鮑勃·霍列斯，吉米·余

(美國丹尼斯公司，西弗吉尼亞 藍(lán)田 24701)

1 重介和浮選工藝簡(jiǎn)介

近年來，在世界選煤領(lǐng)域重介質(zhì)選煤設(shè)備和工藝取得重大進(jìn)展的應(yīng)當(dāng)是三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器及其分選工藝，特別是在中國得到成功應(yīng)用。目前由國華科技研發(fā)的三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器已被廣泛應(yīng)用于約600座選煤廠，總處理能力達(dá)808.0 Mt/a。該設(shè)備在蒙古、土耳其、印度等國也得到工業(yè)應(yīng)用。它之所以得到廣泛推廣的主要原因之一是：三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器選煤工藝具有簡(jiǎn)化、高效的特點(diǎn)，尤其是其與煤泥重介質(zhì)旋流器工藝相結(jié)合時(shí)，在原煤?jiǎn)误w解離程度良好的情況下，可選性良好的條件下，可以形成一個(gè)大于100網(wǎng)目(0.15 mm)粒級(jí)的重介質(zhì)旋流器分選工藝生產(chǎn)系統(tǒng)。

最近，國華科技的超級(jí)兩段兩產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器被進(jìn)一步開發(fā)并應(yīng)用于分選密度非常高的油頁巖，三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器被用于分選出兩種產(chǎn)品，即富含油的精礦產(chǎn)品和低含油的尾礦，第一段旋流器產(chǎn)品和第二段旋流器的產(chǎn)品合并作為最終精礦產(chǎn)品。因此三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器在此的應(yīng)用可稱為兩段兩產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器，分選密度高達(dá)2.4～2.5 kg/L，入料粒度上限可達(dá)250 mm。在全球范圍內(nèi)，油頁巖總儲(chǔ)量比煤炭?jī)?chǔ)量還要多40%，中國也存在類似的狀況。眾所周知，中國常規(guī)石油儲(chǔ)量與其它大國相比非常低，大部分石油是從其它國家進(jìn)口的。因此，從油頁巖中提煉石油可以成為中國獲得石油資源的一條途徑。降低加工油頁巖提取石油的成本是非常重要的，加工油頁巖原礦是降低整體產(chǎn)油成本的第一步。據(jù)估算，使用重介質(zhì)旋流器分選工藝提純油頁巖可降低大約60%～70%的總產(chǎn)油工藝成本。由于使用兩段兩產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器分選工藝技術(shù)，油頁巖的可開采儲(chǔ)量也可得到顯著增加。

噴射式浮選機(jī)并不是一種浮選新設(shè)備，1967年中國發(fā)明的2臺(tái)噴射式浮選機(jī)早已在選煤廠應(yīng)用。由于它效率高，維護(hù)成本低，分選效果好，在中國的選煤領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，本世紀(jì)以來，已在400多座選煤廠中成功安裝使用了600余臺(tái)噴射式浮選機(jī)。所研發(fā)的噴射系列浮選機(jī)單室容積為4～46 m3(140～1 610立方英尺)，一般為4室1組，每組浮選機(jī)的容積16～184 m3(560～6 440立方英尺)，最大煤漿處理能力高達(dá)1 840 m3/h(8 103 GPM)。中國的噴射式浮選機(jī)直到在美國非常成功應(yīng)用后，才逐漸廣為人知。西弗吉尼亞州南部的2座選煤廠及弗吉尼亞州的1座選煤廠各應(yīng)用了1臺(tái)噴射式浮選機(jī)，生產(chǎn)實(shí)踐表明，該系列浮選機(jī)對(duì)美國細(xì)煤泥具有非常好的適應(yīng)性。其中一座選煤廠原先使用的是浮選柱，對(duì)比試驗(yàn)測(cè)定表明，中國的噴射式浮選機(jī)的性能比浮選柱好得多。

2 重介質(zhì)旋流器分選工藝的最新進(jìn)展

2.1 重介選煤工藝的進(jìn)展

在傳統(tǒng)的重介質(zhì)旋流器分選工藝中，煤顆粒通常與重介質(zhì)懸浮液一起由泵送入傳統(tǒng)的重介質(zhì)旋流器中，泵的壓力P按以下計(jì)算式計(jì)算：

P=(9～10)D·Δ·105

(1)

式中：Δ——懸浮液密度，kg/m3；

D——重介質(zhì)旋流器內(nèi)徑，m。

由這壓力轉(zhuǎn)化為旋流器內(nèi)的離心力場(chǎng)，從而有效下限可達(dá)0.5 mm，其中旋流器對(duì)-0.5 mm分選的Ep值約為0.1 kg/L或更小。泵壓力的進(jìn)一步增加將導(dǎo)致煤顆粒顯著粉碎、細(xì)粒級(jí)物料增加，最終使選煤廠運(yùn)營成本提高。此外，泵壓力的增加還會(huì)導(dǎo)致泵和管道等的磨損加劇和能耗顯著提高。

在0.5～0.15 mm(35～100 網(wǎng)目)(又稱粗煤泥)粒級(jí)中，長(zhǎng)期以來缺失一種處理此粒級(jí)的精確分選方法，對(duì)浮選來說這個(gè)粒級(jí)又太大，很多煤粒會(huì)損失在尾煤中，對(duì)傳統(tǒng)的重介質(zhì)旋流器分選工藝這個(gè)粒度又太小無法實(shí)現(xiàn)按密度精確分離。水介質(zhì)分選裝置(如水介質(zhì)旋流器、螺旋分選機(jī)、改進(jìn)型的干擾床Reflux Classifier分選機(jī)和普通的干擾床Teeter-Bed分選機(jī))是分選粗煤泥的典型選擇。然而，這些工藝分選效果不盡人意，尤其是對(duì)于難選煤的粗煤泥顆粒效果更差。

泵入三產(chǎn)品旋流器第一段的重介壓力遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)重介旋流器的有壓給料。在這種情況下，泵壓力升高產(chǎn)生的巨大離心力可以有效地將分選下限降低至0.25 mm(60網(wǎng)目)。在第一段旋流器中大于0.5 mm粒級(jí)分選的Ep值為0.020～0.025 kg/L，而0.5～0.25 mm(35～60 網(wǎng)目)煤粒的分選Ep值可達(dá)到0.065～0.09 kg/L。無壓給料三產(chǎn)品重介旋流器與煤泥重介質(zhì)旋流器分選工藝的完美結(jié)合填補(bǔ)了世界上大于0.15 mm全粒級(jí)重介選煤工藝的這一選煤技術(shù)上的空白。眾所周知，重介選煤工藝是目前最高效和最精確的分選方法。國華科技開發(fā)的這一全重介分選工藝將分選下限降到最小，用目前最高效的分選方法回收盡可能多的粗煤泥精煤，這將有效提高整個(gè)選煤廠的精煤產(chǎn)率，以生產(chǎn)更多的精煤，特別是寶貴的煉焦煤資源。僅單一低密度重介懸浮液被泵入旋流器中，而原煤是無壓給入旋流器(不經(jīng)過泵)，原煤也不需要使用脫泥篩預(yù)先脫泥，因此這種分選工藝可以降低原煤的破碎。

在重介質(zhì)旋流器一段(圓柱形)中原煤被分離成精煤和較重的組分時(shí)，磁鐵礦粉也同時(shí)被分離成較細(xì)和較粗的顆粒。磁鐵礦粉中較粗重部分與煤中的較重組分一起進(jìn)入重介質(zhì)旋流器的二段。磁鐵礦粉中的較細(xì)部分與精煤產(chǎn)品一起從精煤出口(一段溢流口)排出。由于重介質(zhì)在一段旋流器中的這種粒度分級(jí)效應(yīng)，進(jìn)入二段旋流器的重介質(zhì)密度遠(yuǎn)高于一段旋流器中的介質(zhì)密度。這將導(dǎo)致二段旋流器分選密度提高，一般來說比一段旋流器高0.5～0.8 kg/L。二段分選密度可以通過變更二段底流口直徑來調(diào)節(jié)。國華科技最新研發(fā)的控制技術(shù)表明，還可以通過控制一段重介質(zhì)懸浮中非磁性物質(zhì)含量來控制二段旋流器的分選密度。

表1列出最新開發(fā)的三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器的系列型號(hào)和對(duì)應(yīng)的處理能力，表中所示的生產(chǎn)能力是對(duì)預(yù)先不脫泥分選工藝的。對(duì)脫泥分選工藝，其處理能力可以進(jìn)一步增加，例如，S-3GHMC1300/670型的處理能力可以從1 300 t/h增加到1 500 t/h，其排矸能力強(qiáng)，可將小于250 mm的矸石順暢排出。

表1 超級(jí)三產(chǎn)品重介旋流器系列產(chǎn)品型號(hào)及其處理能力(不脫泥)

煤泥重介質(zhì)旋流器分選工藝通常與三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器分選工藝聯(lián)合使用。事實(shí)上，煤泥重介工藝也是在不脫泥無壓給料三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器分選技術(shù)之后發(fā)展起來的。煤泥重介分選工藝的特點(diǎn)可以概括如下。

(1)利用從三產(chǎn)品一段旋流器中精煤攜帶出來的磁鐵礦細(xì)粒部分作為重介質(zhì)，而不是使用特殊配置的超細(xì)磁鐵礦粉，使得煤泥重介的工業(yè)應(yīng)用更加實(shí)用，使分選工藝更加經(jīng)濟(jì)。

(2)與其它細(xì)粒煤分選方法相比，國華科技的煤泥重介工藝對(duì)0.5～0.10 mm(35～150 網(wǎng)目)粒級(jí)具有更高的分選效率，煤泥重介的Ep值最近被測(cè)試如下：對(duì)0.5～0.25 mm(35～60網(wǎng)目)粒級(jí)Ep值為0.042 kg/L而對(duì)0.25～0.10 mm(60～150 網(wǎng)目)粒級(jí)Ep值為0.068 kg/L。

(3)截止到2020年國華科技研發(fā)的煤泥重介分選工藝已廣泛應(yīng)用于378座選煤廠，共安裝437臺(tái)煤泥重介質(zhì)旋流器。

不脫泥三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器選煤工藝的介耗一直是選煤工程師最關(guān)心的問題。然而，近600家選煤廠中不脫泥三產(chǎn)品重介旋流器選煤工藝的工業(yè)實(shí)踐表明，該工藝的介耗等于或低于傳統(tǒng)的重介質(zhì)旋流器煤炭分選工藝。2019年在印度國際選煤大會(huì)上發(fā)表了有關(guān)論文，論文中收集了大量不脫泥重介選煤廠和傳統(tǒng)脫泥重介選煤廠的介質(zhì)消耗數(shù)據(jù)及相應(yīng)的選煤廠設(shè)備及管理數(shù)據(jù)。收集的大量數(shù)據(jù)表明，介耗主要取決于選煤廠所選的分選工藝、生產(chǎn)流程、設(shè)備選型、以及管理和降低介耗而采取的有效措施。另外不脫泥重介質(zhì)旋流器分選工藝的介耗還與原煤中大于0.5 mm的粒級(jí)數(shù)量的多少有關(guān)。因此，根據(jù)原煤中小于0.5 mm粒級(jí)含量，完全可以保證不脫泥重介質(zhì)旋流器分選工藝的介耗(見表2)。

表2 不脫泥無壓給料三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器分選工藝介質(zhì)消耗

2.2 重介質(zhì)旋流器在油頁巖選礦廠中最新應(yīng)用

2015年在中國新疆寶民礦業(yè)公司的請(qǐng)求下，國華科技開展了三產(chǎn)品重介旋流器在油頁巖分選應(yīng)用的研究與開發(fā)。研發(fā)的目標(biāo)是將開采的油頁巖含油量從原礦的約3.8%提高到精礦產(chǎn)品的7%以上，排棄的尾礦含油量必須低于1.9%，每座油頁巖選礦廠的設(shè)計(jì)處理能力20.0 Mt/a。在建大型選礦廠投產(chǎn)之前先建了一座處理能力1.8 Mt/a的小型油頁巖選礦廠，以驗(yàn)證三產(chǎn)品重介分選工藝技術(shù)在極高分選密度下分選油頁巖并達(dá)到上述產(chǎn)品指標(biāo)的可行性。

寶民礦業(yè)公司長(zhǎng)溝礦的油頁巖為高灰、低硫、低熱值油頁巖貧礦。表3中提供了來自礦層-1的90～0.5 mm粒級(jí)油頁巖原礦的密度組成。表4是礦層-2中90～0.5 mm油頁巖原礦的密度組成。

表3 礦層-1油頁巖原礦90～0.5 mm粒級(jí)浮沉組成

表4 礦層-2油頁巖原礦90～0.5 mm粒級(jí)浮沉組成

基于上述油頁巖礦層-1的浮沉分析，在理論分選密度2.40 kg/L條件下重介質(zhì)旋流器排出的尾礦含油量可以小于1.9%，而在分選密度2.50 kg/L條件下生產(chǎn)的精礦含油量可以達(dá)到8.5%，因此，使用三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器的選礦廠分選密度應(yīng)在2.40～2.50 kg/L之間調(diào)節(jié)確定。對(duì)表4中礦層-2的浮沉數(shù)據(jù)分析也可得到相同的結(jié)論，即2.40～2.50 kg/L之間的實(shí)際分選密度可以滿足精礦產(chǎn)品的大于7%含油量(實(shí)際遠(yuǎn)大于8%)和尾礦含油量小于1.9%的要求。

2009年，在中國宜化市的一家磷酸鹽礦選礦廠，兩段兩產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器就已成功地被應(yīng)用在分選密度高于2.50 kg/L的選礦工藝中。磷酸鹽礦石和當(dāng)前油頁巖礦石的唯一區(qū)別是它們的可選性不同，目前的油頁巖更難選。為了謹(jǐn)慎起見，使用直徑200 mm(8英寸)兩段兩產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器對(duì)油頁巖顆粒進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，以處理小于10 mm(3/8 英寸)至0.5 mm顆粒。6組測(cè)試的平均數(shù)據(jù)顯示，精礦的含油量為9.29%。而尾礦的含油量為1.1%，比設(shè)計(jì)目標(biāo)要好得多。

直徑為850 mm的S-2GHMC380/260型兩段兩產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器被開發(fā)專用于處理能力1.80 Mt/a油頁巖選礦試驗(yàn)廠，分選60 mm(-2.5英寸)原礦油頁巖。在正常生產(chǎn)條件下，該重介質(zhì)旋流器處理能力超過340 t/h。圖1顯示了該廠使用的原則工藝流程。

1—超級(jí)無壓給料雙段重介質(zhì)旋流器；2—脫介弧形篩；3—分流器；4—成品脫介篩；5—離心脫水機(jī)；6—成品磁選機(jī)；7—超級(jí)濃縮機(jī)；8—脈石脫介篩；9—脈石磁選機(jī)；10—合格介質(zhì)桶圖1 處理能力1.8 Mt/a油頁巖選礦廠采用的重介質(zhì)旋流器分選工藝原則流程

S-2GHMC380/260重介質(zhì)旋流器的結(jié)構(gòu)參數(shù)是經(jīng)過專門設(shè)計(jì)和優(yōu)化的，以增強(qiáng)剪切力和降低旋流器中介質(zhì)的結(jié)構(gòu)粘度，降低內(nèi)部對(duì)分選造成的物理阻力。在300～330 kPa(43.5～47.9 psig)壓力下單一低密度約1.88 kg/L的重介質(zhì)懸浮液被泵入重介質(zhì)旋流器，分選密度可控制在2.40～2.50 kg/L。該廠使用的磁鐵礦的磁性物含量相對(duì)較低，低于75%。選礦廠在運(yùn)營中的頭4個(gè)月的生產(chǎn)數(shù)據(jù)表明各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，平均精礦產(chǎn)品含油量大于8%，尾礦含油量小于1.9%。磁鐵礦的平均消耗量為0.3 kg/t?；谶@一選礦效果，油頁巖加工煉油總成本可以降低70%，大大高于預(yù)測(cè)值。在這基礎(chǔ)上，國華科技于2017年設(shè)計(jì)建造了一座處理量為20.0 Mt/a的油頁巖選礦廠，使用4臺(tái)S-2GHMC1450/1150S兩段兩產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器，其一段直徑為1 450 mm(56 英寸)。每臺(tái)旋流器可以處理1 450 t/h油頁巖原礦石。在正常生產(chǎn)條件下，只需運(yùn)行3臺(tái)重介質(zhì)旋流器，即可達(dá)到設(shè)計(jì)產(chǎn)能。頭三個(gè)月的運(yùn)營就已表明，該選礦廠的各項(xiàng)性能指標(biāo)甚至優(yōu)于試驗(yàn)選礦廠。繼第一座處理量20.0 t/a選礦廠之后，第二座同樣規(guī)模的選礦廠也隨之興建，成功投產(chǎn)。

3 噴射式浮選機(jī)在美國選煤廠的應(yīng)用

噴射式浮選機(jī)在選煤廠中應(yīng)用并不是新鮮事，只是在美國剛開始使用。2017年，國華科技研發(fā)的，具有發(fā)明專利的第三代噴射式浮選機(jī)在美國2個(gè)選煤廠安裝使用。

噴射式浮選機(jī)與傳統(tǒng)機(jī)械攪拌浮選機(jī)相比所具有的優(yōu)點(diǎn)如下：

(1)循環(huán)煤漿高壓進(jìn)入噴嘴，隨后從噴嘴出口噴出，突然降壓會(huì)在煤漿中產(chǎn)生大量微泡，使煤漿的選擇性大大提高。

(2)沒有轉(zhuǎn)動(dòng)部件，并使用耐磨材料，大大減少了浮選機(jī)的維修工作量。

(3)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于操作。

(4)單位容積處理能力大，單位處理能力為6～10 m3/(m3·h)，對(duì)于美國多數(shù)可浮性良好的煤泥，單位處理能力可達(dá)到10 m3/(m3·h)左右，且能耗低。

丹尼斯公司聯(lián)系了第三方實(shí)驗(yàn)室，于2017年2月、4月先后對(duì)位于西弗吉尼亞州的2座煉焦煤選煤廠噴射式浮選機(jī)進(jìn)行了工業(yè)性測(cè)試。

桑德斯(Saunders)選煤廠浮選試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表5。該廠浮選入料粒度組成兩極分化：大于325 網(wǎng)目粒級(jí)(0.045 mm)產(chǎn)率為59.16%，灰分僅為6.14%；小于325 網(wǎng)目的粒級(jí)產(chǎn)率為40.84%，灰分高達(dá)57.02%。在生產(chǎn)中添加62 cc/min(3.72 L/h)起泡劑的條件下，分選出灰分相當(dāng)?shù)偷膬H為5.89%的精煤和灰分高達(dá)81.33%的尾煤，精煤產(chǎn)率為72.17%，精煤可燃體回收率高達(dá)92.87%。采集桑德斯選煤廠同樣浮選入料，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室選擇釋放浮選試驗(yàn)，依此分別繪制了精煤產(chǎn)率和灰分關(guān)系曲線和精煤可燃體回收率與灰分關(guān)系曲線(見圖2)，人們常將這2條曲線視為理論產(chǎn)率和理論可燃體回收率曲線，圖2中還標(biāo)注了實(shí)際精煤產(chǎn)率和可燃體回收率2個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)。通常將實(shí)際精煤產(chǎn)率與理論精煤產(chǎn)率的百分比值或?qū)嶋H精煤可燃體回收率與理論精煤可燃體回收率的百分比值，稱之為精煤數(shù)量效率，第三方實(shí)驗(yàn)室計(jì)算出該噴射式浮選機(jī)的數(shù)量效率約為99%。該實(shí)驗(yàn)室對(duì)桑德斯選煤廠原有的浮選柱生產(chǎn)系統(tǒng)也同時(shí)進(jìn)行采樣及試驗(yàn)分析，試驗(yàn)結(jié)果是84.87%的精煤可燃體回收率和約88%的精煤數(shù)量效率。

表5 桑德斯選煤廠浮選試驗(yàn)數(shù)據(jù)

在西弗吉尼亞州另一個(gè)(Caretta)克萊塔選煤廠對(duì)安裝的噴射旋流器浮選機(jī)也進(jìn)行了實(shí)際采樣和實(shí)驗(yàn)室樣品浮選釋放試驗(yàn)和采樣樣品測(cè)試。選煤廠浮選試驗(yàn)的精煤、入料和尾礦由丹尼爾斯公司的人員同時(shí)采樣，并發(fā)送到第三方實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行樣品測(cè)試和分析。在浮選起泡劑添加量為110 cm3/min (6.6 L/h)，捕收劑添加量為130 cm3/min (7.8 L/h)的生產(chǎn)條件下，克萊塔(Caretta)選煤廠分選出灰分為6.19%的精煤，其精煤可燃體回收率為88%，精煤數(shù)量效率為96%，浮選試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表6。圖3是克萊塔選煤廠實(shí)驗(yàn)室選擇釋放浮選試驗(yàn)的2條曲線。

表6 克萊塔選煤廠浮選試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖2 桑德斯選煤廠實(shí)驗(yàn)室選擇釋放浮選試驗(yàn)的2條曲線

圖3 克萊塔選煤廠實(shí)驗(yàn)室選擇釋放浮選試驗(yàn)的2條曲線

4 結(jié) 語

預(yù)先不脫泥無壓給料三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器選煤工藝由于它的高效和簡(jiǎn)化的特點(diǎn)已廣泛應(yīng)用于中國選煤廠，并在越來越多的其他國家使用。它的高精度分選可以將煤顆粒有效分選下限降到0.25 mm(60網(wǎng)目)，與煤泥重介質(zhì)旋流器聯(lián)合使用可以進(jìn)一步將有效分選下限降至0.10 mm(150網(wǎng)目)。所有這些都無需使用為煤泥重介專門準(zhǔn)備超細(xì)磁鐵礦介質(zhì)即可完成。這將為我們提供250～0.15 mm(或0.10 mm)粒級(jí)的重介質(zhì)分選工藝，小于0.15 mm(或0.10 mm)細(xì)顆?？梢杂赡壳暗母∵x系統(tǒng)得到有效的分選，當(dāng)然粒度上限的大小還取決于原煤的單體解離程度和市場(chǎng)對(duì)精煤粒度的要求。

用于油頁巖分選的兩段兩產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器分選工藝是三產(chǎn)品重介旋流器分選工藝的最新開發(fā)和應(yīng)用。它已成功應(yīng)用于2座20.0 Mt/a超大型油頁巖選礦廠，分離密度高達(dá)2.40～2.50 kg/L。其應(yīng)用可顯著降低油頁巖煉制成本60%～70%。這種成功應(yīng)用可能也適用于其它礦物加工行業(yè)，如磷酸鹽礦選礦廠。

噴射式浮選機(jī)成功地被應(yīng)用于美國西弗吉尼亞州的2座煉焦煤選煤廠，回收以小于100網(wǎng)目為主的細(xì)煤泥。這讓美國選煤界注視到中國的噴射式浮選機(jī)出色的浮選性能和非常好的生產(chǎn)結(jié)果。于2020年，在美國的選煤廠第三臺(tái)噴射式浮選機(jī)也成功投入使用，得到業(yè)主的認(rèn)可。