薛芳斌，紀(jì)瑩璐，宋慧平，李 超，程芳琴

(山西大學(xué)資源與環(huán)境工程研究所，國(guó)家環(huán)境保護(hù)煤炭廢棄物資源化高效利用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原030006)

粉煤灰是煤粉經(jīng)燃煤鍋爐高溫燃燒，并發(fā)生系列物理化學(xué)變化后產(chǎn)生的以玻璃相為主的細(xì)分散狀固體廢棄物[1]。目前，粉煤灰的大量有效利用主要用于水泥、混凝土、砂漿作摻合料，其次是墻體材料和硅酸鹽制品的主要原料，但粉煤灰中的未燃盡炭粒，因吸水性大，易風(fēng)化，強(qiáng)度低，國(guó)家嚴(yán)禁使用燒失量超標(biāo)的粉煤灰[2]。因此，對(duì)含炭量超標(biāo)的粉煤灰進(jìn)行脫炭處理，將灰與炭分別進(jìn)行綜合利用，不僅使劣質(zhì)粉煤灰變成優(yōu)質(zhì)粉煤灰，也能從中獲取巨大的再生能源，是典型的節(jié)能減排和循環(huán)經(jīng)濟(jì)技術(shù)，在能源和資源緊缺的今天具有重要意義[3]。

粉煤灰中大部分顆粒的接觸角為10°左右，而未燃盡炭粒的接觸角為60°～70°，因此利用它們潤(rùn)濕性的差異，可以通過(guò)浮選方法來(lái)回收炭粒[4];但其經(jīng)過(guò)高溫燃燒以及水的冷卻，表面性質(zhì)已變得較為復(fù)雜，氧化較嚴(yán)重，也給浮選帶來(lái)一定的困難[5，6]。因此，在浮選法對(duì)粉煤灰脫炭時(shí)，必需結(jié)合殘?zhí)亢推渌w粒的性質(zhì)來(lái)優(yōu)選合適的浮選藥劑來(lái)強(qiáng)化及改善浮選過(guò)程。

1 原料、儀器和方法

1.1 試驗(yàn)原料

粉煤灰(取自山西潞安電廠)，煤油(實(shí)驗(yàn)試劑，天津市大茂化學(xué)試劑廠)，輕柴油，MR－1型煤油乳化劑(化學(xué)純，淄博市張店雙益精細(xì)化工廠)，OP－10乳化劑(分析純)，2#油和仲辛醇。

1.2 試驗(yàn)儀器

自制微浮選裝置[7]:由微浮選管(自制、容積70mL)、磁力攪拌器、布氏漏斗、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、真空抽濾泵等組成;吉爾森P型移液槍(華運(yùn)有限公司)、標(biāo)準(zhǔn)目篩、定量濾紙、馬弗爐(洛陽(yáng)市西格瑪儀器制造有限公司SGM28型)、激光粒度分析儀(荷蘭安米德有限公司S/N42027)、X射線衍射儀(德國(guó)布魯克AXS公司D8系列)、X射線熒光光譜儀(荷蘭帕納科公司Axios型)、電熱恒溫干燥箱(上海躍進(jìn)醫(yī)療器械廠101－1－BS－Ⅱ)、分析天平(北京塞多斯儀器公司BS2140)。

1.3 試驗(yàn)內(nèi)容及方法

1.3.1 粉煤灰的粒度及燒失量分布 稱取500g左右粉煤灰在振動(dòng)篩上進(jìn)行篩分，并進(jìn)行燒失量分析。稱取粉煤灰分析樣(1.0000 ±0.0005)g(精確到0.0001g)，放入已恒重的瓷坩鍋內(nèi);把裝有分析樣的瓷坩鍋放在預(yù)熱到950℃的馬弗爐門口使鍋內(nèi)樣慢慢灰化5～10min，以不大于2cm/min的速度把坩鍋推入爐堂內(nèi)，在(950±10)℃的溫度下灼燒120min，待瓷坩鍋在干燥狀態(tài)下冷卻至室溫后稱重，再進(jìn)行每次為20min的檢查性灼燒，直到重量變化小于0.0005g為止，取最后一次重量作為計(jì)算依據(jù)，燒失量測(cè)定計(jì)算公式(1)。

A－分析樣的灰分重量百分比;B－灼燒后殘?jiān)闹亓?C－分析樣的重量

1.3.2 粉煤灰原料的化學(xué)性質(zhì)分析

(1)粉煤灰原料礦物組成分析方法 將粉煤灰置于直徑2cm模具中壓片，采用德國(guó)布魯克AXS公司D8系列X射線衍射儀進(jìn)行粉煤灰礦物組成分析。試驗(yàn)條件為:Cu－Kα輻射，電壓40kV，電流40mA，步長(zhǎng)0.02°，停留時(shí)間 0.2s/步，2θ 掃描范圍 10°～ 80°，測(cè)量精度 －0.02°～0.02°。

(2)粉煤灰原料化學(xué)成分測(cè)定方法 將粉煤灰原料置于相應(yīng)的載樣器內(nèi)，采用荷蘭帕納科公司Axios型X射線熒光光譜儀對(duì)粉煤灰原料化學(xué)成分進(jìn)行定量分析，試驗(yàn)采用氦氣分析介質(zhì)。

1.3.3 煤油的乳化 單純的煤油在水中依靠機(jī)械攪拌混合很難分散到100μm以下，所以采用乳化劑將煤油乳化，使其成為“油包水”或“水包油”型乳狀液，該乳狀液中煤油可分散為微米級(jí)顆粒，由于乳狀液呈水性，因此在水性的粉煤灰礦漿中可以均勻、快速、充分的分散。微細(xì)的煤油顆粒首先固著在殘?zhí)勘砻?，然后沿其展開(kāi)，極易形成較薄的油膜，從而提高了殘?zhí)勘砻娴氖杷?，加快了浮選速度，降低了藥劑使用量，同時(shí)也使浮選效率得到提高。

試驗(yàn)著重研究MR－1型煤油乳化劑、OP－10乳化劑2種乳化劑對(duì)煤油的乳化效果，按下列2種方法進(jìn)行乳化:(1)乳化劑在水相法 先將乳化劑直接溶于水相中，然后在激烈攪拌下將油相加入，可以直接產(chǎn)生O/W型乳狀液。(2)轉(zhuǎn)相乳化法 把乳化劑加到煤油中，形成乳化劑與油的混合物，將此混合物直接加入水中，可直接生成O/W型乳狀液。

1.3.4 微浮選試驗(yàn) 搭建好試驗(yàn)裝置[7]，先在容積為70mL的微浮選管加入30mL蒸餾水，用移液槍移取一定量乳化的捕收劑(煤油或柴油)和起泡劑加入微浮選管中，放入磁力攪拌子攪拌3min使捕收劑與起泡劑混合均勻。稱取(2.0000±0.0005)g;粒徑為50μm～74μm粉煤灰加入微浮選管中，加水至滿，攪拌10min，在通氣量為60mL/min的條件下浮選5min，收集浮選產(chǎn)品和尾礦，過(guò)濾后將其放入105℃烘箱中干燥2h，自然冷卻至室溫，稱重，測(cè)定精礦與尾礦燒失量。考查捕收劑與起泡劑用量對(duì)粉煤灰浮選脫炭的影響。微浮選試驗(yàn)在20℃的恒溫環(huán)境下進(jìn)行。

1.3.5 捕收劑的選擇與最佳用量 為探討捕收劑煤油和柴油的性能差異，將2種捕收劑乳化后加入粉煤灰礦漿，分別以 0.5、1.0、1.5、2.0、2.5g/kg 的用量進(jìn)行浮選試驗(yàn)研究，優(yōu)選出較好的捕收劑并確定最佳用量。

1.3.6 起泡劑的選擇與最佳用量 起泡劑加入粉煤灰礦漿后能將氣流分散成大量直徑適合并具有穩(wěn)定性較高的小氣泡，氣泡與疏水性煤粒粘附礦化，上浮至液面形成泡沫層。這是由于起泡劑是表面活性劑，可降低氣液界面表面張力，氣泡直徑可以減少到0.5mm～1mm;二是起泡劑減慢了水從氣泡上部向下流動(dòng)的速度，延長(zhǎng)了氣泡的壽命，維持氣泡的穩(wěn)定性;三是起泡劑極性基同性電相互排斥減緩了氣泡的兼并;四是增強(qiáng)了氣泡的機(jī)械強(qiáng)度;五是延長(zhǎng)了氣泡在礦漿中的停留時(shí)間[8]。在確定了捕收劑后，用量設(shè)定為1.0g/kg，選擇 2#油和仲辛醇作為起泡劑，用量為 0.5、1.0、1.5、2.0、2.5g/kg，進(jìn)行浮選性能的比較，優(yōu)選出較好的捕收劑并確定最佳用量。

2 結(jié)果與討論

2.1 粉煤灰粒度及燒失量分布

表1 粉煤灰粒度組成

對(duì)粉煤灰樣進(jìn)行粒度分析可知，粗粒級(jí)的含量比較少，大于0.180mm 含量?jī)H占5.47%，小于0.075mm粒度級(jí)的產(chǎn)率為82.41%，是含量最高的主導(dǎo)粒級(jí)，說(shuō)明粉煤灰是一種分散度較高的微細(xì)物料;由燒失量分布來(lái)看，各個(gè)粒度級(jí)的燒失量均超過(guò)10%，對(duì)粉煤灰進(jìn)行分級(jí)是不能滿足建材用戶的質(zhì)量要求，必須采用浮選的方式進(jìn)行脫炭。小于0.075mm粒度級(jí)的燒失量含量占了89.89%，說(shuō)明在浮選的過(guò)程中控制好細(xì)顆粒的分選是粉煤灰浮選脫碳減小燒失量的關(guān)鍵。

2.2 粉煤灰原料的化學(xué)性質(zhì)分析

(1)粉煤灰原料礦物組成分析方法

圖1 粉煤灰的XRD圖譜

由圖1可看出:SiO2與C的峰值最高，這是因?yàn)樵摶抑蠧與SiO2的百分含量最大且其晶型比較完善，同時(shí) SiO2對(duì) X衍射的能力也比其他粉煤灰中的物質(zhì)強(qiáng)。Fe2O3在原灰中含量不高，但由于其結(jié)晶性能較好，F(xiàn)e2O3在圖譜中峰值也相對(duì)高些，Al2O3的含量是僅次于SiO2的百分含量，但由于其結(jié)晶性能不是太好，顯得峰值相對(duì)較低。從圖1還可知，在石英、莫來(lái)石、磁鐵礦和赤鐵礦的區(qū)域出現(xiàn)了不太明顯的衍射峰，這正是粉煤灰的主要晶相，它們通常占粉煤灰總量的5% ～50%。由此可見(jiàn)，粉煤灰中與炭?？筛⌒员容^相似的雜質(zhì)(碳酸鹽類)含量很少，非常有利于粉煤灰中未燃盡炭的分選。

(2)粉煤灰原料化學(xué)成分測(cè)定

表2 粉煤灰的化學(xué)成分 /%

2.3 煤油乳化方法研究

在微浮選試驗(yàn)中，未經(jīng)乳化的煤油直接加入粉煤灰礦漿中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)幾乎沒(méi)有殘?zhí)可细?，因此分別用MR－1型煤油乳化劑、OP－10乳化劑在油水比1:8、乳化劑用量為4%的條件下利用利用乳化劑在水相法、轉(zhuǎn)相乳化法進(jìn)行乳化，發(fā)現(xiàn)乳化劑在水相法得到的煤油乳液渾濁，停止攪拌立刻分層，故該方法不適用。然后用激光粒度分析儀對(duì)種轉(zhuǎn)相乳化法煤油乳液進(jìn)行粒度分析。

未加乳化劑煤油在水中粒徑平均為28.73μm，OP－10制得的煤油乳液平均粒徑為23.60μm，乳化效果較差，經(jīng)72h放置后出現(xiàn)明顯分層，不能使煤油均勻的分散在乳液中形成水包油的溶液，并且對(duì)后續(xù)的浮選實(shí)驗(yàn)效果不理想;而由MR－1制得的煤油乳液平均粒徑為7.89μm，經(jīng)72h放置后沒(méi)有出現(xiàn)明顯分層，性狀比較穩(wěn)定，適合粉煤灰浮選，選擇后者作為捕收劑的乳化劑。

2.4 捕收劑的選擇及最佳用量

圖2 不同煤油用量對(duì)浮選效果的影響

圖3 不同輕柴油用量對(duì)浮選效果的影響

隨著捕收劑煤油和輕柴油用量的增加，精礦的燒失量和產(chǎn)率隨之下降，而尾礦燒失量隨之變化不如精礦變化劇烈，二者在捕收劑用量為2.0g/kg時(shí)趨于穩(wěn)定，煤油用量為2.5g/kg時(shí)浮選得到的尾礦燒失量最小為11.5%，而輕柴油為15.3%，而且煤油浮選得到的精礦燒失量也要大于輕柴油，故最佳捕收劑為煤油，最佳捕收劑用量為2.0g/kg。

2.5 起泡劑2#油最佳用量

圖4 2#油用量對(duì)精礦、尾礦產(chǎn)量及燒失量的影響

當(dāng)2#油在0.5～2.0g/kg時(shí)，精礦和尾礦的產(chǎn)量和燒失量變化都很明顯，當(dāng)2#油用量超過(guò)2.0g/kg后，變化就很小了，因此，為盡可能節(jié)約藥劑用量，選定2#油用量為2.0g/kg;當(dāng)2#油用量在2.0g/kg時(shí)，精礦產(chǎn)率在穩(wěn)定在60% ～65%，燒失量在30%左右趨于穩(wěn)定;尾礦產(chǎn)率為30% ～35%，燒失量在10%左右。所以經(jīng)過(guò)對(duì)比分析起泡劑2#油的最佳用量定為2.0g/kg，此時(shí)尾礦燒失量達(dá)到最小為10.42%。

3 總結(jié)

(1)研究表明粉煤灰粗粒級(jí)的含量比較少，大于0.180mm 含量?jī)H占5.47%，小于0.075mm 粒度級(jí)的產(chǎn)率為82.41%，是含量最高的主導(dǎo)粒級(jí)，說(shuō)明粉煤灰是一種分散度較高的微細(xì)物料;由燒失量分布來(lái)看，各個(gè)粒度級(jí)的燒失量均超過(guò)10%，對(duì)粉煤灰進(jìn)行分級(jí)是不能滿足建材用戶的質(zhì)量要求，必須采用浮選的方式進(jìn)行脫炭，降低粉煤灰的燒失量。

(2)本微浮選試驗(yàn)中通過(guò)OP－10與MR－1型乳化劑乳化煤油的對(duì)比試驗(yàn)，得出MR－1乳化煤油效果較好。

(3)選用0.075mm粒級(jí)的粉煤灰進(jìn)行微浮選試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比確定了最佳捕收劑為煤油，用量2.0g/kg，在此條件下，浮選出的精礦燒失量維持在35%左右趨于穩(wěn)定，而尾礦燒失量最小可達(dá)到12%。

(4)本試驗(yàn)選取2#油作為起泡劑，試驗(yàn)得出起泡劑的最佳用量為2.0g/kg，可以看出隨著起泡劑的使用，粉煤灰浮選脫炭的精礦產(chǎn)量增加，在2.0g/kg時(shí)尾礦產(chǎn)率為30% ～35%，燒失量達(dá)到最小為10.42%。

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