微泡浮选柱的设计及性能

毕业论文 毕业设计 微泡浮选柱的设计及性能THE DESIGN AND PERFORMANCE ANALYSIS OF THE MICRO BUBBLE FLOTATION COLUMN 微泡浮选柱的设计及性能摘要为了解决入浮煤泥中难选细粒煤泥所占比例增大，微细粒级（0.074mm以下）的含量不断增加，浮选过程中存在的高灰细泥颗粒污染精煤，导致浮选精煤灰分不达标的问题，需要对煤炭进行浮选。微泡浮选柱主要是采用切线入料即在矿浆进入浮选柱是就产生离心力来实现粗选，再利用装置下部的中矿循环系统对未浮选净的矿浆进行二次浮选，以及浮选装置内部底端的叶轮旋转产生主螺旋形成旋流来进行浮选。我们将微泡浮选柱与普通浮选柱和浮选机做了实验比较得出，微泡浮选柱的精煤灰分为10.80%，精煤产率为52.37%，完善指标为60.14%。浮选柱在整段柱内进行螺旋分选，粗选效率高，处理量大；螺旋力场和泡沫矿化双重作用；中矿扫选提高产率；可以有效缩短浮选柱高度，适用于工业推广。微泡浮选柱具有创新性，科学性和实用性，因此对该浮选柱的设计及研究具有很重要的研究意义和开发意义。关键词：微泡浮选柱，微细粒级，分选效果，高灰煤泥 Abstract In order to solve the problem of the floating fine coal slime refractory percentage, micro-fine particles (0.074mm or less) content increased, the flotation process exists in high-ash coal pollution fine clay particles, resulting in flotation coal ash is not up to the problem, the need for coal flotation, so we need to take flotation on coal. The microbubble flotation column，achieving rough flotation by tangential feed into the flotation，achieving secondary flotation by the circulatory of the mine, and achieving flotation by the main spiral vortex created by impeller rotation, which is instilled at the bottom of the flotation column.Therefore,we make a comparison with regular flotation column，flotation machine and microbubble flotation,and we made a conclusion that the ash content of clean coal is 10.80%,the yield of clean coal is 52.37%,the perfect indicator is 60.14%.Flotation column conducting spiral rotating flotation during the whole column, high-efficency rough flotation, large capacity; Spiral force field and bubble mineralization dual role; Enhancing the yield by mine sweeping election; Shorting the height of flotation column effectively, can promoted in industry. Microbubble flotation column is innovative, scientific and practical, therefore, the design and study on flotation column has great significance.KEYWORDS: microbubble flotation column, micro-fine particles, separation efficiency, high ash coal slurryII目录摘要IAbstractII1绪论11.1简介11.2 研究背景21.2.1在我国能源结构中煤炭的地位21.2.2 关于浮选柱的发展概况31.2.3 煤炭的洗选工艺51.2.4煤炭的浮选工艺51.3研究内容与技术路线72试验煤样的分析82.1 煤样的制备82.2煤样的分析92.3 粒度的分析112.4 矿物组成的分析122.5润湿性的分析132.6可浮性的分析142.6.1浮选最佳参数的选择试验142.6.2 强离心力微泡浮选柱的试验研究163强离心力场微泡浮选柱193.1研究意义及背景193.2工作原理193.2.1螺旋流选矿原理193.2.2 泡沫选矿原理203.3设计方案213.3.1 装置设计方案213.3.2 内部结构设计方案233.3.3泡沫剂复配方案243.3.4 试验方案244结论与展望264.1 试验结论264.2试验展望26参考文献28致谢30ii1绪论1.1简介由于矿物加工工业的不断发展，富矿逐渐开始面临枯竭的危机，并且矿石中贫矿和难选矿所占的比例也渐渐增加。同时由于对于使用煤炭进行冶金行业的用户来说，他们对选矿产品的质量要求也越来越高，而且选矿厂对环境保护的意识也越来越强，这些都是使得矿物加工工业面临着越来越严峻的挑战的因素，使得选矿厂对设备性能，选矿工艺和药剂制度提出的要求更高。因此，随着社会的不断进步和科技的不断发展，煤炭的浮选技术的应用在矿物加工等多个领域中的应用都是十分广泛，同时用于浮选的浮选设备也越来越先进。在浮选设备中，浮选柱和浮选机是最核心的设备，其中浮选柱的优点较为突出，例如浮选柱具有占地面积较小，节能高效，结构简单和操作简单等特点，而且对于细颗粒的矿物也具有较好的分选效果。浮选机和浮选柱又是有一定区别的。其中浮选机对煤炭进行分选的理论是：利用浮选机内产生的负压从而使得浮选机内的矿浆与吸入的足量的空气进行混合作用，其中该负压是有叶轮旋转产生的离心作用而产生的，同时该叶轮通过旋转也有利于矿浆与药剂形成的混合物之间进一步的混合，并且细化泡沫有利于矿物粘附到泡沫上，然会随泡沫浮到矿浆面，从而形成了矿化泡沫，进而达到浮选的效果。另一方面，浮选柱通常则是通过压缩空气，然后空气通过多空介质来对矿浆进行充气和搅拌，是一种充气式浮选柱。因为在矿物加工过程中，要求我们要做到节能高效，简单实用，所以在这里我们主要研究的是微泡浮选柱1-4。虽然浮选柱对细颗粒煤的处理能力强于浮选机，但是却遗漏了部分的精煤，这导致了普通浮选柱选出的精煤灰分低于浮选机但是产率却比较低。但是对于强离心力场下的微泡浮选柱，由于该浮选柱是利用螺旋力场粗选和泡沫精选双重作用，并且通过中矿扫选将遗漏的精煤回收以保证产率，使得精煤质量提高灰分降低，所以不仅浮选出的精煤灰分较低而且产率相对来说也较高5,6。此浮选柱的设计是利用了螺旋力场对粗颗粒煤颗粒进行预选，再利用泡沫对细颗粒煤进行浮选，相对浮选机来说，具有泡沫精选作用强，气泡与矿物颗粒碰撞和粘附几率大，设备的容积利用率高等优点。并且浮选柱在一定程度上节省了投资资本，简化了浮选工艺。总之，强离心力场下的微泡浮选柱特点如下：在整段柱内进行螺旋分选，粗选效率高，处理量大；螺旋力场和泡沫矿化双重作用；中矿扫选提高产率；可以有效缩短浮选柱高度，适用于工业推广。综上所述可知，微泡浮选柱具有创新性，科学性和实用性，因此对该浮选柱的设计及研究具有很重要的研究意义和开发意义7,8。1.2 研究背景1.2.1在我国能源结构中煤炭的地位世界三大能源之中包括煤炭能源。在我国的能源结构中，煤炭所处的能源地位比其它能源更为突出。从全球来看，我国不仅属于最大的煤炭生产国，在世界煤炭消费排名中我国也是位居前列，同时我国也是世界上少数以煤炭为主要能源的国家之一。近年来，我国的煤炭能源在能源生产中的比重一直维持在70%左右，并且随着原油产量比重的下降，原煤产量的比重渐渐地增大，煤炭生产的重要性越来越显著。要是从世界范围角度来看，石油是当前世界的主要能源消费，但是在中国的能源结构中，煤炭却是我国能源中的主导地位，这主要是由我国富煤、贫油、少气的资源赋存特点所决定的。由此可知，煤炭对于我国来说它的重要性是不言而喻的，并且煤炭为我国的国民经济持续快速的发展提供了极有力的能源保障。以2011年为例，我国的能源消费及构成如图1-1所示：图 1-1 2011年我国的能源消费总量及构成也就是说，依然可以说我国的最可靠的、最安全的、经济的能源依旧是煤炭能源。在我国的能源消费以及构成图中可以看出，我国天然气和石油资源的总量远远的低于煤炭资源的总量。并且随着高新技术渐渐地推广应用开来，在洁净煤技术方面已经取得了较为重大的突破和成果，同时也在不断地降低煤炭的生产成本，这些技术和改进都使得煤炭越来越成为可靠的，清洁的以及廉价的使用能源。除此之外，由于目前世界的石油价格依旧居高不下，这使得煤炭的成本优势更加明显。即使石油的价格被欧佩克稳定在每桶25美元到30美元之间，但是由煤炭通过直接液化而制成的成品油的成本却是15美元每桶左右9-11。由调查得出的结果可知，我国在1999年的石油净进口量为4000万吨，并且在紧接着的几年内，我国的石油净进口量也逐渐有所增加。根据专家的预测，我国的石油供需缺口到2020年将会更大，但是如果我国石油全靠进口的话，这样便会加大了我国的能源安全供应的隐患，因为这不仅需要动用大笔外汇，而且会使我国受制于他国。所以，在我国，以煤炭液化生产的液体燃料和用水煤浆替代石油将会是必然趋势。因此，从这个意义上来讲，煤炭在我国国民经济中的地位将会更加重要。从全球的角度上看，由于随着世界经济的发展，世界对能源的需求的渐渐增加，煤炭的生产和消费呈上升的趋势，世界的煤炭产量和消费量也将持续增长。预计到2020年，煤炭在我国的一次性能源生产和消费中将会占60%左右；到2050年，我国的煤炭生产和消费在一次性能源消耗上所占的比例仍将会在50%以上，我国未来几十年的主要能源将依旧会是煤炭12。为了满足我国全面建设小康社会的需求,我国煤炭消费的趋势将会有明显的上升趋势。并且在煤炭消费用户的构成中,化工、电力、冶金、建材这4个行业的煤炭消费量占煤炭的消费总量从1990年的50%提高到了2004年的84%。据专家预测，在21世纪前50年之内，世界能源的发展趋势是将继续以化石燃料为主。并且随着洁净煤技术的进一步发展和石油、天然气资源的日渐短缺，煤炭的重要性和地位还会逐渐提升。总之，根据我国的资源状况和煤炭在能源生产及消费结构中所占的比例可知：以煤炭为主的能源结构在相当长的一段时间内依旧不会改变13。 1.2.2 关于浮选柱的发展概况浮选柱在产生小气泡时，必须要采用较低的表观充气速率和较小的处理量是现在大多数的浮选柱的共同缺点。然而根据浮选方程和浮选柱中气泡与颗粒相互作用的理论可知，高效浮选柱的要求是要在较大的表观充气速率下产生微小气泡。因为表观充气速率，给料速率和气泡大小三者之间相互关联，并且存在极限值，所以这些一直困扰着高效浮选柱的研制。近年来，浮选柱的结构和形式在不同方面有着不同的进展，但总体来说主要表现为以下几个方面：（1）气泡发生器：气泡发生器由原来的大多数容易堵塞的内置式气泡发生器发展成为外置式，也有经改进的比较先进的内置式气泡发生器，并且气泡发生器的发泡方式更多，更先进，更合理。现在的气泡发生器有文丘里管发生器，漩涡气泡发生器，高效气动液压型充气器等等；（2）充填介质：充填介质和介质床层的类型越来越多，解决了碱性矿浆中充填介质容易发生堵塞的问题，并且气泡分散的均匀性和浮选柱内矿浆流态的稳定性也相对增强了；（3）柱体高度：浮选柱高度由原来的十几米降到几米，即使是大型化的浮选柱的高度也几乎都在十米以下，并且其高径比也逐渐降低；（4）在浮选柱内对矿浆进行浮选的时间也逐渐缩短14,15。随着对浮选柱研究的一步步深入，浮选柱的种类越来越多，以下是几种新型浮选柱：（1）多产品浮选柱：该浮选柱与常规的浮选柱相比，在富集比和浮选速率上该多产品浮选柱具有一定的优势，多产品浮选柱选择性地分离出泡沫回落物，避免了颗粒再循环和常规浮选柱中的污染精矿的现象。同时该浮选柱中的矿浆黏度，密度和滞留固体成分保持恒定，可以精确的被截取出精矿；（2）可换充气器浮选柱：可换充气器浮选柱含有两套互为备选的充气器，随着压力的变化充气器可进出带有活动盖板的过渡室使其脱离矿浆而不结垢，因此可以在不停生产的情况下进行维修更换，操作方便一维护；（3）稳流板浮选柱：水平稳流板由一些简单的带孔的板组成；（4）机械搅拌浮选柱：机械搅拌浮选柱中加入了机械搅拌机构，提高了对粗颗粒矿物的分析能力，改善了粗颗粒分析效果；（5）电解浮选柱：在电解浮选柱的底部安装了电极，电解水产生的微小氢气，氧气气泡碰撞并附着疏水性颗粒，因此对颗粒分析效果较好16。浮选柱的结构如图1-2所示： 图1-2 浮选柱的结构虽然对浮选柱的研究已经有了很大的突破和进展，具有高效节能，结构简单和浮选效果好等特点，也越来越成为今后高效新型浮选设备之一，但是浮选柱的结构和分选效果仍然有待于进一步完善和提高。1.2.3 煤炭的洗选工艺我们把通过利用煤和杂质(矸石)物理，化学性质上的差异，然后通过物理、化学或微生物分选的方法使得煤和杂质有效分离，并且加工成为质量均匀的但用途不同的煤炭产品的煤炭加工技术称为煤炭的洗选工艺。按照选煤方法的不同可以把洗选工艺分为：物理选煤，物理化学选煤，化学选煤和微生物选煤等等。根据煤炭和杂质物理性质（如粒度，密度，硬度，磁性和电性等等）的不同对煤炭进行分选的工艺称为物理选煤，包括重介质选煤，斜槽选煤，摇床选煤，风力选煤，跳汰选煤等洗选工艺。根据矿物表面物理化学性质的不同对煤炭进行分选的工艺称为物理化学选煤，该工艺使用的浮选设备种类很多，主要包括机械搅拌式浮选和无机械搅拌式浮选。将通过化学反应使煤中含有的有用成分富集起来，并且同时除去其中的杂质以及有害成分的工艺过程称为化学选煤。通过化学的方法进行脱硫的方法是实验室中经常采用的脱硫方法之一，由于常用的化学药剂的种类和反应原理的不同，根据此差异对其进行分类，可以分为氧化法，溶剂萃取处理法以及碱处理法等等17。通过利用某些自养性和异养性微生物，直接或间接的利用其代谢产物从煤中溶浸硫达到脱硫的目的的方法称为微生物选煤。一般来说，煤炭的洗选过程主要包括以下几个过程：（1）原煤的准备：该过程包括原煤的接受，储存，破碎和筛分；（2）原煤的分选；（3）产品的脱水；（4）产品的干燥；（5）煤泥水的处理。对煤炭进行洗选的作用：（1）提高煤炭质量，同时减少燃煤污染物的排放；（2）提高煤炭利用效率，节约能源；（3）优化产品结构，提高了产品的竞争能力；（4）减少了运输上的浪费。1.2.4煤炭的浮选工艺 我们把根据矿物颗粒的表面的物理化学性质的差异，按矿物的可浮性的差别来进行分选的方法称为煤炭的浮选工艺。浮选适合用于处理细颗粒及微细颗粒物料。利用矿物表面的物理化学性质差异来分选矿物颗粒的过程是目前应用最广泛的选矿方法，浮选的另一重要用途是降低细粒煤的灰分和脱除煤中的细粒的硫铁矿。当浮选的生产指标和设备效率都比较高时，分选硫化矿石的回收率在90%以上，精矿的品位可接近纯矿物的理论品位。降低原煤中的灰分含量以及降低硫、磷含量，提高热量是对原煤进行分选的目的。重选法是对原煤进行分选的主要方法，而浮选则是用于处理重选过程中产生的煤泥水，回收粒度小于0.5mm粒级的煤泥18。煤由有机物和无机物两部分组成，是一种成分不均质的混合物。其无机物成分包括灰分和水分，有机物成分包括挥发分和固定碳。同时煤也是非均质矿物，结构非常复杂具有明显的不均匀性，它包含着极性，杂极性和非极性物质19。用于煤炭浮选的常用的煤炭浮选药剂包括：（1）烃类油捕收剂：煤，石墨，硫磺，辉钼矿，滑石及雄黄等矿物浮选，广泛使用烃类油作为捕收剂；（2）起泡剂：与金属硫化矿相似，煤浮选常用松醇油、甲基戊醇作为起泡剂；（3）煤浮选用捕收剂：包括MB系列浮选剂，FS202捕收剂，ZF浮选剂，ZX系列浮选剂等，多为兼有起泡性和捕收性双重性能的浮选药剂20。煤炭的浮选工艺过程如下所示：（1）在破碎机中进行初步破碎；（2）在球磨机中对矿石进行粉碎研磨；（3）在螺旋分级机中对矿石混合物进行洗净和分级；（4）在磁选机中初步分离，得到的矿物颗粒再送到浮选柱中加药剂进行进一步分离；（5）放到浓缩机中初步浓缩，再经烘干即得到干燥的矿物。煤浮选过程的影响因素包括：（1）煤泥的特征；（2）煤浆的性质，主要是煤粒度，粒度组成和浓度；（3）药剂制度；（4）浮选柱所造成的工作条件；（5）浮选工艺流程。为了强化细颗粒的浮选以及减轻和防止矿泥的有害影响，通常采用的工艺措施包括：（1）防止和消除矿泥对浮选过程的干扰的措施主要有：脱泥，添加矿泥分散剂，分批加药和降低浮选的矿浆浓度；（2）选用对微粒矿物具有化学吸附或者螯合作用的捕收剂，从而有利于提高浮选过程的选择性；（3）使用物理或者化学的方法来增大微粒矿物的外观粒径，以提高待分选的矿物的浮选的选择性和效率；（4）减小气泡的粒径，增加气泡的粘附量。浮选参数对浮选效果的影响的主要因素：（1）起泡剂：起泡剂是一种表面活性物质，它的主要作用是用于降低气-水界面上的界面张力，进而促使空气在矿浆中产生小气泡，扩大分选界面来粘附疏水性物质，同时保证气泡上升形成泡沫层，进而分离出精煤。浮选设备中各种类型的充气搅拌装置和向矿浆中添加的适量的起泡剂决定了浮选的矿浆中气泡的形成，因此选择适当的溶解度和适当增加起泡剂的浓度是提高浮选效果的重要因素。（2）捕收剂：捕收剂是用于改变矿物表面疏水性，使气泡能够粘结浮游的矿粒的浮选药剂。物理吸附，化学吸附和表面化学反应是捕收剂在矿物表面的主要作用，在浮选过程中应该正确把握捕收剂的用量，使用捕收剂的最佳用量来达到最高效益。捕收剂在一定的浓度范围内，捕收剂浓度越高，气泡的吸附量液越高，浮选的回收率明显上升。但是当捕收剂浓度达到一定值之后，浓度和吸附量的提高反而会使得回收率有所降低。随着捕收剂浓度进一步增加，使得捕收剂浓度过高，吸附量会继续增加，但是回收率却不会继续增加，相反的会有所下降。（3）入料浓度：精煤的产率随着入料浓度的增加先增加后下降，但是入料浓度过高反而会导致浮选效果下降，所以入料浓度应该要适中。（4）中矿循环系统：精煤产率，精煤灰分以及尾煤灰分都随着中矿循环的压力的增加而增加。同样中矿循环的压力过高时，浮选的完善指标有所降低，所以循环压力通常适中，不适合过高。1.3研究内容与技术路线本次论文的核心是针对螺旋微泡浮选柱对微细粒级含量较大的煤泥在浮选过程中研究，通过大量文献资料的阅读，以及一定数量的实验，在比较之下发现不同的操作因素对浮选效果产生的不同影响。通过学习前人的研究方法，以及自己所做的相关实验，并结合该论文所研究的内容，确定本次实验技术路线如下所示： （1）煤样的制备。将所采取煤样在自然情况下晾干，筛分获取0.50mm的浮选煤样，然后将其缩分。 （2）原煤的分析。首先对所制备的煤样进行小筛分实验，可以得到原煤粒度组成。同时对0.2mm的煤样进行XRD实验，分析矿物组成。还要做接触角试验，来分析润湿性（注意的是接触角试验所用煤样为0.2mm，先压片，再做接触角），以此来初步判断可浮性。 （3）可浮性分析。这一步是重点，要选出最佳参数试验。 （4）各实验产品性质分析。主要是对其所得的精煤和尾煤性质分析。 2试验煤样的分析2.1 煤样的制备制备煤样的一般工序包括：破碎、筛分、混合、缩分、干燥五个部分。 破碎是将煤样粒度减小的操作过程，这样使得煤样颗粒数增加，为减少缩分误差做准备。破碎过程中所采用的设备是破碎机，本试验中所采用的是机械设备破碎中的锤式破碎机。锤式破碎机是由机架，机壳，筛板，带锤头转子，电机，接样斗六部分构成。其结构图如下：图2-1 破碎机结构图筛分是分离出不符合在一定阶段粒度的制样，而将其进一步破碎到所要求的粒度，以保证在各制样阶段都达到一定的分散水平。目前所用的筛子大多是电动的。图2-2 分子筛示意图混合是通过人为的方法使煤样尽可能地均匀。从理论上讲，缩分前进行充分混合会减小制样误差，但实际并非完全如此，因为混合过程中会有部分水分损失。在粒度保持不变的情况下质量减少，来减少后续处理的工作负荷以及使得煤样质量满足最后的检测的需要，我们把这种工艺过程称为缩分。在制样过程中起最关键的作用的便是缩分，制样误差的主要来源也是缩分。缩分的方法有很多种，其中本研究采用的方法是堆锥四分法。这是因为堆锥四分法相对来说是一种比较实用的而且比较方便的方法，并且其堆锥过程也很简单，其目的是对煤样中的各个部分进行充分的混合，使得煤样中的不同的组成成分互相分散的更加均匀。T图2-3 堆锥四分法 煤样在收到时往往含有大量水分，在做试验前要对其进行干燥。干燥就是在环境温度与大气湿度达到平衡下，将煤样铺成均匀的薄层，散失水分。减小由于水分而带来的影响21。2.2煤样的分析对于此次进行研究的煤样需要对其进行煤样分析，此次选用的原煤是新庄孜选煤厂的煤，在这里主要是对其进行水分和灰分的研究。通过对进行的分析试验，从而对煤样的性质得以进一步的了解，方便对浮选试验的研究，得到浮选柱对其浮选效果。本次试验对水分的分析的试验步骤如下所示：（1）称取粒度小于0.5mm分析试验煤样4g左右放在事前已经干燥并称好质量的称量瓶内，要求精确至0.0001g，然后在称量瓶内平摊好已经称好的试验煤样。（2）在试验前需要将干燥箱事先鼓风好并加热到（105110）。打开称量瓶并将其放入干燥箱中，并在1小时左右一直鼓风。（3）干燥过后从干燥箱中拿出该称量瓶并且立即盖上称量瓶盖子，然后将其放入到干燥器中进行冷却，温度降至室温（约20分钟左右）后再称其重量。（4）进行检查性干燥，每次大概80分钟，知道连续两次干燥煤样的质量的减少量不超过0.0010g或者是质量有所增加时为止。其中如果质量有所增加，要用质量增加的前一次称量的质量为计算的依据。如果水分小于2.00%，就不需要在进行检查性干燥。其中分析试验煤样的水分的计算公式如下：式中:Mad：一般分析试验煤样的水分的质量分数，%；m：称取的一般分析试验煤样的质量，其单位为克（g）；m1：煤样干燥后失去的质量，其单位为克(g）。原煤煤样水分分析的记录表2-1如下所示：表2-1 分析原煤煤样水分数据序号1234实验前分析煤样重量/g4.124.194.204.27实验后煤样重量/g3.924.004.014.12所测分析煤样水分/%4.854.534.523.51水分平均值/%4.35灰分分析的试验步骤如下:（1）准确地称取1g左右的粒度小于0.5mm的一般分析试验煤样，精确至0.0001g，并且放在质量恒定和事先已经灼烧好的灰皿中，然后将称取的煤样在灰皿中平摊放好。（2）将灰皿放入炉温不超过100的马弗炉恒温区内，然后关上炉门。开启电源，按下慢灰，启动，该马弗炉会自动在30分钟内升温至500，接着保温30分钟，然后继续加热至815，用时大约依旧是30分钟，并在此温度下连续灼烧1小时。 （3）从马弗炉中取出灰皿放在耐热瓷板上，自然冷却5分钟左右，再次将灰皿放入干燥器中冷却至室温后再称量。 （4）将灼烧好的煤样在815下进行检查性灼烧，每次间隔时间为20分钟，一直到连续两次灼烧后的质量变化不超过0.0010g为止，并且以最后一次灼烧后称量的质量为准。分析试验煤样的空气干燥基灰分计算公式如下所示：式中: ABd ：空气干燥基的灰分的质量分数 ，%； m ：称取的分析试验煤样的质量，其单位为克(g); m1：灼烧后剩余残留物的质量，其单位为克(g)原煤煤样的灰分分析的记录表2-2如下所示：表2-2 分析原煤煤样灰分数据序号123空灰皿质量/g17.078819.145117.2206实验前煤样质量/g1.13061.05691.1141实验后煤样质量/g0.35420.37670.4163所测煤样灰分/%31.3235.6437.37灰分平均值/%34.78由分析原煤煤样水分测定表2-1及分析原煤煤样灰分测定表2-2可知，该试验煤样的空气于燥基水分的质量分数平均值为4.35，空气干燥基灰分的质量分数平均值为34.78，灰度偏高。由此可以看出，煤泥样品中灰度相对较高。其中灰分是煤炭的有害成分，它降低煤的发热量，影响焦炭质量。本实验研究螺旋微泡浮选柱对微细煤泥的有效浮选，该煤样正好适合要求，初步判断该试验用煤的性质，有益于后续研究。2.3 粒度的分析 在制备好的煤样中，根据中华人民共和国国家标准煤炭筛分试验方法（GB/T477-2008）的规定，分别使用0.500mm、0.425mm、0.250mm、0.125mm和0.075mm的标准套筛对其制好的试验煤样进行粒度分析。其结果如表2-3所示：通过对煤的粒度进行分析，得到煤样的粒级分布，从而对煤样进一步了解，得知煤样中煤粒分布的主要粒级，有利于对煤样的浮选的研究。 表2-3 筛分粒度组成表粒级/mm质量/g产率/%灰分/%累计产率/%平均灰分/%0.5-0.42566.7533.4018.0433.4018.040.425-0.252.81.4013.2734.8017.840.25-0.1259.974.9914.5139.7917.430.125-0.07578.8239.4415.4879.2336.20-0.07541.520.7717.89100.00199.84100.00由表2-3筛分粒度组成表可以看出： 由上可以看出，累计产率随着粒级的增大而逐渐上升。0.125mm到0.425mm粒级间的颗粒较少。 煤样中主导粒级是0.0750.125mm，占全样产率的39.44，粒级低于0.075mm的煤粒也较多，说明煤样中含有大量的微细颗粒。2.4 矿物组成的分析X-射线衍射分析是煤炭物相分析常用的方法。可以根据其测试结果来分析出煤样组成，准备好待测样品磨至0.50mm进行X-衍射分析。X-射线衍射仪型号：Bruker公司D8Advance型；工作条件：X射线管：电压：40kV；电流：30mA；阳极靶材料：Cu靶，K辐射；检测器：柯林斯阵列探测器；测角仪半径：250mm；狭缝系统：发散狭缝：0.60mm；防散射狭缝：8mm；Ni滤片滤除Cu-K射线；检测开口：2.82；入射侧与衍射侧的索拉狭缝均为2.50；采样：扫描速度：0.10sec/step；采样间隔：0.01945(step)依据标准分析方法，通过比对得出该煤样的XRD测试谱图如图 2-5 所示。图2-5试验煤样XRD衍射图谱由上图可知，该试验煤样中包含的主要矿物质是石英，方解石和高岭土，其中高岭土含量最多，属于粘土类矿物，并且在水中极易泥化。因此，煤样中存在这类矿物不仅会导致浮选过程恶化，还会对精煤造成污染。所以通过浮选柱浮选此类煤时，要尽量减少泥质粘土的夹带对精煤的污染，并提高浮选中精煤的产量。2.5润湿性的分析矿物润湿性是用来表征矿物表面被水润湿的程度，根据润湿性大小程度的不同可以说明浮选行为变化的过程。实验室中经常采用接触角的方法来判断矿物表面润湿性的大小。在平衡状态下，通过Yong方程可知，接触角越大cos越小，这说明了矿物表面的润湿性越小，但可浮性越好，其中润湿性相当于cos，可浮性相当于1- cos，因此可以由测定的接触角的大小来评估矿物的润湿性和可浮性22。 将0.5mm的煤样在15Mpa的压力下进行压片，其操作过程是先取出凹模与模垫，装入已配置好的0.5mm的煤样，约占凹模的1/2-2/3。加压15Mpa，保压2min左右后往下旋转手柄。将模垫翻转180度成凹面装上，放在模托上，旋下手柄冲击产品。产品即可落入凹模内，即可得正圆形的压片，按照压片过程做三个压片，标号1,2,3。 将制备好的待测样品放入实验室进行接触角测量。其中测定仪是德国KRUSS公司的DSA100型光学接触角测量仪，其工作条件为：温度：2025；电源：220V/5060Hz；测量范围0180；相对湿度：4065RH；测量精度：0.10。其测量结果如下表2-4所示：表2-4煤样接触角测定表序号左接触角右接触角平均接触角表面能1表面能2粘附功165.3264.9165.1244.7236.74103.43259.2261.8060.5147.5340.53108.64358.8762.1860.5347.5240.51108.62平均值62.05该煤样的接触角测定图像2-6如下：图2-6煤样压片的接触角测定图像通过测定结果可知:该煤样的接触角为62.05。接触角的值较大，说明该煤样的润湿性较小，去离子水滴在该煤样表面铺展较慢，从而可知，该煤样表现的疏水性较好，从而可浮性比较好。因此要通过常规的浮选来得到精煤较为容易，初步判断此煤样可浮性为易浮选。2.6可浮性的分析2.6.1浮选最佳参数的选择试验参照GB/T4757-2001煤粉（泥）实验室单元浮选试验方法，并结合实验室具体的条件，此次论文中选取的捕收剂是煤油，其密度是0.85g/ml，起泡剂选取的是甲基异丙基甲醇（MIBC），其密度为0.8g/ml。以煤油和甲基异丙基甲醇为捕收剂和起泡剂进行的浮选参数的选择试验，主要研究的是捕收剂和起泡剂的药剂用量比，在叶轮存在下无中矿循环系统，在中矿循环系统存在条件下而无叶轮以及既有叶轮存在又有中矿循环系统存在的条件下进行浮选试验。其他参数按照国标取固定值，如充气量为0.25m3/min,叶轮转速为1800r/min等等。为了方便对比分选效果，精煤产品的灰分指标为10.50%。其过程中所需的试验煤样和药剂量的计算如下：（1）试验煤样的计算：式中： ：试验煤样的质量，g; : 矿浆浓度,g/L; :试验煤样空气干燥基水分，%。（2）药剂量的计算： 式中： : 加入药剂的体积，mL； : 药剂单位消耗量，g/t； : 药剂密度，g/cm3。首先在矿浆浓度为100g/L，捕收剂和起泡剂的用量之比为10:1条件下，通过改变捕收剂和起泡剂的用量来进行煤泥的初步探索试验，其试验结果如下：表2-5 药剂初步探索试验结果柴油用量g/tMIBC用量g/t精煤产率精煤灰分尾煤产率尾煤灰分完善指标6006033.7420.3376.7539.8128.498008040.6516.4753.7445.3954.16100010050.0211.0949.7163.7660.16120012050.2711.5149.4567.9759.89140014050.5712.0448.4767.9159.24由上表可知，随着捕收剂和起泡剂用量的增加，精煤的产率逐渐增加，而精煤的灰分是先降低后有所增加。相比之下尾煤产率逐渐降低，尾煤的灰分先逐渐增加之后有所降低。浮选完善指标先逐渐增加后降低，分析此现象的原因是：对于不同粒级的煤粒来说其上浮速率不同，细颗粒的浮游性较好，相对粗颗粒更易于上浮，而粗颗粒灰分小于细颗粒，对于高含量高灰分细颗粒级颗粒煤泥，在药剂用量不足时，细颗粒由于其比表面积较大，会优先吸附到药剂上并上浮。从而导致低灰粗颗粒因无药剂协助而无法矿化，而损失于尾煤中，导致尾煤灰分偏低，精煤灰分较高产率较低。而随着药剂用量的增加，在疏水性颗粒矿化同时部分亲水性颗粒由于药剂过剩而发生非选择性吸附，在气泡带动下进入精煤中，造成精煤灰分增大，精煤产率和尾煤灰分也逐渐增大，导致浮选完善指标先增大后降低。当捕收剂（柴油）和起泡剂（MIBC）用量分别1000g/t,100g/t时，精煤灰分最小，是11.09，此时精煤产率和浮选完善指标分别为50.02,60.16。本论文要求精煤产品灰分为10.50，其初步试验均大于此值。为了实现降低灰分目的，则选择1000g/t的捕收剂和100g/t的起泡剂的用量为初步探索的最佳药剂条件。2.6.2 强离心力微泡浮选柱的试验研究矿浆以切线方式给入浮选装置，形成旋流，同时浮选装置内部底端的叶轮旋转，产生主旋水流，叶轮上方的中矿循环扫选系统的射流，切线进入形成旋流，入浮煤泥在三个旋流的离心力场作用下，按照密度差异进行分离，密度大的矸石颗粒被甩向外缘，沿着柱壁从底料口排出，密度小的颗粒运动到装置中间，气泡发生器产生的气泡随着旋流运动到柱体中心，与密度小的颗粒碰撞矿化，疏水性好的矿粒粘附在气泡上，矿粒跟随气泡形成泡沫层，上升到溢流堰，小部分没来得及粘附在气泡上的中矿颗粒被吸浆斗抽取，通过泵和气泡发生器射流进装置重新进行泡沫浮选。由药剂初步探索试验可知，所选捕收剂（柴油）和起泡剂（MIBC）用量应该分别1000g/t,100g/t，并且在矿浆浓度为100g/L ，试验煤样的质量为1000g，充气量为0.25m3/min,叶轮转速为1800r/min等情况下，对强离心力微泡浮选柱进行研究。实验内容主要包括，只需第一组试验不加叶轮，第二组试验不加中矿循环系统，第三组既有叶轮又有中矿循环系统，其他条件均相同。对螺旋微泡浮选柱的试验研究应用的装置如下图2-7所示：图2-7强离心力场微泡浮选柱为了方便记录数据，我们在浮选实验中我们规定：A组：不加叶轮B组：不加中矿循环C组：既有叶轮又有中矿循环实验结果如表2-6所示:表2-6浮选试验结果实验分组试验次数精煤产率%精煤灰分%尾煤产率%尾煤灰分%浮选完善指标%A153.1019.0340.9063.8556.19253.5818.8840.4263.5656.13352.9318.6940.0763.4557.01B153.3912.5849.8162.8957.29253.6112.6348.7962.9857.55353.1012.5548.9763.0357.31C152.4210.8349.7863.8460.19252.4610.8050.5464.2560.09352.2410.7649.8064.0960.14分析总结：（1）由实验可知，捕收剂和起泡剂的用量均会对浮选效果产生一定的影响。当药剂量偏小时，选出的精煤的质量会偏低；然而捕收剂过量后则会造成气泡过细而发黏，泡沫层的流动性会变差，导致了精煤产率有所下降，进而影响煤泥浮选的效果。虽然起泡剂用量的适当增加可以使气泡的稳定程度有所提高，但是如果起泡剂过量，将会加剧细泥夹带现象，从而使得精煤灰分偏高。因此由表2-6可知，当选择的捕收剂用量为1000g/t，起泡剂用量为100 g/t时，煤泥的浮选效果是最好的。（2）在人料浓度一定，捕收剂用量为1000g/t，起泡剂用量为100 g/t，以及其余条件一定下，不论是有叶轮而无中矿循环系统，还是有中矿循环系统而无叶轮的情况，其煤泥浮选效果远远没有两者都有的浮选效果好。其主要原因是形成了螺旋力场，而在该力场下，在浮选柱内会形成一个螺旋流，从而对入浮煤泥进行预分选。（3）随着中矿循环压力的增加，精煤产率、精煤灰分和尾煤灰分均随之增加；而在较高的循环压力下，浮选完善指标有所降低，因此循环压力不宜过高，通常选择适中的循环压力即可。（4）本试验中所选用的螺旋微泡浮选柱优于好多浮选柱，相对而言，其结构很合理、处理煤量大、分选效率高，并且可通过螺旋力场将粗细煤泥颗粒粗选，泡沫细粒煤泥精选，达到改善浮选柱处理效率，提高精煤品位的目的。3强离心力场微泡浮选柱3.1研究意义及背景随着全球全球煤炭开采大型化合煤炭资源的日益枯竭，以及煤炭中微细颗粒所占比例的日益增加，使得煤炭中微细颗粒的处理难度越来越大。而浮选是处理细粒级颗粒最有效的方法之一，而浮选效果的好坏在一定程度上取决于选用的浮选机械。浮选柱和浮选机是目前最主要的浮选设备23。浮选柱依靠气泡发生器产生的微泡对微细颗粒煤泥的粘附进行浮选，通过二次富集和冲洗水作用对因机械夹带污染精煤的减缓有一定的效果，有利于提高浮选精煤的品质，能够有效地弥补浮选机所存在的弊端。但是浮选柱对微细颗粒的浮选不全面，当入料中微细颗粒的含量超过一半时，煤泥的可浮性会变差，浮选柱浮选后的精煤会被泥质夹带所污染，灰分偏高，药剂消耗量高24。相对来说，浮选机则是由于自身槽体浅，槽体内紊流强度大，精矿泡沫层比较薄，分选微细颗粒煤泥的效果不好使得浮选精煤灰分高出重介精煤灰分，并且会形成较为严重的重介背会现象。现在大多数选煤厂的浮选入料中低于0.074mm粒级煤泥含量都在60%以上，因此急需解决浮选柱柱体过高、矿化效率不高、耗药量过多和精煤灰分指标不满足要求等问题25,26。本设计针对浮选柱使用中存在浮选效率不高、柱体过高和耗药量过多的问题，提供了一种合理的、处理量大的、浮选效率高的浮选装置，即通过螺旋力场将粗细煤泥颗粒进行粗选，使用泡沫进行细粒煤泥精选，达到改善浮选柱处理效率和提高精煤品位的目的。3.2工作原理3.2.1螺旋流选矿原理在浮选柱的螺旋流中的固体颗粒所受的力主要包括离心力，轴向力和液体阻力。因为固体颗粒在螺旋流中随着液体做旋转运动，所以固体颗粒所受的离心力是：上式表明螺旋流中固体颗粒所受的离心力与固体颗粒的粒径、密度、所处的位置以及该位置上所受的切向速度有关，其方向指向浮选柱筒壁。由于惯性离心力径向传递的结果，导致绕螺旋流中心作回转运动的固体颗粒在径向方向上受到一向心浮力的作用（该力阻碍颗粒向筒壁运动）,此向心浮力为：由上式可以看出，向心浮力与固体颗粒的粒径、液体密度、所处的位置以及该位置上的切向速度有关。此外，颗粒在离心力场中还受到流体拽力的作用：上式表明流体拽力的大小受到径向相对速度的影响。在径向上，向心浮力和流体拽力构成了流体阻力，阻碍颗粒向浮选柱壁面运动。由于液体和固体颗粒之间存在密度差，所以其相对于流体在重力方向上有作用力差。由于流体向下运动，使颗粒受到向下的轴向拽力、重力和向上的液体浮力，粒子在外旋流中轴向合力为：其中，FWZ方向和液体流动方向相同(朝向底流口)27。入浮煤泥沿切线给入浮选装置，随浮选装置内部底端设置的叶轮旋转形成的主螺旋流和气泡发生器切线射流出的旋流旋转，螺旋流内的煤泥颗粒受到离心力、液体阻力和轴向作用力。因煤泥颗粒粒度和密度的不同，密度大、粒径大的煤泥颗粒被甩到螺旋流边缘，并沿着浮选柱筒壁向下运动；而密度小、粒径小的颗粒聚集在浮选装置的中心。因为入浮煤泥颗粒的粒径较小，入浮煤泥颗粒分离时主要依据颗粒的密度，所以螺旋流可以将入料的轻重产物成功的分离开来。3.2.2 泡沫选矿原理泡沫选矿主要是靠碰撞接触、粘附、矿化升浮、泡沫层形成多种机理综合作用的结果28。 图3-1 气泡矿化示意图泡沫选矿的过程主要分为四个阶段：（1）接触阶段：矿物颗粒在矿浆中与气泡接近，并进行碰撞接触，如图1（a）；（2）粘着阶段:矿物和气泡碰撞接触后，表面疏水的矿粒与气泡之间的水化层逐渐变薄，破裂，并在气、固、液三相之间形成三相接触周边，实现矿粒与气泡之间的附着。如图1（b）；（3）升浮阶段：矿化气泡（即附着了矿粒的气泡）彼此互相之间相互粘结而形成矿粒气泡的联合体，并且在气泡上浮力的作用之下进入泡沫层，如图2；（4）泡沫层的形成阶段:最后浮选柱上部构成的稳定的泡沫层，应该及时将其刮出。图3-2 矿化气泡升浮示意图在气泡矿化的过程中，表面疏水的矿粒优先附着在气泡表面，构成气泡-矿粒的联合体。而表面亲