毛一選，馬昊天，韓 磊，侯治權(quán)，顧藝揚(yáng)

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083)

煤炭是我國第一大能源，由于我國能源賦存狀態(tài)“缺油、少氣、富煤”的特點(diǎn)，煤炭在我國作為主體能源的地位在未來很長一段時(shí)間內(nèi)不會(huì)發(fā)生改變[1-2]。我國煤炭資源變質(zhì)條件相對(duì)較差，有著“貧礦多，富礦少”的資源特征，含雜質(zhì)量高的低品質(zhì)煤炭資源儲(chǔ)量占比較大[3]。隨著優(yōu)質(zhì)富礦煤炭資源的消耗，在我國提出的碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)背景下，低品質(zhì)煤炭資源的清潔高效開發(fā)利用必然成為實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高速高品質(zhì)發(fā)展和促進(jìn)生態(tài)環(huán)境改善的戰(zhàn)略抉擇[4]，低階煤炭資源的充分開發(fā)利用也是保證國家能源安全的重要手段[5]。

低階煤機(jī)械規(guī)模化開采、洗選提質(zhì)過程中會(huì)產(chǎn)生較多低品質(zhì)煤泥，因其粒度較細(xì)、含水量高、黏性大、灰分高等特點(diǎn)，導(dǎo)致這部分煤炭的處理相當(dāng)困難。對(duì)此類細(xì)顆粒煤泥最常規(guī)的提質(zhì)處理方法為浮選法[6-7]。煤炭的浮選方法是通過捕收劑增強(qiáng)煤粒表面的疏水性，實(shí)現(xiàn)氣泡礦化并與親水的矸石分離[8]。長期以來，我國煤泥浮選基本使用柴油、煤油等傳統(tǒng)烴類油作為捕收劑[9]，然而烴類油捕收劑很難在低階煤表面充分鋪展，故難以促進(jìn)低階煤顆粒與氣泡之間的有效黏附[10]，導(dǎo)致藥劑消耗量較大，浮選回收效果較差，同時(shí)非極性烴類油對(duì)環(huán)境相對(duì)不友好，故低階煤煤泥難以采用常規(guī)浮選法降灰提質(zhì)。因此開發(fā)適合低階煤煤泥浮選的高效環(huán)保捕收劑是當(dāng)下低階煤煤泥潔凈綜合利用過程中急需解決的技術(shù)難題[6]。

本文選取花生油、乳木果油、蓖麻油、稻米油和煤油作為捕收劑，研究了植物油作為煤泥浮選捕收劑時(shí)對(duì)低階煤浮選效果的影響，對(duì)比了不同種類植物油和煤油的浮選效果，探討了植物油作為低階煤浮選捕收劑的可行性。

1 試驗(yàn)樣品與方法

1.1 試驗(yàn)煤樣

選取內(nèi)蒙古某選煤廠所產(chǎn)-0.5 mm的細(xì)粒煤泥作為試驗(yàn)的研究對(duì)象，測量得煤樣灰分為40.32%，將煤樣在40 ℃的條件下進(jìn)行低溫烘干，再按照國標(biāo)GB/T477—2008規(guī)定進(jìn)行篩分試驗(yàn)[11]，表1為篩分試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)。

表1 細(xì)粒煤泥粒度分析結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果可以得出，-0.074 mm的產(chǎn)物產(chǎn)率為79.46%，其灰分為45.41%；-0.045 mm的產(chǎn)物產(chǎn)率為73.42%，其灰分為45.82%.可以看出，該細(xì)粒煤泥的產(chǎn)率與灰分相對(duì)較高，因此推測該煤樣中含有大量高灰分細(xì)粒煤泥，高灰分細(xì)粒煤泥出現(xiàn)在浮選過程中容易產(chǎn)生因細(xì)粒煤泥夾帶作用而導(dǎo)致的細(xì)泥罩蓋現(xiàn)象，從而影響浮選的效果[12]。

選用氯化鋅溶液為浮沉實(shí)驗(yàn)介質(zhì)并對(duì)煤樣作了密度組成分析[13],試驗(yàn)按照國標(biāo)GB/T478—2008規(guī)定進(jìn)行,各煤樣的密度組成及實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2.由試驗(yàn)結(jié)果得出，煤樣顆粒密度級(jí)別主要集中在1.30～1.40 g/cm3，其占比27.98%，灰分為8.78%； +1.80 g/cm3密度級(jí)顆粒占比38.21%，灰分為78.14%.

表2 煤泥密度分析結(jié)果

1.2 試驗(yàn)方法與藥劑

按照國標(biāo)GB/T4757—2013規(guī)定進(jìn)行煤泥浮選試驗(yàn)。浮選機(jī)選用XFD型充氣單槽浮選機(jī)，其槽體容積為0.5 L.試驗(yàn)流程如下:稱取40 g的煤樣，放至浮選槽中，然后加入0.5 L的水，配制0.5 L80 g/L的礦漿。在關(guān)閉充氣閥門的狀態(tài)下進(jìn)行攪拌，攪拌主軸轉(zhuǎn)速為1 800 r/min，攪拌機(jī)的持續(xù)時(shí)間約為2 min,接著在浮選槽中添加了一定量的捕收劑,并持續(xù)攪動(dòng)1 min左右,接著添加捕收劑,在持續(xù)攪動(dòng)10 s后開啟充氣閥，同時(shí)啟動(dòng)浮選機(jī)刮板進(jìn)行刮泡，并收集泡沫，3 min后停止加水并關(guān)閉浮選機(jī)和充氣閥門。用真空抽濾機(jī)處理精尾煤并放入高溫干燥箱對(duì)煤樣進(jìn)行干燥處理。對(duì)干燥后的產(chǎn)物進(jìn)行稱重，用二分法進(jìn)行樣品縮分，再次過篩。對(duì)粒度大于0.2 mm的顆粒進(jìn)行研磨，完成制樣，并化驗(yàn)灰分[14]。試驗(yàn)條件及參數(shù)為：控制礦漿濃度恒為80 g/L，起泡劑的用量4 000～8 000 g/t，油比固定為10.浮選效果采用精煤產(chǎn)率、精煤灰分和浮選完善指標(biāo)(η，%)進(jìn)行評(píng)價(jià)，精煤產(chǎn)率和浮選完善指標(biāo)的計(jì)算方法如下：

(1)[15]

式中：ε為可燃體回收率，%；Ay為原煤灰分，%；γy為原煤產(chǎn)率，%；Aj為精煤灰分，%；γi為精煤產(chǎn)率，%.

(2)

式中：ηwf為浮選完善指標(biāo)，%；γc為浮選精煤產(chǎn)率，%；Ad,c為浮選精煤灰分，%；Ad,f為浮選入料灰分，%.

(3)

式中：εs為精煤實(shí)際回收率，%；α為原礦品位，%；β為精礦品位，%；γ為精礦產(chǎn)率，%.

(4)

式中：εL為精煤理論回收率，%；α為原礦品位，%；β為精礦品位，%；θ為尾礦品位，%.

不同組別的試驗(yàn)使用控制變量法，分別研究捕收劑的用量和捕收劑的種類對(duì)煤泥浮選的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 捕收劑用量對(duì)浮選的影響

選取煤油作為浮選試驗(yàn)的捕收劑，并將礦漿濃度固定在80 g/L，油比為10∶1，煤油捕收劑用量選用4 000 g/t、5 000 g/t 、6 000 g/t、7 000 g/t和8 000 g/t，研究煤油用量對(duì)低階煤浮選效果的影響，浮選結(jié)果如圖 1、圖 2所示。

圖1 煤油用量對(duì)精煤產(chǎn)率與灰分的影響

圖2 煤油用量對(duì)浮選完善指標(biāo)的影響

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在油比不變的條件下，浮選效果隨著捕收劑用量增加有著明顯改善，精煤產(chǎn)率提高，在8 000 g/t的用量下達(dá)到了48.78%，雖然精煤的灰分也有所提高，從17.34%升高到了20.12%，但浮選完善指標(biāo)不斷增大，由31.25%升高到了40.66%，表明浮選的效果變好。由此得出在使用煤油作捕收劑時(shí)，浮選效果與捕收劑用量成正比，但灰分會(huì)有所提高。

2.2 植物油捕收劑對(duì)浮選的影響

為探究植物油作為捕收劑對(duì)浮選效果的影響，固定捕收劑用量為1 000 g/t，起泡劑用量為600 g/t，分別選用花生油、乳木果油、蓖麻油和稻米油進(jìn)行浮選試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 植物油浮選效果

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在相同的用量及實(shí)驗(yàn)條件下，4種植物油中浮選效果最好的為花生油，其精煤產(chǎn)率達(dá)到50.43%，精煤灰分為14.88%，浮選完善指標(biāo)為51.04%，遠(yuǎn)超煤油； 乳木果油次之，精煤產(chǎn)率為47.01%，精煤灰分為14.45%，浮選完善指標(biāo)為48.43%；稻米油作捕收劑效果一般，精煤產(chǎn)率為35.38%，精煤灰分為15.78%，浮選完善指標(biāo)為34.47%；蓖麻油浮選效果較差，精煤產(chǎn)率為34.58%.精煤灰分為18.08%，浮選完善指標(biāo)為30.33%.4種植物油中只有花生油和乳木果油的浮選完善指標(biāo)超過了煤油(8 000 g/t時(shí)的最高浮選完善指標(biāo)40.66%)，稻米油和蓖麻油對(duì)浮選效果的提升都不是很理想，故將選取效果最好的花生油進(jìn)行進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)。

2.3 花生油用量對(duì)浮選效果的影響

為進(jìn)一步探究花生油作為低階煤浮選捕收劑的可行性，研究花生油用量對(duì)浮選效果的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖 4、圖 5所示。

圖4 花生油用量對(duì)精煤產(chǎn)率和灰分的影響

圖5 花生油用量對(duì)浮選完善指標(biāo)的影響

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，花生油做捕收劑時(shí)對(duì)浮選效果的提升隨著藥劑用量的增加而增加，且趨勢較為穩(wěn)定，精煤產(chǎn)率不斷提高，在3 000 g/t時(shí)達(dá)到了55.53%，效果明顯好于煤油；藥劑用量增加的同時(shí)灰分也隨之增高，在實(shí)驗(yàn)中最高達(dá)到了17.89%，與3 000 g/t用量下煤油作捕收劑時(shí)的17.34%灰分相近；浮選完善指標(biāo)高達(dá)51.33%，高于煤油在8 000 g/t用量時(shí)40.66%的指標(biāo)?？梢缘贸鲈谙嗤瑢?shí)驗(yàn)條件下，花生油作捕收劑的效果優(yōu)于煤油。花生油更大用量的捕收效果仍需進(jìn)一步研究。

3 結(jié) 語

1) 捕收劑的種類和用量對(duì)煤泥的浮選效果影響顯著，藥劑選擇時(shí)應(yīng)兼顧捕收性和選擇性，同時(shí)要對(duì)藥劑用量進(jìn)行優(yōu)化，確定最佳加藥量。

2) 4種植物油作捕收劑的浮選完善指標(biāo)由高到低依次為花生油、乳木果油、稻米油、蓖麻油。精煤產(chǎn)率由高到低依次為花生油、乳木果油、蓖麻油、稻米油。

3) 植物油中，花生油作為捕收劑時(shí)浮選效果要明顯優(yōu)于其他植物油捕收劑。在藥劑用量相同的情況下，花生油與乳木果油的浮選效果均優(yōu)于煤油，而稻米油與蓖麻油則不如煤油。在花生油的浮選實(shí)驗(yàn)中，精煤產(chǎn)率可達(dá)到50.43%.因此確定了植物油作捕收劑的可行性，證明了選用更優(yōu)的植物油捕收劑可以提高精煤產(chǎn)率，降低精煤灰分，通過更多的實(shí)驗(yàn)與計(jì)算，后續(xù)應(yīng)該可以找出更加經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的植物油捕收劑。