從高碳粉煤灰中浮選回收炭的試驗研究

楊大兵，陳 萱

（武漢科技大學冶金礦產資源高效利用與造塊湖北省重點實驗室，湖北武漢，430081）

從高碳粉煤灰中浮選回收炭的試驗研究

楊大兵，陳 萱

（武漢科技大學冶金礦產資源高效利用與造塊湖北省重點實驗室，湖北武漢，430081）

基于工藝礦物學原理，對某動力廠排放的高碳粉煤灰進行浮選回收炭的可選性試驗。結果表明，粉煤灰細度和浮選藥劑用量是影響其浮選效率的重要因素。經過“一粗一掃”的浮選流程，可得固定炭含量分別為58.56%和49.20%的精炭，總回收率達到89.32%，尾灰的固定炭含量降至5.86%；而經過浮選全流程試驗后，可得固定炭含量為76.93%的精炭，總回收率為70.17%，尾灰固定炭含量為11.89%，且精炭和尾灰均可綜合再利用。

粉煤灰；浮選；精炭；綜合利用

我國火力發電廠煤燃燒一般比較充分，其排放的粉煤灰殘炭量僅為3%～5%，且品質較好，可直接用作建材摻和料。但由于受煤種的影響和運行條件的限制，部分鍋爐往往存在煤不能充分燃燒的現象，致使粉煤灰中碳含量居高不下。據統計［1－3］，全國每年從火力發電廠粉煤灰中流失的炭達數百萬噸。粉煤灰作為開發的二次資源，含碳量越低，則資源化程度越高。高碳粉煤灰的排放不僅導致煤炭資源的浪費，而且還制約了粉煤灰在眾多領域的應用。因此，粉煤灰脫碳是節約資源、降低污染、提高粉煤灰綜合利用效率的必要環節。

某鋼廠鍋爐采用煤氣加煤粉混合燃燒方式，其中煤氣所占比例較大，燃燒較完全，而煤粉由于氧氣量不足而無法充分燃燒，導致粉煤灰固定炭含量高達29%。原本動力廠排放的粉煤灰皆用于空心砌塊磚的生產，而高碳粉煤灰親水性十分差，若用作建材原料，粉煤灰產品的強度和性能均會受到嚴重影響，而粉煤灰中未燃燒的炭也不能直接利用，造成了粉煤灰的堆積和資源浪費，給該廠的經濟及生態環境都帶來一定影響。粉煤灰中炭的分選通常采用浮選法［4］和電選法［5］，且分別適用于濕排灰和干排灰。為此，本文基于工藝礦物學原理，對某動力廠排放的高碳粉煤灰進行浮選的單因素試驗，研究浮選工藝條件對精炭和尾灰分選指標的影響，以期為擴大連選試驗提供理論依據。

1 試驗

1.1 原料

本試驗所用原料為某動力廠排放的濕粉煤灰，含水量為30%左右。先將濕粉煤灰進行混勻、縮分后，提取試樣。試樣的化學成分如表1所示，試樣的粒度篩析結果如表2所示。

表1 粉煤灰的化學成分（wB／%）Table 1 Chemical compositions of fly ash

由表1可看出，試樣的主要氧化物組成為SiO2、A12O3、Fe2O3、CaO和TiO2等，其中w（SiO2＋A 12O3）為4 7.2 3%，固定炭含量為29.02%，表明試樣回收利用空間較大。

由表2可看出，顆粒粒徑主要分布于－0.074＋0.0 4 5 mm范圍，＋0.2 5 mm的粗顆粒僅占2.1%。＋0.2 5 mm粒級的固定炭含量最高，－0.038 mm粒級的固定炭含量最低，表明試樣的固定炭含量隨著粒度的增大而升高，粒度越粗，固定炭含量就越高。而固定炭主要分布于－0.074＋0.045 mm粒級，分布率為53.59%。

試樣顆粒的微觀形態主要為球狀、近球狀和不規則狀，顆粒粒徑從數微米到數千微米不等。

表2 試樣的粒級及固定炭分布Table 2 Size fraction of grain and distribution of fixed carbon

1.2 試驗方法

本試驗采用浮選工藝對粉煤灰進行炭分選。分選炭時須通過磨礦使炭粒充分單體解離，而炭粒多孔，吸附性強，浮選時添加分散劑并強力機械攪拌，以提高灰質從炭顆粒表面剝離的效果。

本試驗確定粗選礦漿濃度為28%，藥劑與礦漿作用時間為3 min，粗選時間為5 min，掃選時間為4 min，精選時間為4 min，葉輪轉速為2 400 r／min。

本試驗采用的磨礦設備為XMQ－67型Φ240 mm×90 mm錐形球磨機，浮選設備為1.5LRK／FD型單槽式浮選機。試驗藥劑主要有煤油、硅酸鈉和2號油，藥劑均為工業品級。

2 結果與分析

2.1 影響粗選效果的因素分析

2.1.1 磨礦細度對試樣粗選指標的影響

粉煤灰在形成過程中，一部分未燃盡炭粒被灰質包裹其中，少量顆粒在熔融狀態下互相碰撞而黏結，成為較大的集合顆粒，結構致密，含有的未燃燒炭粒也會與灰質緊密結合在一起，故采用機械磨碎使灰質礦物剝離于炭粒，以提高分選效率。在煤油用量為1 000 g／t、2號油用量為600 g／t的條件下，分析不同磨礦細度對試樣粗選指標的影響，其結果如圖1所示。

圖1 磨礦細度對試樣粗選指標的影響Fig.1 Effect of grinding fineness on roughing indicators

由圖1可看出，隨著磨礦細度的增加，精炭的固定炭含量不斷提高，回收率則不斷下降，在礦樣細度－0.074 mm占96.9%后，精炭的固定炭含量變化不大而回收率下降較為顯著。這是因為隨著磨礦細度的增加，炭粒的單體解離度提高，因此精炭的固定炭含量提高，但同樣使得部分炭粒過細而無法被選出，精炭產率和回收率下降。綜合考慮粗選指標及磨礦成本，選擇礦樣細度－0.074 mm占96.9%為浮選細度條件。

2.1.2 硅酸鈉用量對試樣粗選指標的影響

試樣中的炭粒表面多孔，比表面積較大，具有一定的吸附作用，易于造成礦漿中的灰質對炭粒產生罩蓋，降低分選指標。浮選中采用分散劑可以破壞灰漿中炭粒和灰質顆粒的互凝聚團，使其在水溶液中均勻分散，并保持穩定，以此增加捕收劑在炭粒表面的吸附量。本試驗選用硅酸鈉作分散劑。在礦樣細度－0.074 mm占96.9%、煤油用量為1 000 g／t、2號油用量為600 g／t的條件下，分析不同硅酸鈉用量對試樣粗選指標的影響，其結果如圖2所示。

圖2 硅酸鈉用量對試樣粗選指標的影響Fig.2 Effect of amount of sodium silicate on roughing indicators

由圖2可看出，隨著硅酸鈉用量的增加，精炭固定炭含量和回收率則先上升后下降，在硅酸鈉用量為100 g／t時達到最大。在一定范圍內，硅酸鈉較好地脫除吸附在炭粒表面的灰質細顆粒，使細粒聚團分散，實現了目標礦物和非目標礦物的選擇性分離，從而提高精炭的固定炭含量和回收率，但過量的硅酸鈉會造成團聚，使灰質顆粒夾雜在炭團粒中進入精炭，降低精炭質量，而部分團粒過大，不能黏附到氣泡上而影響精炭回收率。綜合考慮，選擇硅酸鈉用量為100 g／t作為粗選條件。

2.1.3 煤油用量對試樣粗選指標的影響

捕收劑用量對浮選指標影響顯著，應控制在合適范圍內。本試驗在礦樣細度為－0.074 mm占96.9%、硅酸鈉用量為100 g／t、2號油用量為600 g／t的條件下，分析不同煤油用量對試樣粗選指標的影響，其結果如圖3所示。

圖3 煤油用量對試樣粗選指標的影響Fig.3 Effect of amount of kerosene on roughing indicators

由圖3可看出，隨著煤油用量增加，精炭固定炭含量在略有上升后顯著下降，回收率則呈上升趨勢。當煤油用量超過1 000 g／t后，精炭固定炭含量開始下降，而精炭回收率趨于平緩，基本不再變化。在一定范圍內煤油用量的增加，可以提高浮選速率并提高分選指標，但過量添加煤油會降低浮選過程的選擇性，使部分非目標的灰質礦物上浮，影響精炭質量。綜合考慮，選定煤油用量為1 000 g／t。

2.1.4 2號油用量對試樣粗選指標的影響

以2號油為起泡劑，在磨礦細度為－0.074 mm占96.9%、硅酸鈉用量為100 g／t、煤油用量為1 000 g／t的條件下，分析不同2號油用量對試樣粗選指標的影響，其結果如圖4所示。

圖4 2號油用量對粗選指標的影響Fig.4 Effect of amount of 2＃oil on roughing indicators

由圖4可看出，隨著2號油用量的增加，精炭固定炭含量不斷下降，回收則不斷上升，在2號油用量達到600 g／t后，精炭的回收率變化不大，表明在一定范圍內，2號油用量的增加可以使炭粒快速上浮，提高分選效率。但過量添加2號油會附著在灰質礦物上，使之上浮并被選出，降低精炭的固定炭含量。綜合考慮，選擇2號油用量為600 g／t。

在－0.074 mm粒級含量為96.9%、硅酸鈉用量為100 g／t、煤油用量為1 000 g／t、2號油用量為600 g／t條件下，可得到固定炭含量大于58%、回收率大于62%的精炭，此時尾灰的固定炭含量仍高達15%以上，達不到粉煤灰排放標準，需要進一步掃選，以降低尾灰的含碳量。

2.2 掃選效果分析

通過試驗確定的掃選條件為：硅酸鈉用量為100 g／t、煤油用量為600 g／t、2號油用量為300 g／t，可得到固定炭含量大于49%、回收率大于70%的精炭，此時尾灰的固定炭含量降至6%以下。

表3為“一粗一掃”流程試驗結果。由表3可看出，通過“一粗一掃”的流程，可得到固定炭含量為5 8.5 6%和4 9.2 0%的精炭，回收率分別為62.75%和26.57%，總回收率達到89.32%，尾灰的固定炭含量降至5.86%。

表3 “一粗一掃”流程試驗結果Table 3 Results of“one roughing－one scavenging”process

2.3 精選閉路流程效果分析

粗選可獲得固定炭含量約為55%的粗精炭，為進一步提純粗精炭，獲得質量更好的炭產品，在最佳條件試驗的基礎上進行精選閉路流程試驗，試驗結果如表4所示。由表4可知，經過6次精選閉路流程可得到固定炭含量為76.93%的炭產品，回收率為70.17%，而中炭的返回對尾灰的質量造成了一定影響，使得閉路中尾灰的固定炭含量有所升高，為11.89%，僅達到國家標準規定的Ⅲ級粉煤灰要求，可考慮脫炭。進一步研究表明，由于中炭粒度過細，因此閉路流程中中炭的返回將惡化浮選環境，使分選指標降低。為降低中炭對浮選環境的不良影響，應盡量減少中炭產率，并進行開路精選流程的研究，優化浮選流程結構，以達到更為理想的效果。

表4 精選閉路流程試驗結果Table 4 Results of concentrating closed circuit process

3 結論

（1）某動力廠排放的高碳粉煤灰有大量未燃盡炭，固定炭含量高達29%，其顆粒粒徑主要分布于－0.074＋0.045 mm范圍，＋0.25 mm的粗顆粒僅占2.1%，顆粒微觀形態主要為球狀、近球狀和不規則狀。

（2）磨礦細度和浮選藥劑用量是影響高碳粉煤灰浮選效率的重要因素。粗選優化條件如下：礦樣細度－0.074 mm占96.9%，硅酸鈉用量為100 g／t，煤油用量為1 000 g／t，2號油用量為600 g／t；掃選優化藥劑用量如下：硅酸鈉用量為100 g／t，煤油用量為600 g／t，2號油用量為300 g／t。

（3）經過“一粗一掃”的流程可以獲得固定炭含量為58.56%和49.20%的精炭，回收率分別為62.75%和26.57%，總回收率為89.32%，尾灰的固定炭含量降至5.86%；經過全流程試驗則可以獲得固定炭含量為76.93%，回收率為70.17%的精炭，尾灰固定炭含量為11.89%。

［1］ 丁益，任啟芳.粉煤灰活化處理技術與應用進展［J］.安徽建筑工業學院學報，2009，17（3）：72－74.

［2］ 張覃，唐云，邱躍琴，等.從粉煤灰中分選精煤的研究［J］.煤炭科學技術，2001，29（5）：39－42.

［3］ 邱躍琴，張覃，唐云，等.從粉煤灰中回收碳的浮選試驗研究［J］.粉煤灰，2002（3）：13－15.

［4］ 劉亮，呂鑫磊，安小強，等.粉煤灰脫碳的浮選試驗研究［J］.選煤技術，2009（1）：10－12.

［5］ 龔文勇，張華.電選粉煤灰脫碳技術的研究［J］.粉煤灰，2005（3）：33－36.

Carbon recovery by flotation from high－carbon fly ash

Yang Dabing，Chen Xuan

（Hubei Key Laboratory for Efficient Utilization and Agglomeration of Metallurgic Mineral Resources，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081，China）

Guided by process mineralogy，experimental study of carbon recovery by flotation from highcarbon fly ash in a certain power plant was carried out.The results show that the fineness of fly ash and the amount of flotation reagents are the factors that affect the flotation efficiency most.By the flotation process of“one roughing and one scavenging”，fine carbon with fixed carbon content of 58.56%and 49.20%can be obtained with a total recovery rate of 89.32%and the fixed carbon content in tail ash decreases to 5.86%，while，by the closed circuit flotation process test，fine carbon with fixed carbon content of 76.93%can be obtained with a total recovery rate of 70.17%and the fixed carbon content in tail ash decreases to 11.89%.Fine carbon and the tail ash can be both comprehensively utilized again.

fly ash；flotation；fine carbon；comprehensive utilization

TQ536.4

A

1674－3644（2012）04－0250－04

［責任編輯 徐前進］

2012－04－11

楊大兵（1965－），男，武漢科技大學副教授.E－mail：dabingyang＠sohu.com