劉鋼槍

(1.中煤天津設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司；2.中煤(天津)地下工程智能研究有限公司，天津 300131)

1 概 述

我國(guó)動(dòng)力煤儲(chǔ)量豐富，目前大部分以燃料煤形式供給電廠，禁錮于動(dòng)力用煤價(jià)格體系，多采用塊煤入洗或脫粉入洗的洗選方式，煤泥直接壓濾回收，以求簡(jiǎn)化分選工藝、降低洗選加工成本，來(lái)獲取經(jīng)濟(jì)效益。隨著“雙碳”政策的提出，重新定義了未來(lái)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的模式，綠色、低碳、節(jié)能將是煤炭行業(yè)發(fā)展的底色。未來(lái)國(guó)家將重點(diǎn)實(shí)施風(fēng)電、光電、生物質(zhì)等清潔能源替代重大工程，壓縮傳統(tǒng)燃煤火電能源，到2060年，動(dòng)力煤做為電煤僅剩電力調(diào)峰作用，屆時(shí)煤炭更多用于煤化工行業(yè)，煤炭資源利用率將會(huì)大幅度提升。“雙碳”目標(biāo)下，動(dòng)力煤改變傳統(tǒng)定位、能源高效利用日漸提上日程，隨之帶來(lái)煤泥資源化分選利用巨大空間，提升產(chǎn)品質(zhì)量、提高精煤回收率，動(dòng)力煤煤泥浮選將會(huì)形成一種趨勢(shì)。

2 利好因素促使動(dòng)力煤煤泥進(jìn)行浮選

2.1 國(guó)家政策使命

2020年9月22日，習(xí)近平主席在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上提出：中國(guó)將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。隨著對(duì)“雙碳”目標(biāo)認(rèn)識(shí)的加深，煤炭在能源結(jié)構(gòu)中的核心地位確立，總量大幅減少，利用率將大幅度提升。碳達(dá)峰后，煤炭只剩下電力調(diào)峰、碳質(zhì)還原劑、煤化工等用途，動(dòng)力煤資源屆時(shí)更多作為原料煤供給煤化工企業(yè)，生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品。國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策促使選煤行業(yè)轉(zhuǎn)變動(dòng)力煤產(chǎn)品定位、提高動(dòng)力煤資源利用效率，產(chǎn)業(yè)政策促使動(dòng)力煤煤泥進(jìn)行分選、高效利用。

2.2 動(dòng)力煤浮選技術(shù)積累

高變質(zhì)程度的貧煤、無(wú)煙煤經(jīng)洗選加工后常作為噴吹用煤，選煤廠一般設(shè)有浮選環(huán)節(jié)，盡可能提高精煤回收率；然而低變質(zhì)程度的長(zhǎng)焰煤、不粘煤，由于表面易氧化、含氧官能團(tuán)多，導(dǎo)致細(xì)煤泥疏水性差，浮選過(guò)程中藥耗量大，精煤產(chǎn)率低，綜合因素致使浮選成本高、效益差，此類(lèi)選煤廠細(xì)煤泥多采用直接壓濾回收，但選煤界相關(guān)專(zhuān)家一直在關(guān)注低階煙煤煤泥浮選工作，進(jìn)行了大量基礎(chǔ)試驗(yàn)和理論研究，尋求最佳的浮選條件、研制適應(yīng)不同煤種的捕收劑、合理的藥劑添加制度等，力爭(zhēng)最低的成本投入贏得最大的效益產(chǎn)出。例如譚麗[1]等對(duì)不粘煤進(jìn)行研究，對(duì)煤泥浮選進(jìn)行正交試驗(yàn)，研究得出不同種類(lèi)的起泡劑和用量對(duì)精煤回收率有顯著影響；趙海洋[2]對(duì)大同礦區(qū)侏羅紀(jì)煤泥進(jìn)行浮選試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)陽(yáng)離子表面活性劑十二胺對(duì)浮選具有一定促進(jìn)作用；任聰[3]等以朔州地區(qū)麻家梁煤礦長(zhǎng)焰煤的煤泥為對(duì)象進(jìn)行浮選試驗(yàn)研究，得出油酸甲酯能夠吸附在煤表面-OH類(lèi)官能團(tuán)上，使煤表面更加疏水，其浮選效果明顯優(yōu)于正十二烷等[4]。研究者們積累了大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)和指導(dǎo)經(jīng)驗(yàn)，低階煤浮選技術(shù)已經(jīng)成熟，為低階煤煤泥浮選推廣奠定了基礎(chǔ)。

2.3 新設(shè)備表面改質(zhì)機(jī)研發(fā)

在動(dòng)力煤浮選理論和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)研究的同時(shí)，設(shè)備廠家也一直進(jìn)行創(chuàng)新，研制助力適應(yīng)低階煤浮選的新設(shè)備。例如中煤天津設(shè)計(jì)工程公司研制的表面改制機(jī)，該表面改質(zhì)機(jī)攪拌機(jī)構(gòu)軸上共4層葉片，從上向下依次為雙層傘形葉片、徑向葉片和軸向葉片。上層傘形葉片吸入空氣和藥劑形成氣溶膠；下層傘形葉片具有大流量特性，在吸入新鮮礦漿的同時(shí)還能循環(huán)槽內(nèi)礦漿，使礦漿呈懸浮狀，完成礦漿攪拌和礦漿預(yù)礦化；徑向葉片排出流為水平方向，軸向葉片排出流垂直向上，內(nèi)筒水平和垂直2個(gè)方向的強(qiáng)剪切疊加，實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤粒表面的清洗。其工作原理是上層傘形葉片旋轉(zhuǎn)形成負(fù)壓，空氣和藥劑經(jīng)藥劑管進(jìn)入葉輪上層葉片并配制成氣溶膠；新鮮礦漿經(jīng)入料口、內(nèi)筒、軸向葉片、徑向葉片和下層傘形葉片等多級(jí)強(qiáng)剪切疊加，實(shí)現(xiàn)煤粒表面的清洗；在離心力作用下，上層傘形葉片形成的氣溶膠與軸向葉片、徑向葉片和下層傘形葉片等多級(jí)強(qiáng)剪切調(diào)漿改質(zhì)后的礦漿，在改質(zhì)機(jī)槽體內(nèi)交叉碰撞混合，完成礦漿的預(yù)礦化。

該設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)是：

(1)集強(qiáng)力剪切顆粒表面清洗和氣溶膠加藥方式等特點(diǎn)為一體，能有效提高煤泥的選擇性和浮選機(jī)的處理能力；

(2)強(qiáng)力剪切顆粒表面清洗，有效去除煤泥顆粒表面異質(zhì)細(xì)泥，暴露新鮮表面，促進(jìn)藥劑吸收，提高浮選速率和回收率[5]；

(3)降低顆粒表面高灰異質(zhì)細(xì)泥的夾帶現(xiàn)象，提高煤泥的選擇性。

目前該設(shè)備相繼應(yīng)用于葫蘆素、袁大灘等多家選煤廠，實(shí)現(xiàn)了對(duì)低階煙煤的表面改質(zhì)、礦漿預(yù)礦化，有效改善了入浮礦漿的選擇性，為浮選機(jī)高效浮選創(chuàng)造了條件，為提高精煤綜合產(chǎn)率，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力煤資源高效利用，起到積極作用。

2.4 流體仿真催生新型高效浮選機(jī)

浮選機(jī)是浮選環(huán)節(jié)的關(guān)鍵設(shè)備，目前常用的有機(jī)械攪拌式浮選機(jī)、噴射式浮選機(jī)和浮選柱，進(jìn)行煤泥浮選時(shí)，具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)。隨著科學(xué)的發(fā)展、動(dòng)力煤煤泥浮選技術(shù)的積累，為適應(yīng)動(dòng)力煤煤泥浮選的需要，科研單位、設(shè)備廠家相繼對(duì)設(shè)備進(jìn)行了大量流體模擬仿真試驗(yàn)，在原設(shè)備基礎(chǔ)上，進(jìn)行局部?jī)?yōu)化，催生出新型高效浮選機(jī)。

2.4.1 新型高效機(jī)械攪拌浮選機(jī)

傳統(tǒng)機(jī)械攪拌浮選機(jī)利用葉輪定子組件，葉輪旋轉(zhuǎn)形成離心力場(chǎng)產(chǎn)生負(fù)壓，吸入空氣(含藥劑)及礦漿，空氣在葉輪定子系統(tǒng)內(nèi)與礦漿激烈混合、破碎、分散。具有流場(chǎng)梯度大、機(jī)械穩(wěn)定性較好、對(duì)礦物各種形態(tài)的適應(yīng)性較好、能使物料與空氣充分混合的優(yōu)點(diǎn)，主要是針對(duì)粒度粗、產(chǎn)率高、易浮選的煤泥而設(shè)計(jì)；隨著流體仿真技術(shù)的應(yīng)用，設(shè)備廠家對(duì)葉輪結(jié)構(gòu)、定子、紊流板等過(guò)流部件不斷進(jìn)行優(yōu)化，相繼開(kāi)發(fā)了一體化浮選機(jī)，該設(shè)備使分選槽內(nèi)流場(chǎng)分布更合理，槽內(nèi)無(wú)死區(qū)，物料與空氣混合更充分，提高充氣性能，降低能耗；同時(shí)該設(shè)備在配置上集礦漿準(zhǔn)備、藥劑添加、浮選等功能為一體，節(jié)省了布置空間、降低了投資，也簡(jiǎn)化了分選工藝。

2.4.2 強(qiáng)力礦化射流微泡浮選機(jī)

針對(duì)粒度細(xì)、難浮選與極難浮選的煤泥，結(jié)合多種柱式浮選設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了強(qiáng)力礦化射流微泡浮選機(jī)。該設(shè)備是基于壓力礦漿射流卷吸空氣的基本原理，研發(fā)的一種射流空氣自吸式浮選機(jī)[6]。該型設(shè)備由分配器、射流器、噴淋水管組、內(nèi)外溢流槽、外桶體、內(nèi)桶體、傘錐板、尾礦循環(huán)礦漿導(dǎo)流器、尾礦桶等組成。物料分選過(guò)程中，礦漿經(jīng)入料泵泵入浮選機(jī)分配器的礦漿分配腔，高壓礦漿經(jīng)噴嘴組形成強(qiáng)力射流流體，射流卷吸生成負(fù)壓區(qū)；空氣自分配器空氣腔進(jìn)入射流組件負(fù)壓區(qū)，與礦漿一起通過(guò)喉管形成強(qiáng)湍動(dòng)能的氣、固、液三相流場(chǎng)，流場(chǎng)內(nèi)的大量微射流把空氣切割成大量微泡，微泡優(yōu)先吸附到疏水固體表面和空氣析出處表面，微泡與煤顆粒在不斷碰撞過(guò)程中與礦漿一起經(jīng)過(guò)喉管進(jìn)入槽體，并產(chǎn)生大量礦化氣泡，混合礦漿經(jīng)過(guò)傘錐板反射上升，穿過(guò)紊流板，上浮進(jìn)入礦化氣泡與尾礦的分離區(qū)；最后礦化氣泡經(jīng)過(guò)導(dǎo)流板加速上浮至礦漿表面形成泡沫層；尾礦一部分經(jīng)內(nèi)桶體的循環(huán)管再次循環(huán)，一部分經(jīng)分離區(qū)進(jìn)入內(nèi)外桶之間的強(qiáng)化分離通道，最后進(jìn)入尾礦循環(huán)礦漿導(dǎo)流器，形成浮選尾礦。

圖1 強(qiáng)力礦化射流微泡浮選機(jī)

該設(shè)備相較于傳統(tǒng)浮選具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)將顆?！?dú)馀莸V化動(dòng)力學(xué)過(guò)程和礦化氣泡分離過(guò)程相對(duì)隔離，互不干擾，各自優(yōu)化；

(2)采用原位氣穴成核非碰撞礦化和高氣泡表面通量管流強(qiáng)制碰撞礦化理論，實(shí)現(xiàn)微納米氣泡在疏水顆粒表面優(yōu)先成核礦化過(guò)程與高氣泡表面通量強(qiáng)制碰撞礦化過(guò)程的耦合[7]，達(dá)到氣泡礦化過(guò)程的選擇性與效率同步提高；

(3)具有初始上升速度的礦化氣泡流直接進(jìn)入礦化氣泡與礦漿分離界面區(qū)域，最大限度減少礦化氣泡在礦漿中的穿行距離和時(shí)間，加速礦化氣泡的分離過(guò)程[8]；

(4)采用埋入式泡沫沖淋方式，在礦化氣泡脫離礦漿的初始區(qū)間，完成泡沫夾帶水的更新，避免沖淋水對(duì)礦化氣泡的破碎，減輕細(xì)泥夾帶對(duì)精煤的污染。

目前該設(shè)備相繼成功應(yīng)用于南梁、葫蘆素、袁大灘等選煤廠，實(shí)現(xiàn)對(duì)長(zhǎng)焰煤、不粘煤的高效浮選，達(dá)到煤泥高效分選利用的目的。

2.5 智能浮選加藥設(shè)備助力

浮選環(huán)節(jié)成本高是選煤行業(yè)一個(gè)共識(shí)，主要原因是藥耗高、藥劑成本高。傳統(tǒng)選煤廠浮選崗位司機(jī)對(duì)日常生產(chǎn)很重要，借助生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，頻繁調(diào)節(jié)加藥量?，F(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)啟車(chē)時(shí)，浮選入料濃度、煤泥量是一直波動(dòng)的，需要崗位司機(jī)往返于浮選機(jī)和加藥裝置之間，不斷調(diào)節(jié)藥劑量，不但加重崗位司機(jī)的工作量，而且藥劑添加也不精確，藥劑添加量普遍較高，增加了生產(chǎn)成本，生產(chǎn)調(diào)節(jié)也具有滯后性。

隨著智能化技術(shù)的日漸成熟，天津美騰公司、中煤天津設(shè)計(jì)工程公司等企業(yè)相繼研發(fā)出智能浮選加藥設(shè)備，并陸續(xù)在選煤廠得到推廣和應(yīng)用。智能浮選系統(tǒng)可讀取入料濃度、入料流量等參數(shù)，通過(guò)對(duì)精煤、尾礦灰分在線檢測(cè)，借助智能算法及時(shí)調(diào)節(jié)加藥量、加藥比、浮選機(jī)充氣量、浮選機(jī)刮板高度等關(guān)鍵參數(shù)，達(dá)到精煤質(zhì)量滿足要求、尾礦質(zhì)量合格的目的，在最優(yōu)的藥耗下實(shí)現(xiàn)精煤最大回收，在精煤產(chǎn)率最大化下實(shí)現(xiàn)藥耗的最佳添加，降低浮選環(huán)節(jié)加工成本，提升浮選環(huán)節(jié)收益。智能浮選系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)入浮煤漿的濃度和煤泥量，可調(diào)節(jié)每臺(tái)浮選機(jī)的給料量，實(shí)現(xiàn)選煤廠浮選系統(tǒng)生產(chǎn)能力最大化。生產(chǎn)實(shí)踐證明，智能浮選實(shí)現(xiàn)了浮選系統(tǒng)負(fù)荷的均衡與穩(wěn)定、藥劑消耗最低、精煤與尾礦合格等幾大核心指標(biāo)融合調(diào)節(jié)，智能浮選系統(tǒng)的投入運(yùn)用，徹底解放了浮選崗位司機(jī)，實(shí)現(xiàn)了藥劑精準(zhǔn)添加，可及時(shí)調(diào)節(jié)指導(dǎo)生產(chǎn)，精煤產(chǎn)率提升約0.5%～1.0%、藥劑消耗降低約5%～10%，助力實(shí)現(xiàn)煤炭資源最大回收、生產(chǎn)過(guò)程控制精益化、加工成本最低化。

圖2 智能浮選系統(tǒng)

3 結(jié) 語(yǔ)

隨著碳達(dá)峰、碳中和政策的實(shí)施，必將引起經(jīng)濟(jì)社會(huì)性變革，煤炭將更多用于煤化工等清潔高效轉(zhuǎn)化的發(fā)展方向，拓展了動(dòng)力煤發(fā)展空間、拉升了動(dòng)力煤產(chǎn)品價(jià)格，動(dòng)力煤選煤廠也應(yīng)提升發(fā)展質(zhì)量空間，完善分選工藝；通過(guò)前期動(dòng)力煤浮選技術(shù)積累、新浮選設(shè)備研發(fā)、智能浮選助力、國(guó)家政策倒逼、產(chǎn)品盈利空間拉升，動(dòng)力煤煤泥浮選一定能在最優(yōu)藥耗下實(shí)現(xiàn)精煤的最大回收、最低加工成本下實(shí)現(xiàn)最大的產(chǎn)品收益，動(dòng)力煤煤泥浮選未來(lái)將形成發(fā)展趨勢(shì)。