細粒煤超導磁選脫硫降灰的試驗研究

王建英 宋晉陽 吳 旭 程冠宇 雷 霄

(內蒙古科技大學內蒙古自治區白云鄂博多金屬資源綜合利用重點實驗室，內蒙古自治區包頭市， 014010)

近年來，煤炭在我國一次能源消費結構中占比逐步降低，但煤炭的主體能源地位在相當長的時期內不會發生改變。煤炭燃燒利用過程中產生的二氧化硫、氮氧化物和煙(粉)塵對我國環境造成了極大的危害?；痣姀S是燃煤消費的最大用戶，占我國年煤炭生產總量的47%以上，煤炭燃前脫硫是最經濟的脫硫技術，發電廠磨煤制粉工藝的配置為應用燃前物理選煤的方法脫除煤中的硫和灰分提供了必要的解離條件。煤炭磁選的基本原理是利用煤基質(逆磁性)和煤系黃鐵礦及其它灰分物質(順磁性)磁性的差異，在具有強大磁場力的分選空間中實現煤基質和部分礦物質的分離，磁力對磁選過程起著主導作用。常規磁選機因為受磁性材料磁飽和極限和功耗的限制，它們的磁感應強度不能超過2 T，超導磁選機則不受限制，具有更高的磁感應強度和低能耗等優點，適合于分選煤中極弱磁性的礦物質。

國外超導磁選煤脫硫試驗開展的較早，早在1979年就有國外專家在5 T磁場下進行了超導磁選煤脫硫試驗，美國的MCA公司、荷蘭的FDO公司和HOLEC公司就先后使用超導磁分選裝置進行了煤的分選；英國帝國理工學院利用超導磁選機分選了2種高灰分水煤漿，脫硫效果顯著；2000年日本煤炭利用中心在煤炭干選工業性試驗項目中，對-0.5 mm以下煤炭采用超導磁分選；2010年還有專家進行了干法超導磁選煤脫硫試驗。我國見于報道的只有1990年中國科學院電工研究所的專家在5 T的磁場下進行的超導磁選煤脫硫的試驗。

近年來，超導磁選技術在高嶺土提純和污水處理等行業得到了很好的應用，但在煤炭脫硫降灰方面少有研究應用，本文針對內蒙古自治區呼和浩特市清水河縣天賜源煤礦的中硫煤進行了超導磁分選試驗。

1 試驗部分

1.1 試驗煤樣及設備

試驗所用煤樣為內蒙古自治區呼和浩特市清水河縣天賜源煤礦原煤，將其破碎到一定粒度時用球磨機制粉，經混勻、縮分后稱取試驗煤樣，可有效保證試驗煤樣的代表性，該煤樣水分Mad為2.05%、灰分Aad為32.68%、揮發分Vad為26.58%、固定碳FCad為38.69%、全硫St,ad為1.32%，屬于中低硫、中高灰、低揮發分煤。

主要試驗設備有球磨機、標準套篩、干燥箱和精密天平等樣品制備設備，使用鶴壁市鑫泰高科儀器制造有限公司生產的KZDL-4c型快速智能一體測硫儀、選用包頭市云捷電爐廠生產的SX10-BYL型箱式電阻爐用來測量灰分、選用江蘇旌凱中科超導高技術有限公司生產的JS102型立式超導磁選實驗機做為分選設備，分散劑采用六偏磷酸鈉。

1.2 分選過程

調節電流大小使超導磁體達到試驗所需磁感應強度；在分選罐體中加入聚磁介質，操作控制箱，使分選罐體進入強磁場區間，聚磁介質在磁場中被磁化形成高梯度磁場；將一定量的煤粉配置成一定濃度的礦漿，用磁力攪拌器攪拌礦漿，將充分攪拌松散后的礦漿由給礦泵給入分選罐體；礦漿中的磁性顆粒被吸附在聚磁介質表面，非磁性顆粒流出分選罐體被收集；之后將分選腔移出強磁場區間，打開沖洗水，沖洗出磁性顆粒，實現了磁性顆粒和非磁性顆粒的分離，分選結束。

1.3 試驗方案

采用單因素試驗方法，對影響煤粉磁選指標的5個因素及其4個水平進行了測試，以精煤產率、脫硫率和脫灰率作為考核指標，選取其中一種因素，固定其他因素，變換多種水平，確定此因素下的最優水平；再固定此最優水平的因素，依此法逐漸確定其他因素下的最優水平，將5大最優水平的因素匯總，得到最優方案，單因素試驗與水平見表1。

表1 單因素試驗與水平

2 試驗結果及討論

2.1 單因素試驗

按照簡單對比的實驗方法，探索磨礦粒度、磁感應強度、礦漿流速、礦漿濃度和分散劑用量等各個因素對磁選精礦的精煤產率、脫硫率和脫灰率等質量指標的影響規律，以確定最佳工藝，對應表1中的因素及水平，單因素試驗結果見表2。

表2 單因素試驗結果

由于各個因素的水品對精煤產率、脫硫率及脫灰率的影響，可得出最佳工藝條件為A1B4C3D3E3，即磨礦粒度為-74 μm占50%、磁感應強度為5.5 T、礦漿流速為2.5 cm/s、礦漿濃度為15%、分散劑(六偏磷酸納)為4 kg/t時為最佳工藝條件 。

2.2 各因素對磁分選指標的影響分析

2.2.1 磨礦粒度對分選效果的影響

在固定試驗條件下，即磁感應強度為5.5 T、礦漿流速為2.5 cm/s、礦漿濃度為10%、分散劑為4 kg/t時，改變磨礦粒度，磨礦粒度變化對磁分選效果的影響如圖1所示。

由圖1可以看出，隨著磨礦粒度的增加，精煤產率在逐漸升高，煤粉的脫硫率和脫灰率逐漸降低，并且在磨礦粒度為-74 μm占50%時最高。這是由于隨著磨礦粒度的增加，顆粒體積的減小，煤中礦物質顆粒受到的磁力也在減小，此時的磁力小于顆粒所受的機械力，不利于煤的分選；并且由于分子表面能的作用，顆粒過細容易粘結聚團，不利于煤與其它礦物質的分離。因此，在該試驗范圍內，綜合精煤產率、脫硫率和脫灰率，最佳磨礦粒度為-74 μm占50%。

圖1 磨礦粒度對分選效果的影響

2.2.2 磁感應強度對分選效果的影響

確定磨礦粒度為-74 μm含量占50%，其他試驗條件不變，只改變磁感應強度，磁感應強度變化對分選效果的影響如圖2所示。

圖2 磁感應強度對分選效果的影響

由圖2可以看出，隨著磁感應強度的增強，精煤產率在降低，脫硫率和脫灰率在增加且在5.5 T時最高。這是由于隨著磁感應強度的增加，使得煤中礦物質顆粒受到的磁力大于機械力，并且隨著兩者間的差值增大，使得吸附在分選腔聚磁介質上的礦物質顆粒也隨之增加，從而使得精煤產率降低，脫硫率和脫灰率升高。綜合精煤產率、脫硫率和脫灰率，在該試驗范圍內，最佳磁感應強度為5.5 T。

2.2.3 礦漿流速對分選效果的影響

確定磨礦粒度-74 μm含量占50%，磁感應強度為5.5 T，其他試驗條件不變，改變礦漿流速，礦漿流速的變化對分選效果的影響如圖3所示。

圖3 礦漿流速對分選效果的影響

由圖3可以看出，精煤產率隨著礦漿流速的增大而增大，這是因為礦漿流速增大時，礦物質顆粒在分選罐體中受到的機械力大于該顆粒受到的磁力，使得煤粉顆粒從聚磁介質上脫落，在流體的作用下進入精煤中，從而使得精煤產率增大。礦漿流速超過一定值時，雖然精煤產率在不斷增大，但是脫硫率先增加后減少，使得脫灰率逐漸降低。礦漿流速過低，一方面使得煤粉顆粒不能很好的分散開來而形成聚團，另一方面容易造成礦漿中煤粉顆粒的沉積與堵塞，造成脫硫率和脫灰率減少。因此，綜合精煤產率、脫硫率和脫灰率，在該試驗范圍內最佳的礦漿流速為2.5 cm/s。

2.2.4 礦漿濃度對分選效果的影響

確定磨礦粒度為-74 μm含量占50%，磁感應強度為5.5 T，礦漿流速為2.5 cm/s，其他試驗條件不變，改變礦漿流速，礦漿濃度變化對分選效果的影響圖4所示。

圖4 礦漿濃度對分選效果的影響

由圖4可以看出，隨著礦漿濃度的升高，精煤產率先降低后升高，脫硫率和脫灰率先升高后降低，并且在礦漿濃度為15%時最高。分析其原因，一方面是因為礦漿濃度較低時，雖然顆粒間相互較為分散，但是分選時礦漿濃度過低，會造成流速增大，導致分選時間縮短，造成一部分礦物質顆粒進入精煤中，使得精煤產率變高，影響煤中硫分與灰分脫除效果；另一方面是由于礦漿濃度較高，造成分選濃度增大，此時尾煤顆粒容易被精煤顆粒包裹夾帶，使得煤中順磁性礦物顆粒不能與煤顆粒有效分離，導致精煤產率變高，影響脫硫率與脫灰率。因此，綜合精煤產率、脫硫率和脫灰率，礦漿濃度為15%時效果最佳。

2.2.5 分散劑用量試驗

確定磨礦粒度為-74 μm含量占50%，磁感應強度為5.5 T，礦漿流速為2.5 cm/s，礦漿濃度為15%，改變分散劑用量，分散劑用量對分選效果的影響如圖5所示。

圖5 分散劑用量對分選效果的影響

由圖5可以看出，隨著分散劑用量的增加，精煤產率逐漸降低，脫硫率和脫灰率逐漸增高。分析原因，分散劑的使用，使得煤中顆粒分散更加均勻，同時能防止顆粒沉降，使得煤中礦物質顆粒被吸附的機會增加，導致精煤產率的減少和脫硫率、脫灰率的增加。綜合精煤產率、脫硫率、脫灰率，分散劑用量在4 kg/t時取得最好效果。

2.2.6 綜合試驗

在單因素試驗的基礎上，以-74 μm含量為50%的細粒煤為試驗對象，采用磁感應強度為5.5 T、礦漿流速為2.5 cm/s、礦漿濃度為15%、分散劑用量為4 kg/t的分選條件，進行一次分選試驗，綜合試驗結果見表3。

表3 綜合試驗結果 %

由表3可以看出，綜合最佳工藝條件，利用超導磁選機對煤粉進行一次分選，取得了精煤產率為85.66%，脫硫率為50.29%和脫灰率為22.65%的效果。

3 結論

單因素試驗結果表明，在試驗范圍內，呼和煤粉超導磁選脫硫的最佳試驗條件為：磨礦粒度為-74 μm占50%、礦漿流速為2.5 cm/s、磁感應強度為5.5 T、礦漿濃度為15%、分散劑用量為4 kg/t?；谧罴言囼灄l件，對細粒煤進行一次超導分選，取得了精煤產率為85.66%，脫硫率為50.29%，脫灰率為22.65%的試驗效果。試驗表明，采用超導高梯度磁選技術對煤粉進行分選是可行的。

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