机械搅拌对絮团分选超净煤的影响研究.pdf

159Vol.55,No.8COALENGINEERING第55卷第8 期程炭煤doi:10.11799/ce202308029机械搅拌对絮团分选超净煤的影响研究王婕，李珠琼?，赵静3，张广山4（1.太原理工大学土木工程学院，山西太原030024；2.山西省地质矿产研究院有限公司，山西太原030001;3.淮南师范学院化学与材料工程学院，安徽淮南232038；4.北京约顿气膜建筑技术股份有限公司，北京100125)摘要：机械搅拌是絮团分选超净煤过程中至关重要的环节。通过理论计算和分析，论证了絮团形成过程中搅拌能量场输入的必要性，试验分析了搅拌转速、搅拌时间对絮团粒度及超净煤分选的影响，对比了经两种不同超细粉碎方式粉碎后的煤颗粒形成的絮团大小和超净煤分选结果的差异。结果表明：颗粒间的相互作用势能存在能垒峰，机械搅拌能量场的输入，赋予了煤粒克服能垒的动能，使其能在疏水势能作用下发生聚团。粒度越小，需要输入的搅拌能量就越高。粒度较小的煤颗粒，随着搅拌转速、时间的增加，絮团粒度及超净煤产率出现小幅度的升高后逐渐降低。较强的搅拌能量场输入有利于分选出灰分更低的超净煤。与搅拌磨粉碎后的煤样相比，经气流磨粉碎后的超细煤形成的絮团粒度较大，分选出的超净煤产率和灰分较高。关键词：超净煤；絮团浮选；机械搅拌；扩展DLVO中图分类号：TD94文献标识码：A文章编号：16 7 1-0 959(2 0 2 3)0 8-0 159-0 6Influence of mechanical stirring on flocculation separation of ultra-clean coalWANG Jie,LI Qiong,ZHAO Jing,ZHANG Guangshan*(1.College of Civil Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 03024,China;2.Shanxi Institute of Geology and Mineral Resources Co.,Ltd.,Taiyuan 030001,China;3.School of Chemistry and Materials Engineering,Huainan Normal University,Huainan 232038,China;4.Metaspace（Be i j i n g）A i r D o m e Co r p.,Be i j i n g 10 0 12 5,Ch i n a)Abstract:Mechanical stirring is a very important step in the process of ultra-fine coal separation.Through theoreticalcalculation and analysis,the necessity of stirring energy input in floc flotation process are demonstrated,and the effects ofstirring speed and stirring time on floccules size and ultra clean coal separation are experimentally analyzed.The floc sizeformed by coal particles grinded by two different ultra-fine grinding methods and the separation results of ultra clean coal werecompared.The results show that there is an energy barrier peak in the interaction potential energy between particles,and theenergy input of mechanical stirring endows the coal particles with the kinetic energy to overcome the energy barrier,whichenables them to agglomerate under the action of hydrophobic potential energy.The smaller the particle size,the higher theinput of stirring energy.With the increase of stirring speed or stirring time,the floccules size and ultra-clean coal yieldincreases slightly and then decreases gradually for coal particles with smaller particle size.Stronger stirring energy input isbeneficial to the separation of ultra-clean coal with lower ash content.Compared with the coal samples grinded by strring mill,the ultrafine coal pulverized by jet mill has larger-sized flocs and higher yield and ash content of ultrafine coal.Keywords:ultra-clean coal;floc flotation;mechanical stirring;EDLVO超净煤是指灰分1%2%，甚至小于1%的超低灰精煤。作为一种新型高附加值的产品，可用于制备替代柴油、天然气的精细水煤浆及多种碳素材料的原料1-6 ，以及用于制备高分子工程材料7.8 。在超净煤的制备方法中，絮团浮选法所用的分选药剂安全性较高，且对国内煤种呈现良好的适用性，是更为行之有效的分选方法。絮团浮选的前提是将煤超细粉碎，尽可能地实现无机矿物与有机质的解离，收稿日期：2 0 2 2-0 7-2 6基金项目：山西省青年科技研究基金（2 0 190 1D211040）作者简介：王婕（198 9），女，山西长治人，讲师，研究方向为洁净煤技术，E-mail：1513519917 8 16 3.c o m。引用格式：王婕，李琼，赵静，等机械搅拌对絮团分选超净煤的影响研究J1煤炭工程，2 0 2 3，55（8）：159-16 41602023年第8 期研究探讨程炭煤在选择性药剂作用下，通过高速搅拌，使超细煤颗粒碰撞粘附，形成一定尺度的絮团，再通过常规浮选分选出超净煤。可以看出，絮团分选超净煤的核心环节在于絮团的形成，而絮团的形成是建立在超细粉碎后颗粒表面性质、非极性油的强化以及高强度搅拌能量输入三个因素的共同作用下。颗粒表面的疏水性以及非极性油的诱导疏水作用强化了颗粒的聚团程度和抗碎裂能力，搅拌能量场的输人则确保了颗粒间的碰撞粘附直至絮团的形成。Chenl9等人研究得出，随着搅拌强度的增加，聚团粒度分布由单峰向双峰转变，聚团形态由支链状逐渐变为球形。Koh10也发现了相似规律，并且认为粗粒级絮团所呈现出的自相似性对数分布仅仅与搅拌速度有关。赵静11 等人应用分形维数分析了剪切力场中絮团形态和粒径的非线性变化，确立了分形维数与搅拌速度的关系，认为当分形维数最大时，絮团具有密实的结构和合适的大小，分选效果也最好。由此可见，机械搅拌对絮团的形成影响十分显著。前人较多的研究集中于搅拌速度、时间对絮团粒度、形态的影响，并未将絮团人料颗粒的差异纳人研究范围。由于絮团分选超净煤的前提是煤的超细粉碎，不同的超细粉碎方式、超细粉碎后不同的煤颗粒粒度，也会影响到机械搅拌条件的最优化选择，从而影响到絮团的形成12,13。因此本文选取经两种不同超细粉碎设备处理后的不同粒度的超细煤为样品，在论证了絮团浮选过程中搅拌能量场输入的必要性的基础上，综合考虑超细粉碎方式和超细煤粒度，研究搅拌参数对絮团粒度及分选出的超净煤产率和灰分的影响，以期对絮团分选超净煤提供理论依据和实践指导1试验材料及方法1.1实验煤样选取神木不黏煤（SM）进行研究，采用德国varioMACROCHNS型元素分析仪和美国TGA-701型工业分析仪分别进行煤样的工业分析和元素分析，结果见表1。采用日本Rigaku公司D/MAX2500型X射线衍射仪对煤样进行XRD分析，结果如图1所示。神木不黏煤的变质程度较低，内水含量高，煤中的无机质主要为高岭石、石英和方解石。表1神木煤的工业分析与元素分析%MadAadVafFC dafCdarHdarOdarNdarSdar4.884.2336.6563.3582.165.8410.411.310.281.3絮团形成及超净煤分选絮团制备在体积为1L的圆柱形搅拌槽中进行，如图2所示，搅拌器形状为涡轮型叶轮，叶轮直径5cm。将超细粉碎后的煤样用水浸湿后倒人搅拌槽中，加入一定量的乳化柴油后进行高速搅拌（不同粒度Q20007K:高岭石KQ:石英KKC1500C:方解石Non:非晶质(煤)Non1000500CCQCQNon01020304050607020/()图1神木煤的X-射线衍射图谱1.2超细粉碎实验煤样采用QHPE-5080型颚式破碎机破碎至1mm以下，经XMB-70型棒磨机磨矿后作为超细粉碎的原料。超细粉碎选取湿法和干法两种粉碎方式，湿法超细粉碎在QHJM-1型搅拌磨上进行，磨矿浓度为30%（质量分数），干法超细粉碎在MQW03型气流磨上进行。粒度组成由MalvernMastersizerX型激光粒度仪测得。超细粉碎后神木煤的体积平均粒径D4，3见表2。表2超细粉碎后的煤颗粒的平均粒径um搅拌磨原样气流磨15 min30 min 45 min60 min141.3515.0810.778.576.13 7.806.20 5.56图2搅拌装置的超细煤样，单位比表面的药剂用量相同）。乳化柴油是由乳化剂（曲拉通）、柴油和水配制而成，油水比1：4。高速搅拌后的煤浆倒人浮选机中进行超净煤分选，浮选浓度为50 g/L，起泡剂为仲辛醇，经一次粗选、一次精选后得到超净煤。2絮团形成过程中机械搅拌的作用机制絮团分选超净煤的核心环节是絮团的形成。由扩展DLVO理论可知，微细粒超净煤颗粒要获得有效的絮团，其颗粒之间的总作用势能应该为负值。微细煤颗粒在水中总作用势能由范德华作用势能VA、静电作用势能VR、疏水作用势能Vm组成12 ：1612023年第8 期程炭研究探讨煤V=VA+VR+VHI(1)范德华作用势能计算式如下：A132RV=-(2)12H式中，R为超细煤颗粒半径，m；H 为超细煤颗粒间界面力作用距离，m；A 132 为哈马克常数，物质1和2 在第3种介质中相互作用的哈马克常数。A132(/A.-/A,)(/A2-/Ag)(3)式中，A11、A 2、A 33分别代表三种物质在真空中互相作用的哈马克常数1V8Rln1+exp(-kH)(4)2式中，8。为分散介质的绝对介电常数，8=8o8；。为矿物表面电位，V；k 1为德拜长度的倒数，代表双电层厚度，m。HVr=-2.51 10-Rk,hoexp(5)式中，H为颗粒间界面力作用距离，m；k i 为exp(100不完全疏水化系数，0 ki1，k j=e-1为煤在水中的接触角，（）；h。为衰减长度，ho=(12.21.0)ki,nm。以样品SM-15min_15.08为例，相关数据见表3，将数据分别代入至上述公式中，得到超细粉碎后颗粒间作用势能曲线，如图3所示。表3相关数据参数数据煤粒在真空中的哈马克常数Al6.07 10-20 14 水在真空中的哈马克常数A334.841020 15真空中绝对介电常数8 08.85410-12 c/(J:m)水介质的介电常数&78.5/(J m)16煤颗粒表面电位女。-33.810-3vDebye常数 k3x107m1煤在水中的接触角62.13煤颗粒粒度15.08 m由图3可知，在靠近的初始阶段，总作用势能为正值，煤颗粒间表现为相互排斥，随着距离的减小，排斥势能增大逐渐到达“能垒”峰处，越过“能垒”后，排斥势能逐渐减小，当距离小至某一值时，疏水势能逐渐克服静电排斥势能而占优势，总作用势能由正转负，曲线急剧下降，煤粒形成絮团。“能垒”峰的存在，使得超细粉碎后的煤粒不可能自发地形成絮团，只有通过机械搅拌，提供给150100500-50-100-150-20002004006008001000HIA图3煤颗粒相互作用总势能与颗粒间距的关系煤粒一定大小的动能，使其克服“能垒”，才能在疏水势能作用下迅速发生絮凝。因此，在絮团浮选中，煤颗粒经过超细粉碎，粒度多为微米级，其粒度、质量小，要使其获得足够大的动能，就需要足够高的搅拌强度，使其突破“能垒”才能形成聚团。同时，根据三种作用势能的计算公式，不同的超细煤颗粒，其粒度、表面性质等不同，得到的总作用势能曲线也不同，也就是说“能垒”峰不同，形成絮团所需的机械搅拌强度也会不同。换言之，对于不同的超细煤颗粒，机械搅拌对其絮团形成的影响也存在一定的差异。3搅拌参数对絮团及超净煤分选的影响3.1搅拌转速在不同搅拌转速下，神木煤经搅拌磨和气流磨超细粉碎后，超细煤颗粒形成的絮团粒度如图4所示，对应的超净煤分选结果如图5和图6 所示。由图4可知，经气流磨粉碎后的煤颗粒形成的絮团粒度要大于经搅拌磨粉碎后的煤颗粒。在相同的搅3026wm/T2218SM-15min_15.08SM-30min10.7714SM-45min_8.57SM-60min_6.13101500200025003000350040004500搅拌转速/(r:min*)(a)搅拌磨4238um/米343026SM.7.80SM_6.2022SM_5.56181500200012500 3000350040004500搅拌转速/(r:min-l)(b)气流磨图4不同搅拌转速下生成的絮团粒度1622023年第8 期研究探讨程炭煤70F6050%/率403020SM-15min_15.08SM-30min_i0.7710SM-45min_8.57一SM-60min_6.1301500 200025003000 3500 40004500转速/(r:min*)(a)产率4.03.5-SM-15min15.08SM-30min10.773.0%/4+SM-45 min_8.572.5 SM-6 0 m in _6.132.01.51.015002000 2500 3000 3500 40004500转速/(rmin)(b)灰分图5搅拌转速对神木煤经搅拌磨粉碎后的絮团分选结果的影响8580%/率75-SM_7.80-SM6.2070SM_5.566560551500200025003000350040004500转速/(rmin)(a)产率5.65.4-SM 7.80SM_6.205.2SM5.56%/45.04.84.64.44.21500200025003000350040004500转速/(r:min-l)(b)灰分图6搅拌转速对神木煤经气流磨粉碎后的絮团分选结果的影响拌转速条件下，粒度越细，生成絮团的粒度也越小。经搅拌磨超细粉碎后的煤样，在粒度为15.0 8 m、10.77m时，随着搅拌转速的增加，生成絮团的粒度先增大后减小，气流磨粉碎后的超细煤样SM_7.80和SM_6.20生成的絮团粒度变化趋势相似。粒度8.57，6.13m的煤样，随着搅拌转速的升高，形成的絮团粒度也逐渐增大，气流磨粉碎后的煤样SM_5.56形成的絮团粒度也随着搅拌转速的升高而增大。由图5可以看出，随着粒度的减小，在相同搅拌速度下，分选出的精煤产率逐渐降低。经搅拌磨超细粉碎后的煤样，在粒度为15.0 8，10.7 7 m时，随着转速的增大，产率呈现出先增加后减小的趋势。粒度15.08m的煤样在2 50 0 r/min时，分选出的超净煤产率最高，粒度10.7 7 m的煤样在350 0 r/min时，分选出的超净煤产率最高。粒度小于10 m的两个煤样，产率则随着转速的增大而逐渐增加。超净煤产率与絮团粒度的变化趋势呈现出较好的一致性。对于粒度小的煤样，速度过低不足以形成一定量的絮团17-19，因此分选出的超净煤产率低，转速升高，絮团含量及粒度升高，分选出的超净煤产率也相应增加。不同粒度超细煤分选出的超净煤灰分随着搅拌转速的增加，呈现出相似的变化趋势，即随着转速的增大，灰分逐渐降低，并逐渐趋于稳定。在搅拌转速150 0 r/min时，粒度越小，分选出的超净煤灰分越低，说明粒度越小，超细煤的解离度越好，在单位比表面积药剂用量相同的情况下，形成的絮团中无机矿物含量越少。经搅拌磨超细粉碎后，分选出超净煤灰分最低在1.0%左右。由图6 可知，气流磨粉碎后的煤样，在粒度7.80，6.2 0 m时，产率随着转速的增加呈现出先增加后降低的趋势，在粒度5.56 m时产率则随着转速的增加而增加。与搅拌磨超细粉碎后的煤样相似，粒度越小，得到产率较高的超净煤所需的搅拌转速就越大。随着搅拌转速的增加，搅拌槽中流场加剧，颗粒间碰撞概率升高，形成的絮团在搅拌场中出现破裂，絮团粒度减小，导致分选出的超净煤产率有所降低。气流磨超细粉碎后分选出的超净煤灰分较高，在4.5%5.5%之间，主要是因为气流磨超细粉碎的解离度较差，无机质的解离不完全2 0 3.2搅拌时间不同搅拌时间下生成的絮团粒度如图7 所示。搅拌时间对神木煤超细粉碎后煤样絮团分选结果的影响如图8 和图9所示。由图7 可知，较长的搅拌时间，会使煤浆中生成的絮团粒度有一定程度的减小。结合图8 的结果，粒度15.0 8 m的煤样，随着搅拌时间的延长，絮团粒度减小，分选出超净煤的产率和灰分都有所降低，可以说明在搅拌时间5min时已经有絮团的破碎发生，随着搅拌时间的延长，絮团在剪切作用下发生重构，加强了煤颗粒间的同向凝聚，对絮团起到了一定的“清洗”作用2 1。粒度10.7 7，8.57 m的煤样，随着搅拌时间的增加，絮团粒度和分选出的1632023年第8 期程炭研究探讨煤2826SM-15min_15.08SM-30min_10.7724SM-45m in 8.57um/米+SM-60min_6.132220181651015202530搅拌时间/min(a)搅拌磨3028wm/咪2624-SM_7.80-SM-6.2022-SM-3.562051015202530搅拌时间/min(b)气流磨图7不同搅拌时间下生成的絮团粒度65SM-15min_15.0860SM-30min_10.7755 SM-45min_8.57%/率50 SM-6 0 m i n _6.13454035302551015202530时间/min(a)产率SM-15min_15.081.6SM-30min_10.77+-SM-45min8.57+SM-60min6.131.4%/41.21.00.8151015202530时间/min(b)灰分图：搅拌时间对神木煤经搅拌磨粉碎后的絮团分选结果的影响超净煤产率有小幅度的升高后又逐渐减小，灰分则呈现出不断下降的趋势，并趋于平稳。粒度6.13m的超细煤分选出的超净煤产率随着时间的增加而升高，但是在长时间的搅拌后，其产率仍不理想，灰分则呈现出相反的变化趋势。搅拌时间的增加，有助于煤颗粒的分散和碰撞2 2】，也有利于絮团的破碎重建，使得分选出的超净煤品质更高。图9中气流磨粉碎后的煤样随着粒度的减小，分选出的超净煤产率降低。与图7 中絮团粒度的变化趋势相吻合。粒度6.2 0，5.56 m的煤样在搅拌10min时产率和灰分均出现了小幅度的升高，之后75SM_7.8070SM6.20+SM5.566560555051015202530时间/min(a)产率5.55.0%/S44.5SM_7.80-SM_6.20SM_5.564.051015202530时间/min(b)灰分图9搅拌时间对神木煤经气流磨粉碎后的絮团分选结果的影响搅拌时间的延长，产率和灰分都有所降低。同搅拌磨粉碎后的絮团分选结果一样，气流磨粉碎后分选出的超净煤灰分随着搅拌时间的增加而减小。可以说明，长时间的搅拌对于超净煤的灰分有较为良好的影响。4结论1）能垒峰的存在，使得在絮团形成过程中机械能的输人成为必然，通过机械搅拌，提供给煤粒一定大小的动能，使其克服能垒，才能在疏水势能作用下生成絮团。2）粒度越小，在相同搅拌速度下，形成的絮团粒度也越小，分选出的超净煤产率越低。随着搅拌转速的增加，粒度较大的煤样分选出的超净煤产率先增加后减少。3）经气流磨粉碎后的超细煤样形成的絮团粒度明显高于搅拌磨粉碎后的煤样，分选出的超净煤产率也较高。与气流磨相比，搅拌磨粉碎后煤粒的解离度较好，随着搅拌转速的增加，分选出的超净煤灰分逐渐降低并趋于稳定。4）搅拌时间的延长，有助于分选出品质更高的超净煤。参考文献：1杨刚基于浮选原理制备低灰煤的研究进展J洁净煤技术，2 0 12,18(1)：19-2 2.2付晓恒，王祖讷，柴保明，等精细水煤浆制备与应用技术的研究J煤炭学报，2 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