于 偉

(西安科技大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，陜西 西安 710054)

煤炭是世界上分布最廣、儲(chǔ)量最多的一種不可再生資源，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有重要作用。我國(guó)低階煤炭資源在煤炭資源總儲(chǔ)量中占有很大比例。通常把褐煤、長(zhǎng)焰煤、不黏煤、弱黏煤以及部分氣煤等變質(zhì)程度低的煤統(tǒng)稱為低階煤[1]。

煤炭在開(kāi)采和洗選加工的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量煤泥，約占原煤的10%～20%。針對(duì)煉焦煤煤泥，因其表面疏水性強(qiáng)，目前大部分已通過(guò)浮選法得以分選利用；而低階煤煤泥因其含氧官能團(tuán)多、表面疏水性差，需要添加大量浮選藥劑才能實(shí)現(xiàn)分選，分選經(jīng)濟(jì)性差，因此該部分煤泥目前并未得到有效利用，一般是摻入洗選主產(chǎn)品中進(jìn)行銷售。若能進(jìn)一步開(kāi)發(fā)浮選技術(shù)，實(shí)現(xiàn)低階煤煤泥的分選，則選后精煤就可摻入洗選主產(chǎn)品而不會(huì)影響整體質(zhì)量；此外，浮選后得到的精煤泥還可作為優(yōu)質(zhì)的化工用原料煤。因此，需要尋求一種技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行的方式對(duì)低階煤煤泥進(jìn)行分選提質(zhì)。

李文文[2]利用柴油對(duì)低階煤煤泥進(jìn)行了浮選試驗(yàn)研究得出，隨著藥劑用量增加，精煤產(chǎn)率逐漸增加，最大可達(dá)到30%以上，但干煤泥柴油用量高達(dá)10 kg/t。任聰?shù)萚3]通過(guò)煤油與活性物質(zhì)混合的方式研究了復(fù)配藥劑浮選低階煤煤泥的效果。鄭茜等[4]采用紫外線對(duì)柴油進(jìn)行活化，研究了低階煤浮選的動(dòng)力學(xué)。蔣善勇[5]、朱春云[6]研究了煤油作用后的不黏煤顆粒與氣泡的接觸行為，認(rèn)為氣泡與低階煤表面難以形成穩(wěn)定的三相接觸周邊，當(dāng)接觸時(shí)間為500 ms時(shí)，黏附概率不足50%，并分析了低階煤煤泥可浮性差的原因。

近十余年來(lái)，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)王永田教授一直致力于低階煤煤泥浮選提質(zhì)技術(shù)研究與工程實(shí)踐，創(chuàng)造性地將油泡浮選技術(shù)應(yīng)用于低階煤煤泥分選，顯著提高了低階煤浮選指標(biāo)。為了推進(jìn)低階煤浮選的工業(yè)化，總結(jié)油泡浮選經(jīng)驗(yàn)和科學(xué)本質(zhì)，成功設(shè)計(jì)出了復(fù)配捕收劑，在大幅提升浮選指標(biāo)、降低藥劑消耗的同時(shí)，解決了低階煤大規(guī)模浮選提質(zhì)工業(yè)實(shí)踐的技術(shù)瓶頸，目前已在神東布爾臺(tái)選煤廠成功建設(shè)了一條年處理能力為16萬(wàn)t干煤泥的低階煤煤泥浮選工業(yè)示范生產(chǎn)線。

從低階煤煤泥浮選技術(shù)研發(fā)與工業(yè)化進(jìn)程來(lái)看，油泡浮選技術(shù)是低階煤煤泥浮選的基礎(chǔ)，對(duì)推動(dòng)低階煤煤泥實(shí)現(xiàn)工業(yè)化分選具有重要作用。

1 油泡浮選技術(shù)

LIU J等[7]發(fā)現(xiàn)在煤的油團(tuán)絮中被油膜包裹的氣泡的重要作用，在分選時(shí)，可使藥劑耗量降低且精煤產(chǎn)率提高，由此提出油泡分選的新概念。油泡(oily-bubbles)即在氣泡的外面包裹一薄層油膜或其他溶劑，浮選時(shí)，藥劑附著在氣泡表面，不僅耗量更低，且在礦漿中分散度更好。常規(guī)浮選與油泡浮選示意圖如圖1所示。

圖1 常規(guī)浮選與油泡浮選示意圖

WALLWORK VINCE等[8]利用自制油泡發(fā)生裝置將煤油加熱后隨空氣給入到分選系統(tǒng)中，對(duì)難選油砂礦進(jìn)行油泡浮選試驗(yàn)，結(jié)果表明，油泡浮選精礦回收率大幅提高，分選指標(biāo)較常規(guī)浮選好。PENG F F[9]等利用實(shí)驗(yàn)室丹佛浮選機(jī)對(duì)煤泥進(jìn)行了油泡浮選試驗(yàn)探索，采用注射器將浮選藥劑滴加到預(yù)先加熱的銅管中生成蒸汽，然后使之隨空氣一起被吸入浮選機(jī)中進(jìn)行油泡分選，取得了較好的分選指標(biāo)。

2 油泡柱浮選技術(shù)

王永田教授在加拿大阿爾伯塔大學(xué)訪學(xué)期間(2008—2009年)，將油泡浮選技術(shù)與旋流-靜態(tài)微泡柱浮選技術(shù)相結(jié)合，形成油泡柱浮選技術(shù)，搭建油泡柱浮選系統(tǒng)(圖2)，并利用該系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)研究。

1—浮選柱；2—攪拌桶；3—給料口；4—泡沫排放口；5—尾礦排放口；6—循環(huán)泵；7—?dú)馀莅l(fā)生器；8—電加熱套；9—三口燒瓶；10—溫度計(jì)；11—進(jìn)氣管；12—?dú)怏w流量計(jì)

通過(guò)連接管路將油氣出口與浮選柱氣泡發(fā)生器的吸氣口相連接(出入口連接處均密封)，向燒瓶中加入一定量(大約為燒瓶體積的1/2)的煤油，然后利用電加熱套對(duì)其加熱使之沸騰，控制加熱溫度和氣泡發(fā)生器吸氣量，使煤油在一個(gè)比較溫和平衡的環(huán)境下緩慢沸騰，沸騰后產(chǎn)生的煤油蒸氣隨吸入的空氣進(jìn)入氣泡發(fā)生器中，從而形成油泡完成分選。在不加起泡劑的情況下，利用該系統(tǒng)生成的煤油泡狀態(tài)如圖3所示。

由圖3可以看出，浮選柱中氣泡數(shù)量多且前后疊加，直接觀測(cè)難度較大，通過(guò)一氣泡采樣盒將柱體中的氣泡引出一小部分，可實(shí)現(xiàn)氣泡大小等性質(zhì)的在線檢測(cè)。在不加起泡劑的情況下，浮選柱中煤油泡數(shù)量多、尺寸小，且不易兼并。將常規(guī)浮選烴類油等捕收劑直接加入到礦漿中，通過(guò)攪拌調(diào)漿作用實(shí)現(xiàn)藥劑分散與礦化作用，在這一過(guò)程中部分親水顆粒表面也易附著烴類油，選擇性較差。而油泡浮選省略了調(diào)漿環(huán)節(jié)，加熱后的烴類油油霧以氣溶膠形態(tài)被吸入到浮選設(shè)備內(nèi)，油由氣相轉(zhuǎn)移至氣-水界面間形成油泡，且油泡數(shù)量多、直徑小。目標(biāo)礦物與非目標(biāo)礦物表面都有一層水化膜，油泡外表面也有一層水化膜，當(dāng)油泡與礦物接觸后，水化膜減薄，此時(shí)油易與有機(jī)碳質(zhì)顆粒發(fā)生吸附，而不易與無(wú)機(jī)礦物顆粒吸附，這樣就實(shí)現(xiàn)了油泡對(duì)有機(jī)質(zhì)——煤的選擇性吸附礦化，進(jìn)而提高了浮選藥劑的捕收性與選擇性。油泡浮選原理如圖4所示。

圖3 煤油泡分散狀態(tài)

黑色—煤；黃色—油；綠色—水；藍(lán)色—?dú)馀?/p>

實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，油品沸騰過(guò)程較難控制，特別是吸氣量改變時(shí)，容易引起煤油的暴沸，安全性能較差，在試驗(yàn)過(guò)程中曾出現(xiàn)油氣出口與氣泡發(fā)生器之間的導(dǎo)管因油氣溫度高發(fā)生熔化堵塞而導(dǎo)致沸騰煤油從進(jìn)氣口噴出的情況。此外，若氣泡發(fā)生器發(fā)生堵塞或者循環(huán)泵出現(xiàn)停轉(zhuǎn)，浮選柱中的礦漿會(huì)通過(guò)氣泡發(fā)生器吸氣口倒流入沸騰的煤油中，造成不可預(yù)知的危險(xiǎn)。因此，對(duì)油氣生成方式進(jìn)行了改進(jìn)，將煤油定量滴入到高溫加熱的燒瓶中或電熱板上，煤油瞬間受熱氣化生成煤油蒸氣，然后隨空氣一起被吸入到浮選柱中。兩種油泡生成系統(tǒng)如圖5所示[10]。

1—浮選柱；2—攪拌桶；3—給料口；4—泡沫排放口；5—尾礦排放口；6—循環(huán)泵；7—?dú)馀莅l(fā)生器；8—儲(chǔ)油桶；9—加油泵；10—油氣發(fā)生器；10-1—燒瓶；10-2—電加熱套；10-3—電熱板；10-4—錐形集氣罩

在熱態(tài)制造油泡研究的同時(shí)，還進(jìn)行了油泡冷態(tài)制造設(shè)計(jì)，主要采用超聲波霧化和加壓噴射霧化法令烴類油形成一種分散性氣溶膠，然后隨空氣一起給入到分選設(shè)備中。冷態(tài)油泡浮選安全性好，同樣較常規(guī)浮選效果好，但較熱態(tài)油泡浮選法效果差[11]。

3 低階煤煤泥油泡柱浮選實(shí)踐

采取神東礦區(qū)大柳塔選煤廠煤泥樣品，樣品空氣干燥基水分為2.9%、灰分為19.7%、揮發(fā)分為25.3%，分別進(jìn)行常規(guī)浮選柱分選及油泡浮選柱分選試驗(yàn)[12]。

采用FCSMC-50型旋流-靜態(tài)微泡浮選柱進(jìn)行常規(guī)浮選試驗(yàn)。采用一次分選流程，捕收劑(煤油)用量分別為10、40、60、100 kg/t，起泡劑(仲辛醇)用量為200 g/t，礦漿濃度為80 g/L，礦漿給料量為280 mL/min，循環(huán)泵壓力為0.14 MPa。常規(guī)分選試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 大柳塔煤泥浮選柱常規(guī)分選試驗(yàn)結(jié)果

采用閃蒸技術(shù)制造油泡，根據(jù)礦漿濃度以及給料量控制加藥速度，油泡柱分選操作工藝參數(shù)參照常規(guī)浮選進(jìn)行。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2，分選過(guò)程泡沫層狀態(tài)如圖6所示。

表2 大柳塔煤泥油泡柱分選試驗(yàn)結(jié)果

圖6 大柳塔煤泥油泡柱浮選泡沫層狀態(tài)

由表1和表2可以看出，使用油泡作為浮選載體對(duì)大柳塔煤泥進(jìn)行浮選可以很大程度地降低捕收劑消耗，且浮選指標(biāo)良好，達(dá)到了油泡浮選處理低階煤煤泥的預(yù)期目標(biāo)。噸干煤泥煤油用量為2.5 kg時(shí)，通過(guò)油泡柱浮選可以得到灰分為8.26%、產(chǎn)率為82.38%的精煤，尾煤灰分為69.85%，可燃體回收率高達(dá)93.43%。經(jīng)過(guò)分選得到的高產(chǎn)率低灰分浮選精煤可以直接摻入重選末精煤銷售，也可作為優(yōu)質(zhì)的化工用原料煤(因其本身粒度細(xì)還可省去磨礦環(huán)節(jié))。常規(guī)浮選，在煤油耗量為100 kg/t時(shí)，可燃體回收率僅能達(dá)到82.18%，相比之下油泡對(duì)低階煤的強(qiáng)捕收能力與高選擇性得到了充分的體現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)室研究表明油泡浮選是處理低階煤煤泥經(jīng)濟(jì)有效的方法。由圖6可以看出：浮選柱內(nèi)形成了一個(gè)非常明顯的分選界面，上部為泡沫層，礦化后氣泡尺寸小且致密；下部的礦漿呈灰白色，柱內(nèi)灰分梯度明顯，尾煤灰分高，分選過(guò)程選擇性強(qiáng)。

除大柳塔選煤廠煤泥外，還對(duì)神東礦區(qū)石圪臺(tái)煤泥、布爾臺(tái)煤泥、保德煤泥，準(zhǔn)旗沙圪堵煤泥，白音華褐煤煤泥[13]等進(jìn)行了油泡柱浮選試驗(yàn)，均取得了較好的分選指標(biāo)，分選結(jié)果表明，油泡不僅捕收能力強(qiáng)，而且選擇性高，是處理低階煤煤泥分選的有效手段。

4 油泡柱浮選技術(shù)工業(yè)探索

在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步探索油泡浮選技術(shù)的可行性與先進(jìn)性，王永田教授進(jìn)行了油泡柱浮選技術(shù)的工業(yè)探索試驗(yàn)。

進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)時(shí)，還未有低階煤煤泥浮選工業(yè)化系統(tǒng)，因此選取一煉焦煤選煤廠煤泥浮選柱進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)。

首次試驗(yàn)時(shí)，仍使用燒瓶與電加熱套制造油泡，利用一臺(tái)蠕動(dòng)泵將浮選捕收劑定量加入到燒瓶中蒸發(fā)氣化，起泡劑按原系統(tǒng)加入，油氣隨空氣一起被吸入到浮選柱氣泡發(fā)生器中形成油泡，油泡與煤粒作用完成分選過(guò)程?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)裝置如圖7所示。

圖7 油泡浮選半工業(yè)性試驗(yàn)裝置

由圖7可以看出，閃蒸后油氣在氣泡發(fā)生器的作用下，可全部被吸入到浮選柱中。試驗(yàn)表明，與常規(guī)浮選相比，油泡浮選可以有效節(jié)約浮選藥劑用量，但對(duì)于φ5 m的浮選柱，500 mL燒瓶產(chǎn)生的油氣量不足，必須采用大型油泡制造系統(tǒng)以加大浮選藥劑的蒸發(fā)體量。

經(jīng)過(guò)查閱資料與實(shí)地調(diào)研，選定對(duì)化工行業(yè)不銹鋼反應(yīng)釜進(jìn)行改造，去除其攪拌機(jī)構(gòu)，增加了相應(yīng)管路，將之改造成工業(yè)用油泡制造裝置，如圖8所示。通過(guò)導(dǎo)熱油對(duì)反應(yīng)釜加熱，利用一臺(tái)蠕動(dòng)泵將捕收劑定量加入到反應(yīng)釜中使之受熱蒸發(fā)氣化，將油氣出口與浮選設(shè)備吸氣口相連，則油氣可隨空氣一起進(jìn)入到浮選設(shè)備中。

圖8 工業(yè)化油泡制造裝置

利用工業(yè)化油泡制造裝置進(jìn)行煤泥浮選工業(yè)試驗(yàn)，捕收劑通過(guò)蠕動(dòng)泵定量加入，起泡劑按原給藥系統(tǒng)加入。試驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置通過(guò)自動(dòng)溫控系統(tǒng)可產(chǎn)生連續(xù)穩(wěn)定的油氣，操作簡(jiǎn)便，有效降低了浮選捕收劑用量，且浮選泡沫層穩(wěn)定，分選指標(biāo)較好。

實(shí)驗(yàn)室研究及工業(yè)性探索均表明，油泡浮選技術(shù)可對(duì)低階煤煤泥進(jìn)行高效分選，捕收能力強(qiáng)且選擇性好，但通過(guò)蒸發(fā)方式制造油氣安全性較差，是制約其工業(yè)應(yīng)用的主要原因。油蒸氣與空氣以一定比例混合遇明火后容易燃燒爆炸，油蒸氣擴(kuò)散遇到火源后會(huì)著火回燃造成危險(xiǎn)，且密閉容器中壓力過(guò)大也易爆炸，設(shè)備大型化后，人為操作等非可控因素太多。因此，要將油泡浮選技術(shù)用于工業(yè)生產(chǎn)，還需解決安全問(wèn)題。

王永田教授還針對(duì)油泡浮選與常規(guī)浮選的區(qū)別與聯(lián)系[14]，開(kāi)辟了低階煤煤泥浮選藥劑研究的新思路，成功開(kāi)發(fā)了FO系列浮選藥劑，并用于低階煤煤泥的分選[15]，在實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用的基礎(chǔ)上，完成了神東礦區(qū)等多個(gè)選煤廠低階煤煤泥半工業(yè)分選試驗(yàn)，并在神東布爾臺(tái)選煤廠成功建設(shè)了年處理能力為16萬(wàn)t干煤泥的低階煤煤泥浮選工業(yè)示范生產(chǎn)線。

5 結(jié)論

(1)油泡浮選是在氣泡上鍍上油膜，在浮選前不進(jìn)行加油調(diào)漿作業(yè)，浮選過(guò)程中的礦化主要靠目的礦物與油泡碰撞礦化實(shí)現(xiàn)，油泡數(shù)量多、直徑小，更易于實(shí)現(xiàn)礦化。

(2)對(duì)神東礦區(qū)大柳塔選煤廠等低階煤煤泥進(jìn)行油泡柱浮選試驗(yàn)，結(jié)果表明，油泡對(duì)低階煤煤泥具強(qiáng)捕收能力與高選擇性，分選指標(biāo)良好，可見(jiàn)油泡浮選技術(shù)是處理低階煤煤泥經(jīng)濟(jì)有效的方法。

(3)將油泡浮選技術(shù)用于工業(yè)浮選柱分選，可有效降低浮選捕收劑用量，且浮選泡沫層穩(wěn)定，分選指標(biāo)良好。但熱態(tài)法制造油氣安全性差，是制約油泡浮選工業(yè)應(yīng)用的瓶頸。