劉紅娜

(1.中煤科工集團唐山研究院有限公司；2.河北省煤炭洗選工程技術研究中心，河北 唐山 063012)

低階煙煤主要做動力用煤，其表面含氧官能團多、疏水性差，且孔隙率高，分選過程藥耗高，回收效果差。但通過對表面性質、浮選過程所需參數(shù)等進行研究，低階煙煤浮選技術已獲得重大突破。例如趙海洋[1]以大同侏羅紀低階煤泥為對象進行研究，發(fā)現(xiàn)陽離子表面活性劑十二胺對浮選具有一定促進作用；譚麗等[2]以不粘煤煤泥為研究對象，進行了正交試驗，發(fā)現(xiàn)起泡劑的種類和用量對可燃體回收率有顯著影響；任聰?shù)萚3]以朔州麻家梁煤礦長焰煤破碎篩分后的小于0.5 mm煤泥為研究對象，發(fā)現(xiàn)油酸甲酯能夠吸附在煤表面-OH類官能團上，使煤表面更加疏水，其浮選效果明顯優(yōu)于正十二烷等。

盡管如此，低階煙煤浮選仍存在巨大問題——成本高，選后經(jīng)濟效益差，嚴重限制了低階煙煤浮選的推廣以及動力煤選煤廠入洗率的提升。較為典型的，山西朔州中煤東坡煤業(yè)朔中長焰煤選煤廠(即中煤平朔劉家口選煤廠)在2015年補套浮選系統(tǒng)，截止目前仍是浮選設備世界首次在千萬噸級大型動力煤洗煤廠的單機化成功應用[4-5]，但受限于產(chǎn)品定位(浮精做動力煤、浮尾廢棄)、煤炭市場以及浮選成本等原因，目前浮選系統(tǒng)已暫停使用多年。那么，如何在目前技術基礎上提高低階煙煤浮選的經(jīng)濟效益？主要方式就是盡可能地使浮選產(chǎn)品差異化，使浮選的所有產(chǎn)品或大部分產(chǎn)品均具有更高的經(jīng)濟價值。調研發(fā)現(xiàn)，目前低階煤泥降灰后超細或精細制粉[6-8]以提高水煤漿濃度方面研究較多，市場需求巨大[9]；而浮選的高灰尾煤用以制磚則是目前最為成熟、最具經(jīng)濟效益的綜合利用途徑[10]。

但是，低階煙煤由于其表面性質及浮選工藝等原因，浮選同時高效得到低灰精煤和高灰尾煤的技術難度較大。為此，本文將從表面性質、藥劑選擇、藥劑制度優(yōu)化以及浮選工藝等多個角度進行探討，以期為低階煙煤浮選擴大經(jīng)濟效益提供一定的基礎數(shù)據(jù)。

1 試 驗

1.1 試驗樣品及其性質

試驗用煤泥取自榆北某選煤廠，該廠為動力煤選煤廠，入洗煤種為不粘煤，暫未設浮選系統(tǒng)，且一直在尋求煤泥減量及高附加值利用的途徑。樣品分時段采自該廠濃縮機入料(未添加絮凝劑)，經(jīng)過濾、低溫烘干、混合、縮分后制得。

為了給后續(xù)浮選試驗提供操作依據(jù)，并判斷該樣品是否具備制備低灰浮選精煤的可能性，以及高灰浮選尾煤是否具備制磚的可能性，進行了樣品的基本性質測定。

1.1.1 元素分析及表面官能團

試樣的元素分析按照GB/T 31391-2015進行，表面官能賦存狀態(tài)利用傅里葉變換紅外光譜儀測定。測定條件：儀器型號VERTEX 80v，測量范圍400～4 000 cm-1，掃描32次，分辨率4 cm-1，波數(shù)精度不大于0.1 cm-1。

相應結果見表1及圖1。

表1 樣品元素分析

圖1 樣品紅外光譜

由表1可知，樣品中氧元素含量為11.96%，相較肥煤這類中等變質程度的煙煤而言，約高出6個[11]百分點；氧元素含量偏高，意味著樣品中含有較多的含氧官能團，表面疏水性也應較差，不利于浮選。

而圖1中，波數(shù)3 434 cm-1處為締合羥基的寬峰，2 922 cm-1和2 852 cm-1處為—CH2—的伸縮振動尖峰，1 604 cm-1處應為—NH2的吸收峰，其余峰位均處在指紋區(qū)，難以與具體基團對應。此外，在1 500～4 000紅外特征區(qū)內(nèi)，煤樣表面不存在—C=C—、—C≡C—以及芳環(huán)骨架振動，且無—C=O和醚類特征峰，說明煤樣變質程度較低，且樣品表面氧元素主要以羥基形式存在，且峰面積最大、含量較高，不利于浮選。浮選時要尤其注重高效浮選藥劑的選擇。

1.1.2 篩分、浮沉

樣品的篩分、浮沉按照GB/T 477—2008和GB/T 478—2008進行，結果見表2。

表2 樣品篩分浮沉

由表2可知，樣品中大于0.25 mm粒級粗粒含量較高，是動力煤選煤廠為提高煤泥壓濾速度、降低壓濾產(chǎn)品水分而故意為之，浮選時可通過相關措施保證入料粒度；主導粒級為小于0.045 mm，其含量為32.33%、灰分為27.87%，該粒級含量最高，且灰分明顯高于其余粒級及整體粒級，為得到低灰精煤浮選時尤其應重視該粒級的選擇性。

樣品主導密度級為小于1.3 kg/L，含量為55.89%，灰分為4.31%，煤樣內(nèi)灰極低，具備生產(chǎn)低灰精煤的可能性，1.4～1.7 kg/L中間密度物含量較低，煤樣解離充分，有利于浮選。

1.1.3 礦物組成及含量

樣品的礦物組成通過X射線衍射光譜測定。測試條件：衍射儀型號D8 ADVANCE，射線管電壓40 kV，電流30 mA，掃描速度0.07 sec/step，采樣間隔0.019 450 step。結果見圖2。

圖2 樣品X射線衍射圖譜

由圖2可知，樣品中主要晶相礦物為高嶺土、石英、方解石和黃鐵礦。

樣品的元素含量通過X射線熒光光譜測定，測試條件：儀器型號S8 TIGER，測量方式：無標樣近似定量。

同時，根據(jù)礦物組成(圖2)及元素含量、利用各礦物的化學式即可大致推測樣品中主要礦物的含量，具體見表3。

由表3可知，除碳外，樣品中主要礦物為高嶺土，其次為石英，其中高嶺土含量約占樣品中主要礦物的80%以上。而高嶺土是典型的粘土礦物，具備制磚的技術可行性[10]。

表3 樣品元素組成(X射線熒光光譜數(shù)據(jù))

1.2 試驗方法及指標

浮選試驗按照GB/T 4757—2013進行，試驗前將樣品中大于0.5 mm粒級浮選過粗粒篩除。

試驗以浮精灰分、浮尾灰分為指標。試驗產(chǎn)品最終指標要求：精煤灰分不大于8.5%，尾煤灰分不小于75%。

2 結果及討論

2.1 藥劑選擇試驗

低階煙煤煤泥浮選的關鍵藥劑為捕收劑。本次共選擇4種進行試驗，其中：柴油為目前選煤廠浮選的常規(guī)捕收劑，一般用于煉焦配煤或無煙煤的煤泥浮選，此處主要作為效果對比基準；HZB-01由河南合力合眾公司研發(fā)生產(chǎn)，專用于低階煙煤煤泥浮選，該種捕收劑中雜質較少、不易沉淀、刺激性氣味較輕，之前已在朔中劉家口選煤廠中得到應用，效果較好，但價格較高，約是常規(guī)捕收劑價格的4倍左右；燕家河捕收劑，是燕家河選煤廠現(xiàn)用的浮選捕收劑，該廠入洗煤種為不粘煤和弱粘煤，目前效果較好，且價格較低，與柴油價格相似，但藥劑粘稠、不易分散、且刺激性氣味嚴重；列出的naclo捕收劑(廠家未注明型號)由美國納爾科公司生產(chǎn)，之前應用于氣化灰(表面嚴重氧化，表面疏水性較低階煙煤更差)浮選時體現(xiàn)出了優(yōu)良的浮選效果，推測也可用于低階煙煤浮選，該種捕收劑非常純凈、無任何雜質，且無刺激性氣味，但價格甚至較HZB-01更高。

起泡劑選用常規(guī)的仲辛醇。

捕收劑選擇試驗采用一次加藥，刮泡3 min，1 t干煤泥藥量1.8 kg，具體結果見表4。

表4 捕收劑選擇試驗

由表4可知，① 相同藥劑量下，不同捕收劑種類均呈現(xiàn)出低油比(捕收劑與起泡劑的質量比)時效果更好，體現(xiàn)為精煤產(chǎn)率更高、精煤灰分更低，說明起泡劑的用量對此種煤泥的浮選效果影響較為顯著；② 相同藥量下燕家河與naclo捕收劑的捕收效果明顯優(yōu)于柴油和HZB-01，考慮藥劑成本，更推薦燕家河捕收劑；③ 藥劑量在1.8 kg/(t干煤泥)時，精煤灰分均較低，大部分符合要求，但尾煤灰分也較低，相較要求值甚遠。

2.2 浮選工藝試驗

2.2.1 藥劑制度及添加方式

捕收劑選擇試驗的浮選尾煤灰分普遍偏低，因而優(yōu)化藥劑制度的主要方向是增加藥量。但增加藥量后，如仍采用捕收劑選擇試驗中1∶1的油比，就意味著起泡劑的添加量很高，可能會使循環(huán)水中殘留較高的起泡劑量，進而對生產(chǎn)產(chǎn)生不利影響。故本次試驗在提升藥劑用量后，首先使用油比為2進行試驗，捕收劑使用燕家河捕收劑。

藥劑制度及添加方式優(yōu)化試驗結果見表5。

表5 藥劑制度及添加方式

由表5可知，在較高藥量下，低油比和高油比實驗結果類似(序號1、2)，說明4.2 kg藥量偏高；相同藥量下，分次加藥更有利于提高浮選的選擇性，分次加藥的同時延長浮選時間對尾礦提灰效果非常明顯(序號1、3)；1 t干煤泥3.6 kg 藥量、油比2、分次加藥、浮選時間4.5 min時，可有效保證浮選尾煤灰分滿足要求，但浮選精煤灰分明顯超標。

2.2.2 浮選速度試驗

目前降低浮選精煤灰分的方式有很多，包括使用浮選抑制劑，抑制浮選過程中細泥的浮出量；使用脫泥浮選，以減少入料中的細泥量；采用浮選泡沫精選以減少細泥夾帶等方式。目前，精選方式因便于操作、對浮選回收率降低小而應用最廣。隨著浮選的進行，不同時間段的精礦泡沫灰分是有一定差別的，如某時間段泡沫灰分滿足要求，則可不進精選，以減少精選入料量，從而降低浮選精選設備的數(shù)量和能耗。不同時間段的精礦泡沫灰分可通過浮選速度試驗進行考察，采用1 t干煤量加藥量3.6 kg，油比2∶1，分次3次加藥1.5 min、1.5 min、1.0 min，每次加1/3，試驗結果見表6。

由表6可知，分次加藥、延長浮選時間時，前90 s泡沫產(chǎn)品(對于多槽浮選機而言，一般相當于第一槽的浮選精礦)灰分合格，不需精選；第180～240 s泡沫灰分加權值為39.59%，且量較少，如這部分精礦進入精選，將加大精選降灰難度，且對提高精煤產(chǎn)率幫助非常小，設計流程時此部分應有兩種去向，一是如灰分不太高則去精選，二是直接出一個中煤產(chǎn)品，不再進精選；如180～240 s泡沫也去精選，則精選入料量為入料量的59.23%。

表6 浮選速度試驗

2.2.3 精選試驗及流程設計

由藥劑選擇、藥劑制度、添加方式等試驗得到了浮選尾煤灰分滿足要求的試驗條件，由浮選速度試驗得到了需要進精選的泡沫的對應時間段，在此基礎上即可進行精選試驗及浮選工藝流程設計。精選試驗結果見表7。

由表7可知，前90 s泡沫不精選，90～240 s泡沫去精選，一次精選可脫除數(shù)量為4.52%、灰分為77.68%的高灰物料，這部分灰分較高可與粗選尾礦摻混做最終尾煤，其產(chǎn)率為14.45%、灰分為78.39%(尾1與尾2累計)；一次精選后，一次精選的泡沫與前90 s泡沫摻混后的產(chǎn)率為85.55%、灰分為8.26%(精1、精2、尾3累計)，滿足精煤指標要求。據(jù)此，在考慮對煤質適應性的基礎上，即可完成浮選流程設計，見圖3。

表7 精選試驗

圖3 浮選工藝設計

3 結 語

(1)樣品氧元素含量較高，表面賦存形式主要以羥基為主。

(2)相較于常規(guī)捕收劑，高效捕收劑可明顯降低藥耗、提高浮選效果；分次加藥劑延長浮選時間對提高低階煙煤煤泥浮選尾礦灰分效果明顯，且可提高浮選選擇性。

(3)使用粗選+多級精選的工藝流程可充分滿足生產(chǎn)低灰精煤和高灰尾煤的要求，同時多級精選可選擇出中煤，且中煤量相較于浮選入料明顯偏少，可與選煤廠重選精煤摻混作動力煤用。

(4)低階煙煤煤泥的深度浮選，一定程度上必然意味著流程的復雜化(也即選煤趨向選礦)。因此，在實施前應進行詳細的經(jīng)濟分析。