超聲波處理改善風化煤泥浮選效果研究

石 堅

（山西西山晉興能源有限責任公司斜溝煤礦選煤廠，山西 興縣 033602）

0 引 言

煤泥是濕法選煤過程中必然存在的一種中間產物。出于資源利用最大化方面的考慮，選煤廠往往通過浮選等手段對煤泥進行分選，以便最大化的回收精煤。隨著采煤機械化的推廣以及優質煤資源的不斷消耗，入選原煤中煤泥含量不斷增多，同時可浮性也呈降低趨勢，其中風化煤的存在便是這一問題的現實表現。風化煤往往是由于原煤長時間裸露堆積或原煤埋深較淺時，受到外界風化作用從而改變了原有煤質特征。風化煤與原煤相比產生的變化往往是負面的，尤其是可選性及煤泥可浮性均發生不同程度的惡化，加大了煤炭洗選的難度。本文以超聲波輻照為主要手段，采用單因素試驗方法對風化煤泥進行單元浮選試驗，研究超聲波的處理工藝與處理時間對風化煤泥可浮性的影響規律，為難浮煤泥的可浮性改善研究提供一定的試驗參考。

1 樣品及藥劑準備

本文采用山西柳林地區煙煤作為原煤煤樣，并通過人工方法制取風化后的試驗煤樣。制作方法為：將原煤破碎至-0.5mm粒級，加入去離子水充分潤濕后平鋪于試樣盤中，樣品平攤厚度不大于5mm。將樣品置于70℃恒溫鼓風干燥箱中，并且每12個小時重新潤濕一次，如此反復操作持續10天。最終將樣品烘干至空氣干燥狀態后備用。對原煤樣及風化后的試驗煤樣進行基本煤質分析，如表1所示。

表1 煤樣的工業分析（空氣干燥基）

如表1所示，風化處理對煤質指標的影響非常明顯。由于風化作用會造成煤巖碎裂，部分有機質氧化分解，因此往往水分和灰分升高；同時，由于不穩定有機質的損失，相應也會造成揮發分和固定碳的減少。從各個指標來看，風化煤的煤質指標趨于惡化。

本文涉及到的藥劑主要是浮選藥劑，如表2所示。

表2 主要試驗藥劑

2 試驗分析

本文主要以超聲波輻照為處理手段對風化煤泥進行處理，研究其最佳浮選條件及效果。將制備好的風化煤泥溶于一定量的去離子水中充分潤濕并攪拌均勻后進行單元浮選試驗。試驗過程中，煤泥水濃度固定為90g/L，起泡劑用量250g/t干煤泥，捕收劑用量1000g/t干煤泥，刮泡時間3min。超聲波頻率為40KHZ，功率50W。試驗結束后統計浮選精煤產率及灰分，并計算可燃體回收率，見式1：

式中：Ec為浮選精煤可燃體回收率，%；rc為浮選精煤產率，%；Ad,c為浮選精煤干基灰分，%Ad,f為浮選入料干基灰分，%。

在式1中涉及到的灰分均為干燥基灰分，而灰分測定時是以空氣干燥基樣品進行測定，可按式2進行換算：

式中：Ad為干燥基灰分，%；Aad為空氣干燥基灰分，%。

對不同試驗條件下得到的可燃體回收率數據繪制折線圖，判斷最佳的超聲波輔助條件，并根據表3內容判定可浮性等級的變化情況。

表3 可浮性等級分類表

2.1 超聲波處理工藝對煤泥浮選效果的影響

將超聲波輻照時間固定為30min，改變超聲波輻照與藥劑添加的順序，分別進行四組試驗，分別為：①不使用超聲波輻照；②先進行超聲波輻照，再添加捕收劑和起泡劑；③先添加捕收劑，再進行超聲波輻照，最后添加起泡劑；④先添加捕收劑和起泡劑，最后進行超聲波輻照。在添加浮選藥劑時，均按照國標GB/T4757-2001《煤粉（泥）實驗室單元浮選試驗方法》中的規定進行攪拌。整理試驗后的數據計算可燃體回收率，繪制折線圖如圖1所示。

如圖1所示，相比于未經超聲波處理的樣品，使用超聲波輻照處理后浮選的可燃體回收率均明顯改善。其中，在超聲輻照前只添加捕收劑和在超聲輻照前添加完兩種浮選藥劑后的浮選可燃體回收率值基本一致，分別為78.9%和79.3%，并且已經接近易浮煤和中等可浮煤的分類臨界點，對浮選效果的改善作用十分明顯。

圖1 不同超聲波處理工藝下可燃體回收率變化趨勢

由圖1可見，對樣品先進行超聲波輻照再添加浮選藥劑時，可燃體回收率由53.6%增加至61.2%，可浮性等級由難浮改善至中等可浮。由現有文獻可知，相比于原煤，風化煤的煤巖更加碎裂，在此基礎上與氧氣的接觸面積加大，氧化程度增加，疏水性降低，最終導致可浮性降低。而超聲波輻照在液體環境下可產生明顯的空化作用，在此作用的沖擊下，被風化的煤顆粒表面得到清洗，重新露出疏水的新鮮表面，進而改善浮選效果。

變換超聲波的作用順序，可見當捕收劑添加過程發生在超聲波輻照之前時，樣品的浮選效果明顯優于先超聲波輻照再添加捕收劑時的浮選效果；同時，起泡劑是否在超聲波輻照前添加對于浮選效果沒有明顯影響。這主要是由于捕收劑的捕收效果好壞與其在煤泥水中的分散程度密切相關。當其液滴較小，分散均勻度好時，其與煤顆粒表面疏水部分接觸的機會增多，浮選效果較好。當加入捕收劑后用超聲波輻照時，一方面可以通過空化作用促進捕收劑液滴的分散效果；另一方面也會改變煤泥水的電導率、氧含量以及鹽度等指標，改善捕收劑的化學反應活性。而起泡劑由于用量較小，不直接與煤顆粒接觸，并且自身在水中的溶解分散效果強于捕收劑，因此是否經過超聲波輻照對其在浮選中作用的發揮影響較小。

綜合以上分析可知，使用超聲波處理風化煤泥時，確保超聲波輻照在捕收劑添加之后進行可最大化地改善其浮選效果。

2.2 超聲波輻照時間對煤泥浮選效果的影響

在保持前面中試驗中其它條件不變的情況下，改變超聲波輻照時間，分別為 10min，20min，30min，40min和50min，記錄浮精產率及灰分，繪制可燃體回收率變化曲線，如圖2所示。

圖2 不同時間超聲波輻照后浮選可燃體回收率變化趨勢

如圖2所示，隨著超聲波輻照時間的延長，浮選可燃體回收率呈現先增加后降低的趨勢。這說明，隨著超聲波處理時間的延長，風化煤顆粒表面的氧化層清洗程度加大，疏水性能的改善程度加大，同時由于超聲波的作用，捕收劑的分散度及反應活性也都進一步改善，因此可燃體回收率不斷增加。當這兩種作用的改善程度達到一定階段后，可燃體回收率達到最大值，此時在一定范圍內繼續增加超聲波輻照時間不能繼續改善浮選效果，相反，如果超聲波輻照時間過長，空化作用的效果過于劇烈，使得煤泥水中的極細顆粒比例增加，不利于浮選效果的改善，因此如圖2中所示，當超聲波輻照時間達到50min后，可燃體回收率出現降低趨勢。綜合以上分析，本文認為超聲波的最佳作用時長應為40min。

3 結 論

本文采用單因素試驗法進行實驗室單元浮選試驗，采用超聲波輻照法對風化煤泥進行處理，并以浮選精煤可燃體回收率作為主要評價指標，確定最佳的超聲波處理工藝，改善風化煤泥浮選效果，并得到以下結論：

1）超聲波輻照既可以清洗風化煤顆粒表面，又可以改善捕收劑分散效果及反應活性，因此采用在超聲波輻照前添加捕收劑的處理工藝可使其對浮選的改善效果最大化，起泡劑添加與超聲波輻照的先后順序變化對浮選效果沒有明顯影響；

2）在改善浮選效果的用途中，超聲波輻照時間最佳值為40min，可燃體回收率由53.6%增加至81.1%，輻照時間過長或過短都會對浮選效果造成負面影響。