耿 鵬 岳

（中煤科工集團(tuán)武漢設(shè)計(jì)研究院有限公司, 湖北 武漢 430000）

0 引 言

褐煤、長(zhǎng)焰煤、弱黏煤等低階煤占我國(guó)煤炭資源總量的50%以上[1-2]。隨著焦煤、無(wú)煙煤等高階煤資源的消耗，低階煤在我國(guó)煤炭資源中具有十分重要的位置。但低階煤熱量較低，灰分較高且易碎，產(chǎn)生的煤泥量較大[3-5]。低階煤煤泥會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染且造成資源浪費(fèi)。因此在工業(yè)使用前需對(duì)低階煤進(jìn)行提質(zhì)與清潔利用，以減少資源的浪費(fèi)和環(huán)境污染[6]。

浮選是利用煤與矸石表面疏水性的差異對(duì)精煤進(jìn)行回收，是回收細(xì)粒煤和超細(xì)粒的有效方法[7-8]。但低階煤表面存在較多的羧基、羥基等含氧官能團(tuán)，且其孔隙較發(fā)達(dá)，阻礙了低階煤表面與藥劑的吸附，藥劑用量較大，浮選效果差[9-11]。目前提高低階煤的浮選性能主要分為2 個(gè)方面：①開發(fā)新的浮選藥劑，如復(fù)配捕收劑，加入表面活性劑等[12-14]；②對(duì)顆粒表面進(jìn)行處理[15-17]，如超聲、微波、孔隙壓縮等，提高低階煤表面的疏水性，從而改善了低階煤的浮選效果。針對(duì)低階煤可浮性、浮選效果差的缺點(diǎn)，找出有效、切行的浮選方法對(duì)低階煤資源的有效利用具有重大意義。

載體浮選是利用可浮性較好的礦粒作為載體，選擇性的黏附細(xì)顆粒將其浮選出來(lái)的一種方法[18-19]。載體浮選分為自載體浮選和外加載體浮選[20]。自載體浮選為采用和自身性質(zhì)相同的礦物作為載體[21]，張秀梅等[22]以浮選精煤作為自載體并經(jīng)過(guò)4 次循環(huán)，使得浮選精煤產(chǎn)率提高了7.11%，灰分降低了1.14%。ZHANG 等[23]以粗粒聚苯乙烯作為載體對(duì)超細(xì)鎳鐵礦進(jìn)行浮選，在中性pH 條件下，油酸鈉捕收劑用量為8×10-4mol/L，聚苯乙烯載體用量為70 kg/t，在轉(zhuǎn)速2 000 r/min 下，浮選回收率可以達(dá)到95.69%。朱陽(yáng)戈等[24]利用自載體浮選工藝對(duì)攀枝花難處理微細(xì)粒鈦鐵礦實(shí)際礦物進(jìn)行浮選，與細(xì)粒級(jí)礦物單獨(dú)浮選相比，粒級(jí)0～20 μm 的礦物回收率提高了9.4%。

載體浮選應(yīng)用于低階煤浮選中尚處于探索階段，近年來(lái)有學(xué)者也對(duì)此展開了相關(guān)研究。董世武等[25]采用煉焦廠的重選精煤作為載體，浮選低階煤，結(jié)果表明：當(dāng)載體粒級(jí)為0.5～0.25 mm 時(shí)，浮選效果更好，精煤產(chǎn)率提高了近14.00%，且載體回收率為98.92%，但未對(duì)載體提升低階煤浮選效果的機(jī)理進(jìn)行探究。

本次研究采用上海廟選煤廠的＜1.30 g/cm3無(wú)煙煤作為載體、陜西榆家梁選煤廠長(zhǎng)焰煤作為浮選入料進(jìn)行了載體浮選試驗(yàn)，并通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM）以及電子顯微鏡等現(xiàn)代分析技術(shù)，揭示了載體浮選對(duì)低階煤浮選效果的提升機(jī)理。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

以陜西榆家梁的-0.2 mm 長(zhǎng)焰煤為試驗(yàn)對(duì)象，灰分為26.94%，其粒度分析見表1。從表1 中可以看出長(zhǎng)焰煤的細(xì)粒級(jí)含量較多為49.65%，灰分也較高37.57%，這部分高灰細(xì)泥在浮選過(guò)程中容易造成細(xì)泥罩蓋，使得浮選效果惡化。

表1 長(zhǎng)焰煤粒度分析結(jié)果Table 1 Results of long flame coal size distribution

載體顆粒為內(nèi)蒙古上海廟的無(wú)煙煤，通過(guò)浮沉試驗(yàn)分選出密度級(jí)為-1.30 g/cm-3的產(chǎn)品，并通過(guò)小篩分試驗(yàn)分為不同粒度級(jí)（0.5～0.25 mm、0.25～0.125 mm、0.125～0.074 mm、-0.074 mm）的載體，其灰分分別為3.59%、3.52%、4.41%和6.27%。對(duì)上海廟無(wú)煙煤和榆家梁長(zhǎng)焰煤進(jìn)行XRD 分析，結(jié)果如圖1 所示。從圖1 可以看出，長(zhǎng)焰煤中主要存在的脈石礦物為石英和高嶺土，無(wú)煙煤中主要存在的脈石礦物為高嶺土，其中高嶺土易造成細(xì)泥罩蓋和機(jī)械夾帶，使得浮選效果惡化，利用常規(guī)的浮選方法可能會(huì)使得浮選效果較差，所以需要對(duì)浮選過(guò)程強(qiáng)化。

圖1 長(zhǎng)焰煤及無(wú)煙煤XRD 圖譜Fig.1 The result of XRD: of long flame coal and anthracite.

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1浮選方法

采用0.5 L 的XFD 機(jī)械攪拌式浮選機(jī)進(jìn)行浮選試驗(yàn)。將不同濃度的礦漿放置在浮選槽中進(jìn)行攪拌，攪拌時(shí)間為3 min，攪拌轉(zhuǎn)速為1 800 r/min，攪拌后加入捕收劑（煤油），攪拌1 min 后加入起泡劑（仲辛醇），30 s 后打開充氣閥門，進(jìn)行刮泡，刮泡時(shí)間為3 min。對(duì)精煤和尾煤進(jìn)行過(guò)濾，干燥和稱重。浮選參數(shù)及藥劑制度分別為：充氣量0.25 m3/(m2·min)，起泡劑用量100 g/t，捕收劑的用量2 000～6 000 g/t，礦漿質(zhì)量濃度30～60 g/L。

在載體浮選試驗(yàn)中，載體粒級(jí)選用0.5～0.25 mm、0.25～0.125 mm、0.125～0.074 mm 和-0.074 mm 的上海廟低灰精煤，載體比例為10∶1、10∶2、10∶3 和10∶4。試驗(yàn)過(guò)程中，先加入載體后加入礦漿進(jìn)行攪拌3 min，后續(xù)試驗(yàn)步驟同上。

在0.5～0.25 mm 載體浮選試驗(yàn)中，對(duì)精煤和尾煤進(jìn)行篩分，回收載體計(jì)算其回收率。

1.2.2 掃描電鏡（SEM）分析

在轉(zhuǎn)速為1 800 r/min、捕收劑用量為5 000 g/t和載體比例為10∶1 的條件下，分別配制濃度為40 g/L 的長(zhǎng)焰煤及長(zhǎng)焰煤+載體礦漿，將兩者分別攪拌3 min 后，取出1 mL 進(jìn)行烘干處理，對(duì)處理后的樣品進(jìn)行掃描電鏡分析。采用日本電子JSM-7800(Prime)型原位超高分辨場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)處理后的絮凝體進(jìn)行測(cè)定，分析細(xì)粒煤泥與載體之間的粘附關(guān)系。測(cè)試參數(shù)為：加速電壓15.00 kV，工作距離10.00 mm，壓力5.0×10-4Pa。

1.2.3 絮凝體圖像分析

礦漿進(jìn)行調(diào)漿3 min 后，取出1 mL 礦漿用去離子水將其稀釋100 倍后放入培養(yǎng)皿中，采用帶有長(zhǎng)鏡頭的佳能600 D 單反相機(jī)進(jìn)行絮凝體圖像拍攝。觀察加入載體前后細(xì)粒級(jí)長(zhǎng)焰煤絮凝體的變化規(guī)律，探究載體浮選的機(jī)理。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 常規(guī)浮選試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1.1 捕收劑用量對(duì)常規(guī)浮選結(jié)果的影響

在礦漿濃度為40 g/L 的條件下，捕收劑用量選用2 000、3 000、4 000、5 000、6 000 g/t 對(duì)長(zhǎng)焰煤進(jìn)行常規(guī)浮選試驗(yàn)，探究在滿足灰分要求（12%）下，長(zhǎng)焰煤浮選中的最佳藥劑用量，浮選結(jié)果如圖2所示。

圖2 藥劑用量對(duì)長(zhǎng)焰煤浮選的影響Fig.2 Effect of collector dosages on long flame coal flotation

由圖2 可知，隨著捕收劑用量的增加，精煤產(chǎn)率在不斷增加，精煤灰分呈現(xiàn)出先減少后增加的趨勢(shì)。當(dāng)捕收劑用量為5 000 g/t 時(shí)，精煤產(chǎn)率為68.04%，精煤灰分為11.65%，當(dāng)捕收劑用量為6 000 g/t 時(shí)，精煤產(chǎn)率為73.71%，精煤灰分達(dá)到12.15%，此時(shí)灰分超過(guò)12%，所以將捕收劑用量定為5 000 g/t。

2.1.2 礦漿濃度對(duì)常規(guī)浮選結(jié)果的影響

在藥劑用量為5 000 g/t 的條件下，礦漿濃度選用30、40、50、60 g/L 對(duì)其進(jìn)行常規(guī)浮選試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示。

圖3 礦漿濃度對(duì)長(zhǎng)焰煤浮選的影響Fig.3 Effect of pulp concentration on long flame coal flotation

由圖3 可知，隨著礦漿濃度的增加，精煤產(chǎn)率和灰分明顯增加。當(dāng)?shù)V漿質(zhì)量濃度為40 g/L 時(shí)，精煤產(chǎn)率為68.04%，精煤灰分為11.65%，當(dāng)?shù)V漿質(zhì)量濃度為50 g/L 時(shí)，灰分達(dá)到12.30%，超過(guò)精煤灰分12.00%以下的指標(biāo)，因此將礦漿濃度定為40 g/L。

2.2 載體浮選試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 載體粒級(jí)對(duì)載體浮選結(jié)果的影響

在常規(guī)浮選條件下，采用上海廟-1.3 g/cm3的無(wú)煙煤作為載體，載體粒級(jí)分別為0.5～0.25、0.25～0.125、0.125～0.074、-0.074 mm，載體比例為10∶1，對(duì)其進(jìn)行載體浮選試驗(yàn)，其結(jié)果如圖4 所示。

圖4 載體粒級(jí)對(duì)長(zhǎng)焰煤浮選的影響Fig.4 Effect of carrier size on long flame coal flotation

從圖4 可知，隨著載體粒顆粒粒級(jí)的逐漸減少，其精煤產(chǎn)率逐漸減少，當(dāng)載體粒級(jí)范圍為0.5～0.25 mm 時(shí)，其精煤產(chǎn)率為71.93%，精煤灰分為11.48%。與常規(guī)浮選對(duì)比，未加入載體時(shí)，其精煤產(chǎn)率為68.04%，精煤灰分為11.65%，加入載體后，精煤產(chǎn)率增加了3.89%，精煤灰分降低了0.17%，說(shuō)明載體浮選可以有效提高浮選效果。

2.2.2 載體比例對(duì)載體浮選結(jié)果的影響

選用0.5～0.25 mm 粒級(jí)的載體，對(duì)載體比例進(jìn)行探究，載體比例分別選為10∶1、10∶2、10∶3 和10∶4，在上述最佳條件下進(jìn)行載體浮選試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示。

圖5 載體質(zhì)量比對(duì)長(zhǎng)焰煤浮選的影響Fig.5 Effect of ratio of coal and carrier on long flame coal flotation

由圖5 可知，當(dāng)載體比例為10∶1 時(shí)，精煤產(chǎn)率為71.93%，精煤灰分為11.48%，當(dāng)載體比例為10∶2、10∶3 和10∶4 時(shí)，精煤灰分均超過(guò)12%，因此載體比例為10∶1 時(shí)，長(zhǎng)焰煤載體浮選效果更好。

2.2.3 載體回收率試驗(yàn)結(jié)果與分析

長(zhǎng)焰煤的粒級(jí)范圍為-0.2 mm，因此只對(duì)0.5～0.25 mm 粒級(jí)的載體進(jìn)行篩分回收，計(jì)算其回收率。在載體浮選試驗(yàn)中，產(chǎn)率是去除掉載體的量的產(chǎn)率，載體的量為載體回收率試驗(yàn)中回收的載體的量，載體回收率的結(jié)果見表2。

表2 0.5～0.25 mm 粒級(jí)載體回收率結(jié)果Table 2 0.5-0.25 mm particle size carrier recovery result

精煤中的載體回收率為98.48%，尾煤中載體的回收率僅為1.52%，尾煤中含有較少的載體，精煤中載體可以得到有效回收。

2.2.4 煤泥粒級(jí)對(duì)載體浮選試驗(yàn)結(jié)果的影響

為了研究載體對(duì)于各粒級(jí)長(zhǎng)焰煤浮選的作用效果，將原煤樣品分別篩選為0.2～0.125 mm、0.125～0.074 mm、0.074～0.045 mm 和-0.045 mm，在載體粒徑為0.5～0.25 mm、載體比例為10∶1 的條件下進(jìn)行了載體浮選試驗(yàn)，并與常規(guī)浮選試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，其結(jié)果如圖6 所示。

圖6 載體浮選與常規(guī)浮選對(duì)不同粒級(jí)原煤的影響Fig.6 Effect of carrier flotation and conventional flotation on different size of raw coal

由圖6 可知，加入載體后，各粒級(jí)長(zhǎng)焰煤的浮選效果均有所提升，但-0.045 mm 長(zhǎng)焰煤浮選效果的提升效果最為明顯，在精煤灰分基本不變的情況下，其精煤產(chǎn)率從49.20%提高至58.51%。-0.045 mm 的細(xì)顆粒粘附在粗顆粒上，粗顆粒易浮，黏附在粗顆粒上的細(xì)顆粒隨著粗顆粒一起被泡沫帶上來(lái)。

2.3 載體浮選機(jī)理分析

2.3.1 掃描電鏡結(jié)果分析

由3.2.4 結(jié)果可知，載體顆粒主要對(duì)-0.045 mm細(xì)泥的浮選效果提高較多，所以采用-0.045 mm 粒級(jí)的長(zhǎng)焰煤進(jìn)行探究其機(jī)理。對(duì)處理后的樣品進(jìn)行掃描電鏡分析，結(jié)果如圖7 所示。由圖7 可知，未加入載體前，-0.045 mm 粒級(jí)未形成較大尺寸的絮體，而加入0.5～0.25 mm 載體后，-0.045 mm 粒級(jí)的煤泥粘附在粗顆粒載體上，使得-0.045 mm 可浮性較差的煤泥粘附在可浮性較好的粗粒載體上，且-0.045 mm粒級(jí)煤泥的絮體尺寸增大，可浮性較好的載體背負(fù)著可浮性較差的細(xì)泥，且-0.045 mm 絮體的尺寸增大，從而提高了長(zhǎng)焰煤的浮選效果。

圖7 掃描電鏡結(jié)果Fig.7 The results of SEM

2.3.2 絮凝體圖像分析

在轉(zhuǎn)速為1 800 r/min、捕收劑用量為5 000 g/t和載體比例為10∶1 的條件下，分別配制濃度為40 g/L 的長(zhǎng)焰煤（-0.045 mm）及長(zhǎng)焰煤+載體（-0.045 mm+(0.2～0.125) mm）礦漿，將兩者調(diào)漿3 min 后，分別取出1 mL，加入去離子水稀釋100 倍后，觀察絮體，其結(jié)果如圖8 所示。從圖8 及圖7 中可以看出，在未加入載體時(shí)，-0.045 mm 粒級(jí)未出現(xiàn)明顯的絮體，可以觀察到，仍存在著分散的顆粒。加入載體后，可以明顯的看出，分散的顆粒數(shù)量減少，絮體數(shù)量較多且尺寸較大。由此可以看出，長(zhǎng)焰煤浮選效果的提高是由于細(xì)粒級(jí)長(zhǎng)焰煤通過(guò)粘附在粗粒級(jí)載體上形成了大量的絮體，且絮團(tuán)的尺寸增大，在浮選中能夠更好的被浮出。

圖8 絮體結(jié)果Fig.8 The flocs on carrier flotation

2.3.3 載體浮選的EDLVO 計(jì)算

EDLVO 理論常用來(lái)解釋細(xì)顆粒間的凝聚和分散行為，同時(shí)也能應(yīng)用于解釋細(xì)顆粒浮選系統(tǒng)中的一些理論問(wèn)題[26]。因此，本次研究將通過(guò)EDLVO理論解釋載體顆粒與細(xì)粒長(zhǎng)焰煤間的凝聚和分散行為。

1）范德華氏作用能Vw。在載體浮選系統(tǒng)中，長(zhǎng)焰煤的尺寸R1=0.045 mm，載體的尺寸R2=0.4 mm，范德華作用能的數(shù)值采用以下公式計(jì)算[27]。

2）靜電作用VE。通過(guò)測(cè)量zeta 電位，載體浮選長(zhǎng)焰煤與載體顆粒間的靜電力采用以下式計(jì)算[28]。

3）疏水相互作用力VH。疏水相互作用力采用以下公式計(jì)算[29-30]。

式中，在疏水系統(tǒng)中，衰減長(zhǎng)度h0=10 nm；界面相互作用能常數(shù)=-0.118×10-3J·m2。添加載體前后煤粒間的作用勢(shì)能曲線如圖9 所示。由圖9 中的DLVO 勢(shì)能曲線可見，當(dāng)加入載體后，斥能“能壘”峰值降低，煤粒間吸引能增大，加速并強(qiáng)化了細(xì)粒煤向粗粒煤的黏附以及其他煤粒間的黏附，而在不考慮疏水力的情況下，長(zhǎng)焰煤與載體顆粒之間始終存在相互排斥的能量，隨著距離逐漸減小，相互作用逐漸上升到稱為“能壘”的峰值，長(zhǎng)焰煤與載體顆粒之間難以粘附。從EDLVO 勢(shì)能曲線來(lái)看，疏水相互作用力將排斥能轉(zhuǎn)化為吸引能，長(zhǎng)焰煤附著在載體煤顆粒上，疏水力在長(zhǎng)焰煤載體浮選中起著重要作用。

圖9 載體顆粒與低階煤相互作用勢(shì)能曲線Fig.9 The results of interaction energy curve between carrier particles and low rank coal

3 結(jié) 論

1）載體浮選可以顯著提高長(zhǎng)焰煤浮選效果，與常規(guī)浮選相比，精煤產(chǎn)率提高了26.02%，灰分降低了1.24%。精煤中的載體回收率為98.48%，尾煤中載體的回收率僅為1.52%，載體可以得到有效回收。

2）0.5～0.25 mm 載體對(duì)-0.045 mm 長(zhǎng)焰煤浮選效果的提升作用最為明顯，在精煤灰分基本不變的情況下，其精煤產(chǎn)率從49.20%提高至58.51%。

3）通過(guò)SEM、絮體圖像分析及EDLVO 理論計(jì)算可知，疏水相互作用力將排斥能轉(zhuǎn)化為吸引能，從而使得-0.045 mm 長(zhǎng)焰煤粘附在載體表面形成了大量的絮體，進(jìn)而提高了長(zhǎng)焰煤的浮選效果。