跳汰选煤的分选效果能否赶上甚至超过重介选煤
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前言
跳汰选煤已有很长历史。以空气动跳汰机算起也近110年了。跳汰选煤技术进步的步伐越来越快，而跳汰理论落后于实践的局面一直没有根本转变，且至今仍没有一个统一的理论，依然停留在种种假说阶段上。跳汰机选煤的操作也没有形成一种公认统一的、可以实现智能化的操作技术。在提高产品质量和选煤效率呼声日高的形势下，有些人就认为：要想提高效率、降低精煤灰分，就必须对跳汰选煤厂实行重介改造。因此，跳汰改重介或补加重介之风很硬，大有全面取代或消除跳汰选煤的态势。此风续涨，必将使选煤事业造成不可估量的损失。你看，已建成的不用，没有的还要改、要补，还是不用，还是要建。从历史与实践经验相结合的角度上进行一次总结性研究，找出跳汰选煤的分选效果能否赶上甚至超过重介选煤非常必要。为此，拟发表一些见解，和选煤界的同行共同探讨，以期有补于选煤技术的进步和提高企业的经济效益。
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对已有跳汰理论的简单评述
人们已对跳汰理论进行了众多研究。现可概括为以下5种假说：
(1)速度与加速度假说。包括：自由沉降末速度分层假说、干扰沉降末速度分层假说、吸啜分层假说和初加速度假说；(2)动力学（运动方程式）分层假说；(3)位能假说；(4)重介分层假说和；(5)概率统计分层假说等。大家都很熟悉这些假说，这里不需重述。虽然没有形成为一个统一的跳汰理论来指导实践，但仍是从不同角度给了我们以有益的启示。
速度和加速度假说中的自由沉降末速度分层假说和干扰沉降末速度分层假说，虽然没有阐明跳汰分层和分选的根本原理，但揭明了物料在介质中沉降的基本特性；初加速度分层假说揭示了当沉降速度极小或等于0的条件下，物料有可能完全按密度而分层。吸啜分层假说揭示了细小颗粒可以利用跳汰床层的空隙通道进一步分层的原理，为跳汰选可以宽粒级分选作了较有说服力的注释。动力学分层假说可说是对速度和加速度假说的概括与总结。但由于跳汰过程的复杂性，在跳汰循环的每一瞬间都在变化，要精确算出每个颗粒的动力学运动过程是不可能的，求出一个统一解也是不可能的。
位能假说巧妙地应用了热力学第二定律的理论解释和论证了跳汰分层的总结果是，放出了体系的内能，使分层后的内能较未分层前有所降低，并认为降低越多分层越彻底。从跳汰分层的总结果看道理是对的，但未能指明需采用什么样的措施才能最快、最彻底地将其内能释放出去以使分层达到最完善程度。然而是有所贡献的。原则上指明了，为了释放内能必须使颗粒层松散。水介质的脉动运动是引起颗粒层松散的原动力；并提出了最佳的松散状态是采用适当的脉动方法将流动床悬涨起来。此外，还提出了两种跳汰周期的形式，分别对块煤和末煤洗选时使用。对提高选煤效率和提高处理能力都有所促进。但他主张用强有力的水流将床层整个托起来，其分层效果不可能最好，须另行研究。
重介分层假说，实质上，也是从跳汰分选的总结果上看。由于跳汰机的分选密度δP可以任意调定，例如跳汰机一二段同样是用密度为1000kg/m³的水为介质，但δPⅠ可调为1800kg/m³或以上各任意密度，而δPⅡ却可为1400kg/m³左右的各任意密度。因此，他认为，分选作用的原理与重介选是一样的，有失严密之处。实际上，分选原理有其相似之处，但分层原理却不是相同的。他认为，不同颗粒所受到的浮力，是由比各颗粒细的细粒子与水共同构成的悬浮液的密度所决定的。颇有些主观主义的成分。他采用将中煤（1.8～1.9kg/L密度级）破碎到5mm以下掺到原煤中使分选效果得到提高的实验，并不能有力证明其分层理论是对的。因为分选效果的改善、提高，并不是由于加进中煤细粒的作用，乃是由于风水用量、床层松散度（即跳汰运动强度）和δPⅡ调控合适。
概率统计分层假说，作为观察和评价跳汰分选效果的最终结果的分析、评价是对的。但该假说未能阐明跳汰过程中物料的分层和分选是如何发生的，也未指明如何才能使分层更精确、分选效果怎样才能达到最好，更未指明统计结果千差万别、极不稳定是什么原因造成。它之所以正确，就是由于假说提出者看清了跳汰过程是一随机过程，其最终结果必然服从统计规律。只有这一点，无补于我们认识跳汰过程中的分层和分选的实质，也不能指导我们怎样去提高和改善。
总之，人们从各个侧面对跳汰理论进行了研究。虽然至今还未能全面、彻底解决跳汰理论问题，但都对我们产生了一定的、有益的启示，为我们全面理解和认识跳汰过程中物料分层和分选实质，提供了有益的帮助。我们应当认真汲取这些假说中合理、正确的成分，结合跳汰选煤的实践，从分层原理、分选作用两方面把跳汰理论搞清楚，从而引出合理的操作技术，以求提高跳汰选煤的分选效果。任何不能全面解明跳汰分层、分选的实质及合理调控的操作技术的理论，都不能说是全面、统一的跳汰理论。
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跳汰过程的理论问题
过程的实质就是如何按密度分清层次，怎样按产品的质量要求实行分选，以及用什么样的操作制度使分层、分选进行得好，保证在产品质量合格、稳定条件下，使选煤效率提高到接近或达到重介选煤的水平。
为了便于从实际出发研究问题，先把跳汰过程界定一下非常必要。所谓跳汰过程，就是在高为350～450mm、宽为高度2～7倍或更宽、长一般为高度的6～8倍或稍长的跳汰室内进行的垂直交变运动，且同时具有慢速水平移动的水流中使物料按密度差分层和分选的运动，可直接称之为跳汰分选过程或跳汰运动。跳汰运动中，不同密度、形状和粒度的颗粒，随跳汰运动强度不同，必处在不同的运动状态中。在跳汰运动强度合适情况下，同一密度的不同颗粒将处在大致相同的运动状态中。经多次的反复跳汰运动，相同密度的不同颗粒最终将大致地处在相同的层位中。在分层较清楚条件下（物料床层移到了每一跳汰段的尾部），根据产品的质量要求，在矸石段，用比理论分选密度δP略高一些的δPⅠ排出矸石；中煤段，根据精煤质量要求用比理论分选密度略低一些的δPⅡ排出中煤分出精煤溢流。所排出的中煤由于有矸石和精煤的有意混入，故称为中间产品。在主洗机条件下，一般，中间产品中含煤量较大，都应当再洗，以增加精煤产率。即所谓的主洗保两头（矸石和精煤溢流），再洗保回收，共同稳质量、提效率。
不同密度物料可处在不同的运动状态中和相同密度、不同粒级的物料最终将处在相同的层位中，可先用实践资料或试验证明：
(1)用不同密度的浮标，尺寸相同，同时放到给料处，从同一点、同一层位上开始跳汰运动。几次跳动后发现，密度不同的浮标将各稳定在跳汰床层的不同层位上，依密度顺序，低者在上，高者在下，且跳动高度各不相同，低者跳得高些，高者跳得低些，区别比较明显；
(2)密度相同，尺寸不同（相差不太大），跳动高度没有明显差别，最终都处在相同的层位上，跳动状况基本相同；
(3)用一个密度与检测浮标相同的或与自动排料闸门相同的浮标，放在它们旁边，运动状况和所处层位都基本相同；
(4)人为地将检测浮标或在用的浮标闸门提高到床层的最上面或按到床层底下筛板上去，然后放开使之随跳汰运动面跳动，都会在经过3～5次跳动后恢复到原来所处的层位上，跳动高度也恢复如前。
另外，用大量的生产资料亦可证明：
a.矸石中，一般都是+1.8密度级含量为90%～95%以上，-1.8密度级含量只有10%～5%左右，而且多为尺寸小于筛孔的小颗粒。可认为分层较清楚，轻密度级的损失多系透筛所致；
b.中煤中的浮沉组成情况，最终产品一般是：-1.4为30%，1.4～1.8为40%，+1.8为30%。
c.精煤溢流中，+1.8密度级约为0.5%左右，有的厂就一点儿也没有。有的厂为0.5%，都是一些极细颗粒或极细的片状小粒子组成。
d.对于-0.5mm煤泥的分选情况可看出，矸石中-0.5mm级的灰分一般为55%～65%，平均在60%左右；中煤中-0.5mm级的灰分为35%～45%，平均灰分40%左右，溢流中-0.5mm级的灰分一般比入料中同级灰分降3%～4%，最低也能降低2%。所有这些可以说明，-50mm的不分级物料在跳汰机中洗选时，各密度级物料都处在不同的运动状态中，各处在不同的层位，都得到了较好分选各粒级虽然略有差别，与重介选煤过程相比，可认为是由于分选密度调控得不准、不稳和操作制度不合适及存在着透筛现象所造成，并不完全是分层效果的影响。其中最根本的影响是δP调控得不准、不稳，具体表现在跳汰机操作中大多数重产物排放调节频繁、床层厚度忽高忽低（局部的）。可以断言，如果重介选中δC不稳定，频繁的大幅度波动，其分选效果肯定会更差。从大量的跳汰选煤实践资料可看出，一旦将分选技术（或操作技术）调控准确并稳定了，自动排料装置智能化了，并防止了轻产物向重产物中的混入，其分选效果必将更好，有可能大幅度接近甚至超过重介选的分选效果。为什么能如此？这必需了解跳汰过程的分层、分选原理并与重介选的原理进行对比。
首先，跳汰运动的垂直空间只有350～450mm。在这样的短距离内水流运动及其中的物料颗粒运动很复杂，而且一个跳汰周期内的每一瞬间都在变化，无法用一个统一解表述其动状态，只能概括为跳汰运动。跳汰运动强度不同，其运动状态必将不同。在跳汰运动强度一定条件下，物料的不同密度、粒度和形状的颗粒必将各具一定的运动状态，主要随密度差而不同。跳汰运动强度可以用水波面和物料层两者跳动高度表示；
第二，由于水流只在350～450mm内运动，水波面上升一般也仅有100mm左右，物料颗粒总运动距离约有400mm。考虑到重床层大约有100mm，所以物料的跳动距离也只有300mm左右了。上升也好，下降也好，只能在这有限的空间内运动。在跳汰运动强度一定、水流运动一定时，不同密度、粒度和形状的颗粒也会各处在不同的运动状态中；
第三，根据速度和初加速度假说，不论是在静水中或下降流中，也不论是自由沉降还是干扰沉降，都将是密度大的或重量大的下沉得快；在上升期则是密度小、重量轻的上升得快。特别是初加速度假说，当达不到沉降末速或沉降速度很小时，物料主要是按初加速度，即只按密度大小而分层，与粒度大小及形状无关；或在低速度时，粒度与形状的影响很小，特别是在一个周期中，初加速度期将是向上一次、向下时一次共两次。向上时，初加速度大的上升得慢，初加速度小的上升得快，向下时则相反。因此，上升期和下降期都可使轻、重颗粒互相拉开一定距离，使不同密度的颗粒处在不同的层位上和不同的运动状态中，都有利于按密度差分层。而且物料同时进入跳汰机，经过一跳汰周期后，不同密度都会产生一定的层位差；在每一个其次的周期中，都会从不同的层位出发，上者愈上，下者愈下，距离越拉越大。经过多次重复，将层次分得越来越清楚。
第四，跳汰运动是复杂的，颗粒的运动也是很复杂。在多次重复的跳汰周期中，颗粒在互相干扰状态下，经过垂直交变、水平移动、有些可能还要旋转的运动条件下，颗粒间主要按密度分层。在一个跳汰周期内的分层程度是有限、不明显和不彻底的。但如第三项中所述，经过多次重复，只要跳汰强度合适，就会使密度分层逐渐清楚和纯净了。其最终结果将随跳汰运动强度是否合适而不同。强度过大，必将由于旋转、翻滚而使颗粒运动秩序混乱而导致分层不清楚；强度过小，必然导致跳汰床层松散程度不够，无法按密度清楚分层，致使混杂程度增加，分选效果变坏。唯有跳汰运动强度合适了并持续稳定了，才能分层清楚，产品纯净污染少，分选效果好，选煤效果高。跳汰运动强度到底怎样才算合适，至今未见一个定义，只能借助实验确定。有一个“师工操作法”总结了我国选50～0mm级不分级跳汰选煤跳汰机操作法概括了如下几句话，推广使用后，都取得了较好的效果。在保证精煤质量合格、稳定条件下，可提高选煤效率3%左右。
跳汰必须跳起来，
矸跳四十水跳百。
中煤段跳二三十，
水波也要低一点。
给量大小无不同，
可选难易也无别。
不同厂里搞操作，
最好都照这样来。
第五，由于物料颗粒在跳汰室内的运动有效距离仅300mm左右，每一跳汰周期的时间只有1s左右。其不同密度物料颗粒，都将从不同层位上起跳和沉降，基本上达不到沉降末速，大多是在初加速度阶段和速度很小的阶段运动。所以，粒度和形状的影响较小，这从生产实践资料中可明显看到。实践中还没有达到理想的分层状况，主要是因为还存在着透筛现象、跳汰强度调的不准、不稳和重产物排料装置未能智能化等。
第六，跳汰用介质密度为1000kg/m³的水，而其分选密度δP可调到任意水平。称之为准重介跳汰分选。与重介分选有其相似之处。因为重介分选的分选密度δP基本上与作为介质的重悬液的密度δC相同或相近。它是借重悬浮液的密度δC的浮力而分选，而跳汰过程所用介质是水，密度为1000kg/m³，浮力没有重悬浮液那么大。它是靠跳汰运动强度所造成的附加浮力进行分选，不是重介却能得到和重介相同或更大的浮力使物料按密度差分选。
根据以上论述及跳汰生产实践所证实，跳汰运动分层、分选很复杂，至今未有一个统一解。物料本身在粒度、密度和形状方面就千差万别，在同一跳汰强度下物料的运动状态也千差万别，要想搞清楚每一循环中不同粒度、密度和形状的每一个颗粒的运动状态，弄清各自的分层、分选机理，求出一个统一解，如果说是很困难的，不如说是不可能的。从上面第3点可知，跳汰运动中的每一个循环都可以使轻重之间拉开一定距离，从第4点可知，尽管一个循环内分层是有限、不明显，经过多次重复就可较明显而清楚分层了。最终结果必将随跳汰运动强度不同而不同。跳汰生产实践也证明，只要跳汰强度调得合适，50～0mm级物料不分级入洗，各粒级都能得到令人满意的分选效果。可认为，它是大量现象的随机事件，跳汰选煤过程就是给定跳汰循环和运动强度下的随机过程。分层、分选的最终结果必然符合概率统计规律。生产实践中的实际结果时有偏离概率统计规律的现象或千差万别极不稳定，即使同一台机器、洗选同一种原煤、同一司机操作，其效果都会不一样，就是由于跳汰强度没有找准（合适）和没有持续稳定以及重床层厚度没有准确稳定住等原因造成。因此，在明了实际现象和以上论证基础上，可把跳汰选煤的理论概括为：脉动松散的跳汰运动分层，准重液浮力分选。脉动松散是必需的，跳汰运动强度是主导的和决定性的。只要运动强度合适，其效果便会迎刃而解。
为了具体理解和掌握这一理论概括的实质，现在具体对比一下重介选和跳汰选的分层、分选原理，以求跳汰选的分选效果也能赶上或超过重介选。
重介选分层如图1所示。重介分选槽中充满重悬液，其密度为δC。原煤给入介质中后，密度小于δC的煤必然浮在或上升到液面上；密度大于δC的矸石必然立即沉到或慢慢沉到分选槽的底部；密度恰好等于δC的中间部分，必然混在悬浮液中，大部分会停在槽体的中部。如果介质充满分选槽后继续给入水平流或同时给入水平流及上升流（也有的给入水平流和下降流），则如图2所示，介质和密度小于及等于δC的煤炭和中煤绝大部分将一起流出分选槽成为精煤溢流，沉到槽底部的矸石和极小部分密度等于δC的中煤将被提升设备提出机外。此时的分选密度δP将等于或接近于δC，其分选作用完全是依靠密度为δC的重悬浮液的浮力所造成。其分层作用依据阿基米德原理，物体在介质中，密度轻者浮，重者沉。跳汰选煤的分层作用如图3所示，是由于物料在跳汰室中受上下垂直交变的跳汰运动水流反复作用。据测量统计，物料在交变水流作用下还要慢慢进行水平移动，矸石大约要经过300个以上的跳汰循环才能到达排料口附近。其分层清楚与否，主要受跳汰强度是否合适的影响。只要跳汰强度调得合适并能维持稳定，分层效果就好，否则就差些或很差。跳汰选煤的分选作用是根据理论分选密度并考虑到跳汰过程可能产生的偏差而设定一个密度分离器（一般用检测浮标，图4中采用的是浮标自动排料闸门），将跳汰床层分为轻、重两层，重者在浮标底下，轻者与浮标处在同层位或其上部，最终靠跳汰运动造成的附加浮力将轻产品和水都从溢流堰溢到下一段跳汰室或机外，而重产品则靠重力和排料口开度排到跳汰筛板下部而排出。分选密度δP根据产品质量要求靠调节跳汰强度和密度分离器的设定而决定。由于跳汰用的是水不是重介悬浮液，却能像重介选一样，任意地将δP调高到所需程度。从对比中可看出，分层机理虽然不同，分层原理却极为相似。本来，其分层效果也应当相似。但在生产实践中，跳汰分选却比重介选差得多，是什么原因？仔细分析可发现，重介选分选效果好就是因介质密度控制得稳定。因此，分选密度δP调得也较稳定。可以断定，如果δC和δP都频繁波动，调控不稳，最终的δC和δP都是统计平均的结果，其分选效果肯定变坏。跳汰分层、分选，从理论和实践结果都分析清楚了，可以达到理想的效果，但实际上却要差得很多（当然不平衡性很大，有的就差的不多）。其原因就在于δP调得不准、不稳，生产中调节频繁，跳汰强度也在不断变更，不能稳定在某一合适强度上，结果必然是某些条件下的综合。精确度不高、分选效果不好是理所当然的。因此，跳汰选煤中，只要把跳汰强度搞准、搞稳，将δPⅠ和δPⅡ搞准搞稳（分离器的密度搞准搞稳），重产物排放智能化，彻底消除人为影响，则跳汰机选煤的分选效果必将得到显著提高，即使超过不了重介选，也必定极其接近，况且也不是完全不可能超越。
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跳汰选煤应实行的改造和改进
前面从实际经验和理论上阐明了跳汰选煤的分层与分选的机理及措施，并明确指出，只要把跳汰强度调准确（合适）并维持稳定，重产物排放智能化，真正实现了微调，其分选效果必将大幅度提高。据此，跳汰选煤应当实行以下几项改造和改进：
(1)跳汰机结构要进行重要改造，使重产物排放时能够智能化地保持住重床层厚度稳定，并实现微调，对已有的各种自动排料方式一律进行改造，没有实行自动排料或虽安装有自动排料装置却放置不用，仍实行人工手动排料或实质是在人工手动排料的，一律改掉。因为不如此，跳汰选煤的质量就上不去，选煤效率就提不高。这是最易实现和花钱最少或根本就不要花钱就可以提高或保证产品质量、提高选煤效率和技术水平的措施；
(2)要切实加强技术指导和技术指挥，要建立保证和提高产品质量及提高选煤效率技术责任制，改变过去那种一切由工人负责的制度。为此，技术部门（或技术人员）要把跳汰运动强度、产品指标、δPⅠ、δPⅡ等要明确规定和指示出来，要明确规定质量、效率都要由技术人员负责；
(3)操作人员要确保技术指导所确定的条件的实现并维持稳定，不许任意调度和频繁的波动。在岗位上操作时，把δP调适当，稳定要经常，勤调无好处，跳汰强度一定要调得合适，并要保持经常稳定。如果所有技术指导条件都实现了，但产品质量保不住，稳定不了时，必须及时请示技术人员，是否修改原来的技术规定。
在未能实行智能化操作之前，也可以实行前面提到的“师工操作法”。该方法人人都可以明确的掌握住和维持住最佳的操作条件。在分层良好基础上，把δPⅠ、δPⅡ确定准并维持稳定了，选煤效果可以达到最好或较好的水平，起码可以比原来的操作方法提高精煤产率3%左右。
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结束语
以上，从实践经验和理论相结合的角度研讨了跳汰选煤理论与实践中的一些问题。把跳汰选煤的理论概括为“脉动松散的跳汰运动分层，准重介浮力分选”。脉动、松散是必需的，跳汰运动强度是主导和决定性的；并反复论证了跳汰分选效果不如重介选的原因；认为关键在于跳汰运动强度调控得不准、不适和掌握得不稳定，以及δPⅠ、δPⅡ没有找准和握稳，还有重产物排放未能实现智能化所致。一旦这些搞准、搞稳了，跳汰选煤效果必将大幅度向重介选靠近，甚至有可能超过。这些都是个人根据已有的实践成果和理论成果主观大胆地引出的结论，是否正确和符合客观规律，希望大家严格地进行检验，并参与讨论和辩论；更希望在生产第一线和科研第一线的同志们以自己新的或已有的实践成就参与讨论和辩论。
（编辑：安安）