鲍勃·霍列斯，吉米·余

(美国丹尼斯公司，西弗吉尼亚 蓝田 24701)

1 重介和浮选工艺简介

近年来，在世界选煤领域重介质选煤设备和工艺取得重大进展的应当是三产品重介质旋流器及其分选工艺，特别是在中国得到成功应用。目前由国华科技研发的三产品重介质旋流器已被广泛应用于约600座选煤厂，总处理能力达808.0 Mt/a。该设备在蒙古、土耳其、印度等国也得到工业应用。它之所以得到广泛推广的主要原因之一是：三产品重介质旋流器选煤工艺具有简化、高效的特点，尤其是其与煤泥重介质旋流器工艺相结合时，在原煤单体解离程度良好的情况下，可选性良好的条件下，可以形成一个大于100网目(0.15 mm)粒级的重介质旋流器分选工艺生产系统。

最近，国华科技的超级两段两产品重介质旋流器被进一步开发并应用于分选密度非常高的油页岩，三产品重介质旋流器被用于分选出两种产品，即富含油的精矿产品和低含油的尾矿，第一段旋流器产品和第二段旋流器的产品合并作为最终精矿产品。因此三产品重介质旋流器在此的应用可称为两段两产品重介质旋流器，分选密度高达2.4～2.5 kg/L，入料粒度上限可达250 mm。在全球范围内，油页岩总储量比煤炭储量还要多40%，中国也存在类似的状况。众所周知，中国常规石油储量与其它大国相比非常低，大部分石油是从其它国家进口的。因此，从油页岩中提炼石油可以成为中国获得石油资源的一条途径。降低加工油页岩提取石油的成本是非常重要的，加工油页岩原矿是降低整体产油成本的第一步。据估算，使用重介质旋流器分选工艺提纯油页岩可降低大约60%～70%的总产油工艺成本。由于使用两段两产品重介质旋流器分选工艺技术，油页岩的可开采储量也可得到显著增加。

喷射式浮选机并不是一种浮选新设备，1967年中国发明的2台喷射式浮选机早已在选煤厂应用。由于它效率高，维护成本低，分选效果好，在中国的选煤领域得到了广泛应用，本世纪以来，已在400多座选煤厂中成功安装使用了600余台喷射式浮选机。所研发的喷射系列浮选机单室容积为4～46 m3(140～1 610立方英尺)，一般为4室1组，每组浮选机的容积16～184 m3(560～6 440立方英尺)，最大煤浆处理能力高达1 840 m3/h(8 103 GPM)。中国的喷射式浮选机直到在美国非常成功应用后，才逐渐广为人知。西弗吉尼亚州南部的2座选煤厂及弗吉尼亚州的1座选煤厂各应用了1台喷射式浮选机，生产实践表明，该系列浮选机对美国细煤泥具有非常好的适应性。其中一座选煤厂原先使用的是浮选柱，对比试验测定表明，中国的喷射式浮选机的性能比浮选柱好得多。

2 重介质旋流器分选工艺的最新进展

2.1 重介选煤工艺的进展

在传统的重介质旋流器分选工艺中，煤颗粒通常与重介质悬浮液一起由泵送入传统的重介质旋流器中，泵的压力P按以下计算式计算：

P=(9～10)D·Δ·105

(1)

式中：Δ——悬浮液密度，kg/m3；

D——重介质旋流器内径，m。

由这压力转化为旋流器内的离心力场，从而有效下限可达0.5 mm，其中旋流器对-0.5 mm分选的Ep值约为0.1 kg/L或更小。泵压力的进一步增加将导致煤颗粒显著粉碎、细粒级物料增加，最终使选煤厂运营成本提高。此外，泵压力的增加还会导致泵和管道等的磨损加剧和能耗显著提高。

在0.5～0.15 mm(35～100 网目)(又称粗煤泥)粒级中，长期以来缺失一种处理此粒级的精确分选方法，对浮选来说这个粒级又太大，很多煤粒会损失在尾煤中，对传统的重介质旋流器分选工艺这个粒度又太小无法实现按密度精确分离。水介质分选装置(如水介质旋流器、螺旋分选机、改进型的干扰床Reflux Classifier分选机和普通的干扰床Teeter-Bed分选机)是分选粗煤泥的典型选择。然而，这些工艺分选效果不尽人意，尤其是对于难选煤的粗煤泥颗粒效果更差。

泵入三产品旋流器第一段的重介压力远高于传统重介旋流器的有压给料。在这种情况下，泵压力升高产生的巨大离心力可以有效地将分选下限降低至0.25 mm(60网目)。在第一段旋流器中大于0.5 mm粒级分选的Ep值为0.020～0.025 kg/L，而0.5～0.25 mm(35～60 网目)煤粒的分选Ep值可达到0.065～0.09 kg/L。无压给料三产品重介旋流器与煤泥重介质旋流器分选工艺的完美结合填补了世界上大于0.15 mm全粒级重介选煤工艺的这一选煤技术上的空白。众所周知，重介选煤工艺是目前最高效和最精确的分选方法。国华科技开发的这一全重介分选工艺将分选下限降到最小，用目前最高效的分选方法回收尽可能多的粗煤泥精煤，这将有效提高整个选煤厂的精煤产率，以生产更多的精煤，特别是宝贵的炼焦煤资源。仅单一低密度重介悬浮液被泵入旋流器中，而原煤是无压给入旋流器(不经过泵)，原煤也不需要使用脱泥筛预先脱泥，因此这种分选工艺可以降低原煤的破碎。

在重介质旋流器一段(圆柱形)中原煤被分离成精煤和较重的组分时，磁铁矿粉也同时被分离成较细和较粗的颗粒。磁铁矿粉中较粗重部分与煤中的较重组分一起进入重介质旋流器的二段。磁铁矿粉中的较细部分与精煤产品一起从精煤出口(一段溢流口)排出。由于重介质在一段旋流器中的这种粒度分级效应，进入二段旋流器的重介质密度远高于一段旋流器中的介质密度。这将导致二段旋流器分选密度提高，一般来说比一段旋流器高0.5～0.8 kg/L。二段分选密度可以通过变更二段底流口直径来调节。国华科技最新研发的控制技术表明，还可以通过控制一段重介质悬浮中非磁性物质含量来控制二段旋流器的分选密度。

表1列出最新开发的三产品重介质旋流器的系列型号和对应的处理能力，表中所示的生产能力是对预先不脱泥分选工艺的。对脱泥分选工艺，其处理能力可以进一步增加，例如，S-3GHMC1300/670型的处理能力可以从1 300 t/h增加到1 500 t/h，其排矸能力强，可将小于250 mm的矸石顺畅排出。

表1 超级三产品重介旋流器系列产品型号及其处理能力(不脱泥)

煤泥重介质旋流器分选工艺通常与三产品重介质旋流器分选工艺联合使用。事实上，煤泥重介工艺也是在不脱泥无压给料三产品重介质旋流器分选技术之后发展起来的。煤泥重介分选工艺的特点可以概括如下。

(1)利用从三产品一段旋流器中精煤携带出来的磁铁矿细粒部分作为重介质，而不是使用特殊配置的超细磁铁矿粉，使得煤泥重介的工业应用更加实用，使分选工艺更加经济。

(2)与其它细粒煤分选方法相比，国华科技的煤泥重介工艺对0.5～0.10 mm(35～150 网目)粒级具有更高的分选效率，煤泥重介的Ep值最近被测试如下：对0.5～0.25 mm(35～60网目)粒级Ep值为0.042 kg/L而对0.25～0.10 mm(60～150 网目)粒级Ep值为0.068 kg/L。

(3)截止到2020年国华科技研发的煤泥重介分选工艺已广泛应用于378座选煤厂，共安装437台煤泥重介质旋流器。

不脱泥三产品重介质旋流器选煤工艺的介耗一直是选煤工程师最关心的问题。然而，近600家选煤厂中不脱泥三产品重介旋流器选煤工艺的工业实践表明，该工艺的介耗等于或低于传统的重介质旋流器煤炭分选工艺。2019年在印度国际选煤大会上发表了有关论文，论文中收集了大量不脱泥重介选煤厂和传统脱泥重介选煤厂的介质消耗数据及相应的选煤厂设备及管理数据。收集的大量数据表明，介耗主要取决于选煤厂所选的分选工艺、生产流程、设备选型、以及管理和降低介耗而采取的有效措施。另外不脱泥重介质旋流器分选工艺的介耗还与原煤中大于0.5 mm的粒级数量的多少有关。因此，根据原煤中小于0.5 mm粒级含量，完全可以保证不脱泥重介质旋流器分选工艺的介耗(见表2)。

表2 不脱泥无压给料三产品重介质旋流器分选工艺介质消耗

2.2 重介质旋流器在油页岩选矿厂中最新应用

2015年在中国新疆宝民矿业公司的请求下，国华科技开展了三产品重介旋流器在油页岩分选应用的研究与开发。研发的目标是将开采的油页岩含油量从原矿的约3.8%提高到精矿产品的7%以上，排弃的尾矿含油量必须低于1.9%，每座油页岩选矿厂的设计处理能力20.0 Mt/a。在建大型选矿厂投产之前先建了一座处理能力1.8 Mt/a的小型油页岩选矿厂，以验证三产品重介分选工艺技术在极高分选密度下分选油页岩并达到上述产品指标的可行性。

宝民矿业公司长沟矿的油页岩为高灰、低硫、低热值油页岩贫矿。表3中提供了来自矿层-1的90～0.5 mm粒级油页岩原矿的密度组成。表4是矿层-2中90～0.5 mm油页岩原矿的密度组成。

表3 矿层-1油页岩原矿90～0.5 mm粒级浮沉组成

表4 矿层-2油页岩原矿90～0.5 mm粒级浮沉组成

基于上述油页岩矿层-1的浮沉分析，在理论分选密度2.40 kg/L条件下重介质旋流器排出的尾矿含油量可以小于1.9%，而在分选密度2.50 kg/L条件下生产的精矿含油量可以达到8.5%，因此，使用三产品重介质旋流器的选矿厂分选密度应在2.40～2.50 kg/L之间调节确定。对表4中矿层-2的浮沉数据分析也可得到相同的结论，即2.40～2.50 kg/L之间的实际分选密度可以满足精矿产品的大于7%含油量(实际远大于8%)和尾矿含油量小于1.9%的要求。

2009年，在中国宜化市的一家磷酸盐矿选矿厂，两段两产品重介质旋流器就已成功地被应用在分选密度高于2.50 kg/L的选矿工艺中。磷酸盐矿石和当前油页岩矿石的唯一区别是它们的可选性不同，目前的油页岩更难选。为了谨慎起见，使用直径200 mm(8英寸)两段两产品重介质旋流器对油页岩颗粒进行了实验室试验，以处理小于10 mm(3/8 英寸)至0.5 mm颗粒。6组测试的平均数据显示，精矿的含油量为9.29%。而尾矿的含油量为1.1%，比设计目标要好得多。

直径为850 mm的S-2GHMC380/260型两段两产品重介质旋流器被开发专用于处理能力1.80 Mt/a油页岩选矿试验厂，分选60 mm(-2.5英寸)原矿油页岩。在正常生产条件下，该重介质旋流器处理能力超过340 t/h。图1显示了该厂使用的原则工艺流程。

1—超级无压给料双段重介质旋流器；2—脱介弧形筛；3—分流器；4—成品脱介筛；5—离心脱水机；6—成品磁选机；7—超级浓缩机；8—脉石脱介筛；9—脉石磁选机；10—合格介质桶图1 处理能力1.8 Mt/a油页岩选矿厂采用的重介质旋流器分选工艺原则流程

S-2GHMC380/260重介质旋流器的结构参数是经过专门设计和优化的，以增强剪切力和降低旋流器中介质的结构粘度，降低内部对分选造成的物理阻力。在300～330 kPa(43.5～47.9 psig)压力下单一低密度约1.88 kg/L的重介质悬浮液被泵入重介质旋流器，分选密度可控制在2.40～2.50 kg/L。该厂使用的磁铁矿的磁性物含量相对较低，低于75%。选矿厂在运营中的头4个月的生产数据表明各项指标均达到设计目标，平均精矿产品含油量大于8%，尾矿含油量小于1.9%。磁铁矿的平均消耗量为0.3 kg/t。基于这一选矿效果，油页岩加工炼油总成本可以降低70%，大大高于预测值。在这基础上，国华科技于2017年设计建造了一座处理量为20.0 Mt/a的油页岩选矿厂，使用4台S-2GHMC1450/1150S两段两产品重介质旋流器，其一段直径为1 450 mm(56 英寸)。每台旋流器可以处理1 450 t/h油页岩原矿石。在正常生产条件下，只需运行3台重介质旋流器，即可达到设计产能。头三个月的运营就已表明，该选矿厂的各项性能指标甚至优于试验选矿厂。继第一座处理量20.0 t/a选矿厂之后，第二座同样规模的选矿厂也随之兴建，成功投产。

3 喷射式浮选机在美国选煤厂的应用

喷射式浮选机在选煤厂中应用并不是新鲜事，只是在美国刚开始使用。2017年，国华科技研发的，具有发明专利的第三代喷射式浮选机在美国2个选煤厂安装使用。

喷射式浮选机与传统机械搅拌浮选机相比所具有的优点如下：

(1)循环煤浆高压进入喷嘴，随后从喷嘴出口喷出，突然降压会在煤浆中产生大量微泡，使煤浆的选择性大大提高。

(2)没有转动部件，并使用耐磨材料，大大减少了浮选机的维修工作量。

(3)结构简单，便于操作。

(4)单位容积处理能力大，单位处理能力为6～10 m3/(m3·h)，对于美国多数可浮性良好的煤泥，单位处理能力可达到10 m3/(m3·h)左右，且能耗低。

丹尼斯公司联系了第三方实验室，于2017年2月、4月先后对位于西弗吉尼亚州的2座炼焦煤选煤厂喷射式浮选机进行了工业性测试。

桑德斯(Saunders)选煤厂浮选试验数据见表5。该厂浮选入料粒度组成两极分化：大于325 网目粒级(0.045 mm)产率为59.16%，灰分仅为6.14%；小于325 网目的粒级产率为40.84%，灰分高达57.02%。在生产中添加62 cc/min(3.72 L/h)起泡剂的条件下，分选出灰分相当低的仅为5.89%的精煤和灰分高达81.33%的尾煤，精煤产率为72.17%，精煤可燃体回收率高达92.87%。采集桑德斯选煤厂同样浮选入料，进行实验室选择释放浮选试验，依此分别绘制了精煤产率和灰分关系曲线和精煤可燃体回收率与灰分关系曲线(见图2)，人们常将这2条曲线视为理论产率和理论可燃体回收率曲线，图2中还标注了实际精煤产率和可燃体回收率2个坐标点。通常将实际精煤产率与理论精煤产率的百分比值或实际精煤可燃体回收率与理论精煤可燃体回收率的百分比值，称之为精煤数量效率，第三方实验室计算出该喷射式浮选机的数量效率约为99%。该实验室对桑德斯选煤厂原有的浮选柱生产系统也同时进行采样及试验分析，试验结果是84.87%的精煤可燃体回收率和约88%的精煤数量效率。

表5 桑德斯选煤厂浮选试验数据

在西弗吉尼亚州另一个(Caretta)克莱塔选煤厂对安装的喷射旋流器浮选机也进行了实际采样和实验室样品浮选释放试验和采样样品测试。选煤厂浮选试验的精煤、入料和尾矿由丹尼尔斯公司的人员同时采样，并发送到第三方实验室进行样品测试和分析。在浮选起泡剂添加量为110 cm3/min (6.6 L/h)，捕收剂添加量为130 cm3/min (7.8 L/h)的生产条件下，克莱塔(Caretta)选煤厂分选出灰分为6.19%的精煤，其精煤可燃体回收率为88%，精煤数量效率为96%，浮选试验数据见表6。图3是克莱塔选煤厂实验室选择释放浮选试验的2条曲线。

表6 克莱塔选煤厂浮选试验数据

图2 桑德斯选煤厂实验室选择释放浮选试验的2条曲线

图3 克莱塔选煤厂实验室选择释放浮选试验的2条曲线

4 结 语

预先不脱泥无压给料三产品重介质旋流器选煤工艺由于它的高效和简化的特点已广泛应用于中国选煤厂，并在越来越多的其他国家使用。它的高精度分选可以将煤颗粒有效分选下限降到0.25 mm(60网目)，与煤泥重介质旋流器联合使用可以进一步将有效分选下限降至0.10 mm(150网目)。所有这些都无需使用为煤泥重介专门准备超细磁铁矿介质即可完成。这将为我们提供250～0.15 mm(或0.10 mm)粒级的重介质分选工艺，小于0.15 mm(或0.10 mm)细颗粒可以由目前的浮选系统得到有效的分选，当然粒度上限的大小还取决于原煤的单体解离程度和市场对精煤粒度的要求。

用于油页岩分选的两段两产品重介质旋流器分选工艺是三产品重介旋流器分选工艺的最新开发和应用。它已成功应用于2座20.0 Mt/a超大型油页岩选矿厂，分离密度高达2.40～2.50 kg/L。其应用可显著降低油页岩炼制成本60%～70%。这种成功应用可能也适用于其它矿物加工行业，如磷酸盐矿选矿厂。

喷射式浮选机成功地被应用于美国西弗吉尼亚州的2座炼焦煤选煤厂，回收以小于100网目为主的细煤泥。这让美国选煤界注视到中国的喷射式浮选机出色的浮选性能和非常好的生产结果。于2020年，在美国的选煤厂第三台喷射式浮选机也成功投入使用，得到业主的认可。