的疏水性，使煤粒难以与捕收剂油滴或气泡发生黏附而损失在尾煤中[2]。高剪切调浆可以擦除罩盖在煤粒表面的细泥颗粒，使煤粒暴露出干净表面，从而改善煤粒表面的疏水性，显著增强颗粒与捕收剂油滴间的黏附作用。调浆剪切强度和时间共同决定了表面清洗作用的强弱[13-15]。

(2)高剪切调浆提高捕收剂的分散度。煤泥浮选捕收剂多为非极性烃类油，在水中以油滴的形式存在，而良好的药剂分散可以提高单位体积矿浆中药剂油滴的数量。不难理解高剪切调浆将促进捕收剂的分散，有利于提高药剂与煤泥颗粒的碰撞概率[16-17]。

(3)强度适宜的高剪切调浆提高捕收剂油滴与煤粒的碰撞概率。理论上，提高调浆强度会增加颗粒间的碰撞频率，而随着药剂分散度的增大，会进一步增加油滴与煤泥颗粒的碰撞概率[18]。但是，由于非极性烃类油主要通过物理作用吸附在煤泥颗粒表面[19]，强烈的湍流冲刷作用容易使其发生解吸，因此过度调浆反而会增大捕收剂与煤粒的解吸概率。

综上分析，对于煤泥浮选矿浆体系，捕收剂与煤泥颗粒间的有效吸附受到颗粒理论碰撞概率、颗粒绕流概率、解吸概率以及颗粒表面清洁程度的共同影响，调浆强度与上述各因素关系密切。由于当前煤泥浮选中的调浆过程普遍不够充分，因此适度提高调浆强度是提升浮选精煤产率和质量的关键。

1.2 试验验证

1.2.1 高剪切调浆净化煤粒表面[20]

试验煤样取自火烧铺选煤厂中煤沉降离心机。粒度分析表明：该煤样中>75 μm粒级产率占85.11%，灰分为 42.30%；<75 μm的细粒煤占14.89%，灰分高达51.12%。可见，该煤样中含有大量高灰细泥，在浮选过程中，这部分高灰细泥会罩盖在粗粒煤表面，影响粗粒煤的浮选。

高剪切调浆试验在1 L 的搅拌桶中进行。试验采用德国Hei-Torque 100无极精确变速搅拌器，变速范围为10～2 000 r/min，搅拌叶轮为六叶竖浆，调浆时间为10 min。利用Mastersizer 3000激光粒度仪研究了不同调浆转速条件下矿浆中固体颗粒的粒度组成变化，结果如图1所示。从图1可以看出：随着调浆转速的增加，矿浆中固体颗粒的粒度分布峰向左侧偏移，表明调浆后矿浆中固体颗粒粒度变小，细粒增加；随着调浆转速的增加，中间粒度级(76～240 μm)和细粒级(<76 μm)的含量均增加，而粗粒级(>240 μm)的含量逐渐减少，说明高剪切调浆将细泥从粗粒表面剥离下来，从而导致矿浆中细粒含量增加。

图1 不同调浆转速条件下矿粒粒度组成变化

1.2.2 高剪切调浆浮选试验[18]

试验煤样选用开滦集团钱家营矿选煤厂浮选入料。实验室调浆试验采用的是自制5级转速搅拌器(容量为1 L)，搅拌叶轮形式为斜叶开启涡轮式。由于叶轮线速度是表征搅拌过程剪切强度的重要指标，也是搅拌器放大的基准指标之一，因此试验采用叶轮线速度作为剪切强度指标。

试验过程中，叶轮线速度设为5级可调，分别为1.63、2.28、4.14、5.90、8.23 m/s，调浆时间为2 min。采用可燃体回收率来考察调浆效果，试验结果如图2所示。由图2可知：在调浆试验中，当叶轮线速度由1.63 m/s 提高到2.28 m/s时，捕收剂油滴与煤粒碰撞概率提高，可燃体回收率随之增加，且当叶轮线速度由2.28 m/s提高到4.14 m/s时，虽然捕收剂油滴与煤粒理论碰撞概率增加，但随着捕收剂油滴进一步分散，绕流概率也增加，反而造成微细油滴与煤泥颗粒发生碰撞的概率下降，因此可燃体回收率略有下降；继续增大叶轮线速度，油滴获得的动能增加，当增加到可突破静电势垒的程度，又会减弱绕流效应，使颗粒碰撞概率增加；当叶轮线速度由4.14 m/s提高到5.90 m/s时，得到了试验中最大的可燃体回收率(92.73%)；当叶轮线速度超过5.90 m/s后，可燃体回收率反而下降，这是因为在过度调浆条件下，已吸附到煤泥颗粒上的捕收剂在过强剪切作用下容易发生解吸，故导致可燃体回收率下降。

图2 调浆转速对可燃体回收率的影响

由此可以看出，在表面清洗、药剂分散、碰撞、绕流、解吸等因素的共同作用下，调浆剪切强度对煤泥浮选效果有很大影响。通过改变搅拌叶轮线速度来调控调浆设备的剪切强度，可以大幅度改善浮选效果，但存在适宜的调浆剪切强度，调浆不足或者过度调浆都不利于可燃体回收率的提高。

2 BGT系列表面改质调浆机

从调浆机理研究、实验室试验以及大量选煤厂生产数据分析可知，目前的煤泥调浆设备普遍存在调浆强度不足和能量输入不够的问题。

BGT系列表面改质调浆机(图3)是国家“863”计划“高灰难选煤泥的高效分选设备与工艺研究”课题的科研成果，是在高剪切调浆理论指导下，通过对流场进行优化设计，使调浆方式、能量输入与矿浆体系能够相互耦合的一种全新的高效调浆设备。该系列设备处理能力为400～1 500 m3/h，采用分室调浆结构立式布置，矿浆和浮选药剂自下部给入桶体逐级进入各室，经特殊结构多级高剪切调浆后，从桶体上部排出，给入浮选设备。

图3 表面改质调浆机结构示意图

近十年的工业应用显示，该设备适用于各种煤质的浮选预处理，特别是在难浮、选择性差的高灰微细粒煤泥调浆中，体现出了突出的调浆改质及节约药剂效果。

3 工业应用

3.1 在钱家营矿选煤厂的应用[21]

河北开滦集团钱家营矿选煤厂设计处理能力为6.30 Mt/a，主要入选煤种为肥煤，浮选采用一次粗选+一次精选工艺。原系统有4组XJM-S型28m3浮选机，采用4台XY-3.0型矿浆预处理器与之配套。2014—2016年间，该厂先后采用4台BGT2500型表面改质调浆机替换了原系统的4台矿浆预处理器。现场试验表明，采用表面改质调浆机调浆后，在精煤灰分相当情况下，精煤产率提高了18.34个百分点，同时节省捕收剂用量27.14%。

3.2 在林西矿选煤厂的应用[22]

河北开滦集团林西矿选煤厂设计处理能力为1.80 Mt/a，主要入选煤种为焦煤，浮选采用一次粗选+一次精选工艺。一、二次浮选设备分别为FJC36-4、FJC28-2喷射式浮选机，矿浆预处理采用PM-400型管道混合器。2017年，该厂利用1台BGT2500型表面改质调浆机替换了原系统的管道混合器。现场试验表明，采用表面改质调浆机调浆后，在精煤灰分相当的情况下，精煤产率提高约15个百分点。

3.3 在西曲矿选煤厂的应用[23]

西山煤电集团西曲矿选煤厂设计处理能力为4.00 Mt/a，主要入选煤种为焦煤，浮选系统采用4台WEMCO-144型浮选机，配备4台XY-3.0矿浆预处理器。2017年，该厂采用1台BGT2500型表面改质调浆机替换了浮选系统中的一台矿浆预处理器。现场试验表明，采用表面改质调浆机调浆后，在精煤灰分相当的情况下，精煤产率提高了8.12个百分点，同时节省捕收剂用量17%。

3.4 在任家庄选煤厂的应用[24]

宁煤集团任家庄选煤厂设计处理能力为2.40 Mt/a，主要入选煤种为1/3焦煤，浮选系统采用3台XJM-16型浮选机，配3台XY矿浆预处理器。2012—2014年间，该厂先后采用3台BGT2200型表面改质调浆机替换了浮选系统中的3台矿浆预处理器。现场试验表明，采用表面改质调浆机后，在精煤灰分相当的情况下，精煤产率提高了3.37个百分点。

3.5 在布尔台选煤厂浮选系统工业试验线上的应用[25]

神东洗选中心布尔台选煤厂为动力煤选煤厂，主要煤种以长焰煤、不黏煤为主，设计能力为3.10 Mt/a。为拓展细粒煤泥销路，神东洗选中心委托中国矿业大学王永田教授技术团队在布尔台选煤厂进行了浮选工业性试验研究，探索低阶动力煤煤泥浮选的可行性。浮选系统工业试验线选用1台φ2 m的浮选柱，配备了1台BGT2000型表面改质调浆机。工业性试验结果表明：尽管低阶煤浮选非常困难，但在王永田教授技术团队的努力攻关下，通过选用合适的药剂及工艺，取得了可喜的阶段性成果：在入料平均灰分为27.79%条件下，获得了平均灰分为7.43%、产率为71.88%的浮选精煤。虽然没有其他预处理设备的对比数据，但试验结果表明，表面改质调浆机调浆在低阶煤的浮选过程中起到了良好的促进作用，满足了难浮低阶煤泥的调浆需求。

4 结论

(1)调浆剪切强度是影响浮选效果的重要因素。捕收剂与煤泥颗粒间的有效吸附概率受到颗粒表面净化、颗粒理论碰撞概率、颗粒绕流概率以及解吸概率的共同影响，适宜的调浆强度可以创造促进上述机制发生的流体力学环境，调浆不足或过度都不利于浮选。

(2)目前煤泥调浆环节普遍存在调浆强度不足、能量输入不够的问题。采用高剪切调浆技术，通过适宜的能量输入，有助于改善各煤种的浮选效果，节省捕收剂用量。

(3)随着优质炼焦煤资源的枯竭和选煤工艺的变革，高灰微细难浮煤泥入浮将越来越普遍，高剪切调浆技术及设备必将在煤泥浮选中起到越来越重要的作用。