陳洪德,房朝軍,2,3,鄧小偉,呂 波

(1.中鋁中州鋁業(yè)有限公司,河南 焦作 454171;2.河南理工大學 化學化工學院,河南 焦作 454000;3.煤炭安全生產(chǎn)與清潔高效利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心,河南 焦作 454000;4.鄂爾多斯市炭源科技有限公司,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017010)

根據(jù)《中國礦產(chǎn)資源報告2020》,我國鋁土礦資源儲量超過50億噸[1]。煤系地層覆蓋鋁土礦是我國鋁土礦資源的重要組成部分,山西、河南已查明鋁土礦資源的60%～70%屬煤系地層覆蓋鋁土礦[2-3]。隨著淺地表鋁土礦資源的日益消耗,煤系地層覆蓋鋁土礦資源的開發(fā)利用日益成為研究的重點[4-5]。煤系地層覆蓋鋁土礦一般指300 m以深煤礦區(qū)煤層深部的鋁土礦,其仍位于鋁土礦成礦帶,是淺部中大型鋁礦床的自然延伸[6]。與淺地表鋁土礦相比,由于沒有風化作用和SiO2的流失,其鋁硅比較低,硫含量較高且分布不均[7]。硫含量過高會嚴重影響拜耳法生產(chǎn)氧化鋁的過程,引發(fā)堿耗增加、設備腐蝕、沉降變慢、產(chǎn)品質(zhì)量降低等問題[8],因此需要對煤系高硫鋁土礦進行預先脫硫。

目前鋁土礦脫硫主要有焙燒法、添加脫硫劑法、浮選法等[9-10]。焙燒法可以快速脫硫并能改善鋁土礦的溶出和沉降性能,但能耗高,與國家碳達峰碳中和目標不相適應[11-15]。在拜耳法過程中添加氧化鋅、氧化鋇、鋁、鐵等脫硫劑可以有效脫除高硫鋁土礦中的硫分,但添加劑成本較高,且不能重復利用,限制了其大規(guī)模應用[16-19]。浮選法脫硫能耗較低,污染較小,流程簡單易操作,成本不高,可有效降低鋁土礦中的硫分[20-21]。針對煤系地層覆蓋鋁土礦開展浮選脫硫研究,通過優(yōu)化工藝條件,實現(xiàn)高硫鋁土礦的高效脫硫。

1 試驗材料及試驗方法

1.1 試驗樣品

試驗樣品取自山西省,礦石結構為它形柱狀晶粒結構或自形半自形晶粒結構,顆粒呈粒狀、屑狀、鮞狀、蜂窩狀、致密狀,礦石構造主要為層狀、似層狀、塊狀等。主要化學組分及含量如表1所示。

表1 鋁土礦樣品化學組成

由表1可知,鋁土礦樣品主要化學組分為Al2O3、SiO2、Fe2O3和TiO2,四種組分約占總量的85%,次要組分為鉀、鈣、鈉、鎂等元素的氧化物及一定量的硫。該樣品鋁硅比約為5.5,鐵、鈦組分含量不高,但硫含量達0.79%。

為了解樣品主要礦物組成及含量,對其進行XRD分析,結果如圖1和表2所示。

圖1 煤系地層覆蓋鋁土礦XRD譜圖

表2 煤系地層覆蓋鋁土礦物相組成及半定量分析

由物相分析結果可知,煤系地層覆蓋鋁土礦主要含鋁礦物為一水硬鋁石,其含量高達68%,硅主要以高嶺石、葉臘石和伊利石等形式存在,鈦主要賦存于金紅石和銳鈦礦,而硫元素主要存在于黃鐵礦中。

結合元素分析和物相分析結果可知,試驗樣品為典型煤系地層覆蓋高硫鋁土礦,其化學組成和物相組成與普通鋁土礦相似,含硫量接近0.8%,顯著高于拜耳法要求,因此需要對其進行預脫硫處理。

1.2 試驗方法

通過單因素試驗優(yōu)化鋁土礦浮選脫硫工藝條件,試驗工藝流程和預置試驗條件如圖2所示,各因素的不同水平設置如表3所示。

圖2 單因素浮選試驗工藝流程圖和預置試驗條件

表3 磨礦細度和浮選藥劑用量條件

1.3 結果表征

鋁土礦浮選脫硫過程中常用鋁精礦中的硫含量表示脫硫效果。然而,除鋁精礦中硫含量需要符合要求外,使用脫硫率表示鋁土礦脫硫效果更加能夠體現(xiàn)浮選脫硫效果。脫硫率計算方法如式(1)所示。

(1)

式中:E——脫硫率,%;

A——鋁精礦產(chǎn)率,%;

α——鋁精礦中硫品位,%;

B——尾礦產(chǎn)率,%;

β——尾礦中硫品位,%。

2 試驗結果與討論

2.1 不同粒級鋁土礦組分分布

由于含鋁、硅、鐵、硫礦物存在硬度差異,具有選擇性磨礦分離的可能。因此,在對礦樣進行磨礦浮選脫硫之前,先將礦樣進行篩分分級,探究鋁土礦鋁硅組分及硫組分在不同粒級中的分布,結果如表4所示。

表4 不同粒級鋁土礦中氧化鋁、二氧化硅、硫組分分布

由表4可知,不同粒級鋁土礦中硫含量變化不大,其中-0.074～+0.038 mm粒級含硫量最高為0.96%,-0.038 mm粒級含硫量最低為0.70%,不具備選擇性脫硫條件。不同粒級鋁土礦中鋁硅含量略有差異,+1 mm粒級鋁硅比較原礦僅提高了0.97,-0.038 mm粒級鋁硅比雖有所下降,但是其值仍超過4.0,不具備選擇性脫硅條件。因此,需要對鋁土礦樣品磨礦后進行浮選脫硫。

2.2 磨礦細度對鋁土礦浮選脫硫的影響

為考察磨礦細度對煤系地層覆蓋鋁土礦浮選脫硫的影響,選取60%、70%、80%、90%四個磨礦細度進行浮選試驗研究,結果如表5所示。

表5 磨礦細度對鋁土礦浮選脫硫的影響

結果表明,隨著磨礦細度的增加,鋁精礦產(chǎn)率逐漸降低,鋁精礦中硫含量先降低后升高,而脫硫率在-0.074 mm占80%最高。因此可知,當磨礦粒度過粗(-0.074 mm占60%)時,黃鐵礦未能實現(xiàn)足夠的單體解離,部分黃鐵礦難以隨泡沫上浮導致鋁精礦硫含量較高。當磨礦粒度過細(-0.074 mm占90%)時,黃鐵礦雖能實現(xiàn)單體解離,但由于粒度過細加重了夾帶現(xiàn)象,導致脫硫效率降低,同時過度磨礦會增加生產(chǎn)成本。而當磨礦細度適中時(-0.074 mm占80%),既能保證黃鐵礦的有效單體解離,又可避免過度磨礦,所得鋁精礦硫含量最低,脫硫效率最高。

2.3 抑制劑用量對浮選脫硫的影響

在選取合適磨礦細度保證礦物有效單體解離的前提下,鋁土礦浮選脫硫的關鍵在于黃鐵礦和其他礦物尤其是含鋁硅礦物的分離。為降低鋁硅礦物可浮性,選取HP作為鋁硅礦物浮選抑制劑,試驗考查抑制劑用量對鋁土礦浮選脫硫的影響,結果如圖3所示。

圖3 不同抑制劑用量下的鋁精礦硫含量及鋁土礦脫硫率

由圖3可知,HP抑制劑可顯著提高脫硫率,同時有效降低鋁精礦中硫含量。隨著抑制劑用量的增加,鋁土礦脫硫率逐漸增加且鋁精礦中硫含量逐漸降低,分選效果逐步增強。然而,當HP用量超過2000 g/t時,繼續(xù)增加抑制劑用量,脫硫效果反而降低,其主要原因是抑制劑的過量添加降低了黃鐵礦和其他礦物的可浮性差異,并最終導致分選效果的下降。因此,抑制劑的用量確定為2000 g/t。

2.4 活化劑用量對浮選脫硫的影響

添加抑制劑可以在一定程度上降低鋁硅礦物的可浮性,但是黃鐵礦天然可浮性較差,往往需要添加活化劑才能被黃藥類捕收劑高效捕收。試驗選取五水硫酸銅作為黃鐵礦的活化劑,通過設置不同用量水平,考查硫酸銅用量對鋁土礦浮選脫硫的影響。圖4所示為不同硫酸銅用量下鋁土礦的浮選脫硫行為。

圖4 不同活化劑用量下的鋁精礦硫含量及鋁土礦脫硫率

由圖4可知,隨五水硫酸銅用量的增加,鋁土礦的脫硫率先升高后降低,而鋁精礦中的硫含量則先降低后升高。結果表明,硫酸銅可以顯著提高鋁土礦的脫硫效率,未添加活化劑時,脫硫率僅為63.28%,當硫酸銅用量為100 g/t時,鋁土礦脫硫率可增加至66.83%,同時鋁精礦含硫量從0.40%降低至0.33%。但是,當硫酸銅用量繼續(xù)增加,礦漿金屬離子濃度過量時,則會惡化鋁土礦的脫硫效果。因此,活化劑用量確定為100 g/t。

2.5 捕收劑用量對浮選脫硫的影響

捕收劑是增加礦物間可浮性差異、提高不同礦物分選效率的關鍵,在浮選藥劑中具有重要的地位。試驗選取丁黃藥為捕收劑,通過設置不同用量水平,考查捕收劑用量對煤系地層覆蓋鋁土礦浮選脫硫的影響,結果如圖5所示。

圖5 不同捕收劑用量下的鋁精礦硫含量及鋁土礦脫硫率

由圖5可知,當捕收劑用量較低時,隨著捕收劑用量的增加,鋁土礦脫硫率持續(xù)升高,同時鋁精礦中硫含量持續(xù)降低。然而,當捕收劑用量超過500 g/t時,其脫硫效率增加速率明顯變緩,表明捕收劑用量在500 g/t時,經(jīng)活化的具有較好可浮性的黃鐵礦已基本可以跟隨泡沫上浮,且鋁精礦含硫量低于0.3%,符合精礦產(chǎn)品質(zhì)量要求。繼續(xù)增加捕收劑用量,雖可稍微提高脫硫率,但部分鋁精礦也會跟隨泡沫產(chǎn)品上浮,導致鋁精礦產(chǎn)率和回收率的顯著下降。因此,捕收劑用量確定為500 g/t。

2.6 浮選脫硫閉路試驗研究

根據(jù)上述單因素條件試驗優(yōu)化確定的工藝條件,采用“一粗一精一掃”工藝流程,對煤系地層覆蓋鋁土礦進行浮選脫硫閉路試驗,試驗流程和結果分別如圖6和表6所示。

圖6 浮選脫硫閉路試驗工藝流程圖

表6 浮選脫硫閉路試驗結果

由閉路試驗結果可知,采用優(yōu)化后的磨礦細度和藥劑用量工藝條件,采用“一粗一精一掃”浮選工藝流程,可將煤系地層覆蓋鋁土礦含硫量從0.81%降低至0.29%,且鋁精礦中氧化鋁回收率高達92.31%。

3 結 論

(1)煤系地層覆蓋鋁土礦含硫組分主要為黃鐵礦,其賦存狀態(tài)復雜,不具備選擇性磨礦脫硫條件。宜進行浮選脫硫。

(2)磨礦細度和浮選藥劑用量對鋁土礦浮選脫硫具有重要影響,當磨礦細度為-0.074mm占80%,抑制劑用量2000 g/t,活化劑用量100 g/t,捕收劑用量500 g/t時,最有利于鋁土礦浮選脫硫。

(3)在最佳浮選工藝條件下,采用“一粗一精一掃”閉路試驗工藝流程,可以將煤系地層覆蓋鋁土礦含硫量從0.81%降至0.29%,鋁精礦氧化鋁回收率高達92.31%。