歐陽(yáng)其春，羨宇帥，丁晴晴

(1.淮北礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，安徽 淮北 235000；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

主焦煤屬于我國(guó)的稀缺煤種，由于其良好的黏結(jié)性和結(jié)焦性而成為煉焦配煤的核心煤種，占整個(gè)煤炭資源儲(chǔ)量的6%左右，優(yōu)質(zhì)主焦煤資源更少[1-2]。許多煉焦煤選煤廠(chǎng)經(jīng)洗選后一部分中煤因硫分較高、脫硫技術(shù)不成熟且黏結(jié)性差等，選后產(chǎn)品達(dá)不到煉焦標(biāo)準(zhǔn)，未得到合理利用而只能用作動(dòng)力煤；另一部分低硫煤因洗選后中煤的可選性普遍較差，且其灰分較高而不再進(jìn)行再選處理，作為電煤進(jìn)行銷(xiāo)售處理，使得優(yōu)質(zhì)主焦煤不能物盡其用，造成煉焦煤資源的極度浪費(fèi)[3-4]。

近年來(lái)，中煤再選是許多學(xué)者專(zhuān)家研究的熱點(diǎn)問(wèn)題，章力等[5]對(duì)重介中煤進(jìn)行破碎、磨礦至<3 mm粒級(jí)，對(duì)破碎后的重介中煤采用“干擾床分選+細(xì)煤泥泡沫浮選”的回收工藝，分選后的精煤灰分為9.80%，產(chǎn)率為39.27%，預(yù)計(jì)可提高總精煤產(chǎn)率2.75%；孫鳳杰等以山西新裕選煤廠(chǎng)重介中煤為研究對(duì)象，利用旋流進(jìn)氣結(jié)構(gòu)的浮選柱在大充氣量時(shí)，中煤可燃體回收率可達(dá)66.67%；無(wú)旋流進(jìn)氣結(jié)構(gòu)的浮選柱在較小的充氣量時(shí)，中煤浮選產(chǎn)品灰分可降至10.31%。因此從效益上分析，重介中煤再選可以實(shí)現(xiàn)對(duì)煤中可燃體的進(jìn)一步回收，提高選煤廠(chǎng)的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)促進(jìn)我國(guó)煉焦煤資源的高效利用具有一定借鑒意義。

1 試驗(yàn)部分

1.1 重介中煤粒度組成分析

試驗(yàn)所取煤樣來(lái)自淮北選煤廠(chǎng)重介中煤脫介篩篩上產(chǎn)品，重介中煤篩分試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 重介中煤篩分試驗(yàn)結(jié)果

由表1可知：主導(dǎo)粒級(jí)為6～3 mm和次主導(dǎo)粒級(jí)為3～0.5 mm，產(chǎn)率分別為25.64%和40.97%；<0.5 mm含量較少，為1.49%，但<0.5 mm粒級(jí)的灰分有所提高，說(shuō)明矸石存在一定的泥化現(xiàn)象；該煤樣總灰為31.17%，屬于中高灰分，各粒級(jí)灰分較平均，連生體含量較大，需經(jīng)過(guò)破碎解離后進(jìn)行分選。

1.2 重介中煤可選性分析

重介中煤煤樣浮沉組成見(jiàn)表2，可選性曲線(xiàn)如圖1所示。

圖1 重介中煤可選性曲線(xiàn)

表2 重介中煤浮沉組成

由表2可知：1.4～1.8 g/cm3的中間密度級(jí)產(chǎn)率高達(dá)82.46%，低灰和高灰部分產(chǎn)率較低，很難直接分選得到合格精煤；中間密度物含量大、灰分居中，連生體多，需要通過(guò)進(jìn)一步破碎解離后進(jìn)行再選回收；低密度級(jí)和高密度級(jí)部分產(chǎn)率均較低，同時(shí)說(shuō)明該廠(chǎng)重介分選過(guò)程分選精度較高。

由圖1可知：灰分特性曲線(xiàn)(λ)比較陡，浮物曲線(xiàn)(β)與沉物曲線(xiàn)(θ)也都比較陡峭，兩條曲線(xiàn)幾乎為直線(xiàn)，由此可知該重介中煤可選性為難選或極難選；根據(jù)密度曲線(xiàn)(δ)可知，δ曲線(xiàn)中間段斜率變化非常明顯，說(shuō)明1.4～1.8 g/cm3中間密度級(jí)含量較大，屬于難選特性。當(dāng)要求精煤灰分為12%時(shí)，精煤累計(jì)產(chǎn)率只有8%，對(duì)可選性而言，其δ±0.1含量為66%，屬于極難選煤，對(duì)該重介中煤煤樣進(jìn)行簡(jiǎn)單直接分選很難獲得較好的精煤產(chǎn)品。

1.3 重介中煤礦物組成分析

礦物質(zhì)的組成及其嵌布狀態(tài)對(duì)中煤的有效解離和再選有直接的影響，利用X射線(xiàn)衍射儀(德國(guó)Bruker，D8 Advance)，并結(jié)合工藝礦物學(xué)理論，對(duì)該中煤進(jìn)行礦物質(zhì)組成分析，重介中煤煤樣X(jué)射線(xiàn)衍射圖如圖2所示。

圖2 重介中煤煤樣的X射線(xiàn)衍射圖

由圖2可知，該中煤主要含有高嶺石等黏土類(lèi)礦物，并含有一定量的石英、方解石等礦物，除此以外還有少量的碳酸鹽礦物白云石以及少量的伊利石和含硫礦物黃鐵礦等?？紤]到黏土類(lèi)和硅酸鹽類(lèi)礦物容易在水中發(fā)生泥化，因此對(duì)重介中煤煤樣破碎和磨礦過(guò)程中應(yīng)降低過(guò)粉碎情況的發(fā)生，防止因泥化對(duì)后續(xù)分選環(huán)節(jié)和煤泥水處理帶來(lái)不利影響。

2 重介中煤再選試驗(yàn)

2.1 破碎與磨礦

將重介中煤有效破碎解離是中煤再選的關(guān)鍵，合適的破碎粒度對(duì)提高精煤回收、減少破礦和降低后續(xù)分選成本至關(guān)重要。

一般破碎粒度越細(xì)，煤與無(wú)機(jī)礦物質(zhì)解離越充分；但從煤樣礦物組成看，由于煤中礦物多是黏土類(lèi)和硅酸鹽類(lèi)，應(yīng)盡量減少過(guò)粉碎的發(fā)生；同時(shí)煤樣粒度過(guò)細(xì)，會(huì)加大分選難度，脫水作業(yè)成本也會(huì)增加；同時(shí)從煉焦煤的黏結(jié)性和結(jié)焦性考慮，破碎粒度會(huì)影響煤在結(jié)焦過(guò)程中的變化動(dòng)態(tài)，最終將影響焦炭質(zhì)量。對(duì)微細(xì)煤粒，因其比表面積較大，活性組分較多，配煤煉焦過(guò)程中可能會(huì)降低煤的黏結(jié)性[6-8]。綜上所述，將該重介中煤破碎至<0.5 mm進(jìn)行再選試驗(yàn)研究。

對(duì)淮北選煤廠(chǎng)重介中煤煤樣采用輥式破碎機(jī)破碎至<0.5 mm，中煤破碎后粒度組成見(jiàn)表3，浮沉試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4，可選性曲線(xiàn)如圖3所示。

由表3可知，破碎產(chǎn)物中>0.5 mm粒級(jí)含量低，<0.045 mm細(xì)顆粒含量增多，占比達(dá)到28.91%，灰分為29.15%。各粒級(jí)的灰分分布比較均勻，說(shuō)明礦物在各粒級(jí)中均有賦存，對(duì)中煤煤樣的解離不夠充分。

表3 破碎后煤樣的篩分試驗(yàn)結(jié)果

由表4可知，中間密度物產(chǎn)率仍然較大，<1.5 g/cm3密度級(jí)的浮物產(chǎn)率已達(dá)到了33.73%，精煤平均灰分為11.78%，可稱(chēng)之為合格產(chǎn)品。>1.8 g/cm3密度級(jí)的含量較高為21.09%，灰分為58.79%，可見(jiàn)灰分不高，矸石純度不夠，說(shuō)明>1.8 g/cm3密度級(jí)中還存在一定量的連生體。由圖3可知，當(dāng)要求精煤灰分為12%時(shí)，精煤理論產(chǎn)率為36%。

表4 破碎后煤樣的浮沉試驗(yàn)結(jié)果

圖3 破碎后的煤樣可選性曲線(xiàn)

2.2 重介中煤<0.5 mm浮選試驗(yàn)

2.2.1 浮選正交試驗(yàn)

泡沫浮選是分選細(xì)粒煤最常用方法之一，將重介中煤破碎至<0.5 mm后，進(jìn)行泡沫浮選試驗(yàn)研究。為了考察浮選過(guò)程中捕收劑、起泡劑用量，礦漿濃度及充氣量等最佳條件，浮選采用四因素三水平正交試驗(yàn)，水平正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表5，浮選正交試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6，其中捕收劑采用十二烷，起泡劑采用甲基異丁基甲醇(MIBC)。

表5 四因素三水平正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

表6 浮選正交試驗(yàn)結(jié)果

由表6可知，各組精煤灰分較高，尾煤灰分也較低，浮選完善指標(biāo)值低，浮選效果較差。

2.2.2 浮選分步釋放試驗(yàn)

依據(jù)所確定的最優(yōu)浮選試驗(yàn)條件(即捕收劑用量為800 g/t，起泡劑用量為100 g/t，礦漿濃度為80 g/L，充氣量為0.15 m3/h)，對(duì)破碎至<0.5 mm中煤試樣進(jìn)行分步釋放試驗(yàn)。浮選分步釋放試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7，浮選分步釋放可浮性曲線(xiàn)如圖4所示。

表7 浮選分步釋放試驗(yàn)結(jié)果

由表7和圖4可知，當(dāng)要求精煤灰分為12.74%時(shí)，浮選精煤產(chǎn)率為5.76%，精煤產(chǎn)率較低，隨著精選次數(shù)的增加，精煤灰分增加較快，浮選效果并不理想。

圖4 分步釋放浮選可浮性曲線(xiàn)

2.2.3 浮選效果分析

按最優(yōu)試驗(yàn)條件對(duì)破碎至<0.5 mm中煤進(jìn)行浮選試驗(yàn)，浮選試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 浮選試驗(yàn)結(jié)果

由表8可知，實(shí)際最優(yōu)條件的浮選效果并不理想，探究其原因可能是，由于該煤樣的礦物成分包含黏土類(lèi)類(lèi)礦物(高嶺石、伊利石等)，這些礦物在濕法分選過(guò)程中極易泥化，且破碎粒級(jí)越細(xì)，其比表面積越大，導(dǎo)致黏土礦物吸附水分子的能力相對(duì)增強(qiáng)，另外其結(jié)構(gòu)單元外層OH—的存在也會(huì)使得高嶺石的陰離子交換能力相對(duì)增強(qiáng)，在顆粒表面上吸附捕收劑，導(dǎo)致微細(xì)粒高嶺石等黏土礦物黏附在氣泡上成為精礦，使得精煤灰分增高。浮選產(chǎn)品小篩分試驗(yàn)見(jiàn)表9。

表9 浮選產(chǎn)品篩分試驗(yàn)結(jié)果

由表9可知：①精煤中各粒級(jí)灰分變化不大，<0.045 mm粒級(jí)灰分稍低(為21.92%)；超粗顆粒含量很少，只占到0.67%，<0.045 mm粒級(jí)含量最高；②尾礦中>0.125 mm粒級(jí)含量超過(guò)60%，且隨粒度減小，灰分逐漸增加，<0.045 mm粒級(jí)灰分為43.83%；③隨著粒級(jí)降低，精煤灰分有所降低，尾煤灰分逐步增加，說(shuō)明該中煤要獲得更充分的解離，需破磨更細(xì)，但成本會(huì)增加，工藝會(huì)更復(fù)雜。

綜上所述，破碎后<0.5 mm的重介中煤浮選效果不理想的原因可能是由于中煤未能得到充分解離。從浮選入料的篩分組成看，隨著粒度的減小，其灰分在逐漸降低，粗粒級(jí)中仍含有較多的連生體，進(jìn)一步磨礦可能會(huì)提高精煤的回收，但是會(huì)給后續(xù)的分選作業(yè)和產(chǎn)品脫水會(huì)帶來(lái)困難。

2.3 強(qiáng)化重力分選試驗(yàn)

Falcon離心分選機(jī)是一種立式離心重力分選設(shè)備，在美國(guó)和加拿大等國(guó)家有較多的應(yīng)用。離心強(qiáng)度最高可以達(dá)到300 g，能夠針對(duì)1.0～0.045 mm細(xì)粒煤進(jìn)行有效分選，而且能夠有效脫除細(xì)粒煤中的黃鐵礦硫。與此同時(shí)，還具有分選過(guò)程無(wú)需添加藥劑，不會(huì)產(chǎn)生二次污染，且可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的優(yōu)點(diǎn)。但隨著入料粒度變細(xì)，F(xiàn)alcon分選機(jī)來(lái)復(fù)圈槽物料顆粒不能有效的按密度分層，因此Falcon分選機(jī)對(duì)<0.045 mm微細(xì)顆粒分選效果不太理想[9-10]。

2.3.1 強(qiáng)化重力分選正交試驗(yàn)

Falcon離心分選主要操作因素有入料濃度、給料速度、轉(zhuǎn)動(dòng)頻率、反水壓力。試驗(yàn)采用SB4型Falcon離心分選機(jī)對(duì)入料濃度、轉(zhuǎn)動(dòng)頻率和反水壓力三個(gè)參素進(jìn)行試驗(yàn)研究，以探索不同因素對(duì)破碎后重介中煤分選效果的影響。采用Design-Expert軟件的Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)，分析不同操作參數(shù)之間的交互作用，并確定最佳試驗(yàn)條件。強(qiáng)化重力分選試驗(yàn)因素水平見(jiàn)表10，Box-Behnken正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表11，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表12。

表10 強(qiáng)化重力分選試驗(yàn)參數(shù)與水平

表11 強(qiáng)化重力分選Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)

表12 強(qiáng)化重力分選試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)離心重力分選試驗(yàn)結(jié)果，Design-Expert軟件分析確定線(xiàn)性模型為最佳擬合模型。

線(xiàn)性擬合模型的可燃體回收率學(xué)生化殘差分布情況如圖5所示。由圖5可知，其殘差基本都分布在斜線(xiàn)附近，呈線(xiàn)性分布，說(shuō)明試驗(yàn)以及模型的擬合效果較好，與實(shí)際值較吻合。

圖5 可燃體回收率學(xué)生化殘差預(yù)測(cè)值與實(shí)際值對(duì)比

由表12可知，精煤灰分幾乎都在23%左右，灰分較高，但尾煤灰分提高不多，與泡沫浮選試驗(yàn)結(jié)果相差不大。究其原因應(yīng)該是重介中煤經(jīng)過(guò)破碎后其中的微細(xì)顆粒增多，影響了離心重力分選效果。根據(jù)中國(guó)礦業(yè)大學(xué)陶有俊等[9-10]的研究，隨著入料粒度的變細(xì)，F(xiàn)alcon分選機(jī)來(lái)復(fù)圈內(nèi)<0.045 mm微細(xì)顆粒不能有效地按密度分層，使得細(xì)顆粒分選效果變差。因此，需要對(duì)Falcon離心分選機(jī)產(chǎn)品進(jìn)一步分析。

2.3.2 Falcon離心分選機(jī)產(chǎn)品篩分組成分析

Falcon離心分選機(jī)的精礦和尾礦小篩分試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表13。

表13 Falcon離心分選產(chǎn)品篩分表

由表13可知：0.25～0.045 mm粒級(jí)灰分相差不大，>0.5 mm粗顆粒含量很少，<0.045 mm微細(xì)顆粒含量超過(guò)40%，灰分也比較高，其中含有較多的黏土類(lèi)礦物；尾礦中0.5～0.25 mm粗顆粒含量較多，占比超過(guò)50%，脈石成分居多。

離心分選機(jī)入料及產(chǎn)品粒度分布如圖6所示。分選入料中<0.045 mm粒級(jí)含量占比29.02%，而精礦中<0.045 mm粒級(jí)含量達(dá)到了40.73%，尾礦中<0.045 mm粒級(jí)含量?jī)H占6.49%，說(shuō)明在Falcon離心分選過(guò)程中，<0.045 mm微細(xì)顆粒沒(méi)有足夠的離心力來(lái)按密度分層，微細(xì)顆粒往往進(jìn)入溢流，成為精煤產(chǎn)品[10]，入料和精煤中<0.045 mm粒級(jí)灰分變化不大，由此可以大體判斷，F(xiàn)alcon離心重力分選對(duì)<0.045 mm細(xì)泥分選效果并不理想，因此，考慮采取預(yù)先脫泥分選方法進(jìn)行試驗(yàn)。

圖6 Falcon離心分選入料及產(chǎn)品粒度分布

2.3.3 預(yù)先脫泥Falcon離心分選試驗(yàn)

脫泥后入料粒度組成見(jiàn)表14。由表14可知，預(yù)先脫除細(xì)泥后，各粒度級(jí)產(chǎn)率稍有增加，而灰分稍有降低。根據(jù)Box-Behnken正交試驗(yàn)得出的最佳試驗(yàn)條件，即入料濃度為15%、反沖水壓力為0.04 MPa，離心機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率為40 Hz。預(yù)先脫泥強(qiáng)化重力分選試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表15。

表14 預(yù)先脫泥后入料粒度組成

表15 預(yù)先脫泥后強(qiáng)化重力分選試驗(yàn)結(jié)果

由表15可知，經(jīng)過(guò)預(yù)先脫泥后，其精煤灰分大大降低，因?yàn)镕alcon離心分選機(jī)是通過(guò)離心力場(chǎng)來(lái)強(qiáng)化細(xì)顆粒的分層和最終分選，因此在分選連生體含量較大的細(xì)粒煤時(shí)，該分選方法具有一定的優(yōu)勢(shì)。然而，當(dāng)分選入料中含有大量高灰細(xì)泥時(shí)，需要采用超細(xì)粒分級(jí)旋流器對(duì)入料預(yù)先脫泥，才能更好地實(shí)現(xiàn)細(xì)粒煤有效分選。

2.4 重介中煤煤泥重介質(zhì)旋流器分選

通過(guò)對(duì)淮北選煤廠(chǎng)重介中煤的解離特性與分選試驗(yàn)研究可知，破碎解離粒度大小要與實(shí)際生產(chǎn)工藝相配合，以降低成本，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化。因此從實(shí)際分選試驗(yàn)結(jié)果和選煤廠(chǎng)實(shí)際工藝流程來(lái)看，也可將中煤破碎至<0.5 mm，采用煤泥重介質(zhì)旋流器分選，預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表16。由表16可以看出，利用小直徑煤泥重介質(zhì)旋流器分選，可得灰分為11.83%、產(chǎn)率為27.90%的精煤產(chǎn)品。

表16 <0.5 mm煤泥重介分選預(yù)測(cè)結(jié)果

3 結(jié)論

(1)重介中煤煤質(zhì)特性表明：中煤組成中3～0.5 mm為主導(dǎo)粒級(jí)，煤泥含量較少；屬于極難選煤，直接分選無(wú)法得到合格精煤產(chǎn)品，故需要中煤進(jìn)行有效破碎解離，以實(shí)現(xiàn)稀缺主焦煤種的重介中煤精準(zhǔn)分離。

(2)重介中煤解離后的浮選分步釋放試驗(yàn)可得到產(chǎn)率為5.76%、灰分為12.74%的精煤，說(shuō)明解離具有一定效果，但浮選精煤灰分較高，產(chǎn)率偏低，浮選效果并不理想。究其原因主要是黏土類(lèi)礦物破碎粒度過(guò)細(xì)時(shí)，吸附能力相對(duì)增強(qiáng)，同時(shí)其結(jié)構(gòu)單元外層OH—的存在，加大了顆粒界面對(duì)藥劑的吸附，導(dǎo)致黏土類(lèi)礦物如高嶺石隨精礦泡沫上浮，造成精煤灰分偏高。

(3)優(yōu)化后強(qiáng)化離心重力分選結(jié)果表明，在入料濃度為15%，反水壓力為0.04 MPa，離心機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率為40 Hz的條件下，采用預(yù)先脫泥后強(qiáng)化重力分選，得到產(chǎn)率42.46%，灰分13.37%的精煤產(chǎn)品。

(4)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，采用小直徑煤泥重介質(zhì)旋流器進(jìn)行分選，可取得產(chǎn)率為27.90%、灰分為11.83%的精煤產(chǎn)品。