CN116209818A - 非均质材料的颗粒间碰撞破碎 - Google Patents

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Abstract

一种用于粉碎非均质材料颗粒的方法。非均质材料的颗粒通过相互冲击而被分割且破碎成较小的粒度。非均质材料是指同一固体中的两种或多种不同的固体材料或相。组分材料可能具有不同的比重和/或硬度。在所述方法中，将非均质材料颗粒的浆料泵送通过冲击介质的搅拌混合物，其中冲击介质的尺寸大于颗粒的尺寸，其中相邻的冲击介质相互作用以产生冲击区，颗粒通过该冲击区并相互冲击以使颗粒分割并破碎成更小的颗粒。冲击介质可以比颗粒大5至10倍。冲击介质可以比颗粒更硬。非均质材料可以是煤。

Description

非均质材料的颗粒间碰撞破碎
技术领域
本发明涉及一种用于减小非均质材料粒度的方法。更具体地说，非均质材料颗粒通过相互破坏而破碎成较小的粒度。如本文所用，非均质材料由相同固体颗粒中的两种或多种不同固体材料或相组成。组分非均质材料可以具有不同的比重和/或硬度。
背景技术
粉碎(comminution)是将固体材料从一种平均粒径减小到一种更小的平均粒径。传统的粉碎是通过物理手段，通过各种磨碎(milling)、研磨(grinding)或磨蚀(abrasionattrition)方法来完成的。磨碎包括通过压力或力量将颗粒压碎或粉碎，以减小粒度。研磨通过摩擦将材料变成粉末或小碎片。磨损和磨蚀，像研磨一样，包括通过摩擦来研磨或磨蚀材料。
在采矿中，矿石最初是通过将岩石破碎到便于操作或更稳定的尺寸来减小尺寸的。“破碎(crushing)是通过矿石对[较硬的]刚性表面的压缩，或通过在受限运动路径中对表面的冲击来实现的。破碎通常是一个干燥[或半干燥]过程，分几个阶段进行，破碎比很小，每个阶段从3到6不等。破碎阶段的破碎比可定义为进入破碎机的最大粒径与离开破碎机的最大粒径之比，但有时也使用其他定义。有多种破碎机可供选择，如颚式破碎机、回转破碎机、圆锥破碎机、辊式破碎机和冲击式破碎机。”Jack Jeswiet等，Energy Consumptionin Mining Comminution,Procedia CIRP 48(2016)140,142。
“在研磨过程中，能量效率较低，因为大部分能量以热量的形式散逸在岩石中。此外，在研磨过程供料时，矿石硬度和粒度分布之间存在很大差异，导致不同程度的低效率。”。
研磨可分为粗磨、中磨和精磨。它们在使用的设备、获得的产品尺寸和使用的粉碎机制方面有所不同。这些尺寸等级之间的界限必须总是被任意地划定。Jan De Bakker，Energy Use ofFine Grinding in Mineral Processing,Metallurgical and MaterialsTransactions,Vol.1E,p.9，2014年3月，公开了表1中列出的分界。
表1.粉碎设备、粒度等级和研磨机构
Figure BDA0004113418610000011
Figure BDA0004113418610000021
如表1所示，粗磨通常相当于使用自磨机(AG)或半自磨机(SAG)；中磨通常使用球磨机或塔式磨机；精磨采用搅拌磨，如Isamill或Stirred Media Detritor(SMD)。当然，除这些典型磨机外也有各种其他设备。在精磨过程中，P80小于100μm的物料可被粉碎至P80约为7至30μm。进料通常是浮选精矿，经过再研磨后释放出有价值矿物的细颗粒。颗粒破碎的三种模式是冲击、磨损(其中两个颗粒相互剪切)和磨蚀(其中一个小颗粒在两个以不同速度运动的较大颗粒或介质之间剪切)。在精磨中，破碎仅由磨蚀决定。在搅拌磨中，这是通过沿着磨半径在研磨介质的角速度中产生梯度来实现的。
搅拌磨通过搅拌介质运行，如沙子或金属球或陶瓷球。在搅拌介质研磨机中，搅拌器使混合室的内容物运动，引起研磨介质和矿石颗粒之间以及矿石颗粒本身之间的强烈碰撞。研磨作用是通过磨蚀和磨损实现的，其中非常细的颗粒从较大颗粒的表面碎裂，而不是冲击破碎。
总之，大多数磨碎是在较弱的表面上机械研磨坚硬的表面。当颗粒在硬表面加速时，硬表面会将颗粒粉碎。随着时间的推移，颗粒被加速的坚硬表面(耐磨板、介质、容器侧壁等)磨损；磨碎的材料被来自硬表面的磨损颗粒进一步污染。
将粒度减小到小于1mm是非常耗能的，因为颗粒越来越小，表面接触面积就越来越小。矿山铣削约占世界能源消耗的3％至5％。矿业中的粉碎或研磨约占能源消耗的40％。一般而言，通过粉碎产生的粒度越小，产生颗粒所需的能量就越大；所需能量随着粒度的减小而呈指数级增加。
传统的颗粒粉碎或磨碎每吨干原料消耗大量能量。磨碎介质与彼此和待磨碎材料的持续碰撞导致动能转化为热能。产生大量的废热，需要冷却水来防止系统过热。在传统的颗粒粉碎或磨碎过程中，介质也会随着时间的推移而被磨蚀或消耗。介质包括通常比被磨碎颗粒更大的硬颗粒。在传统粉碎中，介质充当被研磨的颗粒的碰撞和研磨表面。
当减小非均质材料的粒度时，传统方法减小非均质材料的所有组分或两种组分的粒度。如果组分材料中的一种比另一种具有明显更低的值，或者如果组分材料的分离是最终期望的结果，则这是特别不希望的。
由于减小粒度是许多工业中的常见做法，因此提供一种消耗较少能量的新粉碎工艺将是粒度减小领域的进步。本领域的更大进步将是提供一种新的粉碎工艺，其最小化研磨介质的磨损。在本领域中，减小非均质材料的一种组分的尺寸而不减小其它组分的尺寸将是更大的进步。
参考文献
Jan De Bakker,Energy Use of Fine Grinding in Mineral Processing,Metallurgical and Materials Transactions,Vol.1E,p.9,March 2014.
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发明内容
本公开涉及一种用于粉碎非均质材料的颗粒的方法，即，将固体材料从一个粒度群体或分布减少到更小的粒度群体或分布。市售粒度分析仪可用于测定粒度分布，从中可测定平均粒度和中值粒度以及其他分布定义术语。如本文所用，除非另有明确定义，术语“粒度”是指中值粒度或粒度分布上的“d50”粒度。术语“d50”大小值表示样品中50％的颗粒小于该粒度值。因此，根据定义，d50是中值粒度。更一般地，“dXX”大小值表示样品分布中XX％的颗粒小于该粒度值。此处还参考了d90和d99的粒度。例如，d99的粒度为200微米(XX＝99且“粒度值”＝200微米)意味着99％的颗粒粒度小于200微米。粒度d50表示中值粒度，粒度d99表示上限粒度。
非均质材料的颗粒通过相互冲击而被分割且破碎成较小的粒度。非均质材料是指同一固体中的两种或多种不同的固体材料或相。因此，如本文所用，“非均质材料的颗粒”是指在同一固体中具有两种或多种不同固体材料或相的颗粒。非均质材料的组分固体材料或相可以具有不同的比重和/或硬度。
所公开的用于粉碎非均质材料颗粒的方法包括获得一定量的颗粒，其中所述颗粒包括具有至少两种不同硬度和比重的不同固体材料的非均质材料。将颗粒的浆料泵送通过冲击介质的搅拌混合物，其中冲击介质的尺寸大于颗粒的尺寸，其中相邻的冲击介质相互作用以产生冲击区，颗粒通过该冲击区并相互冲击以使颗粒破裂并破碎成更小的颗粒。
冲击介质的尺寸可以比颗粒大5至10倍。
冲击介质可以比颗粒更硬。
冲击介质可以具有2至3mm的尺寸，颗粒可以具有小于d990.3 mm的尺寸。
冲击介质的尺寸可以从0.5mm到1mm，颗粒的尺寸小于d99的0.1mm。
在一个实施方案中，所述至少两种不同的固体材料可以包括煤衍生的碳质物质和煤衍生的矿物质。
在一个实施方案中，在公开的用于粉碎颗粒的方法中形成的较小颗粒可以具有小于进料粒度的90％的尺寸。
在一个实施方案中，在公开的用于粉碎颗粒的方法中形成的较小颗粒可以具有小于进料粒度的80％的尺寸。
在一个实施方案中，在公开的用于粉碎颗粒的方法中形成的较小颗粒可以具有小于进料粒度的70％的尺寸。
在一个实施方案中，在公开的用于粉碎颗粒的方法中形成的较小颗粒可以具有小于进料粒度的60％的尺寸。
在一个实施方案中，在公开的用于粉碎颗粒的方法中形成的较小颗粒可以具有小于进料粒度的50％的尺寸。
在一个实施方案中，在公开的用于粉碎颗粒的方法中形成的较小颗粒可以具有小于进料粒度的40％的尺寸。
在一个实施方案中，在公开的用于粉碎颗粒的方法中形成的较小颗粒可以具有小于进料粒度的30％的尺寸。
在一个实施方案中，在公开的用于粉碎颗粒的方法中形成的较小颗粒可以具有小于进料粒度的20％的尺寸。
在一个实施方案中，在公开的用于粉碎颗粒的方法中形成的较小颗粒可以具有小于进料粒度的10％的尺寸。
因此，在所公开的用于粉碎颗粒的方法中形成的较小颗粒可具有小于进料粒度的10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％或90％的粒度，其中任何所述值都可形成范围的上限或下限。
所公开的方法可能需要小于10kwh/MT(千瓦时/公吨)干进料颗粒的能量。
所公开的方法可能需要小于5kwh/MT干进料颗粒的能量。
所公开的方法可能需要小于3kwh/MT的干进料颗粒的能量。
所公开的方法可能需要小于2kwh/MT干进料颗粒的能量。
公开了一种降低颗粒粒度的方法，其中颗粒包括至少两种不同硬度的不同固相。所述方法包括将颗粒悬浮在运动的流体中，并使颗粒相互冲击并在固相之间的界面处破裂。
在所述方法的一个实施方案中，较硬相和较软相具有初始尺寸，其中较软相的尺寸减小，而较硬相的尺寸基本上没有减小。
如本文所用，可使用任何已知或新颖的技术来测量颗粒的尺寸或粒度。例如，可使用筛子测定粒度。可使用粒度分析仪测定粒度。粒度分析仪可能基于不同的技术，包括粒子光散射、粒子重力沉降和高清晰度图像处理。对于亚微米颗粒测量，动态光散射是首选的。对于从几百纳米到几毫米的颗粒的测量，激光衍射(也称为静态激光散射)是首选方法。
应当理解，上述的一般描述和下文的详细描述都是示例性和解释性的，而不是对所要求保护的本发明的限制。应当理解，所公开的发明的特定方面和特征可以与所公开的发明的其他特定方面和特征自由组合。应当理解，各种实施方案不限于附图中所示的布置和手段。还应当理解，这些实施方案可以被组合，或者可以利用其他实施方案，并且除非如此要求，否则可以在不脱离本发明的各个实施方案的范围的情况下进行结构改变。因此，下文的详细描述不应局限于此。
附图说明
为了容易理解获得本发明的上述和其他特征和优点的方式，将通过参考附图中所示的本发明的具体实施方案来提供上文简要描述的本发明的更具体的描述。应当理解，这些附图仅描绘了本发明的典型实施方案，因此不应被认为是对其范围的限制，将通过使用附图以附加的具体性和细节来描述和解释本发明，其中：
图1示出了彼此冲击或碰撞的两种非均质材料颗粒；
图2示出了球形介质之间的冲击区的操作；
图3示出了球形介质之间的多个冲击区的操作；
图4示出了冲击破碎装置；
图4A示出了基于图4所示装置的改进的冲击破碎装置；
图4B示出了示例性落水管栅格配置；
图5A示出了三种未加工或原样含水浆料的粒度分布和在不同停留时间之后离开冲击破碎装置的浆料的粒度分布的图；和
图5B是细煤颗粒和矿物颗粒的浆料泡沫浮选后尾矿中矿物质粒度分布的图。两种浆料的灰分均为45％。一种粒度分布是由原含水浆料生产的尾矿中的矿物质颗粒，另一种是由颗粒浆料生产的尾矿中的矿物质颗粒，该浆料被破碎至粒度约为d9920微米。
具体实施方式
本公开涉及非均质材料颗粒的液体粉碎。由颗粒组成的非均质材料在同一固体中含有两种或多种不同的或非均质的材料。不同的材料可能具有不同的密度和/或硬度。在所公开的方法中，当颗粒通过曲折的撞击路径时，非均质材料的颗粒在非均质材料的界面处破碎。
在所公开的方法中，包含非均质材料颗粒的浆料流过浆料和冲击介质的搅拌混合物。搅动的冲击介质在相邻的介质表面之间形成了一条曲折的冲击区域路径。非均质材料颗粒被诱导在撞击区的曲折路径内相互撞击，导致颗粒破裂。如本文所用，冲击区是在冲击介质之间形成的通道或间隙，浆料中的颗粒必须通过或穿过该通道或间隙。浆料的压力和流动迫使颗粒通过这些众多的冲击区，导致通过搅动的冲击介质的曲折路径。
不受理论的约束，当浆料中的颗粒被迫通过冲击区时，小颗粒被加速进入较大介质之间的较小通道。在某一点处，细颗粒到达冲击点，在那里它们不能穿过冲击路径，因为非均质材料的颗粒比冲击区域大，或者因为两个或更多个颗粒试图穿过相同的冲击区域并且受到阻碍或撞击。这种限制导致颗粒快速减速。非均质材料的颗粒相互碰撞和/或与形成冲击区的冲击介质碰撞。发生的减速和颗粒间碰撞会对非均质材料颗粒产生剪切力。非均质固相之间的界面不如单个固相本身那么牢固。剪切力导致颗粒在非均质固相之间的界面处破裂。因此，穿过冲击区曲折路径的非均质材料颗粒会导致颗粒破裂。
非均质材料的典型颗粒可能穿过冲击介质之间的多个冲击区，以达到最小粒度。在所公开的方法的范围内的最小粒度存在于非均质固相之间不再有任何界面的地方，在这些地方非均质固相可能发生破碎。一旦达到这个极限，即因为在非均质固相之间不再有可破碎的界面，通过颗粒间碰撞进一步减小粒度就变得低效。如果需要进一步减小粒度，可采用传统的粉碎或研磨工艺。与传统的粉碎或研磨方法相比，根据所公开的方法用于粒度减小的能量显著更低。
如上所述，所公开的方法通过使颗粒彼此破碎来减小非均质材料颗粒的大小。非均质材料颗粒由相同颗粒中的两种或多种不同固相或材料组成。
非均质材料的一个非限制性实例是煤。煤是两种或两种以上固体物质的天然石化复合混合物，在同一颗粒中主要含有碳质物质(碳基)和矿物质(非碳基)。如本文所用，碳质物质被称为煤衍生的碳质物质，矿物质被称为煤衍生的矿物质。由于颗粒包含两种或多种不同的固体材料，因此它是非均质的。通常，碳质物质占颗粒重量的约70％至95％，矿物质(有时称为固有矿物质或内在矿物质)占颗粒重量的5％至30％。
碳质物质和矿物质具有不同的比重和硬度。碳质物质和矿物质的比重和硬度可能因不同的煤层而不同。在一个非限制性实例中，碳质物质组分具有约1.2的比重，矿物质组分具有约2.45的比重。碳质物质的硬度按莫氏硬度计约为3。按莫氏硬度计，矿物质的硬度约为4.5至7。
在所公开的方法中，观察到较软材料的粒度减小，而较硬材料保持与原始非均质材料中基本相同的粒度。当较软材料占非均质材料基质的大部分时，情况尤其如此。
煤颗粒中的碳质物质和矿物质之间存在非均质界面。当煤颗粒经受上述曲折冲击路径过程的冲击和剪切力时，颗粒在非均质界面处破碎。
非均质材料的碎片或颗粒悬浮在载液中形成浆料。载液可以是水性的或非水性的。载液的非限制性实例包括水和柴油燃料。颗粒被充分搅动，以保持颗粒悬浮并相对于彼此移动。相对于彼此的运动导致颗粒间碰撞，该碰撞导致颗粒的非均质材料在非均质界面处破碎。
具有同等或更高硬度的较大的材料或介质可混合到浆料悬浮液中，以增强冲击效果。优选地，所添加的材料或介质的直径是被粉碎的非均质材料颗粒的直径的至少5至10倍。由于添加的介质至少与非均质材料颗粒一样硬或更硬，因此介质磨损很少或没有磨损。
所公开的方法利用了颗粒中两种或多种材料的不同比重。以煤为例，碳质物质的比重约为1.2，矿物质的比重约为2.45。图1示出了两个非均质材料颗粒相互冲击或碰撞的示意图。颗粒的速度越快(V1或V2)，每个颗粒内部的每个非均质材料的微分动量就越高。两个或多个颗粒碰撞时的微分动量，以及不同的矢量、速度或惯性，会在非均质界面产生颗粒内破裂。如果颗粒是均质材料，则这种颗粒间相互作用(例如颗粒与颗粒的相互作用)只会促进“圆度”或表面粗糙度/纹理，而不会显著降低平均粒度或总表面积。
图1示出了两个非均质的颗粒相对于彼此移动，每个颗粒具有不同的速度，分别由V1和V2表示。C是碰撞点。速度差(ΔV)是V1和V2的速度差。加速度通过速度的变化来测量。高速会在碰撞(C)时导致较大的速度差(ΔV)，这也会导致较大的加速度变化(ΔA)。较高的颗粒速度也会降低液体-颗粒系统的粘度。较高的颗粒速度也允许浆料中较高的颗粒负载。液体-颗粒系统中的颗粒负载越多，“颗粒间”效应就越有效。
具有不同比重的颗粒中的不同非均质材料在运动时经历不同的动量。当颗粒碰撞时，给定颗粒中非均质材料的动量发生变化，导致颗粒内的碰撞力不同。非均质界面产生内应力，导致断层线形成，最终沿非均质界面破碎。
图2示出了球形介质110之间的冲击区100。冲击区100可以是窄通道、间隙或其它限流。冲击区100表示介质和颗粒之间的空间，非均质材料120的颗粒被推动通过该空间。迫使非均质材料的颗粒通过冲击区100导致颗粒间碰撞或撞击效应，其导致颗粒沿非均质界面破碎。人们可以合理地预期冲击区中颗粒撞击的粒度将以6:1至10:1减小。冲击时的颗粒速度越快，粒度减小越大。增加冲击时的颗粒速度，可提高过程的有效性。
图3示出了穿过在球形介质110之间形成的冲击区的非均质材料120的颗粒的类似视图。旨在迫使多个颗粒同时通过冲击区，导致多个颗粒发生冲击。
如果加载有颗粒的流体推压比重更高的球形介质，并且颗粒具有比流体更高的比重和比介质更低的比重，则净效应是动态地调整较大介质颗粒之间的间隙，以允许最佳粒度的“撞击间隙”来有效地产生破碎事件。它也很复杂，但可以自动调节，与流体速度无关。
应当理解，浆料固体负载越高，“颗粒对颗粒”冲击效应越有效。
介质的直径优选至少是粒度减小的非均质材料颗粒直径的两倍。在一个非限制性实施方案中，介质可以是非均质材料颗粒直径的5倍。在另一个实施方案中，介质可以是非均质材料颗粒直径的10倍。在另一个实施方案中，介质可以是非均质材料颗粒直径的100倍。因此，介质可以是非均质材料颗粒直径的2、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95或100倍，其中任何所述值可以作为范围的上限或下限。
介质应当是均质的，使得其不经历如本文所述的非均质材料颗粒那样的用于粒度减小的冲击破碎路径。在一个非限制性实施方案中，介质的硬度大于非均质材料的主要成分的硬度。目前首选球形介质，因为有棱角的介质通常会破坏，直到变成球形。
常见介质的例子包括但不限于球形硅砂、球形刚玉、球形陶瓷、球形石榴石、球形二氧化硅、球形氧化铝、球形氧化锆等。
在一个非限制性实施方案中，给定介质的直径范围具有从X到2X的窄大小分布，其中X是介质的最小直径，2X是介质的最大直径。例如，介质直径可以在1.5至3mm之间，或在2至4mm之间，或在2.5至5mm之间，或在5至10mm之间。
不受理论的约束，所公开的粉碎过程和装置的机理可以被描述为冲击诱发的颗粒对颗粒的破碎。当颗粒被迫通过粉碎装置中的多个冲击点时，就会发生颗粒破碎。非均质颗粒的高效破碎发生在这些冲击点。
图4示出了通过装置400的流程，该流程引起非均质材料颗粒的冲击破碎。冲击破碎装置400是基于非均质材料的冲击诱发的颗粒破碎的连续液体粉碎装置。液体粉碎需要两种成分：介质和浆料。介质可以是待粉碎材料的5至10倍或更多。介质优选比待粉碎的材料更硬。通常，介质约占粉碎体积的50-55％。浆料的范围可以是25至约55重量％固体。浆料由载液和非均质材料颗粒组成。通常，浆料的载液是水，但也可以使用非水载液。浆料填充约40-45％的粉碎体积。
未加工的浆料在第一搅拌区420底部的浆料注入口410处被泵入冲击破碎装置400。第一搅拌区420是机械混合区。机械混合器以上述量搅动由载液、介质和固体颗粒组成的粘性流体。第二搅拌区430进行流动混合。没有物理搅动。随着搅拌区420上方的高度增加，直到第二搅拌区430的顶部附近，第一搅拌区420中的混合器的搅拌作用以减小的方式被感应到。
第一和第二搅拌区上方的沉降区440受到来自第一搅拌区420的非常少的搅拌。介质逆着上升的浆料速度沉降回到第二搅拌区430的顶部，在那里它被混合回到混合系统中的介质中。沉降区的粘性较小，因为在该区发现的介质较少。破碎浆料排出和介质再循环区450位于沉降区440的顶部，当装置在第一搅拌区420底部连续输入未处理的浆料的情况下操作时，只有约5体积％的介质留在区域450中。
从冲击破碎装置400的顶部排出的破碎浆料被泵送到区域450上方的水力旋流器460。破碎的浆料从水力旋流器顶部流出，进入下游工序。从装置中排出时残留在破碎的浆料中的介质(通常约为5体积％)离开水力旋流器的底部，并在区域450的顶部向下落入装置400中。
图4A示出了改进的冲击破碎装置400，其提供了在区域450中在磨机顶部局部添加的稀释用水。稀释用水被泵送到容器470中，容器470限定了冲击破碎装置400顶部的体积。水通过带有防溅板480的管道475进入容器470。防溅板480使水水平排放到容器470中，并更均匀地分布在整个容器460中。
落水管485的栅格从容器470向下延伸到区域450中。用于落水管485的栅格配置的示例如图4B所示。图4B示出了分布在容器470底部的九个落水管485。应当理解，根据容器470的大小、落水管的大小以及进入研磨区450的所需稀释用水流速，可以使用更多的落水管或更少的落水管。
添加到容器470中的水通过落水管485因重力排放到区域450中的浆料和剩余介质的混合物中，以局部稀释区域450中的浆料和介质。如果浆料被稀释到小于20％固体，介质容易沉降或通过区域450中的浆料落回到下面的混合区域。可进行稀释至小于15％，以促进介质快速沉降回到下方的混合区。在一个优选的实施方案中，固体含量被稀释至约15重量％。在另一个实施方案中，固体含量被稀释至约10重量％。在另一个实施方案中，固体含量被稀释至约5重量％。但是，如果添加了太多的稀释用水，会导致下部混合区域进行稀释，并降低冲击式磨机的性能。
稀释浆料从冲击磨的顶部排放到槽或流槽490中，所述槽或流槽490将不含介质的稀释浆料引导到收集罐(未示出)中。根据需要，槽490可以在磨机的一侧、两侧、三侧或四侧。
在颗粒冲击破碎装置400的连续操作期间，介质之间的颗粒冲击区或介质间隙保持打开并通过机械搅拌移动，以确保介质总是均匀分布，并且浆料在不穿过介质之间的冲击区的体积或曲折路径的情况下不能隧穿路径(例如，“鼠洞”)。浆料在第一搅拌区420和第二搅拌区430中采用曲折的冲击路径。由于通过颗粒冲击破碎装置400连续泵送浆料所引起的液压与在搅拌区中的介质和浆料的搅拌的组合，浆料颗粒被不断地推动通过粘性搅拌区420和430中的介质颗粒之间的冲击区。
比介质更软和/或更易碎的部分非均质材料在被迫通过搅拌区中的介质之间的冲击区时被破碎成更小的碎片。浆料和介质的温度没有明显升高，这表明显著的摩擦和碰撞能量没有导致动能转化为热量。
当非均质材料的组分易碎时，所公开的非均质材料的冲击颗粒破碎最有效。此外，如果颗粒是均匀材料的完美球体，则在所公开的过程中，它不会破碎并分解成更小的颗粒。
所公开的方法产生一系列冲击区。迫使包含非均质材料颗粒的浆料通过这些冲击区会导致颗粒间冲击，并在非均质界面处产生颗粒内应力。在非均质材料煤的例子中，因为煤颗粒主要由“软”碳质物质和分散在整个颗粒中的“硬”矿物质杂质组成，所以在碳质物质和矿物质之间的界面处诱发应力集中。
所公开的方法仅破碎颗粒，直到颗粒基本上没有不同之处；在这一点上，颗粒不会进一步破碎。就煤而言，矿物质杂质已经比煤小且硬。在这个过程中，它不会破碎或碎裂成更小的颗粒。它仅在颗粒的冲击诱发破碎过程中从煤颗粒中释放出来。相比之下，如果将非均质材料放入常规研磨机中继续研磨，所有颗粒将继续研磨至越来越小的粒度。结果，效率下降。
所公开的方法促进了颗粒的冲击诱发的碰撞。该工艺使用高固体含量的浆料，其中颗粒悬浮在流体中，但几乎彼此接触。高固体含量浆料以高速通过狭窄的冲击区，以引起颗粒间的冲击。
所公开的用于减小粒度的非均质材料的冲击颗粒破碎类型与初始粒度无关。与常规研磨工艺不同，所公开的粉碎工艺将对直径高达6mm且粒度小至1μm或更小的颗粒起作用。
所公开的方法特别适用于易碎材料。所公开的方法的一个优点是利用非均质颗粒基质材料的脆性来帮助破碎与较硬介质材料的混合物中的颗粒。在公开的加速冲击事件中，易碎材料与其自身碰撞并破碎。非均质材料的易碎组分在沿着较硬和较软非均质材料组分之间的界面的边界处更容易破裂。应力集中点是由不同的材料产生的，它们通过冲击实现快速、低能耗的颗粒粉碎。
所公开的方法在不减小较硬材料大小的情况下减小了较软基质材料的粒度。所有其他铣削过程都会减小所有材料的尺寸。
给出以下非限制性实施例以说明与所公开的减小非均质材料的粒度的方法相关的实施方案。应当理解，这些示例既不是全面的，也不是可以根据当前公开的发明实践的多种类型的实施方案的穷举。
实施例1
操作如图4中所示配置的连续冲击破碎装置。该冲击破碎装置由7个4英尺宽、4英尺长、4英尺高的部分组成。底部两个部分(420)具有双轴桨式混合器。该部分的机械搅拌将介质和浆料混合在一起，导致发生冲击破碎相互作用。冲击介质通过流动混合延伸到430部分的中部，当浆料颗粒通过介质之间的冲击间隙时，为发生冲击破碎提供进一步的机会。底部三个部分(两个具有机械搅拌的部分和一个具有流动混合的部分)的容积的约50％至55％被冲击介质占据。剩余的45％至50％的容积被冲击介质之间的浆料占据。在不同测试中，在连续冲击破碎装置中测试的浆料的固体含量在20至35重量％固体之间变化。在浆料的固体含量高达45重量％和50重量％的情况下进行试验。
对于本实施例中报告的试验，煤颗粒的进料浆料具有30重量％的固体含量。浆料中煤颗粒的灰分或矿物质含量以干基计通常约为45重量％。固体含量为30重量％且灰分含量为45重量％(以干基计)的24.9立方米/小时的湿浆料被连续泵送通过冲击破碎装置。湿浆料的质量流量为以湿基计28.0公吨/小时(MTPH)，以干基计8.4MTPH。进入的浆料的粒度，d99约200微米，d50为12.5微米。离开冲击破碎装置的浆料的粒度分布为d99约40微米，d50约6.5微米。使用贝克曼库尔特LS(Beckman Coulter LS)粒度分析仪表征粒度分布。24.0千瓦用于为冲击破碎装置提供动力。24.0kW/8.4MTPH干浆料＝2.9千瓦时(kwh)每干公吨进料浆料。
实施例2
连续冲击破碎装置在进入的浆料以干基计为25重量％固体和约16重量％干灰分的情况下运行。浆料的质量流量为6.5MTPH。体积流速为24.4立方米/小时。在这些条件下，使用14.3kW为磨机提供动力。14.3kW/6.5MTPH干浆料＝2.2kwh每干公吨进料浆料。
实施例3
图5A示出了三种原始含水浆料的粒度分布以及在不同停留时间后离开冲击破碎装置的浆料的粒度分布的图。表1示出了浆料3的粒度分布的平均粒度、d50、d90和d99，以及浆料3在冲击破碎装置中停留时间为6.5分钟、7.9分钟、9.8分钟和12.3分钟的粒度分布。使用贝克曼库尔特LS粒度分析仪表征粒度分布。停留时间是根据浆料通过连续冲击破碎装置的体积速率和浆料在底部三个部分的介质之间所占体积来计算的。随着停留时间的增加，颗粒破碎成更小的粒度。表1还示出了粒度减少量随时间的推移而减缓，以减少量％和负百分比形式报告。计算方法是减少量％＝(减少大小-原始大小)/原始大小。对于这种煤样品，即使停留时间更长，颗粒也不会破碎至比d99小很多的20微米和d50的3.63微米的大小。认为煤颗粒中固有的或内含的矿物质的分布是煤颗粒通过冲击破碎产生的粒度的重要因素，其中煤颗粒是发生破碎的非均质点。对于浆料3，在冲击破碎装置中，9.8分钟的d50减少效率和d99减少效率分别为-52％和-76％。对于浆料3，冲击破碎装置中12.3分钟的d50减少效率和d99减少效率分别为-52％和-83％。
表1.浆料3在不同停留时间下发生冲击破碎。示出了浆料3和由此产生的冲击压裂浆料的粒度分布分析数据。
Figure BDA0004113418610000131
表2.将浆料1与示例冲击破碎浆料比较，其中示例冲击破碎浆料在离开冲击破碎装置之后的颗粒分布为约d9940微米、d9930微米、d9920微米和d9915微米。
Figure BDA0004113418610000132
表3.将浆料2与示例冲击破碎浆料比较，其中示例冲击破碎浆料在离开冲击破碎装置之后的颗粒分布为约d9940微米、d9930微米、d9920微米和d9915微米。
Figure BDA0004113418610000133
随着煤等非均质颗粒的破裂，观察到随着进一步冲击破碎的发生，不同的颗粒群形成，然后消失。浆料1、2和3是来自煤制备厂的细颗粒废物的原样或原浆料，这些细颗粒废物经历了不同的过程以产生由图5A所示的粒度分布所代表的颗粒群。浆料1具有浆料2和3所没有的150微米峰值。它们都在约80微米处有一个峰值。也可以继续比较这些群体中的较小峰值来比较这三种粗细颗粒废煤浆的峰值。
如前所述，冲击破碎过程沿着存在于非均质材料之间的界面处的薄弱处破碎。分布不均匀的混合物基于给定的材料产生可预测的峰值。当材料在冲击破碎装置中从大粒度变到小粒度时，可以预测峰值，这可以通过将原始浆料中的峰值与在冲击破碎装置中通过不同停留时间产生的浆料进行比较看出，如图5A所示。
通过使浆料1和浆料2在所需的停留时间内流过冲击破碎装置，可以并且已经产生了类似的粒度分布。通过比较破碎浆料中的峰值形成和消失与原浆料中的峰值，可以理解这一事实。表2和表3使用了在冲击破碎装置中产生的示例颗粒群，其中使用它们的粒度分布来定义平均、中值或d50、d90和d99粒度。将浆料1和浆料2分别与表2和表3中的通过使粗粉煤废浆料通过冲击破碎装置而产生的这些示例粒度群进行比较。浆料1的d99％减少量超过90％。浆料2的d99％减少量超过85％。
随着煤颗粒破碎成更小的尺寸，4至6微米的峰值和0.8至1微米的峰值都在数量级上增长。据信，这两个峰值代表了在破碎过程中从煤颗粒中释放出来的两种不同的矿物质。
随着停留时间的增加，煤颗粒破碎，直到它们也在约4至6微米处有一个峰值，d99约为20微米。破碎煤颗粒的最终尺寸可能取决于分散在整个非均质煤颗粒中的矿物质颗粒的密度。
图5B示出了在以干基计灰分为45重量％的浆料泡沫浮选之后尾矿中的矿物质。一种浆料是图1A中标记为浆料3的原样或未处理浆料。另一种浆料在冲击破碎装置中以9.8分钟的停留时间产生，得到约20微米的d99和3.63微米的d50。泡沫浮选将煤颗粒与矿物质颗粒分离。煤颗粒作为煤泡沫溢出浮选室顶部。矿物质作为尾矿从浮选室底部流出。矿物质尾矿的重量约为82重量％。对于由原浆料产生的尾矿，矿物质尾矿的干基灰分约为82重量％，对于由d99约20微米的冲击破碎浆料产生的尾砂，矿物质尾矿干基灰分为85重量％。对两种矿物质尾矿进行了粒度分析，以比较通过冲击破碎装置前后的矿物质粒度。两种矿物质尾矿在约1微米和约5.5微米处出现峰值。返回参考图5A，在破碎的浆料中，由于在连续冲击破碎装置中更长的停留时间导致煤颗粒的破碎增加而释放更多的矿物质，因此1微米峰和5.5微米峰在量值上增长。在由冲击破碎浆料产生的尾矿中，1微米峰值含有更多颗粒。来自原浆料的尾矿中在约20微米处存在峰值，而来自破碎浆料的尾矿中不存在该峰值。20微米的峰值可能是没有漂浮的煤，可能是因为内含了太多的灰分。冲击破碎过程可以释放含有的灰分，并允许这些煤粒漂浮，这是这些煤粒之前没有过的。来自破碎煤浆的矿物尾矿的较高灰分和较大的1微米峰值是矿物质从破碎煤颗粒中释放的证据。
需要注意的是，这些粒度分布所代表的1微米峰值和5.5微米峰值以及相关颗粒群并未因冲击破碎过程而发生实质性变化。峰值位于相同的位置。由于已经讨论过的原因，量值已经发生了一些变化。唯一的区别是20微米处的部分峰消失了，这可能是已经讨论过的煤颗粒。当较长的停留时间导致非均质煤颗粒发生更多破碎时，这两个峰值的尺寸并未减小。
表4比较了这两个尾矿样本的平均值、中值或d50、d90和d99粒度。减少量％也见表4。对于通过冲击破碎装置后的矿物质尾矿，仅计算出约20％。如果d50减少％或d99减少％不超过-25％，则粒度基本没有变化。这意味着，如果较小的颗粒具有-35％的减少量百分比，那么它的粒度将显著减小。
表4.与d99为20微米的冲击破碎浆料相比，浆料3泡沫浮选的矿物质尾矿。冲击破碎后，较硬矿物质尾矿颗粒的尺寸没有实质性变化。
Figure BDA0004113418610000151
与已知的研磨粉碎工艺相比，所公开的减小非均质材料颗粒粒度的工艺消耗更少的能量，产生更少的废热，并且将介质消耗减少到可忽略的水平。
所描述的实施方案和示例在各个方面都被认为仅仅是说明性的，而不是限制性的。因此，本发明的范围由所附权利要求而不是前面的描述来指示。落入权利要求的含义和等同范围内的所有变化都包含在其范围内。

Claims (20)

1.一种用于粉碎非均质材料颗粒的方法，包括：
获得一定量的进料颗粒，其中所述进料颗粒包括具有至少两种不同的固体材料的非均质材料，所述固体材料具有不同的硬度和比重；和
将进料颗粒的浆料泵送通过搅拌的冲击介质的混合物，其中冲击介质的尺寸大于进料颗粒的尺寸，其中相邻的冲击介质相互作用以产生冲击区，进料颗粒通过所述冲击区并相互冲击以使进料颗粒破裂并破碎成更小的颗粒。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述冲击介质比所述进料颗粒大5至10倍。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述冲击介质比所述进料颗粒更硬。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述冲击介质具有2至3毫米的尺寸，并且其中所述进料颗粒具有小于d990.3毫米的尺寸。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述冲击介质具有0.5毫米至1毫米的尺寸，并且其中所述进料颗粒的尺寸小于d990.1毫米。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述进料颗粒是煤颗粒，并且其中所述至少两种不同的固体材料包括煤衍生的碳质物质和煤衍生的矿物质。
7.根据权利要求1所述的方法，其中较小颗粒的尺寸小于进料颗粒尺寸的50％。
8.根据权利要求1所述的方法，其中较小颗粒的尺寸小于进料颗粒尺寸的90％。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法需要小于10千瓦时/公吨干进料颗粒的能量。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法需要小于3千瓦时/公吨干进料颗粒的能量。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法需要小于2千瓦时/公吨干进料颗粒的能量。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述冲击介质的尺寸具有范围为X至2X的直径尺寸分布，其中X是所述介质的最小直径尺寸，2X是所述介质的最大直径尺寸。
13.一种降低进料颗粒粒度的方法，其中进料颗粒包括至少两种不同硬度的不同固相，所述方法包括：
将进料颗粒悬浮在运动的流体中；和
使进料颗粒相互冲击并在固相之间的界面处破碎。
14.根据权利要求13所述的方法，其中较硬相和较软相具有初始尺寸，其中所述较软相的尺寸减小，而所述较硬相的尺寸基本上没有减小。
15.根据权利要求13所述的方法，其中所述进料颗粒是煤颗粒，并且其中所述至少两种不同的固相包括煤衍生的碳质物质和煤衍生的矿物质。
16.根据权利要求13所述的方法，其中当悬浮进料颗粒的运动流体被泵送通过冲击介质的搅拌混合物时，进料颗粒彼此冲击。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述冲击介质比所述进料颗粒大5至10倍。
18.根据权利要求16所述的方法，其中所述冲击介质具有2至3毫米的尺寸，并且其中所述进料颗粒具有小于d990.3毫米的尺寸。
19.根据权利要求16所述的方法，其中所述冲击介质具有0.5毫米至1毫米的尺寸，并且其中所述进料颗粒具有小于d990.1毫米的尺寸。
20.根据权利要求13所述的方法，其中所述进料颗粒在所述固相之间的界面处破裂并破碎成尺寸小于所述进料粒度的50％的较小颗粒。
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