高旭鹏

(1.河南理工大学安全学院，河南 焦作 454000；2.潞安集团中小企业广源公司，山西 长治 046025)

引 言

煤炭资源是我国需求量最大的一次性能源，并且随着国民经济的迅速发展，人类社会对煤炭资源依旧保持着旺盛的需求，为了确保市场上煤炭资源的充足供应，各煤炭生产企业不断引进新型的采煤设备，使得煤炭开采的深度、效率均得到了极大的提升。但是随着优质煤炭资源的不断减少，人们开始加大对储存条件差的煤炭资源的开采力度，因其中石英、白云母等杂质的含量较高，导致原煤的灰分越来越高，使现有选煤厂的浮选工艺方法已经不能适应复杂成分原煤的分选要求，因此，开展新的煤炭浮选方法的研究对于提升我国煤炭资源的浮选效率和浮选质量具有十分重大的意义。

1 浮选过程中煤表面作用理论

煤泥浮选是一种根据物体表面的物理和化学性质对原煤进行过滤的工艺方法，在分选过程中影响煤泥分选效果的主要因素包括固-液、气-液、气-固的界面特征及在分选时的相互作用。当在分选时的煤泥颗粒上有足够气泡的吸附是煤炭浮选过程正常进行的必要条件，在浮选过程中煤粒和泡沫结合的概率可看作是3组独立概率的乘积，可表示为式(1)。

P=Pa×Pc×Pd

(1)

式中：Pa为颗粒和泡沫碰撞后附着的概率；P为颗粒和泡沫形成聚合体的概率；Pc为颗粒和泡沫发生碰撞的概率；Pd为颗粒和泡沫结合后不分离的概率。

通常情况下，浮选过程中极细颗粒一旦和泡沫形成聚合体后其分离的概率基本可以忽略不计，因此，在浮选过程中煤粒和泡沫结合的概率又可表示为式(2)。

P=Pc×Pd

(2)

在浮选过程中，煤泥颗粒与上升气泡发生碰撞、形成聚合体的概率主要由煤泥颗粒的半径Rg和上升气泡的半径Rb决定，根据前人对煤泥颗粒与上升气泡运动时的流体动力学方程的研究，其发生碰撞的概率可表示为式(3)[1]。

(3)

式中：A、n表示随着气泡的雷诺数变化的相对参数。根据长期试验研究，在正常的浮选方法中取n=2，因此可以发现，煤泥的颗粒越大其在浮选的过程中与气泡结合的概率会越大。

在正常的煤泥浮选过程中，当煤泥颗粒和气泡在浮选过程中发生碰撞的时候并不能完全发生附着，发生结合时在煤泥颗粒和气泡之间会形成一层薄薄的水膜，而固、液、气的三种状态的接触和水膜的破裂是煤泥颗粒和气泡有效捕捉的前提条件，如果水膜开裂的实际时间小于颗粒和气泡相碰撞的时间，这时，颗粒将会和气泡发生相结合，当气泡和颗粒间的非均匀的水膜比较稳定时，其结合的概率会适当的降低。这是因为水膜稳定性主要是依靠于水膜的结构力。

因为水膜的极性表面很强，需要考虑煤泥颗粒表面和水分子之间及水分子之间相互的吸引作用，所以，水膜可以看成是具有厚度和结构的弹性实体。

由此可得出在浮选时极性液体中微小颗粒之间的结构力πs的表达式[2]，见式(4)。

(4)

式中：h为溶剂化膜的厚度，mm；L为溶剂化膜厚度的衰减度有关的特性长度，mm；K为液体性质参数，当为亲水属性时k>0，当为疏水表面时k<0；S为微小离子的表面积，mm2。

通过分析及对石英、白云母表面水膜的结构力πs的试验结果表明，其反应时的排斥结构压经常发生在h≤8 mm的范围内，且πs与h的关系遵循上述方程。

2 脱泥浮选机理研究

根据现有选煤厂的浮选方式，脱泥浮选主要是指煤泥水在经过选煤厂的脱泥设备进行脱泥处理后，通过煤浆处理设备进入到浮选机内进行浮选，而脱泥装置溢流则直接与浮选尾煤共同进行脱水后进行煤泥的回收，其工艺流程如图1所示。

图1 脱泥浮选工艺流程

Ⅰ作业区：主要是作为重选作业区及重选后产物的脱介及粗煤泥的回收区域；

Ⅱ作业区：主要作为作业区的煤泥水的澄清和浓缩的区域，其中含有细煤泥的溢流是进入到作业区的尾泥浓缩工序而不是作为循环水来使用；

Ⅲ作业区：主要是作为煤泥的分选区域，其包括浮选的精煤的脱水回收作业和浮选作业2个环节；

Ⅳ作业区：主要是浮选煤矿尾煤浓缩回收的区域。

浓缩脱媒的循环系数可表示为[3]式(5)。

(5)

式中：a为重选后产物中煤泥的分配系数；b为原煤煤泥中浓缩机底流中煤泥的分配系数；c为浮选时尾煤的产率值；d为再生洗水中含有煤泥的分配系数。

3 脱泥浮选应用效果分析

根据分析可知，当在Ⅳ作业区内有足够煤泥的沉淀面积，并配合一定比例的絮凝剂即可使煤泥进行合理的沉淀，并获得再生水，此时，再生水中所含煤泥的成分已经非常低，可将此时浓缩脱媒的循环系数计算式中煤泥的分配系数设置为d=0，脱泥浮选的循环系数K可以简化成式(6)。

(6)

通过分析可知，对于煤泥水系统，通过增加底流的排放量，来增加煤泥底流中的固体产物的b值，可以有效地降低煤泥循环系数K的数值，而在原有洗煤工序中通过设置原煤浓缩机的方式来增加脱泥浮选的效果，不仅投入小，而且效果好 ，能够提高煤炭洗选加工的效率和质量。

4 结论

本文通过对目前我国选煤厂选煤方法的分析研究，确定了影响煤炭洗选效率的主要因素，针对性地对选煤时浮选过程中煤表面作用理论进行了分析研究，在此基础上提出了一种新的脱泥浓缩洗煤方案，并对其作用机理和作用效果进行了研究，结果表明，脱泥浓缩洗煤方案能够很好地适应不同成分原煤的分选，解决了浮选入料时煤泥的灰分偏高、细泥产生率高的难题，具有十分可观的社会效益和经济效益。