丁淑慶

（中國中鋼集團(tuán)有限公司）

我國擁有豐富的煤礦資源，日益增長的煤炭使用量使得人們越來越重視煤礦開采的經(jīng)濟(jì)性［1］。重介質(zhì)選煤是目前應(yīng)用最廣泛的選煤方法［2］，重介選煤以阿基米德定律作為主要的理論依據(jù)［3］，即所有浸入到非運(yùn)動狀態(tài)下的液體中的物體都將受到浮力的作用，并且該物體所受浮力的大小等于該物體所浸入水中部分造成的排出液體體積的重量。通過該定律分析計(jì)算可知，假設(shè)礦物顆粒密度為ρ1，重介質(zhì)懸浮液密度為ρ2，當(dāng)ρ1＞ρ2時(shí)，礦物顆粒將隨時(shí)間的推移不斷發(fā)生沉降；當(dāng)ρ1＜ρ2時(shí)，礦物顆粒隨時(shí)間的推移開始上??；當(dāng)ρ1＝ρ2時(shí)，礦物顆粒不發(fā)生上浮和沉降［4］。除此之外，礦物顆粒在重介質(zhì)懸浮液中還受到其他阻力的相互作用。重介質(zhì)懸浮液的密度、液位、固體體積濃度、黏度等因素的控制，有助于促進(jìn)懸浮選煤的高效運(yùn)行。

1 重介質(zhì)選煤

重介質(zhì)選煤包含重液和重介質(zhì)懸浮液2種分選方法，所采用的重介質(zhì)懸浮液或重液的密度通常介于煤與矸石之間，且大于水的密度，其工藝流程見圖1。目前相比于其他工藝對煤的分離效率，采用重介質(zhì)重力選煤的分選方法是最高效的。采用重介質(zhì)選煤的精確度較高，可通過調(diào)整重液的密度，較大程度地實(shí)現(xiàn)對煤的精確浮選；操作流程簡單，可通過自動控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)浮選過程的自動控制［5-6］；能夠適應(yīng)的粒度范圍較大，分選適應(yīng)性較強(qiáng)。塊煤分選機(jī)的入料粒度通常為300～13 mm，常見的旋流器一般為13～0.15 mm。生產(chǎn)過程中，重要介質(zhì)的添加也是必不可少的［7］，在工藝流程中不光需要介質(zhì)制備，還需要相應(yīng)的凈化回收系統(tǒng)作為補(bǔ)償。生產(chǎn)過程中溜槽及管道是最容易磨損的，通常采用加固耐磨材料的方法增強(qiáng)其使用壽命。

2 重介質(zhì)懸浮液

2.1 重介質(zhì)懸浮液的概念

重介質(zhì)懸浮液主要是由一些細(xì)粒級、高密度的固體小顆粒和純凈水在一定比例下混合配置而成，其中的固相與液相間不能相互溶解，懸浮液中加入的固體小顆粒即為加重質(zhì)。目前，選煤廠廣泛使用的加重質(zhì)多為磁鐵礦粉（Fe3O4），主要原因是磁鐵礦粉密度適當(dāng)、不宜泥化且容易回收等。

影響重介質(zhì)選礦的懸浮液性質(zhì)有密度、黏度和穩(wěn)定性。當(dāng)?shù)V物顆粒沉浸在重介質(zhì)懸浮液中時(shí)，在重力和浮力的相互作用下，其密度比懸浮液密度小的礦物顆粒在浮力的作用下會不斷上浮，密度比懸浮液密度大的礦物顆粒會不斷下沉。除此之外，當(dāng)?shù)V物顆粒在懸浮液中運(yùn)動的過程中，還會受到黏性阻力的作用，所受阻力的大小也和懸浮液的黏度有關(guān)，在黏度較大的懸浮液中所受到的阻力也相對較大，運(yùn)行的速度也相對較小，反之與之相反。所以，懸浮液的密度對懸浮液能否完成分選作業(yè)起決定性的作用，同樣采用重介質(zhì)分選的分選效率則由懸浮液的黏度來決定。

2.2 重介質(zhì)懸浮液的密度

懸浮液本質(zhì)上并不屬于溶液，所以從物理意義上來說其與均勻介質(zhì)所提出的密度的概念并不完全相同，只有將其中的固液兩相作為整體時(shí)才能稱其具有密度的概念。綜上所述，懸浮液是由2種不同的質(zhì)點(diǎn)（固、液）構(gòu)成的混合物，其密度不能表征每一點(diǎn)的密度，因此，通常稱其為假密度，或懸浮液的物理密度［8］。

在分選過程中，只有當(dāng)加重質(zhì)的粒度較細(xì)、容積濃度較高且入選礦物顆粒較大時(shí)，懸浮液才能被看作為一個(gè)整體，才能稱其為分選介質(zhì)；否則，此時(shí)的分選介質(zhì)只能看作是懸浮液中液體，礦物顆粒在懸浮液中的沉降效果也僅僅是在懸浮液液體中在加重質(zhì)的影響下的干擾沉降，礦物顆粒排開的懸浮液也不能用懸浮液本身的密度進(jìn)行分析，應(yīng)按照懸浮液中液體的密度進(jìn)行分析。在這種情況下，即使有礦物顆粒的密度比懸浮液的密度低，仍會下沉，浮沉過程也不能按懸浮液的密度來分析，更不可能達(dá)到分選的目的。綜上所述，在采用重介質(zhì)分選時(shí)，加重質(zhì)的顆粒粒度和該懸浮液的濃度與分選物料的礦物顆粒粒度之間存在一定的關(guān)系，加重質(zhì)的密度及容積濃度對懸浮液的密度起決定性影響。

懸浮液中各質(zhì)點(diǎn)密度的不均一性對重介質(zhì)的分選效果的好壞的影響起著重要作用。在密度相同的條件下，重質(zhì)的形狀、大小及尺寸接近礦石顆粒的形狀、大小及尺寸時(shí)，影響沉降速度的主要是重質(zhì)的質(zhì)量；當(dāng)重質(zhì)的形狀、大小及尺寸遠(yuǎn)大于礦石顆粒的形狀、大小及尺寸時(shí)，礦物顆粒所受的浮力通常被當(dāng)作其替換的重介質(zhì)懸浮液的質(zhì)量。

2.3 重介質(zhì)懸浮液的黏度

懸浮液的黏度決定著重介質(zhì)分選的穩(wěn)定性，流體顆粒之間存在分子間的吸引力，內(nèi)部顆粒沿流動層之間的接觸面相對運(yùn)動而產(chǎn)生的內(nèi)耗特性稱為黏度，黏度是用來表示黏度大小的物理量［9］。為了達(dá)到對重介質(zhì)懸浮液所包含物質(zhì)進(jìn)行分離的目的，首先需要保證重介質(zhì)懸浮液中的物質(zhì)必須處于移動的狀態(tài)。除此外，還要盡量保證懸浮液的黏度，隨著懸浮液黏度的增大自然分離時(shí)所產(chǎn)的阻力越大，想要達(dá)到分離的目的愈加困難；相反黏度過低的情況下，礦物本身的分層明顯，容易造成分離不準(zhǔn)確等因素。黏度是需要考慮的重要因素，影響懸浮液黏度的主要因素如下。

（1）固體顆粒粒度。懸浮液黏度的影響因素眾多，固相物質(zhì)的粒度也是影響?zhàn)ざ鹊囊蛩刂?。在?shí)際生產(chǎn)中，通常粒度越細(xì)，黏度越高，反之亦然。選煤廠中，磁鐵粉的粒度通常是保持不變的確定值，但是煤泥的粒度在實(shí)際生產(chǎn)中會隨生產(chǎn)的變化而變化，脫介篩下的煤泥作為泥炭顆粒最直接的來源，故可通過脫介篩篩孔的大小來確定煤泥的最大粒度。

（2）固體體積濃度。懸浮液的黏度隨固體體積濃度的增大而增大，減小而減小，二者之間呈正相關(guān)關(guān)系。在溶液固體體積濃度不高的情況下，礦物顆粒間的相互碰撞和接觸較少；提高固體體積濃度，礦物顆粒密度增大，自由活動范圍減少，礦物顆粒間的相互碰撞與摩擦隨之增加，由此產(chǎn)生的力稱之為黏性切應(yīng)力。若繼續(xù)增加固體體積濃度，黏性切應(yīng)力將轉(zhuǎn)變?yōu)閼T性切應(yīng)力。若在此條件下，繼續(xù)增加固體體積溶液的濃度并使其達(dá)到一個(gè)較高的水平，此時(shí)懸浮液的結(jié)構(gòu)也將隨固體體積濃度的增加發(fā)生變化。因此可得出，黏度受固體體積濃度的影響，通常情況下會隨體積濃度的變化而變化，當(dāng)固體體積濃度過大時(shí)對黏度產(chǎn)生的影響將不利于實(shí)際生產(chǎn)，為了保證生產(chǎn)的選別效果，懸浮液的固體體積濃度通?？刂圃?0%以內(nèi)。

（3）煤泥含量。在懸浮液密度基本不變的前提下，懸浮液的黏度與煤泥含量呈正相關(guān)關(guān)系。由于加重質(zhì)的比表面積與懸浮液的黏度和結(jié)構(gòu)化有關(guān)，因此與比表面積有關(guān)的所有加重質(zhì)特性，如粒度、形狀和泥漿含量都會對懸浮液的表觀黏度產(chǎn)生影響。

2.4 重介質(zhì)懸浮液的穩(wěn)定性

懸浮液的穩(wěn)定性是指懸浮液保持密度恒定的特性。由于懸浮液自身重力影響，本身具有下降的趨勢，從而導(dǎo)致懸浮液的密度出現(xiàn)分層即密度不均勻的情況，由此可知懸浮液的穩(wěn)定性和懸浮液的沉降速度越大，沉降速度越不穩(wěn)定，所以經(jīng)常用懸浮質(zhì)在懸浮液中沉降速度的倒數(shù)作為穩(wěn)定性的表示，稱為穩(wěn)定性指數(shù)。

式中，z為加重質(zhì)顆粒每沉降單位距離所需的時(shí)間，s。

由此可見，v愈大，z值愈小，懸浮液的穩(wěn)定性愈差；z值越大，懸浮液的穩(wěn)定性越高，因而分選越容易進(jìn)行。

3 選煤用重介質(zhì)懸浮液的調(diào)節(jié)

3.1 重介質(zhì)懸浮液密度的調(diào)整

為了保證重介質(zhì)分選正常有序的進(jìn)行，保證懸浮液密度的穩(wěn)定是首要措施，如何高效準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對重介質(zhì)懸浮液密度的調(diào)控是提高分選效果的重要保障。產(chǎn)品的質(zhì)檢結(jié)果是生產(chǎn)中重介質(zhì)密度調(diào)節(jié)的主要依據(jù)，可通過快灰數(shù)據(jù)來確定實(shí)際生產(chǎn)中密度的設(shè)定值。試驗(yàn)室中通常采用燒灼法實(shí)現(xiàn)對選煤生產(chǎn)中快灰數(shù)據(jù)的測定，但該法存在時(shí)間長、步驟多、受人為因素影響大、精度差的缺點(diǎn)。經(jīng)最終質(zhì)檢得到的灰分?jǐn)?shù)據(jù)具有滯后性的特點(diǎn)，對于選煤廠實(shí)時(shí)生產(chǎn)的指導(dǎo)意義不大，這種滯后性的結(jié)果很難建設(shè)低能耗、優(yōu)質(zhì)高效的選煤廠［10-11］。在線測灰檢測儀能夠?qū)崟r(shí)的完成灰分?jǐn)?shù)據(jù)的檢測，對選煤廠的選煤生產(chǎn)起到實(shí)時(shí)檢測及指導(dǎo)的作用，可盡量避免因檢測滯后帶來的產(chǎn)品灰分大規(guī)模波動而無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)的問題；但該儀器的檢測結(jié)果容易受產(chǎn)品水分含量和殘留介質(zhì)的影響，需經(jīng)常檢查手動快速恢復(fù)數(shù)據(jù)的測圖儀。

目前，重介質(zhì)懸浮液的密度［12］調(diào)節(jié)主要通過選煤密度控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，該控制系統(tǒng)主要由合格介質(zhì)桶液位計(jì)、補(bǔ)加水執(zhí)行器、磁性物含量儀表、分流箱、密度計(jì)、PLC控制模塊、上位計(jì)算機(jī)構(gòu)成。上位機(jī)得到產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)后，根據(jù)密度計(jì)測得的實(shí)時(shí)懸浮密度與開始設(shè)置的分選密度進(jìn)行比對，通過密度控制系統(tǒng)［13-14］實(shí)現(xiàn)加水、加介質(zhì)、分流等相應(yīng)操作，降低懸浮液液位、煤泥含量、磁性物含量的波動，達(dá)到穩(wěn)定的懸浮密度，分選出品質(zhì)產(chǎn)品。

在重介質(zhì)洗滌分離過程中，由于存在非線性、時(shí)變性和環(huán)境干擾等不確定因素，很難對過程進(jìn)行建模。因此，選擇了PID控制算法、專家控制算法和模糊控制算法等作為該系統(tǒng)的主要控制算法，進(jìn)而能夠規(guī)避建立模型較困難的難題，提高系統(tǒng)的控制能力。重介質(zhì)懸浮液密度控制原理見圖2。在重介質(zhì)清洗操作中，合介桶的液位會隨懸浮液密度的變化而變化，根據(jù)這一特性，可通過調(diào)節(jié)水量來控制懸浮液密度，并可通過填加介質(zhì)濃度作為輔助變量來提高調(diào)節(jié)精度。在運(yùn)行過程中，測量的密度值將實(shí)時(shí)傳遞到PID控制器，并與預(yù)設(shè)的密度值進(jìn)行對比分析。差分信號經(jīng)專家系統(tǒng)校對核對后反饋給伺服放大器，驅(qū)動電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)操作。具體操作內(nèi)容：當(dāng)懸浮液密度超過預(yù)設(shè)值時(shí)，系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)水閥加入補(bǔ)充水，以降低懸浮液密度；當(dāng)懸浮密度與預(yù)設(shè)值之差不大于0.002 g/cm3時(shí)，系統(tǒng)PID控制器將不對該操作作出響應(yīng)；當(dāng)監(jiān)測的懸浮液密度值與預(yù)設(shè)值之差超過0.01 g/cm3，但合介質(zhì)桶內(nèi)的液位正常時(shí)，黏度計(jì)算值將會被忽略，系統(tǒng)將分流量設(shè)置為45%，以增加懸浮液密度；當(dāng)合介質(zhì)罐液位比預(yù)設(shè)下限低時(shí)，為保證旋流裝置入口的壓力足夠且不發(fā)生分流，通過添加濃介質(zhì)的方式來增加此時(shí)的懸浮密度，并調(diào)整閥門開關(guān)，增加水量，提高合介桶內(nèi)的液位。

3.2 重介質(zhì)懸浮液黏度的調(diào)節(jié)

在剪切速率不同的條件下，選煤用重介質(zhì)懸浮液的黏度隨固體體積濃度的增加而增加。當(dāng)固體體積濃度一定時(shí)，此時(shí)的懸浮液的黏度會隨煤泥含量的增大而減小。在固體體積濃度和煤泥含量相同的條件下，剪切速率增加，懸浮液黏度降低，這也符合假塑性流體的特性。

重介質(zhì)懸浮液的黏度可用懸浮液的固體體積濃度作為表征，在這種方式下能夠通過控制懸浮液固體體積濃度達(dá)到對懸浮液黏度控制的效果，盡管無法直接測量懸浮液固體體積濃度，但能根據(jù)現(xiàn)場實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)計(jì)算得出，通過這種方式將其控制在所能接受的誤差范圍之內(nèi)，滿足現(xiàn)場的控制要求。

3.3 重介質(zhì)懸浮液穩(wěn)定性調(diào)節(jié)

加重質(zhì)的類型、重介質(zhì)的粒度組成、顆粒間的相互作用和其流場特性是對懸浮液穩(wěn)定性產(chǎn)生影響的主要因素。目前，常見的加重質(zhì)通常為磁鐵礦粉，而重介質(zhì)旋流器和淺槽重介質(zhì)分選機(jī)是分選流廠主要組成部分，這是不能改變的因素。因此，流場中對懸浮液穩(wěn)定性的控制重點(diǎn)在于對煤泥含量的控制和介質(zhì)粒度的組成，當(dāng)分選密度較低時(shí)，通常使用加重材料為相對細(xì)粒含量較高的材料；當(dāng)分選密度較高時(shí)，通過加入相對細(xì)粒級含量更高的加重質(zhì)，反之相反。與此同時(shí)，煤泥的含量也應(yīng)保持在合理的范圍內(nèi)，提供合適的黏度環(huán)境以便于物料的分選，以制備動態(tài)穩(wěn)定性高的重介質(zhì)懸浮液。

4 結(jié)語

在重介質(zhì)選煤工藝中，有很多因素可以影響選煤的效率，重介質(zhì)懸浮液的密度、黏度、桶液位等都是影響的關(guān)鍵，而重介質(zhì)懸浮液密度的調(diào)節(jié)以及自動控制對重介質(zhì)選煤有著十分重要的作用，加強(qiáng)懸浮液各項(xiàng)參數(shù)的自動化控制對提高重介質(zhì)選煤有非常積極的意義。除此之外，煤泥密度、重介質(zhì)密度、懸浮液固體體積濃度這3個(gè)因素均對懸浮液密度產(chǎn)生很大的影響。