微粉煤表面改性強化旋轉摩擦電選脫硫降灰試驗研究*

宋 傲 陶有俊 羨宇帥 張學彬 丁晴晴

（中國礦業大學化工學院，江蘇省徐州市，221116）

★ 煤炭科技·加工轉化——同煤集團化工廠協辦 ★

微粉煤表面改性強化旋轉摩擦電選脫硫降灰試驗研究*

宋 傲 陶有俊 羨宇帥 張學彬 丁晴晴

（中國礦業大學化工學院，江蘇省徐州市，221116）

為了提高微粉煤摩擦電選脫硫降灰的效果，采用表面改性的方法對微粉煤進行預處理，并使用旋轉摩擦電選機對其分選。試驗結果表明，當改性劑選用煤油、改性劑用量為10169 g/t以及改性時間為5 s時，微粉煤旋轉摩擦電選效果最佳，可燃體回收率、脫灰率以及脫硫率分別為44.16%、80.96%和73.36%，表面改性后精煤產率提高了約5%、精煤灰分降低了約3%、精煤硫分降低了約0.4%。分析對比改性前后電選效果認為，表面改性能顯著強化微粉煤旋轉摩擦靜電分選的脫硫降灰效果。

微粉煤 表面改性 強化荷電 旋轉摩擦電選 脫硫降灰

目前我國粉煤灰排量已經突破1億t/a，遠遠超過其他國家，可以作為一種能源，目前其清潔利用受到重視。煤炭資源利用時，對于含硫量高的資源要進行分選，以此來降低其硫份，煤炭的脫硫方式主要有燃前脫硫和燃后脫硫2種。燃前脫硫與燃后脫硫相比較而言具有能耗小和效果顯著等優勢，被認為是一種比較經濟的脫硫方式，主要包括重力分選法、浮選法、干法摩擦電選和微波脫硫等技術。其中摩擦電選技術因可與火電廠制粉系統相結合，省略了磨礦和煤泥水處理及干燥環節，并且就脫碳效果而言，摩擦電選技術與粒度分級、流態化分選脫碳方案相比，其分選效率高，可以獲得高純度的碳顆粒，與浮選法和流化床燃燒法相比，不存在浮選尾煤再烘干和燃燒脫除粉煤灰碳成分對原灰的含碳量以及建廠地址有嚴格限制的問題，節約了能耗，降低了成本，減少了環境污染，為爐前實現深度脫硫降灰提供了一條理想的途徑，在眾多分選工藝中脫穎而出。

通過研究發現，利用化學藥劑對粉體顆粒進行表面改性可以有針對性的改變粉體顆粒表面的物理化學性質，并能夠改善摩擦電選的效果。粉體表面改性的方法主要包括化學包覆、沉淀反應、機械力化學改性、物理涂覆、粉體顆粒表面改性以及高能表面改性，通過表面改性可以對電廠制粉系統中的微粉煤進行分選以實現粉煤的燃前降灰脫硫。

通過表面改性的方法可以使煤與其伴生礦物的表面能發生改變進而影響其表面電荷，以此來使煤與其伴生礦物的表面電性差異擴大，導致其在摩擦電選機中的運動差異增大，進而改善分選效果達到降灰脫硫的目的。

1　試驗情況

本試驗煤樣采自山東新汶礦業集團公司汶南煤礦高硫煤，煤樣經粉碎細磨至-0.074 mm后混勻。試驗選用的電選機為旋轉摩擦靜電分選機（RTS），主要由給料系統、旋轉摩擦充電系統、分選系統和物料收集系統這4部分組成。微粉煤改性方法采用相對簡單且易于操作的表面化學改性和機械力改性相結合的干法改性，具體方法是將被改性物料與改性劑置于高速萬能粉碎機中在一定時間內混勻。

試驗首先進行旋轉摩擦電選機操作參數優化試驗，最終得出當分選電壓為40 k V、旋轉速度為5000 r/min、氣流速度為1.5 m/s時，可燃體回收率為38.09%、脫灰率為83.28%、脫硫率為73.43%，可信度最高。

2　試驗原理

微粉煤的摩擦帶電方式通常有兩種，一種是不同顆粒之間相互的碰撞摩擦使之帶異種電荷，另一種方式是顆粒與某種材料碰撞摩擦使其帶電，這種碰撞摩擦帶電的根本原因是由于電子的轉移，介電常數大的顆粒因其具有較高位能，容易極化失去電子，從而帶正電；反之介電常數小位能低的顆粒，難于極化而得電子帶負電。利用不同的化學藥劑對微粉煤進行表面改性以此來影響微粉煤中礦物成分及各密度級微粉煤的介電常數和荷質比，進而影響不同成分及各密度級微粉煤在電場中的運動特性。通過表面改性處理后的微粉煤進入旋轉摩擦靜電分選機（RTS）中，因其帶電性及電量的不同從而得到分選。

2.1單因素試驗研究

表面改性效果的影響因素有很多，在此選擇表面改性劑種類、改性劑用量和改性時間這3個因素進行試驗，表面改性劑選用煤油、柴油、乙酸、硬質酸鈉和硅酸鈉，藥劑用量選取1000 g/t、3000 g/t、5000 g/t、7000 g/t和9000 g/t，改性時間選取10 s、20 s、30 s、40 s和50 s。

2.1.1改性劑種類的影響

試驗前選取試驗條件為改性劑用量為5000 g/t，改性時間為30 s，測試不同改性劑對微粉煤中主要礦物成分改性前后介電常數的影響如圖1所示。

圖1　不同改性劑對微粉煤中主要礦物成分改性前后介電常數的影響

由圖1可以看出，改性后黃鐵礦的介電常數明顯降低，5種改性劑中只有煤油和柴油在降低黃鐵礦介電常數的同時也降低了高嶺土和石英的介電常數。

通過研究發現，顆粒在電場中的運動狀態不僅受其自身介電常數的影響，顆粒本身的荷質比也影響著其在電場中的受力狀況，進而影響運動狀態。因此在試驗過程中不僅測試表面改性劑對其介電常數的影響，同時也測試在相同條件下，不同改性劑對微粉煤中主要礦物成分改性前后荷質比的影響如圖2所示。

由圖2可以看出，在利用煤油和柴油改性之后的凈煤與黃鐵礦、高嶺土以及石英的荷質比的差異是增大的，尤其以煤油突出，這種變化有利于分選的進行。

圖2　不同改性劑對微粉煤中主要礦物成分改性前后荷質比的影響

為了評價改性前后試驗效果的差異優劣，試驗得出了相同條件下不同改性劑對可燃體回收率、脫灰率和脫硫率的影響如圖3所示。

圖3　不同改性劑對可燃體回收率、脫灰率、脫硫率的影響

由圖3可以看出，未改性時可燃體回收率為39.75%，柴油和煤油做改性劑時可燃體回收率有一定升高，主要是因為柴油和煤油在使各成分之間介電常數差異增大的同時也增大了它們之間荷質比的差異，乙酸、硬質酸鈉和硅酸鈉做改性劑時的可燃體回收率明顯降低，主要是因為其表面改性之后介電常數的差異較未改性和煤油及柴油改性劑而言有所減小；經過表面改性處理后，脫灰率均比未改性時低，在5種改性劑中使用煤油作為改性劑時，脫灰率最高為80.50%；除硅酸鈉外，其余4種表面改性劑作用后都使脫硫率升高。

通過分析不同表面改性劑對微粉煤摩擦電選脫硫降灰效果的影響可知，表面改性劑的應用對微粉煤摩擦電選脫硫降灰效果有顯著的影響，總體而言，使用煤油和柴油作為改性劑時，在提高可燃體回收率的前提下，對脫硫效果也有一定的提高，其中煤油的作用效果又略好于柴油。通過煤油改性可以看出，精煤的硫分已經顯著低于中煤和尾煤的硫分，這在未改性時是很難出現的。

2.1.2改性劑用量的影響

從前面的試驗結果可以得出，煤油作為改性劑效果要優于其它改性劑，為此以煤油作為改性劑，改性時間為30 s，來研究改性劑用量對微粉煤主要成分介電常數的影響，改性劑用量對微粉煤中主要礦物成分介電常數的影響如圖4所示。

圖4　改性劑用量對微粉煤中主要礦物成分介電常數的影響

由圖4可以看出，隨著改性劑用量的增加黃鐵礦的介電常數先減少后增加，在用量為5000 g/t時達到最小值。隨著改性劑用量的增加凈煤介電常數呈現降低趨勢，高嶺土在用量低時介電常數降低迅速，隨后呈穩定降低趨勢，石英隨著改性劑用量的增加介電常數變化不明顯。在和圖4相同的試驗條件下，試驗得到了改性劑用量對微粉煤中主要礦物成分荷質比的影響如圖5所示。

由圖5可以看出，隨著改性劑用量的增加凈煤與黃鐵礦、高嶺土和石英的荷質比的差異呈增大趨勢，這是有利于分選進行的。

通過研究發現，煤中低密度級的物質與高密度級的物質在灰分和硫分上存在差距，粘土類礦物在高密度級中存在較多，因此如果能加大低密度級與高密度級之間的電性和電量的差異，這將加大兩種密度級在電場中的運動差異，從而提高分選效果，為此對各密度級的介電常數和荷質比進行了測試。改性劑用量對微粉煤中各密度級介電常數和荷質比的影響分別如圖6和圖7所示。

圖5　改性劑用量對微粉煤中主要礦物成分荷質比影響

圖6　改性劑用量對各密度級微粉煤改性后介電常數影響

圖7　改性劑用量對各密度級微粉煤荷質比影響

由圖6和圖7可以看出，隨著改性劑用量的增加，各個密度級之間的介電常數和荷質比差異是逐漸增大的，尤其是高密度級與低密度級之間的差異增大的尤為明顯，并且在9000 g/t時達到最大，這種差異有助于高密度級與低密度級之間在摩擦電選中的運動差異增大，并且由于粘土礦物和黃鐵礦一般在高密度級中存在較多，有助于脫硫降灰。當使用煤油作為改性劑以及改性時間為30 s時，不同改性劑用量下微粉煤旋轉摩擦電分選效果數據表見表1。

由表1可以看出，隨著改性劑用量的增大，精煤產率基本上呈升高趨勢，中煤產率呈先升高后降低趨勢，尾煤產率呈先降低后升高趨勢，當改性劑用量為5000 g/t時，中煤的產率最高為21.49%，尾煤的產率最低為47.94%；隨著改性劑用量的進一步增大，精煤灰分和硫分呈降低趨勢主要是因為隨著改性劑用量的增加低密度級與高密度的介電常數和荷質比的差異是逐漸增大的。中煤灰分呈先降低后升高的趨勢，當改性劑用量為5000 g/t時，中煤的灰分最低為47.98%，尾煤的灰分呈先降低后升高的趨勢；隨著改性劑用量的增加，精煤硫分呈降低趨勢，中煤和尾煤的硫分總體上變化不大。

由表1還可以看出，改性劑用量對微粉煤摩擦電選指標的影響，隨著改性劑用量的增大，可燃體回收率逐漸升高，當藥劑用量為9000 g/t時，可燃體回收率達到最高為41.43%；當藥劑用量從1000 g/t增長到7000 g/t時，脫灰率先降低后升高，脫硫率逐漸升高；當藥劑用量為9000 g/t時，脫灰率和脫硫率均出現小幅下降。綜合分析后可知當改性劑用量為9000 g/t時，精煤的產率最大，灰分和硫分最低，此時的微粉煤電選效果最好。

通過試驗可知，改性劑用量在一定范圍內的增大有利于微粉煤摩擦電選脫硫降灰。分析其原因，是由于隨著改性劑用量的增大，低密度級微粉煤與高密度級微粉煤的荷質比差異越來越大，這更有利于摩擦電選過程中脫除含高嶺土和黃鐵礦較多的高密度微粉煤，從而增強了微粉煤摩擦電選的脫硫降灰效果。

2.1.3改性時間的影響

在改性時間一定的情況下，對改性劑用量的試驗得出9000 g/t時效果較好，為此將改性劑用量設定為9000 g/t，針對不同改性時間對微粉煤旋轉摩擦電選機分選效果的影響進行研究。不同改性時間下微粉煤旋轉摩擦電分選效果數據見表2。

表1　不同改性劑用量下微粉煤旋轉摩擦電分選效果數據表

表2　不同改性時間下微粉煤旋轉摩擦電分選效果數據表

由表2可以看出，隨著改性時間的增大，精煤產率呈明顯的降低趨勢，中煤產率先降低后升高，尾煤產率先升高后降低；隨著改性時間的增大，精煤灰分逐漸升高，改性時間由10 s增大到50 s時，精煤的灰分升高了6.88%，中煤和尾煤的灰分基本上呈降低趨勢；隨著改性時間的增大，精煤硫分先降低后升高，中煤硫分逐漸降低，尾煤硫分逐漸升高，相對于改性劑用量對硫分的影響，改性時間對硫分的影響較小。

總體分析，在改性時間較小時，精煤的產率很高而灰分較低，這說明已經達到了非常理想的降灰效果，在保證了可燃體回收率的同時降低了精煤的灰分，所以改性時間對脫灰效果的影響很明顯；而精煤的硫分隨著改性時間的變化并無太大變化，這是因為影響脫硫率的主要原因是精煤的產率，精煤的產率越高，脫硫率越低，而在精煤硫分滿足生產要求的情況下，實際生產中會選用精煤產率最大的生產條件，這時以脫硫率來評價分選效果是不合理的，在精煤硫分變化不大并能使精煤產率提高的試驗條件下是有利于微粉煤分選的試驗條件。所以綜合分析精煤的可燃體回收率、脫灰率、精煤產率、灰分和硫分，在改性時間為10 s左右時，微粉煤摩擦電選效果是最佳的。

由微粉煤表面改性單因素試驗可知，當煤油做改性劑、改性劑用量為9000 t/g以及改性時間為10 s時，可燃體回收率、脫灰率和脫硫率分別為46.80%、69.27%和79.62%，精煤產率、灰分和硫分分別為34.74%、26.10%和3.09%。對比分析微粉煤改性前后單因素試驗效果可知，微粉煤表面改性后可燃體回收率、脫灰率和脫硫率均有所升高，這主要是因為表面改性處理提高了微粉煤摩擦電選的精煤產率，降低了精煤的灰分和硫分。分析其原因，主要是由于表面改性不僅能擴大凈煤和煤中主要礦物成分的介電常數與荷質比差異，也能顯著擴大各密度級微粉煤介電常數與荷質比的差異，這種差異的擴大使煤和礦物成分在摩擦電選分選室中的運動軌跡差別更明顯，因此更有利于煤和礦物成分的分離，從而強化了微粉煤旋轉摩擦電選的脫硫降灰效果。

2.2表面改性條件Box-Behnken試驗

通過單因素試驗結果可以看出，表面改性能夠強化微粉煤旋轉摩擦電選的脫硫降灰效果，但考慮到因素之間可能存在交互作用，運用Design-Expert軟件設計的Box-Behnken試驗對改性條件進行優化試驗。

試驗中表面改性劑選用柴油、煤油和乙酸，改性劑用量選取7000 g/t、9000 g/t和11000 g/t，改性時間選取5 s、10 s和15 s。表面改性強化微粉煤旋轉摩擦電選Box-Behnken試驗條件見表3，根據表3設計出的試驗方案進行試驗，得出表面改性強化微粉煤旋轉摩擦電選Box-Behnken試驗結果數據見表4。

表3　表面改性強化微粉煤旋轉摩擦電選Box-Behnken試驗條件

表4　表面改性強化微粉煤旋轉摩擦電選Box-Behnken試驗結果數據表　%

根據表4中的17組實驗數據，利用Design-Expert 6.0，對試驗參數優化，即在獲得最佳脫硫降灰指標的情況下，各參數取值最優，表面改性強化微粉煤旋轉摩擦電選脫硫降灰試驗方案優化表見表5。

表5　表面改性強化微粉煤旋轉摩擦電選脫硫降灰試驗方案優化表

由表5可以看出，Design-Expert試驗設計軟件對Box-Behnken試驗結果優化后，得到8種優化方案。方案1中當改性劑選用煤油、改性劑用量為10169 g/t以及改性時間為5 s時，可信度最高，因此方案1為最優化方案。

3　結論

在旋轉摩擦電選機最佳操作參數條件下，進行表面改性強化微粉煤旋轉摩擦靜電分選效果研究。當改性劑選用煤油、改性劑用量為10169 g/t以及改性時間為5 s時，微粉煤摩擦電選的可燃體回收率、脫灰率和脫硫率分別為44.16%、80.96%和73.36%。表面改性后微粉煤旋轉摩擦電選的精煤產率提高了約5%，精煤灰分降低了約3%，精煤硫分降低了約0.4%。

通過對比未進行表面改性處理和表面改性處理后微粉煤旋轉摩擦電選的脫硫降灰效果可知，微粉煤經表面改性處理后，精煤產率提高，精煤灰分和硫分降低，表面改性可以有效強化微粉煤旋轉摩擦靜電分選的脫硫降灰效果。

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Experimental research on surface modification of fine coal strengthening desulfurization and ash reduction through rotation friction electric separation

Song Ao，Tao Youjun，Xian Yushuai，Zhang Xuebin，Ding Qingqing
（School of Chemical Engineering and Technology，China University of Mining and Technology，Jiangsu，Xuzhou 221116，China）

The authors preprocessed fine coal by using surface modification method and used rotation friction electricity separation in order to improve effects of fine coal friction electrostatic separation desulfurization and ash reduction.The test results showed that when the modifier was kerosene with 10169g/t dosage and 5s modification time，the effects of fine coal rotary friction electric separation were best；combustible recovery，deashing and desulphurization values were 44.16%、80.96%、70.36%；after surface modification，the clean coal productivity increased 5%，clean ash decreased 3%and the sulphur content of clean coal decreased 0.4%.According to comparative analyzing electrostatic separation before and after surface modification，surface modification performance can significantly enhance the desulfurization and deashing effects of fine coal with rotary friction electric separation.

fine coal，surface modification，strengthening charging，rotary friction electric separation，desulfurization and ash reduction

TD94

A

宋傲（1991-），男，安徽宿州人，在讀研究生，主要從事礦物加工理論、工藝和設備方面的研究。

（責任編輯 王雅琴）

國家自然科學基金資助項目（51274200），高等學校博士學科點專項科研基金項目（20130095110010），國家自然科學基金創新群體項目（51221462）