難選煤泥脈石礦物自動分析及浮選分離

付小哲，姜效軍，姜永良，李明明

(1.遼寧科技大學礦業工程學院，遼寧 鞍山 114051； 2.遼寧德巴斯實業有限公司，遼寧 葫蘆島 125100)

我國煤炭資源豐富，但焦煤占比偏低，屬于稀缺資源[1]。目前國內外選煤普遍采用的是重介-TBS-浮選工藝，其中浮選為富集0.4 mm以下細粒煤泥的有效方法[2-3]。隨著煤炭開采機械化程度的提高，入浮煤泥粒度變細，含泥量大，可浮性變差[4]，導致工業生產中精煤回收率偏低。崔廣文等[5]、阮繼政等[6]、XIE Weiwei[7]、ZHU Shuquan等[8]從優化藥劑入手，將煤油或柴油乳化，乳化后的煤油或柴油用量減少，并且能提高精煤回收率1%～3%，但乳化劑成本高，精煤泡沫大不利于后續壓濾工序。CHEN Songjiang等[9]在改善煤表面性質進行研究，用2-乙基己醇將煤樣預處理12 h后，煤樣表面接觸角從74.9°增加到95.4°，提高了煤樣可浮性。SOBHY A等[10]針對伊利諾伊州細粒煤，在實驗室進行了探索，設計了水力空氣納米氣泡浮選柱，在納米氣泡的存在下，150 μm以下煤的可燃體回收率提高5%～10%。但針對嵌布粒度特細難選焦煤煤泥，由于煤油分散性差選別效率低的問題研究較少，是目前需研究的緊迫問題。

針對太原某選煤廠難選煤泥，本文利用礦物自動分析系統(automatic mineral characterization system,AMCS)，對煤泥中全部脈石礦物的組成、粒度、嵌布情況進行分析，針對脈石礦物種類和性質，研制出添加了植物油的新捕收劑，提高了藥劑在水中分散性，增強了藥劑對難選煤泥的捕收能力。在實驗室對新捕收劑和煤油的浮選效果進行對比試驗，結果表明，在精煤灰分低于11%的前提下，新捕收劑可得到浮精回收率88.7%的優良指標，較煤油提高6.1%。在工業生產中，新捕收劑可得到浮精回收率78%，較煤油提高13%。

1 試 驗

1.1 煤樣與藥劑

試驗煤樣取自太原市某選煤廠入浮煤泥，該試樣為原煤經篩分，重介-TBS和旋流器分級后的0～0.4 mm細粒物料，灰分14.6%。該廠應用Φ4.8 m的浮選柱系統，現行捕收劑煤油用量為0.8 kg/t，起泡劑雜醇油用量為0.4 kg/t。對比試驗捕收劑是由植物油和烴油按照重量比25∶75配制而成。植物油A主要成分為三羧酸甘油酯，植物油B主要成分為甾烯酸甘油酯和環庚基仲醇，二者均是農業副產物。烴油是石油煉制中副產物，沸程180～350 ℃。

1.2 儀器與設備

試驗儀器為遼寧儀表研究所有限責任公司生產的LIRI顯微成像分析系統，德國Zeiss公司生產的AMCS自動礦物分析系統。試驗浮選設備為自制0.5 L(Φ80 mm×100 mm)浮選柱。

1.3 試驗操作

1.3.1 LIRI顯微成像操作

取0.5 g煤樣與水配制成濃度1%的懸浮液，在超聲波分散器中分散，用微量注射器抽取0.3 mL滴在載玻片上，選擇10倍物鏡，通過CCD(charge coup device)成像技術將顯微鏡圖像拍攝，通過系統軟件獲取清晰圖像以供分析。

1.3.2 AMCS制樣

AMCS中的掃描電鏡結合能譜掃描全部顆粒，利用背景灰度掩蔽煤顆粒圖像，通過11萬種礦物數據庫分析得出全部脈石礦物的種類、元素組成、粒度分布等。

取5 g煤樣，用環氧樹脂進行膠結固化，膠固均勻后打磨拋光。將樣品置于離子濺射儀中，在拋光面鍍金膜，控制電流6～8 mA，抽真空至66.66 Pa，1 min后制樣完成。

1.3.3 浮選柱操作

結合太原某選煤廠現場工藝與藥劑制度，確定試驗方案為礦漿濃度100 g/L，攪拌速度500 r/min，攪拌3 min后加入捕收劑，繼續攪拌1 min加入起泡劑，15 s后開始充氣、刮泡并收集泡沫產品，充氣量0.12 m3/min，刮泡3 min。

2 結果與討論

2.1 試樣形貌分析

通過光學顯微鏡觀察試樣的微觀形貌。圖1是將試樣放大10倍的顯微圖像。

由圖1可知，煤顆粒與脈石礦物總體解離度較高，粒度較大的煤粒和脈石礦物基本處于解離狀態。但還有部分連生體存在，同時細粒脈石和煤相互混雜，嵌布粒度細。

2.2 試樣脈石礦物分析

經過環氧樹脂膠固的煤顆粒灰度與環氧樹脂基本一致，因此可掩蔽煤顆粒，以凸顯煤泥中的脈石礦物。所得脈石礦物嵌布情況見圖2。

如圖2所示，試樣中脈石礦物種類多，粒度細，分布均勻但不規律。同時還存在解離的大顆粒石英。試樣脈石元素含量見表1。

物鏡10倍，a-煤粒，b-連生體，c-脈石 圖1 煤泥顯微形貌

表1 試樣脈石元素含量

元素名稱OSiAlFeSCaK含量/%45.4424.438.768.337.872.610.88元素名稱CHMgCrMnNa合計含量/%0.810.710.110.040.010.01100.0

由表1可知，試樣脈石中共有13種元素，其中主要元素為O、Si、Al、Fe、S，次要元素為Ca、K、C、H、Mg，還有Cr、Mn、Na三種微量元素。

試樣脈石礦物含量見表2。其中，表2歸一化含量是由AMCS測定表示礦物在脈石中的含量，煤中含量表示礦物在試樣中的含量，根據試樣灰分14.6%求得。

由表2可知，試樣中共有脈石礦物15種， 其中主要礦物為高嶺土、石英、黃鐵礦，這三種礦物占所有脈石礦物的76.60%，次要礦物是為沸石、方解石、伊利石、赤鐵礦四種，還有八種含量低于0.1%的微量礦物。

圖2 試樣脈石礦物嵌布情況

表2 試樣脈石礦物組成

礦物名稱高嶺土石英黃鐵礦沸石方解石伊利石赤鐵礦綠泥石鐵白云石褐鐵礦歸一化含量/%33.9128.4214.276.686.024.541.280.420.40.31煤中含量/%4.954.152.080.980.880.660.190.060.060.05礦物名稱剛玉鈉長石白云石鉻鐵礦綠簾石小計未知及其他礦物合計歸一化含量/%0.270.150.120.090.0896.983.02100煤中含量/%0.040.020.020.010.0114.160.4514.61

2.3 試樣粒度分析

利用AMCS對煤樣試樣粒度分析數據表畫圖，見圖3。

圖3 試樣粒度分析

如圖3可知，試樣粒度較細，0～424.26 μm占89.6%，其中主要集中在0～100 μm含量超過70%。另外由于前序流程旋流器跑粗，仍有10.4%大于700 μm的粗顆粒。

2.4 試樣主要脈石礦物的粒度分析

相比石英，高嶺土和黃鐵礦是相對難除去的兩種脈石礦物，用AMCS分析試樣中高嶺土和黃鐵礦粒度，粒度分布情況見圖4和圖5。

圖4 試樣高嶺土粒度分布

圖5 試樣黃鐵礦粒度分布

高嶺土作為試樣中含量最多的脈石礦物，粒度分布主要集中在6.63～44.6 μm，占63.51%。黃鐵礦的粒度主要集中在18.75～53.03 μm，占59.81%。

綜合顯微鏡圖像與AMCS對脈石形貌分析、種類分析和粒度分析可知，脈石礦物種類多，粒度細，細粒煤和細粒脈石之間相互混雜是造成該煤樣難選的主要原因。

2.5 植物油捕收劑對浮選效果的影響

根據試樣脈石礦物種類和含量，通過植物油的酯基和不飽和鍵提高極性進而提高捕收劑在水中分散性。新捕收劑是由植物油A或植物油B和烴油按照重量比25∶75配制而成。對比煤油和新捕收劑的分選效果，得到的數據見表3。

表3 捕收劑浮選效果對比試驗

由表3可知，捕收劑A和捕收劑B在用量比煤油少0.4 kg/t的條件下，所得精煤回收率分別比煤油高6.36%和6.13%，但捕收劑A所得精煤灰分大于11%。綜合而言，捕收劑B既保證了精煤灰分低于11%，又可以提高精煤回收率。

2.6 高嶺土和黃鐵礦在精煤中的粒度分析

利用AMCS分析捕收劑B所得精煤中高嶺土和黃鐵礦的粒度，數據見圖6和圖7。

圖6 精煤高嶺土粒度分布

圖7 精煤黃鐵礦粒度分布

由圖6和圖7可知，精煤中所含高嶺土均為26.52 μm以下的細粒，所含黃鐵礦均為15.77 μm以下的細粒。由圖4和圖5可知，試樣中26.52 μm以上高嶺土占全部高嶺土的37.38%，試樣中15.77 μm以上的黃鐵礦占全部黃鐵礦的81.18%，這部分粒度相對較粗的高嶺土和黃鐵礦全部進入尾煤，說明了新捕收劑B對已經解離的、粒度較大的高嶺土和黃鐵礦有很強的脫除能力。

3 結 論

1) 所選煤泥試樣粒度較細，脈石礦物種類多達15種，其中高嶺土、石英、黃鐵礦合計含量77.60%。細小煤顆粒與細粒脈石礦物相互混雜，嵌布粒度細，這些造成精煤回收率低的主要原因。

2) 捕收劑B對于高嶺土和黃鐵礦有很強的脫除能力，與煤油對比，在精煤灰分不超過11%的前提下，即能提高浮精回收率6.1%，又能節約0.4 kg/t的藥劑用量。

3) 植物油捕收劑主要原料為工業、農業副產物，安全環保。通過植物油的酯基和不飽和鍵提高了分子極性，增強了捕收劑在水中分散性，進而改善了浮選指標。