海石灣煤制備超純煤磨礦試驗研究

王 梟，顏冬青，高少鵬，王 進，趙世永

(1.西安科技大學 化學與化工學院，陜西 西安 710054；2.陜西煤化選煤技術有限公司，陜西 西安 710100)

我國煤炭資源豐富，但隨著煤炭的不斷開采，優質煤炭資源儲量越來越少[1-3]，而社會的飛速發展及國家對環保的高度重視使得優質煤炭資源需求劇增，煤炭資源高附加值利用的重要性日益凸顯[4，5]。通過煤炭分級轉化及精細加工獲得煤基功能材料是實現煤炭高附加值利用的趨勢[6-8]。超純煤作為一種煤炭清潔轉化分級利用新技術[9]的產物，不僅可制備成精細水煤漿[10]，也可用于煉焦和各種煤基材料的制備。這些高價值產品開辟了更為廣闊的市場，可創造巨大的經濟價值[11]。

超純煤的制備方法主要有物理法和化學法兩種[12]，其中物理法主要為油團聚法、摩擦電選法和選擇性聚團法；化學法分為酸堿法和有機溶劑萃取法[13]。董子龍等[14]探究了聚合氯化鋁對選擇性聚團法制備超純煤的影響，發現當添加聚合氯化鋁時，精煤灰分降低0.18%，僅為0.46%，產率增加19.38%，達到88.29%。肖勁等[15]利用酸堿法對內蒙古煤進行超純煤制備試驗，獲得了灰分小于0.5%的超純煤。當前超純煤制備技術中，物理法存在脫灰與脫水相互影響的問題，而化學法存在成本高且易破壞結構的問題，怎樣在避免這些問題的情況下制備超純煤是研究的重要方向。

1 試驗方案

1.1 樣品

研究發現，隨著原煤粒度的減小，海石灣煤的灰分有不斷降低的趨勢，特別是6～0.5mm粒級的煤。浮沉試驗發現，密度小于1.4g/cm3的精煤，灰分僅為3.1%，產率高達79.81%。為此，以6～0.5mm中-1.4g/cm3浮煤為后續超低灰精煤制備的原料煤。

1.2 方法

本研究通過浮沉方法獲得了灰分小于3%的低灰煤，借助CTD-200對輥式破碎機將浮沉所得低灰煤初碎至0.5mm以下，進行X射線衍射(XRD)及顯微鏡分析，并在此基礎上分別進行了磨礦方式選擇、分散劑影響、磨礦級配、磨礦時間試驗。試驗設備及儀器見表1。具體試驗方法：

表1 試驗儀器與設備

1.2.1 磨礦方式選擇試驗

采用XMQ-?240×90錐型球磨機，磨罐體積6.5L，轉速96r/min，加料量500g，介質采用鋼球，直徑分別是30mm、25mm、20mm、15mm，介質質量比為?30mm∶?25mm∶?20mm∶?15mm=43.17%∶23.93%∶15.74%∶17.16%，磨礦時間分別為1h、2h、3h、4h、5h，進行干法磨礦與濕法磨礦兩種磨礦方式試驗。

1.2.2 分散劑試驗

添加0.55%的三聚磷酸鈉作為分散劑[16]，磨礦時間為1h、2h、3h、4h、5h。 使用XFD-1.5型單槽浮選機對不同磨礦時間的產物進行浮選試驗，浮選工藝流程為一次粗選兩次精選，礦漿濃度60g/t，充氣量0.25cm3/min，攪拌轉速2000r/min，攪拌時間2min，不添加捕收劑與起泡劑，通過浮選試驗驗證分散劑對濕法磨礦的影響。

1.2.3 磨礦級配試驗

通過兩種級配來探究最佳的配比條件，鋼球直徑分別為30mm、25mm、20mm、15mm，兩種級配質量比分別為：①?30mm∶?25mm∶?20mm∶?15mm=43.17%∶23.93%∶15.74%∶17.16%；②?30mm∶?25mm∶?20mm∶?15mm=39.11%∶23.57%∶18.82%∶18.50%，磨礦時間為1h、2h、3h、4h、5h，分析比較磨礦效果。

2 超低灰煤性質分析

低灰煤XRD結果如圖1所示，可以看出其中主要無機礦物有石英、黃鐵礦及硅鋁酸鹽類礦物等。

圖1 低灰煤XRD圖譜

顯微鏡分析結果如圖2所示，雜質礦物有石英、菱鐵礦、黃鐵礦、粘土礦物及碳酸鹽礦物等，與XRD分析基本一致。其中，石英粒度為20～50μm，以顆粒嵌布；粘土與碳酸鹽類礦物呈團狀嵌布，粘土礦物的粒度為100～200μm，碳酸鹽類礦物的粒度為30～100μm；黃鐵礦以細小顆粒嵌布，粒度為10～40μm，菱鐵礦以層、團狀嵌布，故粒度為30～100μm。根據顯微鏡分析結果可以大致判斷雜質礦物與煤粒分離所需的原煤破碎粒度。

圖2 低灰煤顯微分析圖

3 超純煤磨礦影響因素分析

3.1 磨礦方式

相同磨礦時間下不同磨礦方式效果對比如圖3所示。可以看出，相同磨礦時間下濕磨的磨礦平均粒徑均小于干磨，且隨磨礦時間的增加，濕磨的平均粒徑變化率也大于干磨，濕磨2h的平均粒度與干磨5h相近；相同磨礦時間下濕磨中磨礦粒度-10μm的含量遠大于干磨。濕磨1h時-10μm含量為37.46%，而干磨5h時-10μm含量僅為39.26%，在更少的時間內，濕磨能達到更好的磨礦效果，整體的能耗較低。因此在后續試驗中采用濕法磨礦。

圖3 相同磨礦時間下不同磨礦方式分析

3.2 分散劑

當磨礦粒度達到一定細度時，顆粒間的相互作用力增強[17]，顆粒間易團聚，需要外加藥劑促進顆粒間的分離，提高磨礦效率。分散劑對濕法磨礦的影響如圖4所示，可以看出，添加分散劑后，濕磨的磨礦效果有明顯的提升，磨礦平均粒徑都有一定程度的降低，而-10μm的百分含量均大幅增加。其中濕磨5h產物的平均粒徑達到了9.26μm，-10μm的含量達到了64.57%。從低灰煤的礦物分析中可知，雜質礦物的嵌布粒徑均大于10μm，說明此時煤粒中的雜質礦物已實現基本解離，說明分散劑的添加對磨礦有促進作用。在此條件的基礎上，對濕法磨礦時間5h的產物進行一粗兩精的浮選試驗。

圖4 分散劑對濕法磨礦的影響

濕法磨礦5h后的浮選效果如圖5所示，可見分散劑對浮選也有一定的影響。當添加分散劑時，產物的累計灰分為1.07%，累計產率達到了33.44%；不添加分散劑的條件下，當灰分為1.36%時，累計產率為23.26%；當添加分散劑時，浮選精煤的灰分可以達到0.88%；不添加分散劑時，浮選精煤的灰分為1.36%。說明分散劑對磨礦有促進作用。從累計灰分曲線看出，精煤灰分均較低，尾礦灰分都較高，這也印證了此時煤粒與雜質礦物已基本分離。

A—有分散劑累計產率曲線；B—無分散劑累計產率曲線；C—有分散劑灰分曲線；D—有分散劑累計灰分曲線；E—無分散劑灰分曲線；F—無分散劑累計灰分曲線圖5 濕法磨礦5h浮選分析

3.3 磨礦級配

不同的磨礦級配使得物料間的接觸面積與碰撞機會不同，從而導致破碎程度的不同，如圖6所示。不同級配磨礦1h時，兩組試驗的平均粒徑、-10μm百分含量均相近；當磨礦時間增加至2h時，2號試驗的平均粒徑減少了4.33μm，-10μm百分含量增加了9.72%；且隨著磨礦時間的增加，2號試驗的平均粒徑變化率和-10μm含量增加率更大。當磨礦時間增加到5h時，試驗的平均粒徑及-10μm含量等均優于4h，但提升不明顯，考慮相應的磨礦耗能問題，故需進一步進行磨礦時間試驗。

圖6 不同級配濕法磨礦分析圖

3.4 磨礦時間

磨礦時間對磨礦的效果影響較大，合適的磨礦時間可以使物料充分解離。基于磨礦級配試驗的結果分析，選用磨礦級配試驗的磨礦時間為4h、5h的產物進行一次粗選兩次精選浮選試驗，浮選條件為礦漿濃度60g/t，充氣量0.25cm3/min，攪拌轉速2000r/min，攪拌時間2min，不添加捕收劑與起泡劑，試驗結果如圖7所示。

圖7 磨礦4h和5h產物浮選分析圖

從圖7中可看出，當磨礦時間為4h和5h時，精煤產率相差不大；4h和5h的精煤灰分為0.56%和0.44%，一次尾礦的灰分為4.37%和4.66%；精煤灰分降低，一次尾礦的灰分增加，這說明隨著磨礦時間的增加，煤粒與無機礦物雜質分離更完全，但效果不明顯。考慮磨礦成本及時間的因素，選用4h的磨礦時間更好。

4 結 論

1)通過海石灣低灰煤礦物分析，發現低灰煤中雜質主要為以顆粒嵌布為主的石英、黃鐵礦和以團狀嵌布為主的硅酸鹽類礦物，其中黃鐵礦的嵌布顆粒最細，為10～40μm，為了實現煤粒與雜質礦物的充分分離，磨礦的平均粒度需達到10μm左右。

2)經過磨礦方式試驗發現濕法磨礦效果更好，產物的平均粒度為10.38μm，已基本達到解離粒徑，且此時-10μm的含量為63.81%；而分散劑的加入促進了磨礦時顆粒的分散，提高了磨礦效率。添加分散劑時，濕法磨礦產物浮選精煤產率為19.08%，灰分為0.88%。

3)磨礦級配及磨礦時間試驗表明更小的介質粒徑使得物料在磨礦時接觸面更大，促進解離。隨著磨礦時間的增加，磨礦效率有明顯的提高，但磨礦時間為4h和5h時，二者磨礦效率接近。通過浮選試驗并結合經濟成本等確定磨礦時間4h為最佳磨礦時間。

4)當磨礦方式采用濕法磨礦，并添加0.55%的六偏磷酸鈉作為分散劑，級配為?30mm∶?25mm∶?20mm∶?15mm=39.11%∶23.57%∶18.82%∶18.5%，磨礦時間為4h時，磨礦所得產物已基本實現煤粒與無機雜質礦物的分離，通過浮選可以制備灰分低于1%的超低灰煤。