分散劑和聚丙烯酰胺促進長焰煤浮選的試驗研究

楊宏麗，楊　靜，宋賢鵬，樊民強

(太原理工大學礦業工程學院，山西 太原 030024)

長焰煤是煙煤中的最低階煤，很多長焰煤選煤廠僅分選塊煤，粒度<0.5 mm的細粒通常直接拋棄或部分摻入精煤。但是隨著環保要求的逐漸嚴格以及煤炭企業的競爭激烈，更多選煤廠開始考慮分選回收粒度<0.5 mm細粒煤泥。

浮選是分選粒度<0.5 mm煤泥廣泛使用的方法。但是，眾多研究表明，長焰煤中有較多的含氧官能團，如羥基、羧基、羰基、醚基等，這就決定了長焰煤具有較差的可浮性，用常規浮選藥劑對其進行捕收往往難以得到理想的效果，同時藥劑消耗量較大[1-4]。另外，長焰煤中細泥罩蓋較為嚴重，這也導致傳統的藥劑制度不適用于長焰煤的浮選。

近年來，有學者圍繞長焰煤的表面性質及其浮選促進方法展開了研究。早在20世紀80年代，XIA Wencheng等[5]總結了通過研磨、預調漿、熱力、微波等提高低階煤表面疏水性的預處理方法。韓艷娜[4]研究發現，NaCl與Span-80以及CaCl2、MgCl2與十二胺共同作用后可改善長焰煤的浮選效果，平朔、東坡、義馬三個不同產地的長焰煤浮選產率最大分別達到51.77%、48.80%和64.01%。NI Chao等[6]發現，通過在浮選前加入吐溫60可提高長焰煤的可浮性。YE Y等[7]通過各種研究指出，煤表面化學性質與其可浮性的關系非常復雜，適當的氧化反而會提高煤特別是低階煤的表面疏水性。鄭云婷等[3]采用傅里葉紅外光譜分析、XPS分析、電位儀檢測、比表面積自動測定儀檢測了長焰煤的表面性質，以此為基礎，他們提出，包含—OH和C=O的捕收劑可以與低階煤表面的含氧基團形成氫鍵，使長碳鏈的非極性烴類油吸附在煤表面，從而提高其疏水性。

關于對長焰煤的浮選，文獻多集中于理論推測，較少直接給出較滿意的結果。本研究將礦物分選中普遍使用的分散劑和選煤工藝中普遍使用的聚丙烯酰胺用于長焰煤的浮選，考察了它們對長焰煤浮選的促進作用，得到了較為滿意的結果。

1　試驗

1.1　煤樣來源與性質

研究所用煤樣采自麻家梁選煤廠，該廠原煤經13 mm篩分后，150～13 mm進入重介淺槽分選，13～0 mm脫泥后用兩產品重介旋流器分選，1.5～0.15 mm細粒煤用螺旋溜槽回收，0.15～0 mm細泥直接壓濾。從選煤廠取分級篩篩上>13 mm原煤，對其破碎至1 mm以下，篩除+0.5 mm、取其中-0.5 mm作為浮選用樣。該煤樣的工業分析和元素分析結果分別見表1和表2。從表2可以看出，該煤樣中氧含量較高，這將直接影響其可浮性。

煤樣的粒度分析結果列于表3。從表3可以看出，+0.125 mm粒級占一半以上，各粒級灰分隨著粒度的減小而增加，但最大灰分差在10%之內。

表1　工業分析結果

表2　元素分析結果

表3　煤樣的粒度組成

1.2　浮選試驗與評價指標

浮選試驗在1.5 L機械攪拌式浮選機中進行，葉輪轉速1 800 rpm，礦漿濃度100 g/L，進氣量4.0 L/min。所用捕收劑為煤油(試劑級)，起泡劑為仲辛醇(分析純)。浮選精煤、尾煤化驗灰分，并根據下式計算精煤可燃體回收率ε作為浮選結果的評價指標。

式中，γj、Aj和Aw分別為精煤產率、精煤灰分和尾煤灰分。

1.3　分步釋放試驗

圖1是煤樣的分布釋放試驗結果。由圖1可知，該煤不可能通過浮選得到很低灰分(例如10%)的精煤，但是16%～20%的精煤灰分對于保證精煤發熱量已經足夠(>22.99 MJ/kg)，而且可以最大程度上減少尾煤的產量，此灰分對于該長焰煤的分選而言較為合理。

圖1　分步釋放試驗結果

2　結果與討論

2.1　捕收劑與起泡劑用量優化

考察了煤油和仲辛醇用量對浮選的影響，結果見圖2和圖3。

圖2　煤油和仲辛醇用量對精煤可燃體回收率的影響

由圖2可以看出，煤油和仲辛醇用量越高，精煤可燃體回收率也越高，但煤油用量超過2 000 g/t以后，精煤可燃體回收率變化幅度很小。煤油用量在1 000～2 000 g/t時，增加仲辛醇的用量有助于提高精煤可燃體回收率，但當煤油用量非常低(如500 g/t)時，增加起泡劑用量反而會導致精煤可燃體回收率大幅度降低。

圖3　煤油和仲辛醇用量對精煤灰分的影響

從圖3可以看出，煤油用量越高，精煤灰分越高。當煤油用量不足時，只有可浮性最好的顆粒(低灰)可以上浮，而當煤油和仲辛醇用量都過高時，精煤灰分也會過高(超過20%)。

考慮到長焰煤作為動力用煤，藥耗過高不經濟，兼顧精煤灰分和可燃體回收率，煤油和仲辛醇用量分別應該在1 000～2 000 g/t和150～250 g/t之間。

2.2　分散劑對長焰煤浮選的影響

分散劑在礦物浮選中普遍使用，其用量通常為1 000～4 000 g/t。分散劑在煤泥分選中的應用主要集中于選擇性絮凝研究中，其用量通常非常高，以分散劑濃度4%[8]為例，約等于浮選用量400 kg/t干煤泥(按浮選濃度100 g/L計)。考慮到長焰煤浮選成本不宜過高，本研究將分散劑用量控制在1 000～3 000 g/t之間，添加于煤油之前，調漿時間3 min，考察了六偏磷酸鈉、偏磷酸鈉、多聚磷酸鈉三種分散劑對浮選的影響，結果見圖4。

圖4　分散劑對浮選結果的影響

由圖4可見，三種分散劑均可以顯著提高精煤可燃體回收率，多聚磷酸鈉(3 000 g/t)、六偏磷酸鈉(2 000 g/t)、焦磷酸鈉(2 000 g/t)分別可以使精煤可燃體回收率提高約11.80%、8.15%和6.41%，同時可使尾煤灰分提高18.48%、4.44%和10.10%，對應尾煤灰分均在60%以上。其中多聚磷酸鈉(3 000 g/t)對應精煤灰分和尾煤灰分分別為19.64%和69.33%。

分散劑作用于高嶺土等高灰物質會增強其負電性[9]，使這部分高灰細泥分散于礦漿中，消除對煤顆粒表面的罩蓋，從而使可浮性較弱(灰分略高)的煤粒也有機會上浮進入泡沫層，這也是加入分散劑以后精煤灰分整體有所上升的原因。要保持較穩定、較低灰分的精煤產品，宜采用焦磷酸鈉作分散劑。

三種分散劑對精煤可燃體回收率的促進作用從大到小依次為多聚磷酸鈉>六偏磷酸鈉>焦磷酸鈉，這與它們的分子構型以及其中陰離子的量有關。三種分散劑的分子構型如圖5所示(多聚磷酸鈉是二聚、三聚磷酸鈉的混合物，以三聚磷酸鈉為例)。一方面分散劑通過在水中電離出陰離子吸附于顆粒表面，增加顆粒表面負電性，從而在靜電斥力的作用下實現顆粒的分散[10]。相同用量下，三聚磷酸鈉具有最多的總負電荷，六偏磷酸鈉次之，焦磷酸鈉負電荷量最少(表4)，這與精煤可燃體回收率變化規律一致，說明其負電性在分散作用中占主導。另一方面分散劑的分子構型對其分散作用也有影響，六偏磷酸鈉因為是環狀結構，其空間位阻效應最為明顯，也是這三者中應用最廣的分散劑。

圖5　分散劑分子結構示意圖

表4　分散劑中陰離子的數量

分散劑種類1000g/t2000g/t3000g/t三聚磷酸鈉/mol13.5927.1840.78六偏磷酸鈉/mol9.8119.6229.42焦磷酸鈉/mol8.9717.9426.91

2.3　聚丙烯酰胺對長焰煤浮選的影響

選用了陰離子型、陽離子型、非離子型共三種聚丙烯酰胺，分子量均為600萬，添加在分散劑(焦磷酸鈉2 000 g/t)之后、捕收劑(煤油2 000 g/t)之前，調漿3 min，結果見圖6。

圖6　聚丙烯酰胺對浮選結果的影響

從圖6可以看出，控制聚丙烯酰胺在較低用量下，可以改善長焰煤的浮選。少量聚丙烯酰胺(5 g/t)可以使精煤灰分降低約1.5%。同時陰離子聚丙烯酰胺可使精煤可燃體回收率提高約6.17%，當其用量為5 g/t時，精煤可燃體回收率可達94.23%，此時精煤、尾煤灰分分別為17.25%和66.27%。這表明，聚丙烯酰胺特別是陰離子型聚丙烯酰胺可以選擇性地吸附在低灰微細粒煤表面，促進其回收；但隨著用量增大，過量的聚丙烯酰胺會使分散的細泥重新聚集到煤粒表面，導致精煤灰分升高，同時可燃體回收率下降。陽離子型聚丙烯酰胺會使荷負電的高灰細泥絮凝于煤粒表面，阻礙捕收劑向煤表面吸附，從而隨著用量增加，造成精煤灰分迅速升高而可燃體回收率降低。非離子型聚丙烯酰胺在較高用量下也可得到較為理想的結果。

3　結　論

長焰煤浮選精煤灰分不能太低，宜為16%～20%，煤油和仲辛醇用量分別應為1 000～2 000 g/t和150～250 g/t，以保證產品質量同時合理控制藥耗。

分散劑可消除煤顆粒表面的高灰細泥罩蓋從而促進煤的浮選。三種分散劑對精煤可燃體回收率的促進作用從大到小依次為：多聚磷酸鈉>六偏磷酸鈉>焦磷酸鈉，這與它們的分子構型以及其中陰離子的量有關。其中多聚磷酸鈉在3 000 g/t時可使精煤可燃體回收率提高11.80%、尾煤灰分提高18.48%，對應精、尾煤灰分分別為19.64%和69.33%。

使用少量聚丙烯酰胺可以使精煤灰分降低，可燃體回收率提高。使用少量陰離子聚丙烯酰胺可得到灰分17.25%、可燃體回收率94.23%的精煤，對應尾煤灰分66.27%。

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