细粒煤超声同步浮选的试验研究.pdf
第4 5 卷第8 期煤 炭学报 V 0 1 .4 5N o .8 2 0 2 0 年8 月J O U R N A LO FC H I N AC O A LS O C I E T Y A u g . 2 0 2 0 移动阅读 王卫东,靳立章.细粒煤超声同步浮选的试验研究[ J ] .煤炭学报,2 0 2 0 ,4 5 8 2 9 4 9 2 9 5 5 . w A N Gw e i d o n g ,J I NL i z h a n g .u l t r a s o n i cs i m o l l a n e o u sn o t a t i o no fc o a l6 n e s [ J ] .J o u m a lo fc h i n ac o a lS o c i e t y ,2 0 2 0 , 4 5 8 2 9 4 9 2 9 5 5 . 细粒煤超声同步浮选的试验研究 王卫东,靳立章 中国矿业大学 北京 化学与环境工程学院,北京1 0 0 0 8 3 摘要针对目前细粒煤泥浮选所面临的一系列问题,超声浮选有助于提高细粒煤的浮选速率和浮 选效果,可作为一种行之有效的浮选方式。为探究同步超声对细粒煤浮选的影响,在驻波超声浮选 装置中以不同超声频率对细粒煤进行了超声同步浮选试验。通过扫描电子显微镜 s E M 观察了 常规浮选精煤与1 0 0k H z 超声浮选精煤的表面形貌;使用梅特勒一托利多 F E 2 0 p H 计测量了液相 在1 0 0k H z 超声处理过程中的p H 及温度变化;通过欧美克激光粒度分析仪测量了超声浮选 8 0 , 1 0 0 ,1 2 0k H z 与常规浮选精煤、尾煤的粒度组成;并在气泡观察装置中对驻波声场中气相行为进行 了观察。结果表明超声同步浮选优于常规浮选,频率为1 0 0k H z 下的超声浮选效果最好,其精煤 产率、可燃体回收率和浮选完善指标较常规浮选分别提高了6 .8 2 %,7 .8 3 %和2 .7 9 %。超声处理 使煤粒表面更干净,超声的清洗、乳化作用使浮选精煤中微细粒含量增多,但原煤粒度较小,破碎作 用较弱。超声处理过程中液相的p H 上升,温度上升,煤粒处在微碱性环境中而易于浮选。驻波声 场中气泡会形成更易上浮的气絮团,有利于微细粒的收集以及浮选速率的提高,但对煤粒与细泥的 选择性不高,因此,尾煤中细泥含量增多。说明超声频率影响了气絮团的形成,导致了不同频率超 声浮选结果的不同。 关键词超声波;浮选;频率;粒度;气泡;气絮团 中图分类号X 7 0 5文献标志码A文章编号0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 2 0 0 8 2 9 4 9 0 7 U l t r a s o l l i cs i m o l t a n e o u sn o t a t i o no fc o a l6 n e s W A N GW e i d o n g ,J I N “z h a n g S c o o f 矿c e m i ∞Z 勖“ i r 0 厅M n f ⅡzE n 鲥n e e r i 昭,矾i n 。l 而P 雕i £yD ,舾n i 增&n c 肋z 嗍, 跳彬昭 ,曰e 彬凡g1 0 0 0 8 3 ,∞i n n A b s t r a c t I nv i e wo fv a r i o u sp r o b l e m sf a c e db yt h ec u Ⅱ.e n tf i n ec o a ls l i m ef l o t a t i o n ,t h eu l t r a s o n i cn o t a t i o nc o u l di m . p r o v et h en o t a t i o nr a t ea n dn o t a t i o ne f f b c to fn n ec o a l ,w h i c hc o u l db eu s e da sa ne f 如c t i v en o t a t i o nm e t h o d .I no r d e rt o e x p l o r et h ee f k c to fs i m u l t a n e o u su l t r a s o u n do nt h en o t a t i o np r o c e s so f6 n ec o a ls l i m e ,s o m eu l t r a s o n i cs i m u l t a n e o u s n o t a t i o ne x p e r i m e n t sw e r ec a 耐e do u to nf i n ec o a ls l i m e sa td i f k r e n tu l t r a s o n i cf } e q u e n c i e si nas t a n d i n gw a v eu l t r a . s o n i cn o t a t i o nd e v i c e .T h es u d a c em o r p h o l o g yo fc l e a nc o a lc o l l e c t e df r o mc o n v e n t i o n a ln o t a t i o na n d1 0 0k H zu l t r a s o n . i cn o t a t i o nw a so b s e Ⅳe db ys c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e S E M .T h ep Ha n dt e m p e r a t u r ec h a n g e so fl i q u i dd u r i n g u l t r a s o n i ct r e a t m e n ta t1 0 0k H zw e r em e a s u r e db Vap Hm e t e r .T h ep a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o n so fc l e a nc o a la n dc o a l t a i l i n gf I - 0 mu l t m s o n i cn o t a t i o n 8 0 ,1 0 0a n d1 2 0k H z a n dc o n v e n t i o n a ln o t a t i o nw e r em e a s u r e db va n0 M E Cl a s e r p a r t i c l es i z ea n a l y z e r .T h eb e h a v i o ro fg a sp h a s ei nt h es t a n d i n gw a v eu l t r a s o n i c6 e l dw a so b s e r v e di nab u b b l eo b s e r v a t i o nd e v i c e .T h er e s u l t ss h o wt h a tt h eu l t r a s o n i cs i m u l t a n e o u sn o t a t i o nw a ss u p e r i o rt oc o n v e n t i o n a ln o t a t i o n ,a n dt h e 收稿日期2 0 1 9 一0 5 一l l修回日期2 0 1 9 一0 7 2 5 责任编辑韩晋平D O I l O .1 3 2 2 5 /j .c nk j j c c s .2 0 1 9 .0 6 2 7 基金项目国家自然科学基金面上资助项目 5 1 5 7 4 2 5 1 ;中国矿业大学 北京 “越崎青年学者”“越崎学者”奖励计划 作者简介王卫东 1 9 7 8 一 ,男,安徽淮北人,教授,博士。T e l 0 1 0 6 2 3 3 9 9 6 3 ,E m a i l w w d c u m 【b .e d u .c n 万方数据 2 9 5 0 煤炭 学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 u l t r a s o n i cn o t a t i o nw a sb e s ta tl0 0k H z .C o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a ln o t a t i o n ,t h ec I e a n e dc o a lv i e I d .c o m b u s t i b l er e . c o V e r ya n df l o t a t i o nc o m p l e t ei n d e xw e r ei n c r e a s e db y6 .8 2 %,7 .8 3 %a n d2 .7 9 %,r e s p e c t i v e l y ,m e a n w h i l et h e c l e a n e dc o a la s hi n c r e a s e ds l i g h t l y .T h es u d a c eo fc o a lp a n i c l e st r e a t e db yu l t r a s o u n dw a sc l e a n e rt h a nt h o s en .e a t e d b yc o n v e n t i o n a ln o t a t i o n .B e s i d e s ,t h eu l t r a s o n i cn .e a t m e n tm a d et h es u d .a c eo fc o a lp a r t i c l e sc l e a n e r ,t h eu l t r a s o n i c c l e a n i n ga n de m u l s i 6 c a t i o ni n c r e a s e dt h ec o n t e n to ff i n ep a r t i c l e si nn o t a t i o nc l e a nc o a l ,a n dt h eu l t r a s o n i ct r e a t m e n t h a dw e a k e rc 1 1 J s h i n ge f .f e c ta st h er a wc o a lh a ds m a Up a n i c l es i z e .D u r i n gu l t r a s o n i ct r e a t m e n t ,t h ep Ha I I dt e m p e m t u r e o fl i q u i dr o s e ,a n dt h ec o a lp a r t i c l e sw e r ee a s yt ob en o a t e di ns l i g h t l ya l k a l i n ee n v i r o n m e n t .I nt h es t a n d i n gw a v eu l - t r a s o n i cf i e l d ,b u b b l e sf o 珊e db u b b l ea g g r e g a t i o n ,w h i c hw a sb e n e 6 c i a lf o rt h ec o l l e c t i o no ff i n ec o a l s l i m e sa n dt h e n o t a t i o nr a t e ,h o w e v e r ,t h en o t a t i o ns e l e c t i v i t yb e c o m ew o r s e ,l e a d i n gt ot h ei n c r e a s eo f6 n em u di nt h ec o a lt a i l i n g . T h e r e f o r e ,t h eu l t m s o n i cf k q u e n c ya f k c t e dt h ef o 珊a t i o no fb u b b l ea g g r e g a t i o n ,r e s u l t i n gi nd i f k r e n tu l t r a s o n i cn o t a t i o nr e s u l t sa td i f k r e n tf k q u e n c i e s . K e yw o r d s u l t r a s o n i c ;n o t a t i o n ;f k q u e n c y ;p a n i c l es i z e ;b u b b l e ;b u b b l ea g g r e g a “o n 浮选是普遍认为处理高灰细粒煤泥最有效的方 法,随着煤质变差,煤炭资源地质条件的恶化以及采 煤机械化程度的提高,人浮原煤中高灰细粒煤泥的含 量逐渐增多。3J 。细粒煤泥颗粒质量小、动量低以及 比表面积大的物理化学特性造成了煤粒与气泡的碰 撞概率低、煤泥的非选择性吸附大、药剂用量大、浮选 速率低、浮选指标变差等一系列浮选问题。针对细粒 煤泥浮选存在的问题,学者们从浮选工艺【4 。5J 、药 剂‘6 。7 】、物理调节哺叫和化学调节[ 1 2 。1 43 来解决,但细 粒煤泥浮选存在的煤泥非选择性吸附大,药剂用量 大,浮选速率低,气泡与煤粒之间的碰撞、黏附概率低 的问题没能得到很好解决。 超声浮选是一种将物理调节法和化学调节法相 结合的浮选方式,对提高煤泥浮选的选择性、浮选效 率以及浮选效果具有很强的现实意义5 I 。勒特马瑟 等【l 卅对超声波强化石墨浮选的研究表明超声波预处 理可强化浮选过程,提高浮选分离的选择性。 C E u KMS 【1 7 1 对超声波预处理煤泥的可浮性变化规 律的研究表明超声波预处理可以去除煤粒表面细泥, 未加捕收剂的情况下,处理后的浮选精煤回收率明显 高于未处理的浮选精煤。S A F A KGO z k a n 等副发现 超声波预处理可使浮选气泡变小,气泡稳定性增强, 同时药剂用量减少,浮选时间缩短,浮选回收率增加。 康文泽等9 。驯对超声波预处理强化煤泥浮选的研究 表明超声波预处理使煤泥接触角增加、疏水性增加、 润湿热减少、矿浆p H 增加,超声浮选的精煤产率、浮 选速率、浮选完善度较处理前有明显提高。苟海 鑫B u 对超声波强化稀缺难浮煤泥的研究表明超声波 对煤粒的破碎作用促使煤与矸石解离,超声处理可降 低气液表面张力,减少药耗,超声预处理使煤的疏水 性增强,浮选效率提高。毛玉强日2 。、z H E N K U N K u N 【2 刘等在低阶煤浮选中引入超声波同样强化 了低阶煤的浮选回收。 超声空化产生的清洗、剥蚀、乳化作用改变了煤 泥表面物理化学性质,促进了浮选药剂的乳化,增强 了浮选气泡的稳定性,提高了浮选速率,强化了浮选 效果。通过超声波对人浮煤泥的预处理强化浮选效 果的研究较多。而超声处理与浮选过程同步进行,以 及超声波对浮选的气相行为和液相环境的影响研究 较少。 笔者在驻波超声浮选装置中通过超声同步浮选 试验探究了不同频率超声对细粒煤浮选的影响,通 过S E M 、激光粒度分析、p H 及温度测量对比了超声 的不同作用对浮选结果的影响。最后结合驻波声场 中气泡的团聚行为及气絮团的形成过程探讨了超声 频率对浮选结果产生影响的原因。 1 试验部分 1 .1 试验煤样 试验煤样来自大同矿区4 台选煤厂不黏煤煤泥, 灰分为3 4 .2 9 %,水分2 %,表l 为煤样粒度分析结 果。由表l 可知, 0 .0 4 5m m 粒级为7 3 .8 7 %且灰分 较高,难分选,O .0 4 5 0 3m m 粒级约占总量的 2 5 .2 2 %且灰分较低,应尽可能回收。 表l 煤样筛分试验结果 T a M elR 豁u l t so f ∞a Is a m p l 髓s c r ∞I I i n gt e s t% 万方数据 第8 期 I il i 东等细粒煤趟卢同步浮选的试验研究 1 .2 试验装置 试验采用K M D I 2 超声波发,L 器、超声振 子 8 0 ,1 0 0 ,1 2 0k H z 、驻波超声浮选槽 容积2 .5L 和x F D l L 单槽浮选机,如图l ,2 所示。气泡观察装 置中所用超声振子与浮选试验所用振子相同,超声场 与浮选时超声场一致j 图l超声浮选装置 卜、i g .1 S 。h e l n a t i ‘ 1 j a g r a I 】1o fL l j I l ‘a s t l n i ‘n o l a t i n 罔2 7i 泡观察装置 F i g .2S ‘h P n l a I i ‘l l j d g I .a mo f1 L j } h I P ‘’l l s P r v a t i t l f l 试验还用到扫描电子显微镜 S E M ,梅特勒一托 利多 F E 2 0 p H 汁,欧美克激光粒度分析仪。 1 .3 试验方法 超声浮选试验过程为称取2 5 0g 煤样并润湿, 在浮选槽中加水搅拌,制成质量浓度为l o og /【.浮选 矿浆,同时开启浮选机搅拌机构与超芦i 波发生器,矿 浆搅拌2n 、i n 后加入捕收剂 煤油 5 0 0g /t ,再搅拌 1 .5m i n 后加入起泡剂 仲辛醇 1 0 0g /l ,再搅拌3 0s 开启充气阀门,刮泡4 .5 ,,,i n 。本试验中每组进行2 次试验,矿浆质量浓度 1 0 0g /l _ 。 、充气量 3 0 0 【/h 和浮选机转速 30 0 0 ./m i ,、 保持恒定。 其他试验方法将常规浮选精煤与1 0 0k H z 超声 浮选精煤缩分制样以进行扫描电镜分析。常规浮选 与8 0 ,1 0 0 ,1 2 0k H z 超声浮选精煤、尾煤缩分制样,用 酒精与丙三醇混合液润湿分散进行激光粒度分析。 将试验用水置于超声场中,超声频率为1 0 0k H z ,在 不加药剂与添加药剂 煤油 仲辛醇 的情况下分别 测量其p H 及温度变化情况,测量间隔时问为lm i n 。 观察室内充满清水,从下方通人空气,观察室中超声 场与超声浮选试验一致,超声频率为1 0 0k H z ,充气 一段时间后开启超声波发生器,观察超声前后气泡变 化情况。 2 结果与讨论 2 .1 超声频率对浮选的影响 由图3 可知,与常规浮选相比,超声浮选的精煤 产率高于常规浮选,1 0 0k H z 超声浮选的精煤产率较 常规浮选高6 .8 2 %,超声浮选的可燃体回收率和浮 选完善指标分别提高7 .8 3 %和2 .7 9 %。超声浮选精 煤灰分与浮选精煤产率变化一致。从精煤质量和可 燃体回收率来看,超声浮选优于常规浮选。其中 1 0 0k H z 超声浮选的精煤产率与可燃体回收率最高, 浮选效果最好,高于或低于该频率的超声浮选会使得 浮选效果变差。 频率/k H z 口精煤产率_ 精煤灰分 口浮选完善指度 口可燃体回收率 图3 不同频率超声浮选结果 r i g .3 Ul t l ’a s o u l l 1n J t a t i o nl ’e s u l t sa l I i f I f e r e n tn ’e q u e n c i e s 如图4 所示,声波p r ,z 在液体中传播,形成压 力的交替变化。某些区域的压力超过环境静压力 p 。,另一些Ⅸ域低于,%。这些低于环境静压力| f 。,的 区域,液体内部受到拉伸作用,此时,液体内部原有的 结构缺陷会逐渐长大,经缓慢膨胀后急剧压缩破裂导 致周围液体出现高温高压、声微流和冲击波等,这就 是声空化效应忙4 | 。 △于夕训公黧w , / 、\1 _ _ _ _ _ - ./、、1 _ _ _ _ _ - 、、、■7、、影7 峰l I 】M Ⅲ 、▲L 图4 液体中压力交替变化一1 F 碡4C ‰1 9 e so f I 鹇s u l ’ei 1 1l i ‘I u 1 4 超声浮选时,含有空气和固体的悬浮液更易产生 空化氆1 。在周期性变化的声压作用下,液体中的空 气向气泡内的渗人多于渗“j ,水中的微泡核逐渐增 大一,然后急剧压缩破裂产生高温高压、声微流等。 万方数据 2 9 5 2 煤炭学报 2 0 2 0 ‘F 第4 5 卷 超声空化对煤粒有清洗、破碎、剥蚀作用1 7 。8 ,对药 剂有乳化作用旧⋯,同时液体环境也会有所改变旧引, 这些作用强化了煤泥浮选效果。 2 .2 超声对煤粒的清洗作用 如图5 所示,在放大50 0 0 倍的S E M 图中,常规 浮选精煤表面依然有亮色细颗粒吸附,且均 4m i n 后,罩盖于煤粒表面的细粒在超声波的作 用下被去除,煤样表面更加干净。 a 常规浮选精煤 b l O Ok H z 超声浮选精煤 图5s E M 放大后的煤粒表面形貌 F i g .5M 1 p h o l o g yo f 、I e a n ‘ J a lp a l .I i ‘l e su n d e rs ‘a n l l i l l g e l e ‘⋯ nn l i ‘l ’ s ‘o I e 激光粒度仪测量结果如图6 所示,1 0 0k H z 产物 中相比于其他条件有更多的细粒出现,这是超声的清 洗、破碎和乳化等作用结果。3 卜3 2 1 。超声频率为 1 0 0k H z 的精煤粒度为8 ~1 5 m 时高于其他条 件, 5 m 时并无明显变化,该部分精煤收集较多主 要是药剂乳化作用使更多细粒精煤得到回收。 1 0 0k H z 超声同步处理尾煤的粒度在 1 5 “m 时均高 于其他条件,总体粒度分布也表明超声浮选 1 5 n 粒级增多,煤粒表面罩盖主要为 5 m 粒级,尾煤中 5 m 细粒增多主要是超声清洗高灰细泥作用造成 的,其他粒级增多与超声的破碎、乳化作用密切相关。 考虑到原煤粒级均为0 .3m m 以下,超声的破碎作用 可能不明显∞- ”j 。因此,煤粒表面被清洗的高灰细 泥和药剂乳化作用下被收集的细粒精煤是导致粒度 分析出现上述变化的主要原因 一常规精煤 一一8 0k H z 精煤 一1 0 0 k H z 精煤 - .一1 2 0k H z 精煤 一一常规精煤 一8 0 k H z 精煤 一1 0 0 k H z 精煤 1 2 0 k H z 精煤 微分分布累积分布 一常规尾煤一常规尾煤 一一8 0 k H z 尾煤 8 0k H z 尾煤 1 0 0k H z 尾煤 1 0 0k H z 尾煤 一1 2 0 k H z 尾煤 1 2 0k H z 尾煤 b 1 尾煤粒度分布 微分分布累积分布 一常规浮选一常规浮选 8 0k H z 超声浮选 8 0k H z 超声浮选 1 0 0 k H z 超声浮选一1 0 0k H z 超声浮选 一1 2 0 k H z 超声浮选 1 2 0k H z 超声浮选 c 精煤 尾煤粒度分布 图6 粒度分析结果 F 瑶6 P a r f i c l es i z e 小s l r m u t 10 f ‘n a ls a ⋯p I e s 2 .3 超声对液体环境的影响 图7 中1 0 0k H z 超声处理过程中水、水 药剂 煤 油 仲辛醇 的I H 和温度均升高,处理8m i l l 时p H 可以达到7 .7 以上,液体环境属于相对碱性环境。在 万方数据 第8 期王卫东等细粒煤超声同步浮选的试验研究 相对碱性的环境中,O H 一逐渐增加,细粒表面的电负 性升高,颗粒问静电排斥力增大,颗粒的水化膜增厚, 细泥更加亲水,煤粒的可浮性变好㈣3 4 。。温度的上 升使空化更易发生㈦j ,同时药剂的乳化作用明 显㈣j ,更有利于浮选,液体环境的改变强化了浮选效 果。 图7 l O ok H z 超声处理过程中p H 与温度变化 F i g .7C h a n g e so fp Ha n 1t e I n p e r a l u l ’e 1 u r i n gu h r a s o n i c t l e a t m e n Ia l1 0 0k H z 2 .4 超声对气相行为的影响 超声浮选过程中,不同频率的声波与不同大小的 气泡共振。35 I 。当气泡尺寸大于与声场共振的尺寸 时,气泡将随压力梯度向下移动到压力变化最小的节 点。相反,小于共振尺寸的气泡会移动到波腹。如果 相反声波的振幅相似,大气泡将悬浮在节点处,它是 形成聚集体的先决条件。即2 个相对的振幅相同的 振子之间形成驻波,对颗粒和气泡产生聚集作用⋯, 形成更易浮起的气絮团。 如图8 所示无超声场时观察室内气泡杂乱分布, 有大气泡也有极小的微泡核存在。煤粒与气泡的碰 撞接触需要先排除普通水,然后排除水化膜中水分 子,至水化膜薄化破裂形成稳定的三相润湿周边,而 由简化的煤粒与气泡的碰撞模型得其碰撞概率与气 泡和煤粒直径有关。37 。。在浮选槽中给入气体一定的 情况下,气泡直径越小,上述过程变得容易,越有利于 煤粒浮选。加入超声场后气泡迅速兼并,同时这些气 泡逐渐聚集为气絮团,极小的微泡核几乎不存在。在 声场的作用下空化微泡或微泡核更易在疏水性煤粒 一 髻j 鼍爹j 雾』≥嚣箩≮掌.囊 ∥0 繁孓。%国 d F r ⋯。p 图8 观察室内气泡状态 F 喀8 C h a r a c l e r i s mo f l u 1 1 l e si 1 1o b s e r V a t i I na r e a 气絮团的形成有利于微细粒的收集以及浮选速 率的提高。微浮选试验中‘’⋯,最大回收率并无明显 变化,气絮团对微细粒收集的选择性不高。而在超声 空化作用的促进下,细粒煤超声浮选结果为精煤产 率、精煤灰分、可燃体回收率及浮选完善指标均高于 常规浮选。1 0 0k H z 超声浮选时共振气泡的半径可 能与浮选机的剪切强度下稳定存在的气泡半径相近, 在超声场作用下更易生成气泡一煤粒气絮团,因此, l o ok H z 浮选精煤中细粒含量增多,浮选结果均高于 其他情况。 3 结论 1 超声波能够强化煤泥浮选。超声频率为 1 0 0k H z 时浮选效果最好,精煤产率、可燃体回收率 和浮选完善指标较常规浮选分别提高6 .8 2 %, 7 .8 3 %和2 .7 9 %,高于或低于该频率的超声浮选,其 效果相对变差。 2 超声同步浮选试验中,超声对浮选的强化作 用主要为①空化效应产生的清洗作用,煤粒表面罩 盖的细颗粒被去除,煤粒表面更加清洁;②超声空化 对药剂的乳化作用,相同药剂制度的情况下,浮选效 果更好;③超声空化作用改变了液相p H 及温度,浮 万方数据 2 9 5 4 煤炭 学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 选处在相对碱性的环境中,细粒煤可浮性变好。 3 驻波声场对气泡产生聚集作用,形成更易浮 起的气絮团,促进了细颗粒的回收,但对煤粒与细泥 ⋯、 的选择性不高,超声频率影响了气絮团的形成因此超 。。 声浮选的精煤产率、精煤灰分、可燃体回收率及浮选 完善指标均高于常规浮选。 参考文献 R e f e r e n c e s [ 1 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] 侯诗宇,马力强,黄根,等.不同密度细粒煤泥对粗粒煤泥浮选 的影响机理[ J ] .煤炭学报,2 0 1 6 ,4 1 7 1 8 1 3 1 8 1 9 . 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