高灰煤泥深度分選提質試驗研究

符劍剛 黃葉鈿 李 政 賈 陽

(中南大學化學化工學院，湖南省長沙市，410083)

目前煤炭是世界上儲量最多、產量最大、分布最廣的能源，煤炭資源在我國一次性能源生產和消費中仍將占據主導地位。在我國煤炭開采過程中產生了嚴重的資源浪費和環境污染的問題，其中煤泥的資源浪費及環境污染也是較為突出的問題。煤泥是煤炭洗選加工的副產品，具有粒度細、水分含量高、灰分含量高以及發熱量低的特點，煤泥因其水分和灰分相對較高一般很難直接實現工業應用。

目前我國大規模處理煤泥的方式主要是重選和浮選，重選成本低但處理的煤泥效果較差，得到的產品達不到清潔利用的要求；通過浮選可以提高煤泥質量，深度分選可降低煤泥灰分，最終提高發熱量，從而可以提高資源的利用率，獲得良好的經濟效益，解決煤泥外排或直接堆存等環境污染問題。因此浮選是煤泥降灰提質、資源化利用的最佳途徑。

國內煤泥浮選常用的捕收劑有煤油、柴油、人工合成的非極性烴類油等。煤油和柴油等傳統捕收劑藥劑由于消耗量大、浮選效率低，所以在浮選過程中開始使用各種新型捕收劑，例如ECS-9800捕收劑選擇性好、分選效率高，捕收性能優于煤油和柴油；ZFC乳化型捕收劑易于分散且捕收能力高，使用ZFC捕收劑精煤產率比傳統捕收劑高。由于精煤產品質量要求的提高，在煤泥浮選過程中單純使用捕收劑，精煤灰分已無法滿足要求，因此在浮選過程需要加入抑制劑來抑制成灰礦物質上浮，降低精煤的灰分，常見的抑制劑有淀粉、單寧、腐植酸鈉等。趙兵兵等研究人員在浮選過程中加入玉米淀粉作為抑制劑，精煤灰分與不使用抑制劑相比有所降低。現有煤泥浮選技術的研究不僅涉及對浮選藥劑的研究，還有對完善浮選工藝的研究。現有的浮選技術大部分只能從煤泥中回收少量的精煤，精煤產率較低，精煤質量有時不能得到保證，而深度浮選則采用多次掃選和多次精選可以保證精煤產率和精煤質量。

本文通過測量煤泥的接觸角，對煤泥的表面性質進行研究，探索捕收劑和抑制劑對煤泥浮選的影響規律，確定合理的浮選工藝，以實現煤泥資源有效和合理化利用。

1 試驗

1.1 試驗煤樣

煤泥樣品取自貴州盤江精煤股份有限公司金佳煤礦選煤廠，該煤泥樣品的水分為1.23%，揮發分為16.41%，固定碳為26.76%，灰分為55.60%，全硫為0.24%，發熱量為13.16 MJ/kg，灰分含量很高，發熱量較低，屬于貧瘦煤。

試驗所用的金佳煤礦選煤廠煤矸石的礦物組成主要是高嶺石和石英，與煤泥的礦物組成相似，原煤在洗煤過程中根據密度的不同，經過跳汰重選得到煤矸石和中煤等產品。

1.2 粒度組成分析

稱取200 g煤泥樣品，嚴格按照《煤粉篩分試驗方法》(GB/T 19093-2003)進行篩分試驗，煤泥粒度組成分析結果見表1。

表1 煤泥粒度組成分析結果

由表1可以看出，該煤泥平均灰分為55.40%，隨著煤泥粒度的減小，各粒級產品的產率和灰分都有所增加。-0.045 mm粒級的產品產率為23.32%，灰分為57.62%；0.045～0.074 mm粒級的產品產率為45.75%，灰分為55.38%，這表明該煤泥中高灰細泥含量較多，細泥易吸附在煤粒表面，降低煤粒表面的疏水性，增加了浮選的難度。

2 接觸角試驗

2.1 煤泥觸角測量

接觸角是衡量礦物表面疏水性強弱最直觀的指標，同時表示礦物可浮性的程度。接觸角越大，表示礦物表面疏水性越強，可浮性也越好。選取4份質量均為10 g的煤泥樣品，其中3份分別加入0.012 g的煤油、柴油和M101，另外1份原始煤泥配制成100 g/L的煤漿。攪拌后過濾在真空干燥箱中以60℃的溫度烘干，然后將煤泥樣品壓制成薄片。每組樣品壓3個樣品，取平均值。煤泥樣品的測量結果見表2。

表2 煤泥樣品接觸角測量結果

由表2可以看出，原煤泥的接觸角為63.5°，這說明該煤泥表面疏水性弱、可浮性差。經過煤油、柴油和M101處理后，接觸角分別變為82.9°、83.2°和85.7°，相比原煤泥的接觸角明顯增大，由此可知捕收劑可吸附在煤泥表面提高煤泥表面的疏水性，增加煤泥的可浮性。經過捕收劑M101處理后的煤泥，與煤油和柴油處理后的煤泥相比，煤泥的接觸角增大，這說明相對于煤油或柴油，捕收劑M101提高煤泥表面疏水性能力較強，對煤泥具有更強的捕收能力。

2.2 煤矸石接觸角測量

選取5份質量均為50 g的煤矸石樣品，其中4份分別與濃度為1 g/L的淀粉溶液、單寧溶液、腐植酸鈉溶液和CMC溶液在浮選機中攪拌2 min，另1份原始煤矸石。過濾后在真空干燥箱中以60℃的溫度烘干，然后將樣品壓制成薄片。每組樣品壓3個樣品，取平均值。煤矸石接觸角測量結果見表3。

表3 煤矸石接觸角測量結果

由表3可以看出，原煤矸石的接觸角為22.6°，使用淀粉、單寧、腐植酸鈉和CMC處理后煤矸石的接觸角分別為11.8°、13.6°、12.1°和11.9°，相比原煤矸石接觸角均有所減小，這說明經過淀粉、單寧、腐植酸鈉和CMC處理后，煤矸石的親水性明顯增強。

抑制劑對礦物發生抑制作用的方式主要是吸附于礦物表面，在礦物表面形成親水薄膜，提高礦物表面水化性，增加表面親水性。脈石礦物在水中解離后，淀粉和CMC這類抑制劑通過氫鍵或與礦物表面陽離子發生化學鍵合作用而吸附于礦物表面；單寧、腐植酸鈉這類抑制劑通過靜電力在礦物表面雙電層中發生吸附在礦物表面，使其表面親水性增加。對不同種類的礦物，不同抑制劑的抑制效果不同，往往同時通過幾方面的配合才能有效地實現對礦物的抑制。根據不同抑制劑的作用原理，將淀粉、腐植酸鈉和CMC按照一定比例復配成組合抑制劑S-1、S-2和S-3，組合抑制劑配方見表4。

表4 組合抑制劑配方表 g

3 浮選試驗

3.1 捕收劑浮選試驗

稱量450 g的煤泥樣品和500 mL的自來水，加入球磨機球磨10 min，然后再加入500 mL自來水將磨好的煤漿沖洗出來，轉入1.5 L浮選槽中，浮選試驗基本流程如圖1所示。將浮選產品進行過濾、烘干、稱重，并計算精煤、中煤、尾煤的產率、灰分以及可燃物回收率。

圖1 浮選試驗基本流程

按照圖1所示的流程進行浮選試驗，捕收劑選用柴油、煤油和M101，使用M101時不需要加入起泡劑，其余兩組需要加入仲辛醇作為起泡劑，用量為200 g/t；抑制劑選用S-1，用量為2000 g/t。捕收劑為柴油、煤油和M101的浮選試驗結果見表5、表6和表7。

表5 捕收劑為柴油的浮選試驗結果

表6 捕收劑為煤油的浮選試驗結果

表7 捕收劑為M101的浮選試驗結果

由表5、表6和表7可以看出，精煤灰分及可燃物回收率都隨著捕收劑用量的增大而增大。當柴油用量為800 g/t時，浮選精煤的產率為31.66%，灰分為12.31%，可燃物回收率為62.53%；當煤油用量為800 g/t，浮選精煤的產率為38.77%，灰分為17.86%，可燃物回收率為64.72%。當捕收劑為柴油和煤油時，精煤灰分都比較高，這說明柴油和煤油的選擇性較差。而捕收劑M101用量為600 g/t時，浮選精煤的產率為32.12%，相對于柴油產率提高了0.46%；浮選精煤的灰分為10.57%，相對于柴油和煤油分別降低了1.74%和7.29%；浮選尾礦的灰分為83.66%，相對于柴油和煤油，提高了1.91%和0.98%。根據試驗結果可以看出，當捕收劑M101用量僅為傳統捕收劑的75%時，捕收性能已經明顯提高，且選用M101作為捕收劑不需要加入起泡劑，降低了藥劑用量，進而可以降低了工藝成本。浮選結果表明M101的捕收能力最強，與接觸角測量結果一致。

3.2 抑制劑浮選試驗

按照圖1所示流程進行的浮選試驗，選用S-1、S-2和S-3作為抑制劑，用量為2000 g/t，選用M101作為捕收劑，用量為600 g/t。不同抑制劑浮選試驗結果見表8。

表8 不同抑制劑浮選試驗結果

由表8可以看出，當選用S-1作為抑制劑時，浮選精煤產率為30.88%，灰分為12.35%，可燃物回收率為60.96%，相對于選用S-2和S-3時，浮選精煤產率降低了2.71%和1.24%，灰分降低了7.66%和4.11%，可燃物回收率提高了1.96%和4.61%。相比之下，在3種抑制劑中選用 S-1作為抑制劑。

3.3 閉路試驗

閉路浮選試驗流程圖如圖2所示。

圖2 閉路浮選試驗流程圖

將浮選產品進行過濾、烘干、稱重，并計算精煤和尾煤的產率、灰分以及可燃物回收率，閉路浮選試驗結果見表9。

表9 閉路浮選試驗結果

由表9可以看出，經過一次粗選兩次掃選兩次精選的浮選試驗流程后，精煤產率為40.26%，精煤灰分降至7.94%，可燃物回收率達到83.47%，浮選尾煤灰分達到86.24%，完全符合預期目標，實現了煤泥的高效分離。

4 結論

(1)捕收劑M101與煤泥作用后接觸角明顯增大，并且該接觸角大于煤油和柴油處理后煤泥的接觸角，這說明捕收劑M101可明顯提高煤泥的疏水性，增加煤泥的可浮性。

(2)選用淀粉、單寧、腐植酸鈉和CMC處理后煤矸石的接觸角均有所減小，這說明淀粉、單寧、腐植酸鈉和CMC均可以增加礦物的親水性。

(3)選用不同捕收劑進行浮選試驗，M101的捕收能力最強，而且M101兼具捕收與起泡功能，是一種高效的捕收劑。將淀粉、腐植酸鈉、CMC按照一定比例復配成組合成抑制劑S-1、S-2、S-3，選用組合抑制劑進行浮選試驗后發現，S-1的降灰效果明顯，說明組合抑制劑S-1是一種優良的抑制劑。

(4)使用M101作為捕收劑，S-1作為抑制劑，經過“一粗-二掃-二精”浮選試驗流程后可以得到灰分為7.94%的精煤，精煤產率為40.26%，可燃物回收率為83.47%，浮選尾煤灰分為86.24%，實現了煤泥的高效分離。