從粉煤灰中浮選富集碳的試驗研究

王建麗，黃雄源，劉竹林

（湖南工業(yè)大學 冶金工程學院，湖南 株洲 412007）

粉煤灰是煤炭燃燒后排放的一種固體廢棄物，我國每年排放的粉煤灰約3億噸，粉煤灰的利用不僅可降低其對環(huán)境的污染，而且對促進國民經(jīng)濟發(fā)展具有重要意義。我國粉煤灰含碳量普遍較高，質(zhì)量分數(shù)在20%以上的約占30%，這不僅浪費了資源，而且影響了粉煤灰的利用。制約粉煤灰有效利用的因素，一是粉煤灰中含碳量較高，二是粉煤灰的粒度太粗[1-2]。據(jù)估算每年從粉煤灰中流失的碳有數(shù)百萬噸，用于混凝土中的粉煤灰要求燒失量不超過5.0%，殘?zhí)歼^多會影響粉煤灰制品的強度，降低制品的抗凍融性、抗?jié)B性，大大降低粉煤灰活性[3-5]。粉煤灰經(jīng)浮選后含碳精礦可二次利用，尾礦可以達到國家I級、Ⅱ級、III級粉煤灰標準。這樣，既可進一步資源化利用，又可避免由于大量未被利用的灰渣堆存而造成環(huán)境污染。

1 粉煤灰的物化性質(zhì)

1.1 粉煤灰的化學組成

粉煤灰主要由玻璃相、無定形相和結晶相3類礦物組成。玻璃相主要為漂珠、微珠和磁珠等；無定形相多為未燃燒的碳粒；結晶相為莫來石、石英砂、磁鐵礦、赤鐵礦、方鎂石等。粉煤灰中未燃盡的碳大部分以單體形式存在，碳粒呈海綿狀和蜂窩狀，比表面積大、疏松多孔、親油疏水，具有良好的吸附活性；碳粒較軟，強度較低，部分石墨化，具有潤滑性，密度較低[6]。 研究表明，粉煤灰中碳粒接觸角約60°，其他顆粒的接觸角約10°。因此，在浮選過程中，接觸角大的能粘附于氣泡表面浮出液面，接觸角較小的不能浮出表面仍留在灰漿中，從而能夠?qū)崿F(xiàn)碳粒與其他顆粒的有效分離[7]。在加入浮選藥劑的作用下，可增大碳顆粒與粉煤灰中其他物質(zhì)親水性的差異，從而實現(xiàn)粉煤灰中碳的有效回收。

粉煤灰的化學組成見表1，其主要成分為SiO2,Al2O3和未燃盡的碳，有害雜質(zhì)如硫、鉀、鈉等含量較低。

表1 粉煤灰的化學組成Table 1Chemical composition of original fly ash%

粉煤灰試樣中其主要礦物含量測定結果見表2。該粉煤灰試樣未燃盡的物質(zhì)中細小碳粒、微珠、玻璃體的質(zhì)量分數(shù)分別為23.12%，34.00%，16.00%，其余為石英砂粒、莫來石、多孔玻璃體等。

表2 試樣中主要礦物含量Table 2The content of major minerals in the sample %

1.2 原灰的粒度分析

用LS 13320激光粒度分析儀（美國貝克曼庫爾特公司生產(chǎn)）對粉煤灰原灰進行粒度分析，結果見圖1。

圖1 粉煤灰原礦粒度曲線Fig.1Granularity curve of original fly ash

從圖1可看出，粉煤灰原灰的粒徑較小，各粒徑的分布不均勻。平均粒徑（mean）為63.90 μm，粒徑的中間值（median）為56.57 μm，粒徑小于13.46 μm和粒徑大于125.50 μm的均約為10%，粒徑為60～100 μm的所占體積分數(shù)較大。

1.3 原灰的篩分分析

用篩分分析方法將粉煤灰原灰分成5個粒度級別，碳在各粒級中的分布見圖1和表3。

表3 原灰篩分分析結果Table3 Sieving analysis result of original fly ash%

從圖1和表3可看出：粉煤灰中細粒級含量較多，且碳呈不均勻分布狀態(tài)，不同粒徑范圍的粉煤灰品質(zhì)差異較大，較粗的灰含碳量高，燒失量大；隨著粒級變細，含碳量逐漸降低，燒失量也逐漸降低。大于100目的粒級產(chǎn)率為3%，但其中碳的質(zhì)量分數(shù)高達40.42%，這是由于粗粒級物質(zhì)的主要成分是碳珠；小于200大于320目的產(chǎn)率為65%，其中碳的質(zhì)量分數(shù)為20.28%；小于320目粒級中碳的質(zhì)量分數(shù)僅為16.55%。這是由于在相同的燃燒狀況下，碳顆粒越細燃燒越完全，故殘?zhí)甲兩佟?/p>

2 浮選藥劑及用量的選擇

2.1 藥劑選擇

由于粉煤灰屬于細級灰，本試驗采用泡沫浮選法分選粉煤灰中未燃盡碳。碳的可浮性受兩方面因素的影響：一方面是產(chǎn)生粉煤灰的原煤為無煙煤，無煙煤的接觸角僅為73°，可浮性較差，反映了無煙煤是以非極性的疏水表面為主，同時又存在不同程度的極性表面[8]；另一方面是煤灰在水中浸泡和在自然界風化過程中所產(chǎn)生的氧化作用，使煤粒表面負電性增加，從而增強了其表面的親水性。這些因素削弱了煤和矸石之間可浮性的差別，給浮選法回收碳帶來難度，這就需要選擇優(yōu)良的浮選藥劑來改善和強化浮選過程，因此，需進行不同種類浮選藥劑的選擇。

1）捕收劑的選擇。捕收劑的種類主要有石油產(chǎn)品類和焦油產(chǎn)品類。焦油產(chǎn)品雖然對浮選具有良好的性能，但因其含有酚，使應用受到限制，故在石油產(chǎn)品類中的煤油和輕柴油中選擇。又由于煤油價格高于輕柴油，來源也有限，且有研究[4]表明煤油作為捕收劑，性能不如輕柴油，因此，選擇輕柴油作為本試驗的捕收劑。

2）起泡劑的選擇。在捕收劑用量相同的前提下分別使用相同質(zhì)量的2號油、GF油、FR（試驗室自制）作為起泡劑，進行粗選試驗，結果表明FR的浮選性能較好，因此選定FR作為起泡劑。

2.2 用量選擇

用XFD型單槽浮選機（南昌市恒業(yè)礦冶機械廠生產(chǎn)）進行粉煤灰粗選提碳的浮選試驗，以考察捕收劑和起泡劑的合適用量。三因素二水平正交試驗條件見表4，其中三因素是：浮選時間、輕柴油和FR；二水平是：輕柴油和FR的2種不同用量。捕收劑輕柴油的用量分別為1 000 g/t（即在每噸粉煤灰中加入1 000 g輕柴油，下同）和1 100 g /t，起泡劑FR的用量分別為800 g/t和600 g/t。為減少試驗工作量，又不影響浮選的效果，浮選時間定為4 min和5 min。表中1#，2#，3#，4#試樣均為1 000 g粉煤灰。

表4 粉煤灰粗選提碳的正交條件Table 4The orthogonal conditions for rough separating carbon from fly ash

粉煤灰粗選正交試驗結果見表5，表中的精礦、尾礦分別為表4中對應的粉煤灰式樣在不同浮選條件下得到的2種產(chǎn)品。

表5 粉煤灰粗選提碳的正交試驗結果Table 5The orthogonal experimental result for rough separating carbon from fly ash

表6為粉煤灰粗選碳的正交試驗分析結果。從表可以看出：浮選時間為5 min，捕收劑輕柴油用量為1 100 g/t，起泡劑FR用量為800 g/t時，浮選效果較佳，此時精礦質(zhì)量最大，為541.3 g。

表6 粉煤灰粗選提碳的正交試驗分析結果Table 6The orthogonal experimental Analytic results for rough separating carbon from fly ash

3 浮選工藝條件和流程的選擇

3.1 工藝條件的選擇

粉煤灰浮選是一個極其復雜的物理化學過程，有效地使用浮選藥劑是取得良好的浮選效果的重要條件，除了根據(jù)粉煤灰的特性選擇適當?shù)乃巹┩猓€必須選用適當?shù)墓に嚄l件。

通過浮選試驗考查藥劑用量、礦漿質(zhì)量濃度、浮選時間以及藥劑同礦漿作用時間對粉煤灰浮選提碳的影響。單因素試驗結果是：粗選時輕柴油用量為1 100 g/t，F(xiàn)R用量為800g/t，礦漿質(zhì)量濃度為28.0%，浮選時間為5min；一次精選和二次精選時輕柴油用量為600 g/t，F(xiàn)R用量300 g/t，浮選時間為5min，礦漿質(zhì)量濃度為28.0%。

3.2 流程的選擇

試驗表明，采用一次精選的簡單流程得到的精礦，其碳的質(zhì)量分數(shù)只有約50%，達不到試驗指標，為此需要進行第二次精選，因此試驗確定為“一粗兩精”的工藝流程，見圖2。

圖2 粉煤灰浮選提碳的工藝流程Fig.2Floatation process of carbon separation from fly ash

采用“一粗兩精”工藝流程浮選提碳的試驗結果見表7。由表可知，精礦1中碳的質(zhì)量分數(shù)為53.00%，回收率為89.98%；精礦2中碳的質(zhì)量分數(shù)可達63.50%，回收率為88.16%，發(fā)熱量為23 566.41 J/g（僅化驗了精礦2的發(fā)熱量，故未在表中列出）。

表7 粉煤灰浮選提碳試驗數(shù)據(jù)Table 7Experimental data of carbon separation by floatation

在粗選試驗中，尾礦中碳的質(zhì)量分數(shù)為3.61%（小于5.00%），達到國家I級粉煤灰標準；第一段精選尾礦中碳的質(zhì)量分數(shù)為4.48%（小于5.0%），達到國家I級粉煤灰標準；第二段精選尾礦中碳的質(zhì)量分數(shù)為5.83%（小于8.0%）達到國家II級粉煤灰標準。

4 結論

1）對湖南某地粉煤灰（碳的質(zhì)量分數(shù)為23.12%）進行粗選正交試驗研究，結果表明：粗浮選的優(yōu)化條件為，捕收劑輕柴油用量為1 100 g/t，起泡劑FR用量為800 g/t，浮選時間為5 min。精選時輕柴油用量為600 g/t，F(xiàn)R用量為300 g/t，浮選時間為5 min。在“一粗一精”浮選工藝得到精礦中碳的質(zhì)量分數(shù)為50%左右。通過研究確定了粉煤灰浮選提碳的工藝流程為“一粗兩精”。

2）在“一粗兩精”浮選工藝條件下，精礦2中碳的質(zhì)量分數(shù)達63.50%，碳的回收率為88.16%，發(fā)熱量為23 566.41 J/g；精礦1中碳的質(zhì)量分數(shù)為53.00%，碳的回收率為89.98%；粗選以及兩次精選的尾礦中碳的質(zhì)量分數(shù)低于5%或8%，分別達到了國家I, II級粉煤灰的標準。

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