磨礦強化浮選粉煤灰中未燃盡炭試驗研究①

王 馳，張 覃，卯 松，葉軍建，李顯波，黃 延

（1.貴州大學 礦業學院，貴州 貴陽550025；2.喀斯特地區優勢礦產資源高效利用國家地方聯合工程實驗室，貴州 貴陽550025；3.貴州省非金屬礦產資源綜合利用重點實驗室，貴州 貴陽550025）

粉煤灰是燃煤熱電廠排出的一種類似火山灰質的工業固體廢棄物［1］。目前，我國火力發電年產粉煤灰近4 億噸，并且產量逐年遞增，目前已有近20 億噸堆存量［2］，不僅占用大量土地，而且還造成環境污染。近年來，雖然國家鼓勵粉煤灰資源化利用，但實際利用率不足60%。粉煤灰通常用作水泥添加劑［3］、回填材料［4］、土壤改良劑［5］、路基材料［6］。高炭粉煤灰因其含有大量的未燃盡炭顆粒，直接用作水泥摻料時會嚴重影響混凝土質量，需對其進行脫炭處理，一方面可從中提取高熱值的精炭，另一方面可降低燒失量提高粉煤灰綜合利用價值［7］。未燃盡炭表面經高溫氧化后，含氧官能團增多使表面疏水性降低，從而惡化可浮性，磨礦可使未燃盡炭進一步破碎，使新鮮表面外露，提高未燃盡炭表面疏水性，從而改善可浮性。粉煤灰脫炭研究由來已久［8］，研究集中在藥劑種類、藥劑用量和浮選工藝方法等［9］，而磨礦對粉煤灰浮選的影響研究鮮有報道。本文通過磨礦改變粉煤灰中未燃盡炭的表面潤濕性和粒度，從而降低炭粒粒度與表面氧化嚴重對浮選的不利影響。與此同時，考察藥劑用量、充氣量和礦漿濃度對粉煤灰浮選效果的影響。

1 試驗原料及試驗方法

1.1 粉煤灰性質

粉煤灰樣品取自貴州某地，外觀呈灰黑色，含有較多的未燃盡炭，采用X 射線衍射分析儀對其進行礦物組成分析，結果如圖1 所示。由圖1 可以看出，在10°～70°的范圍內，粉煤灰中主要礦物有石英、莫來石及赤鐵礦等。

圖1 粉煤灰X 射線衍射圖譜

采用掃描電鏡對粉煤灰試樣進行掃描，可見粉煤灰顆粒整體為球狀、橢球狀、蜂窩狀、碎屑狀。主要包含兩大類：一類是粒度較大的炭粒，呈現出蜂窩狀孔洞且粗糙度較大，部分微珠嵌布在較大蜂窩狀炭粒內部；一類是燃燒轉化的微珠，主要是三氧化二鋁和二氧化硅的固溶體，微珠球形度較高，表面比較光滑，含有碎屑狀顆粒。

通過篩分分析試驗獲得的粉煤灰粒度組成結果列于表1 中。由表1 可知，粉煤灰的粒度整體較粗，主要分布在－0.250＋0.124 mm、－0.124＋0.075 mm 和－0.075＋0.045 mm 粒級中。隨著粒級減小，可燃物含量降低。

表1 粉煤灰篩分分析結果

采用傅立葉變換顯微紅外／拉曼光譜儀（德國布魯克VERTEX70＋HYPERION＋RAMⅡ）分析粉煤灰顆粒表面官能團，結果如圖2 所示。發現樣品中除了包含煤中含有的大量C—C 和C—H 結構外，樣品中C—O—C 和C—O 的吸收峰強度較大，含量較多，其次是—OH。此外，樣品中還存在部分。這說明煤經過燃燒后，表面發生了較大的變化，生成了較多的C—O—C 和C—O 結構，但其表面仍以疏水的官能團為主。

圖2 粉煤灰紅外光譜

采用比表面積測定儀通過BET 法進行比表面積測試，采用C80 微量熱儀（法國Setaram 公司）測定潤濕熱，結果見表2。由表2 可見，粉煤灰中細炭粒的潤濕熱比磨礦后的粗炭粒潤濕熱數值大。磨礦后粗炭粒內部新鮮表面暴露，單位面積內含氧官能團含量少，潤濕熱降低，疏水性較好。

表2 比表面積與潤濕熱測定結果

1.2 試驗方法

將一定量粉煤灰和自來水混合后轉移到1 L 的浮選槽中（XFD，吉林探礦機械廠），攪拌速度1 992 r／min，調漿1 min，添加一定量捕收劑WZ（非極性油類），作用1 min，然后添加一定量起泡劑YC（醇類），作用1 min，開始充氣刮泡，浮選時間6 min，泡沫產品為精炭，槽內產品為尾灰。產品分別過濾、烘干和稱重，依據標準《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB T 1596—2017），使用馬弗爐測定其燒失量，也就是可燃物含量，從而計算可燃物回收率和浮選完善指標。浮選完善指標ηwf的計算公式為：

式中Ady為粉煤灰綜合樣灰分，%；γj為浮選精炭產率，%；Adj為浮選精炭灰分，%。

在研究磨礦細度對粉煤灰浮選的影響時，先對粉煤灰進行磨礦，取250 g 粉煤灰，固定磨礦濃度60%，采用球磨機（XMQ－Φ150×50，武漢探礦機械廠）磨礦一定時間，之后轉移到浮選槽中進行浮選試驗。

2 結果與討論

2.1 粗選正交試驗

正交試驗采用四因素三水平正交設計L9（34），共進行9 次浮選試驗。選取捕收劑用量A、起泡劑用量B、礦漿濃度C 和充氣量D 四個因素為正交設計因子，每個因子選取3 個水平，并以浮選完善指標ηwf為評價指標，采用極差法對試驗結果進行分析［10］。正交試驗設計見表3，正交試驗結果見表4。

表3 正交試驗因子與水平

表4 正交試驗結果

對表4 結果進行分析，在不同試驗條件下，粗選得到的炭可燃物含量最高為32.27%，產率最高為39.96%。利用極差分析法對浮選完善指標ηwf進行極差分析。極差R 反映4 個因素對浮選完善指標的影響大小為：RD＞RB＞RA＞RC，表明充氣量對浮選完善指標的影響最大，起泡劑用量次之，捕收劑用量影響較小，粉煤灰礦漿濃度影響最低。均值k 分別反映了各因素水平對浮選完善指標的影響大小。由于試驗要求浮選完善指標越高越好，因此可以得出A3B2C2D2為最佳水平組合，即捕收劑WZ 用量1 800 g／t，起泡劑YC 用量200 g／t，浮選礦漿濃度25%，充氣量為0.3 m3／min。

因為最佳水平組合A3B2C2D2不在正交設計的9次試驗范圍內，因此在最佳試驗條件下進行了優化試驗，浮選完善指標達到35.84%，高于9 組試驗的最高浮選完善指標，精炭可燃物含量為30.68%。

2.2 磨礦細度對浮選的影響

在粗選正交試驗優化較優方案條件下，考察磨礦細度對浮選指標的影響，結果見圖3。

圖3 磨礦時間對精炭與尾灰浮選指標的影響

由圖3 可以看出，隨著磨礦時間增加，粉煤灰浮選可燃物回收率不斷提高，在磨礦細度為－0.075 mm 粒級占98.90%時，浮選精炭可燃物回收率達到93.06%。在磨礦細度－0.075 mm 粒級占94.40%時，燒失量達到最大，然后開始下降，這可能是由于粉煤灰細度太細導致浮選效果變差。在磨礦細度為－0.075 mm 粒級占97.40%時，浮選完善指標達到45.69%，相比于不磨礦時浮選完善指標（35.84%）提高了近10 個百分點。

隨著磨礦時間增長，尾灰燒失量下降，在磨礦細度為－0.075 mm 粒級占97.40%時，尾灰燒失量為4.34%。經過篩分試驗，＋0.045 mm 粒級占比為7.73%，達到Ⅰ級粉煤灰燒失量與粒度要求。綜合考慮，磨礦細度為－0.075 mm 粒級占97.40%時，浮選效果較好。

2.3 浮選全流程試驗

在正交試驗的基礎上，確定磨礦細度－0.075 mm粒級占97.40%，粗選捕收劑WZ 用量1 800 g／t，起泡劑YC 用量200 g／t，浮選礦漿濃度25%，充氣量0.3 m3／min，在此基礎上進行了全流程試驗，試驗流程如圖4 所示，結果列于表5 中。

圖4 粉煤灰浮選工藝流程

表5 粉煤灰浮選全流程試驗結果

由表5 可知，精炭1 和精炭2 綜合，得到燒失量為60.87%、可燃物回收率為77.64%的總精炭。將尾灰1和尾灰2 混合得到燒失量為4.57%的尾灰3 產品。總精炭可作為燃料使用，綜合后尾灰3 的燒失量和粒度達到Ⅰ級粉煤灰要求，尾灰4 的燒失量和粒度達到Ⅲ級粉煤灰要求。

3 結 論

1）粉煤灰中主要礦物有石英、莫來石及赤鐵礦等。粉煤灰顆粒形貌主要包含兩大類：一類是燃燒轉化的微珠；一類是粒度較大的蜂窩狀未燃盡炭。傅立葉變換顯微紅外拉曼光譜分析和微量熱分析等測試結果表明：未燃盡炭表面雖然氧化嚴重但仍具有一定的疏水性。

2）采用一次粗選的工藝流程，在捕收劑WZ 用量1 800 g／t、起泡劑YC 用量200 g／t、礦漿濃度25%、充氣量0.3 m3／min 條件下，通過粗選前增加磨礦作業，從未經磨礦的原灰－0.075 mm 粒級占42.20%，提高到磨礦粉煤灰－0.075 mm 粒級占97.40%時，獲得的粗選精炭的可燃物回收率從71.25%提高到89.08%，浮選完善指標從35.84%提高到45.69%。采用磨礦-一粗兩精一掃、中礦再選浮選試驗流程，可獲得可燃物含量60.87%、可燃物回收率77.64%的精炭產品，以及燒失量分別為4.57%和9.55%的兩種品質的尾灰，總精炭可作為燃料使用，綜合后尾灰3 的燒失量和粒度達到Ⅰ級粉煤灰要求，尾灰4 的燒失量和粒度達到Ⅲ級粉煤灰要求。磨礦不僅可使粉煤灰粒徑減小，還可提高粉煤灰中炭粒表面疏水性，增大炭粒與礦物質潤濕性差異。兩者共同作用強化了粉煤灰中未燃盡炭浮選回收。