微泡浮选柱的设计

、绪论1.1煤炭在我国能源结构中的地位煤炭是我国的主要能源，是国民经济和社会发展不可缺少的物资基础。长期以来煤炭在一次能源消费中的比重一直维持在70%左右，而世界平均能源结构为煤炭占28.4%，石油占35.8%，天然气占23.7%，可再生能源占12.1%。我国煤炭资源占化石能源资源总量远大于石油和天然气资源量，这一条件决定了我国以煤炭为主的一次能源生产和消费结构在未来相当长一段时间内难以改变。我国煤炭资源丰富,煤炭资源分布面积约60多万平方公里，占国土面积的6%。根据第三次全国煤炭资源预测与评价，全国煤炭资源总量5.57万亿吨，煤炭资源潜力巨大，煤炭资源总量居世界第一。已查明资源中精查资源量仅占25%，详查资源仅占17%。探明储量达到10202亿吨。其中可开采储量1891亿吨，占18%，人均占有量仅145吨，低于世界平均水平。随着经济社会快速发展，工业各部门尤其是电力部门对煤炭需求量持续增加，我国煤炭生产将继续增长[1]。“十一五”期间，中国煤炭产能大幅提升，产量继续增加，价格市场化机制逐步建立，一些主要产煤大省资源整合、兼并重组取得阶段性成效，相继组建了一批区域性大型煤炭企业集团，形成了煤电、煤化等上下游产业一体化发展格局。2011年，我国煤炭经济运行总体保持平稳，煤炭需求旺盛，供给总量增加，市场供需基本平衡。2011年全国原煤产量35.2亿吨，同比增长8.7%；大型企业煤炭产量保持较快增长，达21.8亿吨。全年进口煤炭1.82亿吨，同比增长10.8%；出口煤炭1466万吨，下降23%[2]。2012年中国煤炭产量36.6亿吨，比上年增长4%左右，增速同比回落4.7个百分点。2012年1季度全国煤炭产量累计完成86100万吨，同比增加5474万吨，增长5.6%。其中国有重点煤矿产量累计完成49528万吨，同比增加2849万吨，上升6.1%[3]。今后，随着煤电一体化经营和煤电一体化企业的发展，煤电一体化在提供终端能源的数量、工业增加值、销售收入和利润税收，以及资产总额方面，都将占有更高的比例。为了改善环境质量，预测到2020年我国煤炭用于发电的比例达到80%及以上，电力在终端能源消费中的比例将由目前的42%增加到70%[4]。我国可替代煤炭的能源资源品种虽多，当前水能、核能、风能、太阳能等会有较快发展，但受资源、成本、并网等多方面的制约。煤炭依然是我国最可靠的能源。从全球的角度看，随着世界经济的发展和对能源需求的增加，煤炭的生产和消费呈上升趋势，世界煤炭产量和消费量将持续增长。预计2020年，煤炭在我国一次性能源生产和消费中占60%左右；到2050年，我国的煤炭生产和消费在一次性能源消耗的比例仍大于50%，煤炭将是我国未来几十年的主要能源[5]。1.2煤炭洗选的必要性从煤炭的煤炭点选择符合用户质量要求的过程中，它是清洁煤技术的来源和基础，提高产品质量的重要环节，在煤炭工业生产。选煤厂不仅可以合理利用煤炭资源，节约资源，减少不必要的浪费，而且还可以减少煤炭生产和消费对环境的影响，对我国建设资源节约型和环境友好型社会，走可持续发展道路具有重要意义[6]。具体有以下几点：（1）提高煤的质量，减少燃煤污染物的排放煤炭洗选可脱除煤中50%～80%的灰分、30%～40%的全硫(或60%～80%的无机硫)，燃用洗选煤可有效减少烟尘、SO2和NOx的排放，入洗1亿t动力煤一般可减排60－70万tSO2，去除矸石16Mt。（2）提高煤炭利用效率，节约能源煤质改善，将大大提高煤炭利用效率。一些研究表明，炼焦煤的灰分降低1%，高炉焦比降低2.66%，高炉利用系数提高3.99%；使用无烟煤节能20%洗涤生产合成氨；每增加1%的功率的灰分、热值下降200～360J/g，每个电力标准煤耗程度增加25g；锅炉和工业炉窑燃烧水洗煤，热效率可提高3%～8%[7]；（3）优化产品结构，提高产品竞争力煤炭的发展有利于煤炭产品的单一结构，低质量的品种和高品质，产品，以实现质量的发展。中国的煤炭消费量更多的用户，煤炭的质量和各种要求不断增加[7]。一些城市，要求煤炭硫分小于0.5%，灰分小于10%，如果煤炭制备的发展不能满足市场的需求。（4）减少废物的能力由于中国的产煤地区远离煤炭，经济越发达的地区，煤炭、长距离量，煤的平均距离约600公里，清洗后可除去大量杂质煤，每入洗100Mt原煤，可节省运力9600Mt.km[8]。1.3国内外选煤技术发展现状在相当长的一段时间内，煤炭仍然是世界和我国的主要能源之一，由“五个第十二年计划”期间，中国的煤炭产量预计将达到3800万吨以上，大量煤炭需要清洗和处理；另一方面，由于小储备的焦煤，也有供应紧张的焦炭。2008，中国的焦炭生产吨，占世界焦炭产量的60%，钢铁工业占87%的消费，化工消费占7.3%。随着钢铁工业和化学工业的快速发展，将不可避免地导致焦炭供应紧张的情况，虽然中国的煤炭储量丰富，但在焦炭焦煤生产，脂肪煤，煤炭储量较少，大部分煤炭属于动力煤，焦煤，煤炭资源，比例不高，高质量的炼焦煤储量少。中国的炼焦煤储量约占中国炼焦煤储量的24%，天然气煤和煤仅占13%，相当一部分的焦煤属于高灰分和高硫，难以选择。因此，煤炭制备技术的发展，大力提高洗涤容量，提高分选效率和分选精度，以最大限度地回收煤炭资源具有十分重要的意义[9]。（1）选煤设备的发展趋势现有的国内外大型选煤厂，其入选能力往往是多个分选系统的组合或多个厂、车间的入选能力的总量。“十二五”期间，为了适应大量煤炭洗选加工的需要，要研究符合中国煤质特点的、具有知识产权的单系统1000万t/a特大型动力煤选煤厂成套技术和关键装备、单系统600万t/a特大型炼焦煤选煤厂成套技术和关键装备及其配套通用的关键设备,为建设真正的大型选煤厂创造技术条件,并提高设备的可靠性、处理能力,改进工艺参数,满足特大型选煤厂建设的需要。需要研发的设备主要有小时处理能力1000～1200t、入选上限>150mm的特大型三产品重介质旋流器；小时处理能900～1000t、入料粒度为300－13mm的大型高效重介质浅槽分选机；小时处理能力>500t、入料粒度为350－25mm的大型动筛跳汰机；小时处理能力为2000t、入料粒度为325－25mm的大型动力煤跳汰机；小时处理矿浆能力1500～2500cm3的大型浮选机；小时处理能力80～120t的大型沉降过滤式离心脱水机；小时处理能力300～450t的大型末煤离心脱水机；小时处理能力60～150t的大型全自动快开压滤机；小时处理能力400cm3的大型高效磁选机等。此外，还要开发运转可靠、处理能力大的选煤厂辅助设备以及智能化的自动控制系统,从而提高原煤的洗选能力[10]。(2)选煤工艺、技术发展趋势以工艺创新为基础，研究和探索选煤新工艺，提高分选的精度，开发高效分选系统；开发高稳定性的重介悬浮液循环系统，为分选过程创造条件；利用动力变频和热力学调控技术，开发流体压力调控系统，设计合理的分选环境；开发高精度重介分选密度控制系统，确保精确的分选工艺参数；利用现有的检验检测技术，开发基于分选理论的工艺参数闭环控制系统等。对于难选的炼焦煤，为了提高精煤产率，需要开发给予中煤释放的二次分选工艺及中煤破碎关键技术。例如开滦集团与中国矿业大学共同承担的国家863计划项目基于浮选中煤煤岩解离的两段式磨浮工艺分选技术、基于煤泥可浮性特征变化的两段式浮选过程设计等，可解决多年来困扰选煤生产的块煤分选效率低，煤泥分选效率差、回收率低以及精煤产品灰分高的难题，将大大改善我国煤炭分选的现状，最大限度地回收和利用煤炭资源。此外，新技术的推广及应用，还可有效缓解煤炭洗选过程对环境的污染[11]。1.4浮选柱分类及其特点浮选柱，是将压缩空气透过多孔介质（充气器）对矿浆进行充气和搅拌的充气式浮选机，有微泡逆流浮选柱和微泡射流浮选柱等类型。浮选柱为细长筒形构造，一半柱高9～15m，直径0.5～3.0m，断面多为圆形也有少部分为矩形。直径在2m以上的浮选柱，在柱体内部研轴向安装整流板。矿浆在柱体2/3高的位置给入柱内。另一侧，通过柱体的气泡发生器经底部导入空气产生气泡。同时，为了提高泡沫产品的品味增大产率，在泡沫槽上部设置水冲洗装置。矿浆沿柱体向下移动与底部上升的气泡逆流接触，疏水性矿粒附着在气泡上（此为捕收区），于是随气泡上升至泡沫槽中，经水冲洗精选成为精矿（精选区）。未在气泡上附着的矿粒则为矿浆尾矿从柱体底部排除[12]。与其他浮选设备相比,浮选柱具有很多优点,概括起来主要有:(1)泡沫层厚度,气泡大小和数量等调节方便;(2)浮选效率高,作业次数和循环矿量少,流程简化;(3)矿粒与气泡逆流接触,降低了气泡群的上升速度,适于细粒矿物的回收;(4)设备简单,占地面积小,节省了基建投资;(5)能耗低,药剂用量比传统浮选机少,节省了生产成本。浮选柱分类：（1）按照矿浆与气泡运动的方向：柱式分选设备可分为：逆流式、同流式和逆流-同流混合式。逆流浮选柱的入料口通常在柱体的上部，从柱体的下部排出尾矿，空气分别从中上部给入，如俄罗斯Gintsvetmet学院开发的浮选柱；同流式浮选柱的入料、空气和尾矿皆从柱体底部实现，如J.B.Rubinstein等研制的带隔板搅拌式浮选柱；逆流-同流混合式浮选柱则是同向给入矿浆和部分空气，柱体给入另一部分空气，或者通过循环矿浆由底部给入，而入料从柱体上部给入，如射流式浮选柱[13]。（2）按槽体划分：柱式分选设备可分为单槽柱和多槽柱。而其单槽柱应用较为广泛；多槽柱如俄罗斯IOTT设计的多槽浮选柱，这种浮选柱可以在降低柱体高度的前提下延长颗粒在浮选柱内停留的时间，以此提高精矿的产率。（3）按柱体高度划分：浮选柱可以分为高柱型和矮柱型。高柱型如加拿大Boutin浮选柱、Flotaire浮选柱、波兰KFP浮选柱、Leeds浮选柱、MTU充填式浮选柱、电浮选柱和磁选浮选柱等；矮体浮选柱如全泡沫浮选柱、Wemco/Leeds浮选柱、旋流浮选柱（美国）、Jameson浮选柱、LHJ浮选柱（北京科技大学）和旋流-静态微泡浮选柱（FCSMC）（4）按气泡发生器划分。浮选柱可分为内部充气型和外部充气型[14]。1.5浮选参数对浮选效果的影响1.5.1捕收剂捕收剂是改变矿物表面的疏水性，使浮选的矿石颗粒在气泡上粘附于浮选剂。集热器对矿物表面的影响主要是物理吸附、化学吸附和表面化学反应。在一定浓度范围内，随着浓度的增加，吸附能力随浓度的增加而增大，浮选回收率显著增加，但当浓度达到一定值时。随着浓度的增加和吸附量的增加，回收率会变小；收集剂浓度过高，吸附量将继续增加，但浮选回收效率不提高，甚至会下降。因此，在浮选过程中要掌握捕收剂的用量，才能获得最佳的投加量，才能达到最佳的效率[15]。1.5.2起泡剂浮选浆中气泡的形成，主要依靠浮选设备中各种曝气搅拌装置，并对纸浆加入适量的发泡剂。发泡剂是一种表面活性剂，主要在气水界面降低界面张力，使空气中形成小气泡，扩大界面分离，保证气泡上升形成一层泡沫。浮选过程中的发泡剂应该是具有不同极性、极性、亲水性和非极性亲水性的有机物，使气泡分子在气水界面方向。大部分的发泡剂是表面活性剂，可大大降低水的表面张力。同一系列的有机表面活性剂表面活性按“三分之一”的规律递增，即“特芳贝定则”。发泡剂应具有适当的溶解性。发泡剂的溶解度可以很大程度地影响发泡剂的性能和气泡形成的特性。例如：溶解性很高，大剂量的消耗会迅速产生大量气泡，但不持久，当太晚时溶解的溶解度太低，随着泡沫的流失，气泡速度慢且持续时间长，难以控制。因此，选择合适的溶解性和增加发泡剂的浓度，是提高浮选效果的重要因素之一[16]。1.5.3入料浓度随着投料浓度的增加，煤的产量先增大后减小，灰分含量逐渐增加。物料浓度过高，分选效果会下降。1.6国内外研究应用现状自上个世纪80年代以来，浮选柱在分选技术方面取得了重大突破，一批批批新的浮选柱脱颖而出。在中国，有旋流静态微泡浮选柱、充填式浮选柱，射流浮选柱浮选柱，在澳大利亚的詹姆森，在德国KHD浮选柱浮选柱，flotair在美国和VPI微泡浮选柱。在处理很好的矿石材料时，他们有一个常规的浮选机无法比拟的分离效果。在许多类型的浮选柱中，具有自主知识产权的旋流静态微泡浮选柱在国内得到了广泛的应用。1.6.1研究应用现状分析从几十年国内外浮选柱的研究现状，浮选柱整体性能的新进展如下：（1）该列的高度是减少：浮选柱高度从原来的十米到几米。大浮选柱的高径比逐渐减小，即使大型浮选柱高度在10米以下。在浮选柱分选时间短的过程中，近年来出现了许多类型的填料介质和介质层，解决了在碱性介质中填充介质容易堵塞的问题，大大提高了分散稳定性和鼓泡柱的流动均匀性。（2）完善的填充方法：它们中的大部分都是由内置的气泡发生器所建，在上个世纪中很容易被堵塞。还有一小部分的改进更先进的内置式，其发泡方式比较合理。旋涡泡沫产生器、文氏管气泡发生器，静电在线混合器，气动和液压式充气装置，美国佛罗泰尔型泡沫发生器，加拿大CESL型泡沫发生器，CPT公司气slamjet分散剂、超声波气体溶液发泡剂，喷泡沫发生器和空气喷射式泡沫发生器。（3）矿化的多样性：选择性和分离效果大大提高。一直是传统的逆流碰撞矿化模式的突破，以及旋转流和管流矿化引入柱分离，形成了不同的矿化方式。装置向着大型化、系列化发展，在入料和排除尾矿方式上也有了较大的改进，数学模型与按比例放大方面卡战的研究越来越深入，自动控制的程度也越来越高[17]。1.6.2将来的发展趋势可以看出，浮选柱的结构和形态有不同的进展，但一般而言，它的出现在以下几个方面。（1）气泡发生器：基本上都由20世纪60～70年代易堵塞的内置式的气泡发生器发展为外置式。当然，也有改进与先进的内置类型相比。其发泡方式多，先进合理。涡流气泡发生器（TurboIR）、文氏管气泡发生器，在线混合器、高效的气动式液压气动、美国舰队的愤怒型泡沫发生器，加拿大CESL型泡沫发生器，超声波气体溶液发泡装置和空气喷射式泡沫发生器等。（2）填充介质：近年来，有许多类型的填充介质和介质床。浆体堵塞，柱状浆流改善了气泡分散性的稳定性和均匀性。（3）柱高度：它减少了从原来的十米的几米，高径比大的浮选柱是逐渐降低的，即使浮选柱的大小基本上是10m高度。（4）浮选柱浮选时间越来越短，数学模拟和比例放大越来越深入地研究；自动化控制程度越来越高；向着大型化、标准化方向发展。1.7近年来浮选柱的发展及其优缺点1.7.1传统浮选柱图1-1传统浮选柱示意图图1-1为国内常规浮选柱，圆柱，主体高6～7m。同一批制成的充气微孔材料的底部，上到我的分配器和矿化实现均匀浆料颗粒的横截面的身体变化过程与气泡的碰撞会下降。与浮选机相比，颗粒与气泡间的碰撞和粘附几率明显增大。气浮区内的纸浆的湍流度相对较低，气泡中颗粒的疏水性粘附不易脱落。浮选柱在泡沫层中往往多达几十厘米，2次富集效果显著，可在泡沫层中注入强化水，通常一个粗选可获得高质量的精矿。如加拿大12～15m浮选柱的发展，这样的浮选柱的特点是微孔隙和气泡的逆流碰撞矿化颗粒正压。该浮选柱在我国已有多年的应用，具有良好的选择性，可应用于细颗粒材料，也是气动装置推广应用的主要障碍。1.7.2CPT浮选柱由CPT（加拿大技术公司），核心是其空气分布系统，共有四种类型，其中最新的是slamjet色散和色散sparjet。浆浮选药剂，然后从列以下约1～2米的收入最高，在塔底是从外气体分散的拆卸和维修柱安装，气体分散在微气泡，在浮力的作用下自由上升，并在重力自由下落的果肉中的矿物颗粒，气泡上升，集热器面积接触矿物颗粒下降，疏水性矿物颗粒被捕获，附着于气泡，使气泡矿化。对矿化气泡有用矿物颗粒负载继续漂浮到选定的区域，并在柱体上形成了一百万泡沫层的厚度，层泡沫洗涤水清洗，被夹带进入的煤矸石颗粒泡沫层脱落的泡沫层，所以为得到较高的精矿品位。尾矿从柱底部排出，浮选柱保持在“正偏压”条件下。其结构如图1-2:图1-2CPT浮选柱1.7.3Jameson浮选柱Jameson浮选柱，其工作原理是将一个良好的试剂泥浆泵通过充电管进入导管内的混合头，通过喷嘴形成的射流流动，产生负压区，并吸入空气气泡，矿物颗粒在导管和气泡碰撞矿化和下流从底部的导管进入分离柱和矿化气泡上升到一个塔身泡沫层的上部，冲洗清洗的水流量进入浓缩槽，尾矿是通过底部的柱锥口排出。气动搅拌装置是詹姆森浮选柱的关键部分。采用射流泵原理，将泥浆压力能量由喷嘴在同一时间内转换成动能，在密封套管内形成负压，并由风道吸入空气。密封套，将喷气量包气成混合管，在高度湍流的流体中，将气体分为气泡和继续和矿物颗粒的碰撞和附着，矿化[18]。分散的等效静叶轮，垂直向下沿径向均匀分散浆,结构如下图1-3。图1-3Jameson浮选柱1.7.4旋流微泡浮选柱旋流微泡浮选柱是由中国矿业大学教授欧便，提出、设计思想和获得的发明专利。这种浮选柱主要用于浮选和处理非金属矿物，近年来已开始选择其他金属的方向发展。旋流微泡浮选柱是离心力场浮选工艺，可以有效地提高精矿回收率，添加列在稳流板减少的柱体高度、外部吸微泡发生器可以减少能源消耗。结构图如图1-4：图1-4旋流微泡浮选柱结构及原理示意图1.7.5各种浮选柱的优缺点综合近些年来浮选柱的发展趋势，从最早期的传统浮选柱到后来的Jameson浮选柱再到如今炙手可热的旋流微泡浮选柱，总结其优缺点如下：优点与常规浮选机和短体射流浮选柱相比，新型浮选柱具有较大的成矿作用。常规浮选机与后矿化带仅在转子的高剪切带内，而新的浮选柱从进料口到整个捕集区的口内都是矿化带，容积利用率高，每单位体积处理量大。用喷射器设计的原理，可以在短时间内产生大量的稳定气泡。与传统机械搅拌式浮选机相比，浮选柱的气泡与纸浆成向相反方向移动，两者之间发生反向碰撞，矿化速率大，气泡稳定附着，矿化效率高。微泡数，分散度高，稳定性高。大量的微气泡上升缓慢，基本流动处于层流状态，这有助于形成气泡和颗粒碰撞的良好条件，有助于提高浮选速度和回收率。缺点高浓度饲料浮选效果不稳定。今天的选煤厂广泛应用于重介质选煤技术，一些老的选煤厂也逐渐为重介质选煤厂浮选过程的改变，导致进料浓度对原60.00g/l提高约100.00g/l甚至更高。和浮选柱的浓度是由一定的要求，这是一般50.00g/l-80.00g/l，纸浆的浓度高，FCMC没有发挥其优势，浮选效果不稳定，煤，煤不能尾。旋流微泡在有限的作用下，高浓度泥浆。在高浓度的泥浆（有时甚至是普通的泥浆浓度会产生类似的情况），只有材料的喷射和微泡气泡发生器产生的气泡产生的涡流使气缸内的涡流位置旋流分离是不够的。这将需要一个更大的功率，在进料浆的时间，将不可避免地导致资源浪费，但也产生了较大的另一个问题，在圆筒体受到限制。柱结构的大尺寸的限制。与管流矿化泡沫发生装置的研究与开发，以及旋流段力场的清除效果，比其他的FCMC低高度浮选柱，并根据减少工厂的基础设施投资和管理、柱高度降低是一个趋势。柱高度的降低，势必会使柱的矿化面积减小，从而保证颗粒和气泡的矿化作用，并不能减少矿化区。因此，由于浮选柱的高度不应增大，故在柱径方向。现在FCMC直径中国矿业大学研究与发展也越来越大，5米的最大直径已完成。直径越大，也会导致问题：较大的直径，气泡和纸浆在汽缸径向均匀分布程度低。同时，柱高、柱径比降低，柱背混料现象比较强烈，不利于床的稳定性，产品质量不稳定，影响企业经济效益。2、本文研究的内容2.1装置的提出随着全球煤炭开采机械设备的日益庞大，细颗粒在煤与细粒煤泥水处理中的比例越来越大，越来越难。处理细粒物料的最有效的方法之一是浮选，这取决于浮选机。目前，主要的浮选设备是浮选机和浮选柱。浮选机由于一个浅槽，槽内湍流强度和泡沫层薄，微细粒煤泥的分选效果差，使浮选精煤灰分takadeShigesuke煤灰，造成“重介质回流”现象更为严重；和浮选柱气泡发生器产生依赖外部的微泡造影剂对微细粒煤泥浮选的粘附性，通过次生富集和冲洗水由于“夹带”污染煤有一定效果，减缓，有利于提高浮选精矿的质量，有效地弥补在浮选机存在的不足。但细粒浮选柱浮选是不全面的，当进料微细粒含量超过50%，煤泥可浮会使情况恶化，煤浮选柱分选将泥夹带污染和高灰分含量，试剂消耗和增加成本。但目前大多数选煤厂浮选入料煤泥含量占分数一般都在60%以上。因此，要解决浮选柱体过高，矿化效率不高，炸药消耗过多，不符合要求[19]。在存在的矿化效率不高，消耗量大，柱太高，本文的设计提供了一种离心力场下，选择泡沫浮选装置，可以减少煤的灰分含量，提高精煤产率，提高处理能力。该装置具有结构设计明显创新：利用切线的矿浆进入浮选装置，形成涡流，在叶轮浮选装置底端的叶轮旋转，上面的中矿循环清除，涡切向射流形成、浮泥三离心力场作用在分离根据密度不同，煤矸石颗粒的密度被扔到沿塔壁从出料口底部，粒子移动到中间密度小气泡的装置，与旋涡运动到气缸中心的气泡发生器，和碰撞矿化颗粒密度小，疏水性好的部分用粘附在气泡颗粒，气泡上升到溢流堰，一小部分不能坚持中等吸力式气泡被选中，通过泵和射流气泡发生器的装置再泡沫浮选。研究了装置的设计，研究了各种工艺参数对浮选效率的影响，并对精矿和尾矿中的灰分含量和精矿、尾矿的产量进行了评价和比较。2.2试验步骤的设计通过对前人试验和研究方法的学习及自己参与实验的心得体会，结合本论文的研究内容，确定实验的技术路线如下：（1）实验前期准备。根据研究方向的需求，选择合适的煤样，收集某些选煤厂的煤泥性质资料，经过分析，确定采用淮南望风岗选煤厂的煤泥作为本论文的试验煤样。（2）煤样的准备，将所采用的煤样自然晾干，为保证浮选入料粒度满足要求及入料性质的均匀性，先隔粗，即晾干煤样经0.50mm筛分处理，将筛上物排掉；后混合均匀，即将筛下物进行多次堆积，使其混合均匀。（3）煤样的制取。对煤样进行缩分，依次制取待试验项所需煤样。（4）煤样性质分析。首先进行小筛分，得到原煤粒度组成，在进行小浮沉，得到密度组成并由密度组成和粒度组成画可选性曲线，分析煤的可选性；XRD分析矿物组成；接触角试验，分析润湿性，初步判断可浮性。（5）可浮性分析最佳参数试验：单元浮选试验做捕收剂和起泡剂的最佳用量。浮选速度试验：单元浮选试验，画可浮性曲线。（6）三种浮选柱对比试验浮选完善指标，浮选速度，处理量的对比。（7）试验结果分析。对每一次试验的浮选精煤和尾煤进行灰度分析并计算产量，对比并得出最佳参数比。最后对试验进行总结分析。3、实验装置的构建3.1旋流选矿的原理旋流中固体颗粒受到的力主要包括离心力，液体阻力和轴向力。固体颗粒在旋流中随着液体做旋转运动，因此颗粒所受离心力是：(1)式(1)表明，旋流中固体粒子所受离心力与颗粒的粒径dp、密度ρp、所处位置r及其该位置的切向速度vpθ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(该力阻碍颗粒向器壁运动)。此向心浮力：(2)由式(2)可以看出，向心浮力与固体颗粒粒径dp、固粒的切向速度vpθ、液相密度ρl有关。另外颗粒在离心力场中沿径向还受到流体曳力Fd的作用:（3）式(3)表明，Fd的大小受到径向相对速度vb的影响。在径向上，向心浮力和液体曳力构成了液体阻力，其阻碍固体颗粒向浮选柱筒壁运动。由于固体颗粒与液体之间存在密度差，其相对于流体在重力方向上有作用力差。由于流体向下流动，使颗粒受到了向下的轴向曳力Fzd、重力Fg和向上的液体浮力Fzb，粒子在外旋流中轴向合力△FWZ：△FWZ=Fzd+Fg–Fzb（4）其中，△FWZ方向和液体流动方向相同(朝向底流口)。在浮泥中沿切线方向进入浮选装置，随着底部的浮选装置的叶轮旋转，形成了主旋涡和气泡发生器的切向燃烧，并通过离心力、液阻力和轴向力作用的离心力作用下的粘液颗粒的旋流。由于泥的颗粒密度和颗粒大小的不同，密度，颗粒大小的泥状颗粒倾倒到旋流的边缘，并沿气缸壁的浮选柱向下；低密度和颗粒聚集的颗粒聚集在中心的浮选装置。由于浮煤颗粒的粒径很小，浮泥颗粒的分离主要是在颗粒密度的基础上，所以旋流可以将产物的重量成功地分离出来。3.2泡沫选矿原理泡沫主要是靠碰撞接触、粘附、矿化升浮、泡沫层形成多种机理综合作用的结果。如图所示：①接触阶段，矿粒在流动的矿浆中与气泡接近，并进行碰撞接触，如图3-1。②粘着阶段，矿粒与气泡接触后，表面疏水的矿粒和气泡之间的水化层逐渐变薄、破裂、在气、固、液三相之间形成三相接触周边，实现矿粒与气泡的附着，如图3-2。③升浮阶段，附着了矿粒的气泡（即矿化气泡）互相之间形成矿粒气泡的联合体，在气泡上浮力的作用下进入泡沫层。④泡沫层形成阶段，最后形成稳定的泡沫层，并及时刮出。图3-1气泡矿化示意图图3-2矿化气泡升浮示意图在气泡矿化过程中，表面疏水性粒子优先粘附于气泡，形成气泡和颗粒的组合。它是很难坚持的表面上的亲水性颗粒上的气泡，即使有可能会附着不强，在喷雾的喷雾组件将被清洗干净。所以，空气泡的矿化过程是有选择性的，疏水性的浓缩物更容易附着在气泡上，而亲水性的煤矸石并没有粘在一个泡泡中，即使有小颗粒的煤矸石的粘度对气泡会被冲刷下来。因此，气泡根据材料的表面性质，精细分离的精细分离的成功[20]。4、设计方案4.1装置设计方案如图4-1所示，微泡浮选装置主要部件包括：浮选柱柱体1、溢流堰10、喷淋组件11、叶轮5、电机6、轴4、吸浆斗9、泵8、气泡发生器7。在所述的浮选装置柱体上端设有入料口2和溢流堰10，下端设有底流口12，浮选柱柱体顶端设置喷淋组件11，轴4设置在浮选装置柱体轴心处，轴4上连接有叶轮5，在轴4的另一端连接电机6，吸浆斗9与泵8用管道连接，泵8与气泡发生器7连接。预处理的纸浆从入口到切线形成涡流，涡流后，在切向射流气泡发生器和形成在叶轮的主涡的作用下，在旋流场粒子密度的作用下移动到边缘沿筒壁的作用下排出底流，尾煤，气缸中心粒移向低浓度浮选装置、泡沫发生器产生旋涡运动的中心柱气泡、小颗粒浓缩浮选密度，疏水性矿物颗粒附着在气泡上的浮子，溢流堰的泡沫，水喷雾组件清洗后矿化泡沫，高灰颗粒为了去除夹带的泡沫，剩余流量从溢流堰，高品位的煤，小部分前和煤浆气泡矿化吸通过桶提取。泵和射流气泡发生器装置，以避免气泡浮选，集中损失，提高煤炭产量。图4-1微泡浮选装置结构示意图工作流程简介：①预处理中的进料切进切进电机和清除泵，由于切向进料口附近形成了离心力场，浮选柱底端设置了叶轮轴旋转的旋力场，后气泡发生器切向射流的离心力场，在三离心力场作用下，整个浮选装置形成一个旋流在电机的驱动下。②预处理后，从泵的进料口处进入浮选装置，在三个旋涡力场作用下，通过离心力、液阻力和轴向力，根据颗粒密度的差异分离。密度的泥粒子抛向旋边流动，并沿筒壁的浮选柱向下，通过开口的底部材料的收集和排出，颗粒密度聚集在中间的浮选柱。③气泡发生器吸收浆液，由于自动压在空气中呼吸，发泡剂、空气、发泡剂和浆体混合在一起，通过扩散管喷出的射流和气泡。④在旋流中心密度小颗粒和气泡的接触，水化层之间的表面疏水性矿物颗粒和气泡逐渐变薄，破碎，周围的气体，固体和液相，实现矿物颗粒和气泡附件之间的三相接触。气泡在泡沫层中形成的矿化气泡在气泡作用下的作用。⑤一个喷雾组件喷水，由于不好的粘接疏水性颗粒不紧，冲了下来，倒回到了纸浆。疏水性颗粒在泡沫层表面富集。气泡的体积也越来越多，最后的浮柱体的溢流溢流堰，流出的溢流堰底部的溢流堰。⑥小部分在煤附着在一个泡沫吸吸浆料斗，通过泵中矿矿浆输送到泡沫发生器，最后切向射流浮选柱浮选。4.2内部结构设计方案4.2.1叶轮设计浮选柱的底端设置有一个叶轮，该叶轮通过一个轴与电机连接。叶片是弯曲的，并在一定角度上的叶轮主体上设置。柱浮选起动电机带动叶轮旋转，叶轮产生旋涡旋流动，浮选机中的颗粒在旋流场中的密度差分选，密度的粘液颗粒倾倒到旋流的边缘和沿筒壁的浮选柱，从卸货港收集，颗粒密度聚集中心的浮选柱[21]。图4-2叶轮实物图4.2.2气泡发生器气泡发生器是一个文氏管结构，通过吸浆桶提取从喷嘴进浆，以上由于压力自动呼吸空气和发泡剂的吸收，通过管中空气，发泡剂与纸浆混合在一起，扩散管喷出的射流与气泡。射流入口设置在切向上，在喷射进入后形成旋流。气泡产生的气泡发生器与旋涡旋从边缘的浮选柱的中心，小颗粒的浓度，疏水性颗粒粘附的气泡，颗粒跟随气泡上升到气泡面积。图4-3气泡发生器实物图5、试验煤样的分析5.1原煤分析对于此次进行研究的煤样需要对其进行煤样分析，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（105〜110）℃。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，直到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。当水分小于2.00%时，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5-1如下所示：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表5-1分析原煤煤样水分数据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5-2如下所示：表5-2分析原煤煤样灰分数据序号123空灰皿质量/g实验前煤样质量/g实验后煤样质量/g所测煤样灰分/%灰分平均值/%17.07881.13060.354231.3219.14511.05690.376735.6434.7817.22061.11410.416337.37由分析原煤煤样水分测定表5-1及分析原煤煤样灰分测定表5-2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％,属于中灰度煤。由此可以看出，煤泥样品中灰度并不是很高，符合本次试验要求。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有益于后续研究。5.2煤样准备本实验用煤采自淮南望峰岗。煤样的第一集自然晾干，以确保相同的性能和实验煤样的客观性，干燥煤样四采样煤样充分混合均匀后装入锥形压成锥形，然后交叉框架为四析取对角两又四采样。重复三步得到干煤样的混合物及其筛选。将由0.5mm筛分离处理煤样干燥，筛上物料排出，以保证材质均匀，将筛选的煤样混合均匀后再重复，然后混合均匀的煤样放入一个塑料桶，用保鲜膜密封保存，尽量减少煤样之前在自然界的变化后。5.3粒度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）规定，分别使用0.45mm、0.30mm、0.125mm、0.074mm与0.045mm标准套筛对其制好的试验煤样进行粒度分析。结果如表5-3所示。表5-3筛分粒度组成表粒度级/mm质量/g产率/%灰分/%累计产率/%累计灰分%0.5-0.42566.7533.4018.0433.4018.040.425-0.252.81.4013.2734.8017.840.25-0.1259.974.9914.5139.7917.430.125-0.07578.8239.4415.4879.2336.20-0.07541.520.7717.89100.00总计199.84100.00由表5-3筛分粒度组成表可以看出：①筛上物累积量成下降趋势，而筛下物累积量成上升趋势，由此可以说明此试验煤样中粗颗粒含量较多。②煤样中主导粒级是0.125-0.075mm，占全样产率的39.44%，<0.125mm的占全样产率的60.21%，说明煤样中含有适中的微细颗粒。>0.425mm的占全样产率的33.40%，粒度级差异较大。5.4矿物组成分析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0.20mm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，Kɑ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-Kβ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：0.01945ͦ(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5-2所示。图5-2煤样XRD衍射图谱由图5-2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，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。5.5润湿性分析矿物润湿性是用来表征矿物表面被水润湿的程度，根据润湿性大小的不同可说明浮选行为变化的过程。常采用测定接触角θ的方法来判断矿物表面润湿性的大小。在平衡状态时，有Yong方程可知，接触角θ越大，cosθ越小，这说明矿物表面润湿性越小，可浮性越好，其中，润湿性=cosθ，可浮性=1-cosθ，由此可以通过测定矿物表面接触角来评价矿物润湿性和可浮性。将0.2mm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0.2mm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：20℃～25℃；电源：220V/50～60Hz；测量范围0～180°；相对湿度：40～65％RH；测量精度：0.10°。其测量结果如下表5-4所示：表5-4煤样接触角测定表该煤样的接触角测定图像如图5-3所示。图5-3煤样的接触角测定图样通过测定结果可知，该煤样的接触角为62.05°。接触角值较大，说明该煤样润湿性较小，去离子水滴在该煤样表面不容易铺展开，从而可知，该煤样在浮选过程中将表现出很强的疏水性，可浮性较好，要通过常规浮选的到低精煤比较容易，初步判定此煤样可浮性为中等。5.6实验总结本节煤样准备阶段首先将主要设备和仪器列出，然后详细阐述实验煤样的制备过程；再总结研究了实验煤样的煤泥特性，包括实验煤样的粒度及密度分析、矿物组成分析、润湿性分析、可浮性分析。主要结论：实验煤样灰分为34.78%，煤样主导粒级为0.125-0.075mm，属于中灰煤泥。中间密度级含量大，可燃矿物和脉石矿物细微切紧密的嵌合在一起；主要矿物质为高岭土、方解石和石英，黏土类矿物质高岭土的含量较大，在水中极易泥化，会恶化浮选过程；煤样的接触角为62.05°，煤样疏水性较强，可浮性较好，综合判断为易浮。6、可浮性实验参照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，%。药剂量的计算：V=(W×q)÷(d×10＾6)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6-1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%浮选完善指标%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由表6-1可知，随着捕收剂和起泡剂用量的增加，精煤灰分呈现先降低后增大的趋势，而精煤的产率呈增大趋势；尾煤的灰分在逐渐增大，相比尾煤的产率逐渐减少；浮选完善指标则呈现先增大后降低再增大的变化规律。分析其原因：对于不同粒级煤粒来说其上浮速率不同，细颗粒由于浮游性较好，比粗颗粒上浮的快，而粗颗粒灰分小于细颗粒，对于高含量高灰细颗粒级颗粒煤泥，在药剂量用量不足时，细颗粒由于其表面积较大，会优先吸附药剂向上升浮，导致大量低灰粒粗颗粒因无药剂协助而不能矿化，而损失于尾煤中，使得尾煤灰分偏低，精煤灰分较高，精煤产率变低；然而，随着药剂量逐渐增加，大部分粗颗粒能附着于气泡上完成矿化，成为精煤产品，使得精煤灰分降低，精煤产率、浮选完善指标和尾煤灰分迅速增大；但当药物剂量继续增大时，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，在气泡带动进入到精煤中，造成精煤灰分增大，精煤产率和尾煤灰分逐渐增大，于是导致浮选完善指标先降低后增大。当捕收剂和起泡剂用量分别是1000g/t、100g/t时，可知精煤灰分最小，为11.09%，精煤产率和浮选完善指标分别为50.02%、60.16%。本文要求探索的精煤产品灰分指标为10.50%，初步探索实验中实际精煤灰分均大于此，为了实现降灰目的，则选择精煤灰分最低的药剂用量作为初步探索实验所得的最佳药剂条件。7、微泡浮选柱试验研究在实验室进行微泡浮选柱实验研究时，根据本实验装置设计的特点，特地分三种试验情况对本实验装置进行对比研究。实验装置设计图如下：试验设计：A、只有中矿循环系统B、只有叶轮C、有中矿循环系统和叶轮实验条件：入料浓度：100.00g/l，捕收剂和起泡剂用量分别选择最佳浮选药剂用量1000g/t、100g/t试验煤样的质量为1000g，充气量为0.25m3/min,叶轮转速为1800r/min。实验装置如