符劍剛 黃葉鈿 李 政 賈 陽(yáng)

(中南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，湖南省長(zhǎng)沙市，410083)

目前煤炭是世界上儲(chǔ)量最多、產(chǎn)量最大、分布最廣的能源，煤炭資源在我國(guó)一次性能源生產(chǎn)和消費(fèi)中仍將占據(jù)主導(dǎo)地位。在我國(guó)煤炭開(kāi)采過(guò)程中產(chǎn)生了嚴(yán)重的資源浪費(fèi)和環(huán)境污染的問(wèn)題，其中煤泥的資源浪費(fèi)及環(huán)境污染也是較為突出的問(wèn)題。煤泥是煤炭洗選加工的副產(chǎn)品，具有粒度細(xì)、水分含量高、灰分含量高以及發(fā)熱量低的特點(diǎn)，煤泥因其水分和灰分相對(duì)較高一般很難直接實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用。

目前我國(guó)大規(guī)模處理煤泥的方式主要是重選和浮選，重選成本低但處理的煤泥效果較差，得到的產(chǎn)品達(dá)不到清潔利用的要求；通過(guò)浮選可以提高煤泥質(zhì)量，深度分選可降低煤泥灰分，最終提高發(fā)熱量，從而可以提高資源的利用率，獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益，解決煤泥外排或直接堆存等環(huán)境污染問(wèn)題。因此浮選是煤泥降灰提質(zhì)、資源化利用的最佳途徑。

國(guó)內(nèi)煤泥浮選常用的捕收劑有煤油、柴油、人工合成的非極性烴類油等。煤油和柴油等傳統(tǒng)捕收劑藥劑由于消耗量大、浮選效率低，所以在浮選過(guò)程中開(kāi)始使用各種新型捕收劑，例如ECS-9800捕收劑選擇性好、分選效率高，捕收性能優(yōu)于煤油和柴油；ZFC乳化型捕收劑易于分散且捕收能力高，使用ZFC捕收劑精煤產(chǎn)率比傳統(tǒng)捕收劑高。由于精煤產(chǎn)品質(zhì)量要求的提高，在煤泥浮選過(guò)程中單純使用捕收劑，精煤灰分已無(wú)法滿足要求，因此在浮選過(guò)程需要加入抑制劑來(lái)抑制成灰礦物質(zhì)上浮，降低精煤的灰分，常見(jiàn)的抑制劑有淀粉、單寧、腐植酸鈉等。趙兵兵等研究人員在浮選過(guò)程中加入玉米淀粉作為抑制劑，精煤灰分與不使用抑制劑相比有所降低?，F(xiàn)有煤泥浮選技術(shù)的研究不僅涉及對(duì)浮選藥劑的研究，還有對(duì)完善浮選工藝的研究。現(xiàn)有的浮選技術(shù)大部分只能從煤泥中回收少量的精煤，精煤產(chǎn)率較低，精煤質(zhì)量有時(shí)不能得到保證，而深度浮選則采用多次掃選和多次精選可以保證精煤產(chǎn)率和精煤質(zhì)量。

本文通過(guò)測(cè)量煤泥的接觸角，對(duì)煤泥的表面性質(zhì)進(jìn)行研究，探索捕收劑和抑制劑對(duì)煤泥浮選的影響規(guī)律，確定合理的浮選工藝，以實(shí)現(xiàn)煤泥資源有效和合理化利用。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)煤樣

煤泥樣品取自貴州盤(pán)江精煤股份有限公司金佳煤礦選煤廠，該煤泥樣品的水分為1.23%，揮發(fā)分為16.41%，固定碳為26.76%，灰分為55.60%，全硫?yàn)?.24%，發(fā)熱量為13.16 MJ/kg，灰分含量很高，發(fā)熱量較低，屬于貧瘦煤。

試驗(yàn)所用的金佳煤礦選煤廠煤矸石的礦物組成主要是高嶺石和石英，與煤泥的礦物組成相似，原煤在洗煤過(guò)程中根據(jù)密度的不同，經(jīng)過(guò)跳汰重選得到煤矸石和中煤等產(chǎn)品。

1.2 粒度組成分析

稱取200 g煤泥樣品，嚴(yán)格按照《煤粉篩分試驗(yàn)方法》(GB/T 19093-2003)進(jìn)行篩分試驗(yàn)，煤泥粒度組成分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 煤泥粒度組成分析結(jié)果

由表1可以看出，該煤泥平均灰分為55.40%，隨著煤泥粒度的減小，各粒級(jí)產(chǎn)品的產(chǎn)率和灰分都有所增加。-0.045 mm粒級(jí)的產(chǎn)品產(chǎn)率為23.32%，灰分為57.62%；0.045～0.074 mm粒級(jí)的產(chǎn)品產(chǎn)率為45.75%，灰分為55.38%，這表明該煤泥中高灰細(xì)泥含量較多，細(xì)泥易吸附在煤粒表面，降低煤粒表面的疏水性，增加了浮選的難度。

2 接觸角試驗(yàn)

2.1 煤泥觸角測(cè)量

接觸角是衡量礦物表面疏水性強(qiáng)弱最直觀的指標(biāo)，同時(shí)表示礦物可浮性的程度。接觸角越大，表示礦物表面疏水性越強(qiáng)，可浮性也越好。選取4份質(zhì)量均為10 g的煤泥樣品，其中3份分別加入0.012 g的煤油、柴油和M101，另外1份原始煤泥配制成100 g/L的煤漿。攪拌后過(guò)濾在真空干燥箱中以60℃的溫度烘干，然后將煤泥樣品壓制成薄片。每組樣品壓3個(gè)樣品，取平均值。煤泥樣品的測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 煤泥樣品接觸角測(cè)量結(jié)果

由表2可以看出，原煤泥的接觸角為63.5°，這說(shuō)明該煤泥表面疏水性弱、可浮性差。經(jīng)過(guò)煤油、柴油和M101處理后，接觸角分別變?yōu)?2.9°、83.2°和85.7°，相比原煤泥的接觸角明顯增大，由此可知捕收劑可吸附在煤泥表面提高煤泥表面的疏水性，增加煤泥的可浮性。經(jīng)過(guò)捕收劑M101處理后的煤泥，與煤油和柴油處理后的煤泥相比，煤泥的接觸角增大，這說(shuō)明相對(duì)于煤油或柴油，捕收劑M101提高煤泥表面疏水性能力較強(qiáng)，對(duì)煤泥具有更強(qiáng)的捕收能力。

2.2 煤矸石接觸角測(cè)量

選取5份質(zhì)量均為50 g的煤矸石樣品，其中4份分別與濃度為1 g/L的淀粉溶液、單寧溶液、腐植酸鈉溶液和CMC溶液在浮選機(jī)中攪拌2 min，另1份原始煤矸石。過(guò)濾后在真空干燥箱中以60℃的溫度烘干，然后將樣品壓制成薄片。每組樣品壓3個(gè)樣品，取平均值。煤矸石接觸角測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 煤矸石接觸角測(cè)量結(jié)果

由表3可以看出，原煤矸石的接觸角為22.6°，使用淀粉、單寧、腐植酸鈉和CMC處理后煤矸石的接觸角分別為11.8°、13.6°、12.1°和11.9°，相比原煤矸石接觸角均有所減小，這說(shuō)明經(jīng)過(guò)淀粉、單寧、腐植酸鈉和CMC處理后，煤矸石的親水性明顯增強(qiáng)。

抑制劑對(duì)礦物發(fā)生抑制作用的方式主要是吸附于礦物表面，在礦物表面形成親水薄膜，提高礦物表面水化性，增加表面親水性。脈石礦物在水中解離后，淀粉和CMC這類抑制劑通過(guò)氫鍵或與礦物表面陽(yáng)離子發(fā)生化學(xué)鍵合作用而吸附于礦物表面；單寧、腐植酸鈉這類抑制劑通過(guò)靜電力在礦物表面雙電層中發(fā)生吸附在礦物表面，使其表面親水性增加。對(duì)不同種類的礦物，不同抑制劑的抑制效果不同，往往同時(shí)通過(guò)幾方面的配合才能有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)礦物的抑制。根據(jù)不同抑制劑的作用原理，將淀粉、腐植酸鈉和CMC按照一定比例復(fù)配成組合抑制劑S-1、S-2和S-3，組合抑制劑配方見(jiàn)表4。

表4 組合抑制劑配方表 g

3 浮選試驗(yàn)

3.1 捕收劑浮選試驗(yàn)

稱量450 g的煤泥樣品和500 mL的自來(lái)水，加入球磨機(jī)球磨10 min，然后再加入500 mL自來(lái)水將磨好的煤漿沖洗出來(lái)，轉(zhuǎn)入1.5 L浮選槽中，浮選試驗(yàn)基本流程如圖1所示。將浮選產(chǎn)品進(jìn)行過(guò)濾、烘干、稱重，并計(jì)算精煤、中煤、尾煤的產(chǎn)率、灰分以及可燃物回收率。

圖1 浮選試驗(yàn)基本流程

按照?qǐng)D1所示的流程進(jìn)行浮選試驗(yàn)，捕收劑選用柴油、煤油和M101，使用M101時(shí)不需要加入起泡劑，其余兩組需要加入仲辛醇作為起泡劑，用量為200 g/t；抑制劑選用S-1，用量為2000 g/t。捕收劑為柴油、煤油和M101的浮選試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5、表6和表7。

表5 捕收劑為柴油的浮選試驗(yàn)結(jié)果

表6 捕收劑為煤油的浮選試驗(yàn)結(jié)果

表7 捕收劑為M101的浮選試驗(yàn)結(jié)果

由表5、表6和表7可以看出，精煤灰分及可燃物回收率都隨著捕收劑用量的增大而增大。當(dāng)柴油用量為800 g/t時(shí)，浮選精煤的產(chǎn)率為31.66%，灰分為12.31%，可燃物回收率為62.53%；當(dāng)煤油用量為800 g/t，浮選精煤的產(chǎn)率為38.77%，灰分為17.86%，可燃物回收率為64.72%。當(dāng)捕收劑為柴油和煤油時(shí)，精煤灰分都比較高，這說(shuō)明柴油和煤油的選擇性較差。而捕收劑M101用量為600 g/t時(shí)，浮選精煤的產(chǎn)率為32.12%，相對(duì)于柴油產(chǎn)率提高了0.46%；浮選精煤的灰分為10.57%，相對(duì)于柴油和煤油分別降低了1.74%和7.29%；浮選尾礦的灰分為83.66%，相對(duì)于柴油和煤油，提高了1.91%和0.98%。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)捕收劑M101用量?jī)H為傳統(tǒng)捕收劑的75%時(shí)，捕收性能已經(jīng)明顯提高，且選用M101作為捕收劑不需要加入起泡劑，降低了藥劑用量，進(jìn)而可以降低了工藝成本。浮選結(jié)果表明M101的捕收能力最強(qiáng)，與接觸角測(cè)量結(jié)果一致。

3.2 抑制劑浮選試驗(yàn)

按照?qǐng)D1所示流程進(jìn)行的浮選試驗(yàn)，選用S-1、S-2和S-3作為抑制劑，用量為2000 g/t，選用M101作為捕收劑，用量為600 g/t。不同抑制劑浮選試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 不同抑制劑浮選試驗(yàn)結(jié)果

由表8可以看出，當(dāng)選用S-1作為抑制劑時(shí)，浮選精煤產(chǎn)率為30.88%，灰分為12.35%，可燃物回收率為60.96%，相對(duì)于選用S-2和S-3時(shí)，浮選精煤產(chǎn)率降低了2.71%和1.24%，灰分降低了7.66%和4.11%，可燃物回收率提高了1.96%和4.61%。相比之下，在3種抑制劑中選用 S-1作為抑制劑。

3.3 閉路試驗(yàn)

閉路浮選試驗(yàn)流程圖如圖2所示。

圖2 閉路浮選試驗(yàn)流程圖

將浮選產(chǎn)品進(jìn)行過(guò)濾、烘干、稱重，并計(jì)算精煤和尾煤的產(chǎn)率、灰分以及可燃物回收率，閉路浮選試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表9。

表9 閉路浮選試驗(yàn)結(jié)果

由表9可以看出，經(jīng)過(guò)一次粗選兩次掃選兩次精選的浮選試驗(yàn)流程后，精煤產(chǎn)率為40.26%，精煤灰分降至7.94%，可燃物回收率達(dá)到83.47%，浮選尾煤灰分達(dá)到86.24%，完全符合預(yù)期目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了煤泥的高效分離。

4 結(jié)論

(1)捕收劑M101與煤泥作用后接觸角明顯增大，并且該接觸角大于煤油和柴油處理后煤泥的接觸角，這說(shuō)明捕收劑M101可明顯提高煤泥的疏水性，增加煤泥的可浮性。

(2)選用淀粉、單寧、腐植酸鈉和CMC處理后煤矸石的接觸角均有所減小，這說(shuō)明淀粉、單寧、腐植酸鈉和CMC均可以增加礦物的親水性。

(3)選用不同捕收劑進(jìn)行浮選試驗(yàn)，M101的捕收能力最強(qiáng)，而且M101兼具捕收與起泡功能，是一種高效的捕收劑。將淀粉、腐植酸鈉、CMC按照一定比例復(fù)配成組合成抑制劑S-1、S-2、S-3，選用組合抑制劑進(jìn)行浮選試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，S-1的降灰效果明顯，說(shuō)明組合抑制劑S-1是一種優(yōu)良的抑制劑。

(4)使用M101作為捕收劑，S-1作為抑制劑，經(jīng)過(guò)“一粗-二掃-二精”浮選試驗(yàn)流程后可以得到灰分為7.94%的精煤，精煤產(chǎn)率為40.26%，可燃物回收率為83.47%，浮選尾煤灰分為86.24%，實(shí)現(xiàn)了煤泥的高效分離。