廢棄植物油團(tuán)聚法分選微細(xì)難浮煤泥的試驗研究

趙元成 沙 杰 管雯瑞 郭佳琦 姬旭昀 張 靜 李曉琳

(1.中國礦業(yè)大學(xué)職業(yè)與繼續(xù)教育部，江蘇省徐州市，221008； 2.中國礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，江蘇省徐州市，221116)

目前浮選是分選細(xì)粒粉煤最成熟、有效的方法之一，并已實現(xiàn)工業(yè)化。隨著機(jī)械化采煤技術(shù)的不斷推廣，存在入浮煤泥量增多、粒度越來越細(xì)、灰分越來越高、難選和極難選煤比例增大且分選越來越困難等問題。然而，現(xiàn)有的浮選設(shè)備在處理高灰、高含量微細(xì)煤泥時均存在高灰細(xì)泥通過機(jī)械夾帶、粘附泡沫和覆蓋精煤顆粒等方式進(jìn)入精煤產(chǎn)品，導(dǎo)致浮選精煤灰分超標(biāo)的現(xiàn)象。

本次試驗所選用的油團(tuán)聚分選工藝，是指用中性油與分散在水介質(zhì)中的礦物或其他顆粒接觸，在攪拌產(chǎn)生的剪切力作用下，一方面中性油分散成液珠，另一方面疏水顆粒通過油橋連接起來形成油團(tuán)，之后通過篩分將油團(tuán)分離，得到疏水產(chǎn)物。其優(yōu)點是對煤粒大小沒有限制且在確保較高精煤產(chǎn)率的同時可以達(dá)到很高的脫灰率。

1 煤樣性質(zhì)分析

試驗煤樣采自山東臨沂礦業(yè)集團(tuán)王樓煤礦選煤廠微細(xì)煤泥，按照《煤炭篩分試驗方法》(GB/T477-2008)對煤樣進(jìn)行了篩分試驗，微細(xì)煤泥篩分試驗結(jié)果見表1，其工業(yè)分析和元素分析見表2。

由表1可以看出，微細(xì)煤泥樣品主導(dǎo)粒級為-0.045 mm，占本級產(chǎn)率為74.82%，灰分為37.25%，表明該微細(xì)煤泥中高灰分細(xì)顆粒含量大，煤樣灰分總體趨勢隨著粒度的減小而增大，-0.045 mm粒級灰分較其他各粒級灰分明顯偏高。

表1 微細(xì)煤泥篩分試驗結(jié)果

表2 微細(xì)煤泥的工業(yè)分析和元素分析

由表2可以看出，微細(xì)煤泥的干燥無灰基揮發(fā)分(Vdaf)為42.66%，焦渣特征為4號不熔融粘結(jié)，判定微細(xì)煤泥的煤種為氣煤。

采用煤油作為捕收劑，用量為1000 g/t，采用仲辛醇為起泡劑，用量為200 g/t，進(jìn)行分步釋放浮選試驗，煤泥分步釋放浮選試驗結(jié)果見表3。

表3 煤泥分步釋放浮選試驗結(jié)果

圖1 微細(xì)煤泥分步釋放浮選曲線圖

根據(jù)表3的分步釋放浮選試驗結(jié)果，繪制出分步釋放浮選試驗曲線圖，微細(xì)煤泥分步釋放浮選曲線圖如圖1所示。

由圖1可以看出，當(dāng)浮選精煤灰分要求為9.0%時，理論產(chǎn)率為47.00%，計算浮選精煤可燃體回收率為59.73%，以此判斷該微細(xì)煤泥的可浮性等級為難浮。

2 試驗方案

試驗選用的廢棄植物油是一種密度為0.886 g/cm3的黃褐色液體，主要成分為直鏈高級脂肪酸和甘油生成的酯，脂肪酸除軟脂酸、硬脂酸和油酸外，還含有多種不飽和酸，如芥酸、桐油酸和蓖麻油酸等。

將試驗煤樣置于500 mL的錐形瓶中，加入少量自來水潤濕煤樣，用1000 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌2 min，然后補(bǔ)加水至400 mL，再用1000 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌3 min后，加入定量的廢棄植物油，調(diào)整攪拌速度和攪拌時間。團(tuán)聚過程結(jié)束后，關(guān)閉攪拌器，將粘在葉片、錐形瓶唇邊和壁面的顆粒收集至懸浮液中。將錐形瓶內(nèi)的懸浮液用0.25 mm篩子進(jìn)行篩分并使用適量的自來水緩慢沖洗篩上，收集的所有產(chǎn)品均需過濾脫水、烘干和冷卻至空氣干燥狀態(tài)。最終產(chǎn)品需用丙酮脫油處理，以便進(jìn)行后續(xù)分析，油團(tuán)聚試驗裝置圖如圖2所示。

圖2 油團(tuán)聚試驗裝置圖

3 微細(xì)煤泥油團(tuán)聚分選試驗

3.1 攪拌速度對微細(xì)煤泥油團(tuán)聚效果的影響

國內(nèi)外學(xué)者相關(guān)研究均表明，攪拌速度是非常重要的參數(shù)，在微細(xì)礦物油團(tuán)聚時，對團(tuán)聚物灰分、可燃體回收率和無機(jī)硫脫除率有著顯著影響。攪拌強(qiáng)度的增加能夠使團(tuán)聚油分散成小液滴，增加覆油顆粒間的碰撞概率，從而有利于后續(xù)的團(tuán)聚過程。另一方面，攪拌強(qiáng)度的增加也有利于精煤顆粒與脈石顆粒的分散，從而降低高灰細(xì)泥的夾帶，增加油團(tuán)聚過程的選擇性，同時攪拌速度會影響形成聚團(tuán)需要的時間。轉(zhuǎn)速高時會產(chǎn)生高剪切和湍流，油滴分布均勻，碰撞頻率增強(qiáng)，從而縮短生成聚團(tuán)所用的時間。這也與本試驗的試驗結(jié)果一致。

當(dāng)固體含量為15%、油用量為20%(占煤樣質(zhì)量的百分比，下同)、攪拌時間為20 min時，攪拌速度對微細(xì)煤泥油團(tuán)聚效果的影響規(guī)律如圖3所示。

圖3 攪拌速度對微細(xì)煤泥油團(tuán)聚效果的影響規(guī)律

由圖3可以看出，隨著攪拌速度的增加，可燃體回收率持續(xù)增加，精煤灰分逐漸降低。

3.2 攪拌時間對微細(xì)煤泥油團(tuán)聚效果的影響

隨著攪拌時間的增加，可燃體回收率逐漸增加，這是由于顆粒與顆粒、顆粒與微團(tuán)及微團(tuán)間碰撞的不斷增強(qiáng)使得聚團(tuán)數(shù)量增加，平均粒度也不斷增大。整個油團(tuán)聚過程的變化可以分為3個階段：0～10 min，精煤灰分隨時間的增加逐漸降低，這是由于聚團(tuán)逐漸變得更加緊實，聚團(tuán)中夾帶的水分減少；10～30 min，精煤灰分和可燃體回收率顯著變化，油團(tuán)聚過程劇烈發(fā)生；30 min后，精煤灰分略微增加，可燃體回收率逐漸趨于穩(wěn)定，這是由于此時精煤結(jié)構(gòu)基本不發(fā)生變化，但部分高灰顆粒可能會通過機(jī)械夾帶的方式進(jìn)入精煤中。

當(dāng)固體含量為15%、油用量為20%、攪拌速度為1400 rpm時，攪拌時間對微細(xì)煤泥油團(tuán)聚效果的影響規(guī)律如圖4 所示。

圖4 攪拌時間對微細(xì)煤泥油團(tuán)聚效果的影響規(guī)律

3.3 團(tuán)聚油用量對微細(xì)煤泥油團(tuán)聚效果的影響

團(tuán)聚油用量對聚團(tuán)結(jié)構(gòu)、聚團(tuán)粒度、精煤產(chǎn)率和選擇性都有顯著的影響。國內(nèi)外學(xué)者的相關(guān)研究表明，隨著粘結(jié)劑用量和顆粒緊實程度的增加，液體飽和度增加，聚團(tuán)結(jié)構(gòu)也會發(fā)生相應(yīng)的變化。聚團(tuán)中液體飽和度的狀態(tài)可以分為3種：擺動狀、索狀和毛細(xì)狀。隨著團(tuán)聚油用量的進(jìn)一步增加，聚團(tuán)會分散在團(tuán)聚油中，形成糊狀物。當(dāng)油用量小于15%時，油滴數(shù)量的增加有利于團(tuán)聚油與煤粒碰撞形成聚團(tuán)，增大聚團(tuán)粒度，從而實現(xiàn)可燃體回收率的增加和精煤灰分的降低；當(dāng)油用量大于15%時，聚團(tuán)結(jié)構(gòu)由索狀的三相穩(wěn)定狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槊?xì)狀，間隙被團(tuán)聚油填充，可燃體回收率降低，同時部分顆粒壓實，聚團(tuán)灰分降低。

當(dāng)固體含量為15%、攪拌速度為1400 rpm、攪拌時間為20 min時，油用量對微細(xì)煤泥油團(tuán)聚效果的影響規(guī)律如圖5所示。

圖5 油用量對微細(xì)煤泥油團(tuán)聚效果的影響規(guī)律

由圖5可以看出，當(dāng)油用量小于15%時，可燃體回收率不斷增加，精煤灰分逐漸降低；而當(dāng)油用量大于15%時，精煤灰分仍呈降低的趨勢，但可燃體回收率也略微降低。

3.4 固體含量對微細(xì)煤泥油團(tuán)聚效果的影響

當(dāng)固體含量較低時，礦漿單位體積中顆粒數(shù)量少，顆粒間距大，選擇性好，脈石顆粒夾帶少；當(dāng)固體含量高時，礦漿單位體積中顆粒數(shù)量多，顆粒間距小且選擇性差，高灰細(xì)泥夾帶嚴(yán)重，精煤質(zhì)量惡化。

當(dāng)油用量為20%、攪拌速度為1400 rpm、攪拌時間為20 min時，固體含量對微細(xì)煤泥油團(tuán)聚效果的影響規(guī)律如圖6所示。

由圖6可以看出，當(dāng)固體含量小于25%時，可燃體回收率略微增加，精煤灰分逐漸降低；當(dāng)固體含量大于25%時，可燃體回收率和精煤灰分均逐漸增加。

圖6 固體含量對微細(xì)煤泥油團(tuán)聚效果的影響規(guī)律

4 團(tuán)聚油紅外光譜分析

為了分析試驗用廢棄植物油的化學(xué)組分，探究廢棄植物油與煤樣的作用機(jī)理，采用傅里葉變換紅外光譜儀及顯微紅外系統(tǒng)(FTIR)對試驗用廢棄植物油進(jìn)行檢測，得出紅外光譜曲線，試驗用廢棄植物油的譜圖如圖7所示。

圖7 試驗用廢棄植物油FTIR譜圖

由圖7可以看出，在2923 cm-1、2853 cm-1處為-CH3和-CH2的伸縮振動，這些官能團(tuán)可以與煤樣表面的疏水性官能團(tuán)互相作用；在3008 cm-1處為羧基的-OH伸縮振動，這表明植物油中存在脂肪酸，可以通過氫鍵與細(xì)粒煤相互作用；在1670 cm-1處出現(xiàn)第一強(qiáng)峰，這表明植物油中的主要成分為酯類，脂肪酸酯的存在可以增強(qiáng)植物油在水中的乳化；

在1000～1300 cm-1處振動峰值較多且面積較大，該區(qū)域為-C-O-C-和醇類-OH伸縮振動區(qū)域，這些含氧基團(tuán)可與煤樣表面的含氧基團(tuán)發(fā)生弱氫鍵和作用，提高煤樣的吸附作用，從而提高煤樣的整體疏水性。

5 結(jié)論

通過廢棄植物油團(tuán)聚法分選微細(xì)煤泥樣品的試驗，探究了油團(tuán)聚過程中攪拌速度、攪拌時間、油用量、固體含量這4個因素對油團(tuán)聚效果的影響。主要得到以下結(jié)論：

(1)對于高灰細(xì)泥含量高的微細(xì)煤泥樣品中高灰細(xì)泥含量高、可浮性等級為難浮，采用浮選方法很難得到較好的分選效果。

(2)研究表明，油團(tuán)聚方法是一種分選微細(xì)難浮煤泥的有效手段。試驗用廢棄植物油成本較低且表現(xiàn)出了較好的油團(tuán)聚分選效果，配合必要的攪拌速度、充足的團(tuán)聚時間、合適的團(tuán)聚油用量和固體含量等，可以實現(xiàn)微細(xì)難浮煤泥的有效分選。