任瑞晨 趙靖雨 鄭忠宇 孫得智 程貴彬 董慶國

0 引 言

我國煤炭資源儲量豐富，社會消耗量巨大。煤炭在我國能源結(jié)構(gòu)中一直占主體地位[1-3]，但隨著煤炭資源的逐漸減少，提高煤炭資源的利用效率和精煤回收率受到越來越多的關(guān)注。浮選作為目前我國處理細(xì)粒級煤泥的主要方法之一，是選煤工藝中重要的技術(shù)環(huán)節(jié)。但隨著優(yōu)質(zhì)煤田數(shù)量逐漸減少，地質(zhì)條件逐漸惡化，以及重介選煤技術(shù)的發(fā)展[4-5]，煤炭中的煤泥含量日益增多，浮選難度增大。由于受到異質(zhì)細(xì)泥種類和含量等因素的影響及用戶對精煤產(chǎn)品質(zhì)量要求的制約，部分選煤廠選擇通過提高浮選精度、降低回收率的方式來追求精煤質(zhì)量，這樣的浮選工藝勢必會產(chǎn)生大量低灰浮選尾煤，造成資源浪費和環(huán)境污染[6-8]。一些高校及科研院所積極探索從浮選尾煤中回收精煤的理論與實踐技術(shù)，相關(guān)學(xué)者對浮選尾煤處理的工藝環(huán)節(jié)、技術(shù)手段及分選設(shè)備等方面進(jìn)行了研究。王婕等[9]將超細(xì)粉碎與潔凈煤分選聯(lián)系起來，將煤泥粉碎至粒度為10 μm以下，使無機(jī)礦物徹底解離，進(jìn)而提選高純精煤。郭德等[10]從引起浮選環(huán)境惡化的原因入手，針對高嶺土等黏土類礦物致使浮選效率降低的問題，提出煤泥預(yù)先脫泥后入浮，選用耙式濃縮機(jī)脫泥，結(jié)果表明，增加脫泥工藝可改善后續(xù)浮選環(huán)境并提高壓濾效率。謝廣元等[11]提出窄粒級分級浮選，用旋流器組將煤泥進(jìn)行分級，不同粒級煤泥采用不同浮選工藝。本試驗根據(jù)煤泥特點制定了“脫泥-浮選”工藝，通過小錐角水力旋流器對煤泥進(jìn)行預(yù)先脫泥處理，并對脫泥后產(chǎn)品進(jìn)行浮選順序評價試驗，對煤泥可浮性進(jìn)行評定。

1 實驗部分

1.1 原料、試劑及儀器

試驗煤泥取自唐山某煉焦煤選煤廠浮選尾煤，煤種為主焦煤，灰分為32.88%。

起泡劑為甲基異丁基甲醇，捕收劑為正十二烷，均為分析純。

儀器主要有馬弗爐(CTM500，徐州泰瑞儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn))、電熱恒溫干燥箱(DHG-9140A，上海精宏實驗設(shè)備有限公司生產(chǎn))、攪拌桶(GSDJ300A)、小錐角水力旋流器(GSDFΦ25，北京古生代分體科技有限公司生產(chǎn))、浮選機(jī)(XFD單槽浮選機(jī)，吉林省探礦機(jī)械廠生產(chǎn))、X射線衍射儀(D8 ADVANCE，布魯克AXS公司生產(chǎn))。

1.2 實驗過程

取煤泥干礦樣200 g，根據(jù)GB/T 477-2008《煤炭篩分試驗方法》對煤泥進(jìn)行粒度分析，采用0.500 mm，0.250 mm，0.125 mm，0.074 mm和0.045 mm標(biāo)準(zhǔn)系列套篩篩分，烘干、稱重各粒級試樣，計算產(chǎn)率，通過馬弗爐測試灰分，完成對煤泥的篩分試驗。

對煤泥進(jìn)行物相分析：經(jīng)烘干處理后，用研缽將煤泥研磨至0.074 mm。測試條件為：靶型Cu靶，電流40 mA，電壓40 kV，起始角5°，終止角80°，步長0.02°，速度0.5 s/步。

對煤泥進(jìn)行順序評價試驗，設(shè)備為XFD型試驗室用3 L浮選機(jī)，試驗條件為：攪拌速度1 500 r/min，充氣量0.25 m3/(m2·min)，刮泡時間15 min，礦漿質(zhì)量濃度100 g/L，起泡劑甲基異丁基甲醇用量120 g/t，粗選捕收劑正十二烷用量270 g/t，除粗選外各階段捕收劑用量逐檔增加，增加量控制在5%～25%。

采用Ф25 mm小角錐水力旋流器對煤泥進(jìn)行預(yù)先脫泥試驗。具體工藝流程為：將煤泥在攪拌桶內(nèi)充分?jǐn)嚢韬螅ㄟ^渣漿泵給入Ф25 mm旋流器中，通過調(diào)節(jié)回流大小控制入料壓力，設(shè)置入料壓力為0.25 MPa，0.30 MPa和0.35 MPa三個水平，試驗過程中接取Ф25 mm旋流器底流和溢流產(chǎn)品小樣，計算底流和溢流產(chǎn)品產(chǎn)率，通過底流和溢流產(chǎn)品產(chǎn)率及灰分評定旋流器脫泥情況。

2 結(jié)果與討論

2.1 煤泥性質(zhì)

對煤泥進(jìn)行粒度分析，其粒度組成見表1，根據(jù)篩上和篩下累積產(chǎn)率繪制粒度特性曲線，結(jié)果見圖1。

由表1可知，該煤泥的主導(dǎo)粒度級為-0.045 mm粒級，此粒度級產(chǎn)率極高，為81.92%，灰分為35.87%，高出上一粒度級灰分19.52%，高出加權(quán)灰分2.99%。由此可知，煤樣泥化現(xiàn)象極其嚴(yán)重，很難浮選；其中+0.500 mm粒級的產(chǎn)率為零，0.500 mm～0.045 mm四個粒級的產(chǎn)率和為18.08%，綜合灰分為19.33%，灰分較低。由此可見，-0.045 mm粒級煤泥所占比重較大，且灰分較高，這部分中高灰細(xì)泥將對精煤回收產(chǎn)生消極影響，因此，預(yù)先脫泥是提高煤泥可浮性和浮選效率的重要環(huán)節(jié)。由圖1可知，正、負(fù)累積曲線交點處煤泥粒度在0.03 mm左右；正累積曲線下凹明顯，說明細(xì)粒級含量多，要想實現(xiàn)浮選、有效回收精煤，必須考慮預(yù)先脫泥。

表1 浮尾小篩分試驗結(jié)果Table 1 Results of floating tail small screen test

Note:γmeans yield.

圖1 粒度特性曲線Fig.1 Characteristic curve of sieve size

分析浮選尾煤的礦物組成可為精煤回收工藝尤其是浮選環(huán)境的改善提供重要依據(jù)，同時也可為尾煤后續(xù)應(yīng)用提供參考。因此，對煤樣進(jìn)行了物相分析，結(jié)果見圖2。

圖2 煤泥的XRD譜Fig.2 XRD spectrum of coal slime

由圖2可知，唐山礦浮選尾煤中的非煤礦物主要有石英、高嶺石和方解石等。其中，高嶺石屬于高嶺石族礦物，是黏土類礦物的一種。這類礦物具有粒度細(xì)、黏性大、親水性強(qiáng)等特點，在浮選過程中易使礦漿泥化，浮選環(huán)境污染。在浮選工程中，這類礦物也會黏在煤粒表面，或隨煤粒上浮至精煤槽，影響精煤質(zhì)量，或通過影響煤粒表面電位，導(dǎo)致精煤損失在尾煤中。因此，想要有效回收浮選尾煤中的合格精煤，就必須考慮脫除以高嶺石為主的黏土類礦物。

2.2 煤泥可浮性

煤泥可浮性是表征煤泥性質(zhì)的重要指標(biāo)，通過計算精煤可燃體回收率對煤泥的可浮性進(jìn)行評定，此方法廣泛應(yīng)用于各選煤廠，其評定標(biāo)準(zhǔn)可參見表2，精煤可燃體回收率公式為

式中：Ej為精煤可燃體回收率，%；rj為精煤累積產(chǎn)率，%；w(Adj)為精煤灰分，%；w(Ady)為原煤泥灰分，%。

表2 煤泥可浮性等級Table 2 Grade of coal slime floatability

理論精煤產(chǎn)率應(yīng)根據(jù)煤泥順序評價試驗結(jié)果所繪制的產(chǎn)率-灰分關(guān)系曲線確定。順序評價試驗是一種新的選煤實驗室浮選方法，通過一次粗選、多次掃選和精選的試驗流程，能夠更全面地反映煤泥浮選特性[12-13]，試驗順序見圖3。圖3中“C”表示精煤，“T”表示尾煤，數(shù)字表示浮選試驗操作次序，煤泥經(jīng)過粗選得到精煤C1和尾煤T1，然后對粗選尾煤T1進(jìn)行掃選，得到掃選精煤C2和尾煤T2，依次對尾煤進(jìn)行4次掃選，然后對精煤進(jìn)行精選，精選次數(shù)如圖3所示。

煤泥順序浮選產(chǎn)品按灰分由小到大的順序排列，試驗結(jié)果見表3。由表3繪制產(chǎn)率-灰分關(guān)系曲線，結(jié)果見圖4。

由圖4可知，曲線增長較平緩，但精煤產(chǎn)率低，結(jié)合前面分析，原因是煤泥粒度過細(xì)，浮選過程中高灰細(xì)泥黏在氣泡上浮，污染精煤質(zhì)量。當(dāng)精煤灰分定為12%時，其精煤產(chǎn)率為13.68%，產(chǎn)率極低，可燃體回收率為17.94%，因此，可浮性為極難選，可能是煤樣中高灰細(xì)泥含量多影響浮選效果。故在浮選回收精煤前應(yīng)對煤泥進(jìn)行脫泥處理。

圖3 順序評價試驗順序Fig.3 Sequence of sequence evaluation test

Product numberγ/%w(A)/%Cumulativeγ/%w(A)/%C16.9310.626.9310.62C1012.7014.5819.6313.18C1113.1918.9532.8215.50C814.1325.6846.9518.57C917.9834.5164.9322.98C44.4435.5969.3723.79T114.2842.3673.6524.87T93.3246.3476.9725.79T423.0356.57100.0032.88Total/cumulative100.0032.88--

圖4 原礦灰分與產(chǎn)率關(guān)系曲線Fig.4 Relationship curve between ash content and cummulative yield

2.3 分級脫泥試驗

根據(jù)之前分析可知，唐山礦浮選尾煤中高灰細(xì)泥含量多，多為黏土類礦物，且-0.045 mm粒級含量很高，欲提高浮選精煤回收率，必須采用Ф25 mm旋流器預(yù)先脫泥[14-15]，試驗結(jié)果見表4。對不同入料壓力條件下底流產(chǎn)品進(jìn)行篩分試驗以評定其分級效果，結(jié)果見圖5。

表4 不同入料壓力下Ф25 mm旋流器脫泥試驗結(jié)果Table 4 Test results of Ф25 mm hydrocyclone desliming under different feed pressures

圖5 不同入料壓力對Ф25 mm旋流器底流分級的影響Fig.5 Effect of different feed pressure on underflow grading of Ф25 mm hydrocyclone

由圖5可知，在三種不同入料壓力條件下，Ф25 mm旋流器底流產(chǎn)品中+0.125 mm和0.125 mm～0.045 mm粒級產(chǎn)率隨入料壓力增大而逐漸增加，同時-0.045 mm粒級產(chǎn)率逐漸減少，這是因為入料壓力的增大加快了旋流器內(nèi)的流體速度，進(jìn)而加大了粗顆粒的離心力，粗細(xì)顆粒由于離心力大小不同而分布在旋流器截面的不同位置，細(xì)粒級沿著旋流器中心負(fù)壓區(qū)上升至溢流，而粗顆粒則沿旋流器內(nèi)壁旋轉(zhuǎn)至底流，可見入料壓力對旋流器分級效果有重要影響。

結(jié)合表4和圖5的分析結(jié)果，同時考慮壓力過大對設(shè)備磨損的影響，最終確定Ф25 mm旋流器的入料壓力為0.30 MPa，此時底流和溢流產(chǎn)品產(chǎn)率占本級產(chǎn)率分別為39.64%和60.36%，灰分含量分別為24.38%和38.47%，灰分差為14.09%。可見，被脫除的溢流產(chǎn)品中極細(xì)顆粒煤泥灰分高，這也說明旋流器脫泥降灰作用明顯。由于旋流器溢流物料粒度較細(xì)且灰分較高，因此可進(jìn)行濃縮、壓濾處理，回收溢流水作為循環(huán)水，物料中高嶺土含量較高可作進(jìn)一步應(yīng)用。

2.4 脫泥后煤泥可浮性評定

為進(jìn)一步驗證旋流器組對浮選尾煤的脫泥效果，對Ф25 mm旋流器底流煤泥進(jìn)行可浮性評定，這樣設(shè)計是為了對比原煤泥與經(jīng)過旋流器脫泥處理后煤泥的可浮性。煤泥順序浮選流程見圖3，其試驗條件同2.2節(jié)。將浮選后各產(chǎn)品烘干稱重，并計算產(chǎn)率和灰分，對試驗結(jié)果進(jìn)行整理，結(jié)果見5，由表5繪制產(chǎn)率-灰分關(guān)系曲線，結(jié)果如圖6所示。

表5 Ф25 mm底流順序評價試驗結(jié)果Table 5 Test results of Ф25 mm underflow sequence evaluation test

結(jié)合表3和表5，對比脫泥前后順序浮選結(jié)果可知，經(jīng)過旋流器組脫泥后的煤泥在順序浮選過程中浮選效果更好，Ф25 mm旋流器底流煤泥順序評價試驗各產(chǎn)品灰分均低于原煤泥各產(chǎn)品灰分。分析其原因可能有如下兩點：一是高灰細(xì)泥與細(xì)粒煤泥的分離有助于凈化浮選環(huán)境、提高浮選效率，降低了精煤灰分；二是通過旋流分級后，煤泥顆粒粒級變窄，有利于浮選藥劑與煤泥反應(yīng)，提高了精煤產(chǎn)率。

結(jié)合圖4，由圖6可知，相比于脫泥前的浮選產(chǎn)率-灰分曲線，脫泥后的曲線呈現(xiàn)下凹趨勢，說明經(jīng)過脫泥處理后，煤泥浮選效果更好，低灰精煤產(chǎn)率明顯提高。針對脫泥分級后的煤泥進(jìn)行理論精煤產(chǎn)品的計算，確定合格精煤灰分為12%，通過圖6曲線計算出Ф25 mm底流的理論精煤產(chǎn)率為36.47%，并通過精煤產(chǎn)率計算精煤可燃體回收率為42.44%。

圖6 脫泥后灰分與產(chǎn)率關(guān)系曲線Fig.6 Relationship curve between ash content and cumulative yield after desliming

為了更直觀地檢驗旋流器脫泥工藝對煤泥可浮性變化的影響，將上述指標(biāo)與脫泥前進(jìn)行對比，結(jié)果見表6。

由表6可知，脫泥后底流煤泥綜合灰分為24.38%，較脫泥前的32.88%降低了8.5%，說明旋流器脫泥工藝對降低浮選尾煤中黏土礦物含量、提高煤泥可浮性有效果。觀察磨礦脫泥前后浮選效果，當(dāng)要求精煤灰分不高于12%時，脫泥前浮選尾煤理論精煤合計產(chǎn)率較低，僅為13.68%，通過計算可知可燃體回收率為17.94%，但同等灰分條件下，脫泥后的理論精煤產(chǎn)率為36.47%，可燃體回收率為42.44%，精煤產(chǎn)率較脫泥前提高22.79%，可燃體回收率提高24.50%，可浮性由極難選提升為難選，說明旋流器預(yù)先脫泥對改善浮選環(huán)境和提高煤泥可浮性起到一定作用。但是在順序評價浮選試驗中捕收劑用量逐檔增加，滿足了細(xì)粒級顆粒因比表面積大而導(dǎo)致耗藥量大的需求，精煤產(chǎn)率高，實際浮選中相關(guān)指標(biāo)可能會根據(jù)浮選制度的設(shè)計和調(diào)整發(fā)生改變。

表6 脫泥前后可浮性評定結(jié)果Table 6 Floatability evaluation results before and after desliming

3 結(jié) 論

1) 浮尾小篩分試驗結(jié)果顯示，煤樣主導(dǎo)粒度級為-0.045 mm，且此粒度級精煤產(chǎn)率大于80%，煤泥泥化現(xiàn)象十分嚴(yán)重，通過對煤樣礦物成分分析可知，高嶺土等黏土類礦物會嚴(yán)重影響煤泥浮選效率。通過可浮性評定可知，當(dāng)精煤灰分定為12%，精煤產(chǎn)率為13.68%，可燃體回收率為17.94%，可浮性為極難選。

2) 對Ф25 mm旋流器進(jìn)行了條件探索試驗，確定在初始礦漿質(zhì)量濃度為100 g/L時，入料壓力為0.30 MPa的條件下分級脫泥效果最好。經(jīng)過分級脫泥試驗，Ф25 mm旋流器底流灰分為24.38%，產(chǎn)率為39.64%，較脫泥前灰分下降8.5%，說明旋流器脫泥效果顯著。

3) 分級脫泥后，通過對Ф25 mm旋流器底流進(jìn)行順序評價試驗可知，當(dāng)精煤灰分定為12%，精煤產(chǎn)率為36.47%，可燃體回收率為42.44%，較脫泥前產(chǎn)率提高22.79%，可燃體回收率提高24.50%，可浮性由極難選提升至難選，說明預(yù)先脫泥改善了浮選環(huán)境，提升了精煤產(chǎn)率。