低階煤煤泥油泡浮選技術研究

于 偉

(西安科技大學 化學與化工學院，陜西 西安 710054)

煤炭是世界上分布最廣、儲量最多的一種不可再生資源，在國民經濟發展中具有重要作用。我國低階煤炭資源在煤炭資源總儲量中占有很大比例。通常把褐煤、長焰煤、不黏煤、弱黏煤以及部分氣煤等變質程度低的煤統稱為低階煤[1]。

煤炭在開采和洗選加工的過程中會產生大量煤泥，約占原煤的10%～20%。針對煉焦煤煤泥，因其表面疏水性強，目前大部分已通過浮選法得以分選利用；而低階煤煤泥因其含氧官能團多、表面疏水性差，需要添加大量浮選藥劑才能實現分選，分選經濟性差，因此該部分煤泥目前并未得到有效利用，一般是摻入洗選主產品中進行銷售。若能進一步開發浮選技術，實現低階煤煤泥的分選，則選后精煤就可摻入洗選主產品而不會影響整體質量；此外，浮選后得到的精煤泥還可作為優質的化工用原料煤。因此，需要尋求一種技術經濟可行的方式對低階煤煤泥進行分選提質。

李文文[2]利用柴油對低階煤煤泥進行了浮選試驗研究得出，隨著藥劑用量增加，精煤產率逐漸增加，最大可達到30%以上，但干煤泥柴油用量高達10 kg/t。任聰等[3]通過煤油與活性物質混合的方式研究了復配藥劑浮選低階煤煤泥的效果。鄭茜等[4]采用紫外線對柴油進行活化，研究了低階煤浮選的動力學。蔣善勇[5]、朱春云[6]研究了煤油作用后的不黏煤顆粒與氣泡的接觸行為，認為氣泡與低階煤表面難以形成穩定的三相接觸周邊，當接觸時間為500 ms時，黏附概率不足50%，并分析了低階煤煤泥可浮性差的原因。

近十余年來，中國礦業大學王永田教授一直致力于低階煤煤泥浮選提質技術研究與工程實踐，創造性地將油泡浮選技術應用于低階煤煤泥分選，顯著提高了低階煤浮選指標。為了推進低階煤浮選的工業化，總結油泡浮選經驗和科學本質，成功設計出了復配捕收劑，在大幅提升浮選指標、降低藥劑消耗的同時，解決了低階煤大規模浮選提質工業實踐的技術瓶頸，目前已在神東布爾臺選煤廠成功建設了一條年處理能力為16萬t干煤泥的低階煤煤泥浮選工業示范生產線。

從低階煤煤泥浮選技術研發與工業化進程來看，油泡浮選技術是低階煤煤泥浮選的基礎，對推動低階煤煤泥實現工業化分選具有重要作用。

1 油泡浮選技術

LIU J等[7]發現在煤的油團絮中被油膜包裹的氣泡的重要作用，在分選時，可使藥劑耗量降低且精煤產率提高，由此提出油泡分選的新概念。油泡(oily-bubbles)即在氣泡的外面包裹一薄層油膜或其他溶劑，浮選時，藥劑附著在氣泡表面，不僅耗量更低，且在礦漿中分散度更好。常規浮選與油泡浮選示意圖如圖1所示。

圖1 常規浮選與油泡浮選示意圖

WALLWORK VINCE等[8]利用自制油泡發生裝置將煤油加熱后隨空氣給入到分選系統中，對難選油砂礦進行油泡浮選試驗，結果表明，油泡浮選精礦回收率大幅提高，分選指標較常規浮選好。PENG F F[9]等利用實驗室丹佛浮選機對煤泥進行了油泡浮選試驗探索，采用注射器將浮選藥劑滴加到預先加熱的銅管中生成蒸汽，然后使之隨空氣一起被吸入浮選機中進行油泡分選，取得了較好的分選指標。

2 油泡柱浮選技術

王永田教授在加拿大阿爾伯塔大學訪學期間(2008—2009年)，將油泡浮選技術與旋流-靜態微泡柱浮選技術相結合，形成油泡柱浮選技術，搭建油泡柱浮選系統(圖2)，并利用該系統進行了相關研究。

1—浮選柱；2—攪拌桶；3—給料口；4—泡沫排放口；5—尾礦排放口；6—循環泵；7—氣泡發生器；8—電加熱套；9—三口燒瓶；10—溫度計；11—進氣管；12—氣體流量計

通過連接管路將油氣出口與浮選柱氣泡發生器的吸氣口相連接(出入口連接處均密封)，向燒瓶中加入一定量(大約為燒瓶體積的1/2)的煤油，然后利用電加熱套對其加熱使之沸騰，控制加熱溫度和氣泡發生器吸氣量，使煤油在一個比較溫和平衡的環境下緩慢沸騰，沸騰后產生的煤油蒸氣隨吸入的空氣進入氣泡發生器中，從而形成油泡完成分選。在不加起泡劑的情況下，利用該系統生成的煤油泡狀態如圖3所示。

由圖3可以看出，浮選柱中氣泡數量多且前后疊加，直接觀測難度較大，通過一氣泡采樣盒將柱體中的氣泡引出一小部分，可實現氣泡大小等性質的在線檢測。在不加起泡劑的情況下，浮選柱中煤油泡數量多、尺寸小，且不易兼并。將常規浮選烴類油等捕收劑直接加入到礦漿中，通過攪拌調漿作用實現藥劑分散與礦化作用，在這一過程中部分親水顆粒表面也易附著烴類油，選擇性較差。而油泡浮選省略了調漿環節，加熱后的烴類油油霧以氣溶膠形態被吸入到浮選設備內，油由氣相轉移至氣-水界面間形成油泡，且油泡數量多、直徑小。目標礦物與非目標礦物表面都有一層水化膜，油泡外表面也有一層水化膜，當油泡與礦物接觸后，水化膜減薄，此時油易與有機碳質顆粒發生吸附，而不易與無機礦物顆粒吸附，這樣就實現了油泡對有機質——煤的選擇性吸附礦化，進而提高了浮選藥劑的捕收性與選擇性。油泡浮選原理如圖4所示。

圖3 煤油泡分散狀態

黑色—煤；黃色—油；綠色—水；藍色—氣泡

實踐發現，油品沸騰過程較難控制，特別是吸氣量改變時，容易引起煤油的暴沸，安全性能較差，在試驗過程中曾出現油氣出口與氣泡發生器之間的導管因油氣溫度高發生熔化堵塞而導致沸騰煤油從進氣口噴出的情況。此外，若氣泡發生器發生堵塞或者循環泵出現停轉，浮選柱中的礦漿會通過氣泡發生器吸氣口倒流入沸騰的煤油中，造成不可預知的危險。因此，對油氣生成方式進行了改進，將煤油定量滴入到高溫加熱的燒瓶中或電熱板上，煤油瞬間受熱氣化生成煤油蒸氣，然后隨空氣一起被吸入到浮選柱中。兩種油泡生成系統如圖5所示[10]。

1—浮選柱；2—攪拌桶；3—給料口；4—泡沫排放口；5—尾礦排放口；6—循環泵；7—氣泡發生器；8—儲油桶；9—加油泵；10—油氣發生器；10-1—燒瓶；10-2—電加熱套；10-3—電熱板；10-4—錐形集氣罩

在熱態制造油泡研究的同時，還進行了油泡冷態制造設計，主要采用超聲波霧化和加壓噴射霧化法令烴類油形成一種分散性氣溶膠，然后隨空氣一起給入到分選設備中。冷態油泡浮選安全性好，同樣較常規浮選效果好，但較熱態油泡浮選法效果差[11]。

3 低階煤煤泥油泡柱浮選實踐

采取神東礦區大柳塔選煤廠煤泥樣品，樣品空氣干燥基水分為2.9%、灰分為19.7%、揮發分為25.3%，分別進行常規浮選柱分選及油泡浮選柱分選試驗[12]。

采用FCSMC-50型旋流-靜態微泡浮選柱進行常規浮選試驗。采用一次分選流程，捕收劑(煤油)用量分別為10、40、60、100 kg/t，起泡劑(仲辛醇)用量為200 g/t，礦漿濃度為80 g/L，礦漿給料量為280 mL/min，循環泵壓力為0.14 MPa。常規分選試驗結果見表1。

表1 大柳塔煤泥浮選柱常規分選試驗結果

采用閃蒸技術制造油泡，根據礦漿濃度以及給料量控制加藥速度，油泡柱分選操作工藝參數參照常規浮選進行。試驗結果見表2，分選過程泡沫層狀態如圖6所示。

表2 大柳塔煤泥油泡柱分選試驗結果

圖6 大柳塔煤泥油泡柱浮選泡沫層狀態

由表1和表2可以看出，使用油泡作為浮選載體對大柳塔煤泥進行浮選可以很大程度地降低捕收劑消耗，且浮選指標良好，達到了油泡浮選處理低階煤煤泥的預期目標。噸干煤泥煤油用量為2.5 kg時，通過油泡柱浮選可以得到灰分為8.26%、產率為82.38%的精煤，尾煤灰分為69.85%，可燃體回收率高達93.43%。經過分選得到的高產率低灰分浮選精煤可以直接摻入重選末精煤銷售，也可作為優質的化工用原料煤(因其本身粒度細還可省去磨礦環節)。常規浮選，在煤油耗量為100 kg/t時，可燃體回收率僅能達到82.18%，相比之下油泡對低階煤的強捕收能力與高選擇性得到了充分的體現。實驗室研究表明油泡浮選是處理低階煤煤泥經濟有效的方法。由圖6可以看出：浮選柱內形成了一個非常明顯的分選界面，上部為泡沫層，礦化后氣泡尺寸小且致密；下部的礦漿呈灰白色，柱內灰分梯度明顯，尾煤灰分高，分選過程選擇性強。

除大柳塔選煤廠煤泥外，還對神東礦區石圪臺煤泥、布爾臺煤泥、保德煤泥，準旗沙圪堵煤泥，白音華褐煤煤泥[13]等進行了油泡柱浮選試驗，均取得了較好的分選指標，分選結果表明，油泡不僅捕收能力強，而且選擇性高，是處理低階煤煤泥分選的有效手段。

4 油泡柱浮選技術工業探索

在實驗室試驗基礎上，為了進一步探索油泡浮選技術的可行性與先進性，王永田教授進行了油泡柱浮選技術的工業探索試驗。

進行工業試驗時，還未有低階煤煤泥浮選工業化系統，因此選取一煉焦煤選煤廠煤泥浮選柱進行了相關試驗。

首次試驗時，仍使用燒瓶與電加熱套制造油泡，利用一臺蠕動泵將浮選捕收劑定量加入到燒瓶中蒸發氣化，起泡劑按原系統加入，油氣隨空氣一起被吸入到浮選柱氣泡發生器中形成油泡，油泡與煤粒作用完成分選過程。現場試驗裝置如圖7所示。

圖7 油泡浮選半工業性試驗裝置

由圖7可以看出，閃蒸后油氣在氣泡發生器的作用下，可全部被吸入到浮選柱中。試驗表明，與常規浮選相比，油泡浮選可以有效節約浮選藥劑用量，但對于φ5 m的浮選柱，500 mL燒瓶產生的油氣量不足，必須采用大型油泡制造系統以加大浮選藥劑的蒸發體量。

經過查閱資料與實地調研，選定對化工行業不銹鋼反應釜進行改造，去除其攪拌機構，增加了相應管路，將之改造成工業用油泡制造裝置，如圖8所示。通過導熱油對反應釜加熱，利用一臺蠕動泵將捕收劑定量加入到反應釜中使之受熱蒸發氣化，將油氣出口與浮選設備吸氣口相連，則油氣可隨空氣一起進入到浮選設備中。

圖8 工業化油泡制造裝置

利用工業化油泡制造裝置進行煤泥浮選工業試驗，捕收劑通過蠕動泵定量加入，起泡劑按原給藥系統加入。試驗結果表明，該裝置通過自動溫控系統可產生連續穩定的油氣，操作簡便，有效降低了浮選捕收劑用量，且浮選泡沫層穩定，分選指標較好。

實驗室研究及工業性探索均表明，油泡浮選技術可對低階煤煤泥進行高效分選，捕收能力強且選擇性好，但通過蒸發方式制造油氣安全性較差，是制約其工業應用的主要原因。油蒸氣與空氣以一定比例混合遇明火后容易燃燒爆炸，油蒸氣擴散遇到火源后會著火回燃造成危險，且密閉容器中壓力過大也易爆炸，設備大型化后，人為操作等非可控因素太多。因此，要將油泡浮選技術用于工業生產，還需解決安全問題。

王永田教授還針對油泡浮選與常規浮選的區別與聯系[14]，開辟了低階煤煤泥浮選藥劑研究的新思路，成功開發了FO系列浮選藥劑，并用于低階煤煤泥的分選[15]，在實驗室應用的基礎上，完成了神東礦區等多個選煤廠低階煤煤泥半工業分選試驗，并在神東布爾臺選煤廠成功建設了年處理能力為16萬t干煤泥的低階煤煤泥浮選工業示范生產線。

5 結論

(1)油泡浮選是在氣泡上鍍上油膜，在浮選前不進行加油調漿作業，浮選過程中的礦化主要靠目的礦物與油泡碰撞礦化實現，油泡數量多、直徑小，更易于實現礦化。

(2)對神東礦區大柳塔選煤廠等低階煤煤泥進行油泡柱浮選試驗，結果表明，油泡對低階煤煤泥具強捕收能力與高選擇性，分選指標良好，可見油泡浮選技術是處理低階煤煤泥經濟有效的方法。

(3)將油泡浮選技術用于工業浮選柱分選，可有效降低浮選捕收劑用量，且浮選泡沫層穩定，分選指標良好。但熱態法制造油氣安全性差，是制約油泡浮選工業應用的瓶頸。