微細粒煤分選技術研究進展

宇文超，王春耀，朱述川，王 超，王自祥，許文波

(1.兗礦集團 潔凈煤技術工程研究中心；2.兗礦科技有限公司；3.兗州煤業股份有限公司，山東 鄒城 273500)

煤炭作為不可再生能源，在我國國民經濟中發揮著重要作用。自19世紀80年代第一座煤礦創辦以來，我國煤炭工業經歷近一個半世紀的高速發展。如今我國的煤炭工業已在基礎理論、技術創新、頂層布局等方面取得了重要突破，煤炭智能無人化開采和煤炭洗選技術成績顯著[1]。隨著煤炭開采自動化程度的提高，加之煤層地質條件的惡化，微細粒煤泥的產量也不斷攀升。

對于細粒與微細粒煤顆粒的定義目前還沒有統一界定，但一般認為粒徑小于6 mm的煤顆粒為細粒煤，粒徑小于250 μm的煤顆粒為微細粒煤[2]。微細粒煤泥不僅具有質量小、比表面積大、難以沉降等特點，并且常伴有大量親水性的礦物質顆粒，加劇了分離難度。采用傳統的煤炭洗選方法，如水力跳汰、重介旋流器和浮選等難以對這些微細粒煤泥進行高效分選[3-7]，造成了大量煤炭資源浪費和生態環境污染，這不僅無法實現煤炭資源的高效清潔利用，也有悖于綠色經濟和可持續發展理念。

1 微細粒煤分選方法

按照常規選礦方法分類，煤炭分選可分為物理法、化學法、物理化學法和生物法。物理法主要包括重力分選(濕法和干法)、電選和磁選等；物理化學法又稱浮選法，是利用煤與礦物質顆粒表面物理、化學性質的差異，從水的懸浮體中浮出煤顆粒的過程；生物法和化學法是指采用微生物或化學浸出的方法實現煤與礦物質分離的過程[8]。這些常規分選方法在被應用于微細粒煤泥分選時，分選效果顯著下降，甚至失去分選效果，暴露出了其在微細粒分選應用中的局限性。如在使用重選法分選微細粒煤時，由于煤顆粒與礦物顆粒質量小，顆粒按密度分層效果嚴重惡化，導致無法實現有效分離。由于微細粒礦漿中煤顆粒與礦物質已經實現較好的解離，更有利于采用浮選方法進行回收，但微細粒顆粒的 “繞流效應”也造成了顆粒—氣泡間的碰撞、粘附概率降低，浮選回收率下降等問題。

為解決微細粒煤的回收難題，國內外學者開展了大量研究，總結來看主要可分為以下幾個方面：① 通過改善或強化煤與礦物顆粒的受力差異，實現煤與礦物顆粒的有效分離，如增強型重力分離器；② 通過增大微細粒的表觀直徑，將微細粒分選轉變為常規分選，改善“微粒效應”引起的分選效率低、精度差等問題，如絮凝浮選、油團聚浮選和載體浮選等；③ 強化顆粒表面性質差異，提高選擇性，如根據煤顆粒與氣泡的匹配原理減小氣泡尺寸，增加氣泡對微細粒煤顆粒的選擇性，開發新型浮選藥劑，強化煤與礦物質顆粒表面的疏水性差異，提高藥劑對微細粒煤顆粒的選擇性等[9，10]。

2 微細粒煤分選技術研究進展

2.1 旋流分選技術

水介質旋流器可作為浮選的替代設備，其分選原理是在離心力和重力的復合作用下實現煤與礦物質的有效分離，礦漿以一定的速度沿入料口切向給入旋流器，在設備內部做強旋流運動，產生遠大于重力的離心力，并在旋轉中心產生負壓。不同粒度和密度顆粒在隨礦漿運動過程中受重力和強離心力的作用，粗而重的礦物顆粒被拋向旋流器筒壁，沿螺旋向下從沉砂口排出，細而輕的煤顆粒被吸入內螺旋中心，向上從溢流管排出。

為探究水力旋流器對煤泥的分選下限，研究人員開展了大量的試驗研究。樊民強等人[11]研究了新型水力旋流器在粗煤泥分選中的工業應用，測試結果顯示，新型水介質旋流器分選大于0.5 mm粒級煤泥時的不完善度I=0.16，分選25 ～ 500 μm細粒級煤泥的不完善度I=0.18，分選大于250 μm粒級數量效率94 %，分選下限可達125 μm。A.K.Majumder等人[12]對旋流器進行的水動力學分析認為，溢流管長度、溢流管直徑和錐角均會直接影響顆粒的平均停留時間，溢流管直徑是最敏感變量。由于在不同操作條件下旋流器產生的壓降都可能導致細粒物料從溢流口流出而不產生基于密度的分離現象，因此在處理微細粒煤泥時的分選效率會顯著下降。因此，水介質旋流器在處理小于74 μm微細粒煤時，其處理性能主要取決于物料的灰分和相對比例。A Liu等人[13]采用向水力旋流器中注入空氣的方法研究了其對0 ～ 1 mm煤顆粒分選性能的影響，結果表明，注入空氣后的旋流器能夠對大于125 μm的煤顆粒產生良好的分離效果。Sun等人[14]使用帶有三級錐體的旋流器進行了高硫煤分選試驗，結果顯示，該型號旋流器的脫灰和脫硫的粒度下限分別可達98 μm和45 μm。

2.2 增強型重力分選技術(EGS)

為了克服微細粒顆粒的弱重力效應，研究人員開發了增強型重力分選技術(EGS)，增強型重力分離器通過機械作用產生遠高于重力的離心場，從而強化微細粒顆粒物料的分選。在性能、分離效率和入料粒度方面優于傳統的重力分離方法。常用的增強型重力分離設備有尼爾森選礦機、莫斯利多重重力分選機和Falcon離心選礦機和凱爾西跳汰機等。

陶有俊等人[15]對比了Falcon選礦機和浮選分布釋放試驗對煤泥脫硫降灰的效果，結果認為，Falcon分選機對細粒煤的脫硫效果優于浮選。Mohanty和Yerri等人[16-18]的研究發現，凱爾西跳汰機對微細粒煤的分選效果優于螺旋分選機和阿爾泰跳汰機等常規重選設備。凱爾西跳汰機可以替代傳統的重力分離器用于大于37 μm的微細粒煤泥分選，可燃回收率可達96.9%，分選效果良好。Uslu等人[19]采用尼爾森選礦機對小于106 μm、106 ～ 300 μm和300 ～ 500 μm氧化煤進行了分選試驗，試驗結果表明，尼爾森選礦機能夠起到良好的脫硫和降灰效果。Aksoy[20]采用多重力分選機對大于53 μm的微細粒煤泥進行了分選試驗，得到的精煤產品熱值為21.62 MJ/kg，可燃體回收率為83.62 %。

Boylu通過研究發現，固體濃度對分離效率的提高起著至關重要的作用，這是由于分離方式從基于粒度分離變為了基于密度分離。表1是研究人員在不同的增強型重力分離器中進行的微細粒煤泥分選試驗對比情況。

表1 不同強化型重力分離器的分選結果對比

從表1中可以看出，凱爾西跳汰機分選效果最好，煤泥的可燃體回收率最高，其次分別為Falcon選礦機、多重力分離器和尼爾森選礦機。這是由于Falcon選礦機和尼爾森選礦機克服了固體濃度限制，處理能力得到提高，更適合于工業化應用。EGS相比于傳統重力分選技術具有更低的分選粒度下限和分選精度，因此在處理傳統重力分選與浮選中間粒度微細粒顆粒方面具有不可比擬的優勢。并且相比于浮選技術，EGS不需要添加化學藥劑，更具環保屬性。

2.3 靜電分選技術

微細粒煤與礦物顆粒的靜電分離是通過煤和礦物顆粒在不同類型的分離器中所表現的電性質不同實現的。通常煤顆粒的導電性較差，干燥條件下，黃鐵礦顆粒的電阻率為107 Ωm，煤顆粒的電阻率約為1 014 Ωm。不同類型煤的電阻率有一定差異，水分和灰分均會影響電阻率的大小[21]。電選方法在工業上最早被應用于谷物的分離，20世紀40年代開始被研究人員用于微細粒煤的分選。靜電分選中顆粒物料的帶電方式有電暈轟擊帶電、接觸/摩擦帶電和感應帶電等，摩擦電選由于對細粒和微細粒分選具有較好的適應性，獲得了廣泛研究。

最初，國外文獻報道的摩擦電選設備應用于小于800 μm煤分選時，分選得到的精煤純度可達94.7 %，回收率高達88 %。后來，經過意大利、加拿大日本等國家的技術開發，摩擦電選技術被成功應用于20～30 μm微細粒礦物的分選。Soong等人[22]研究認為，摩擦靜電分選能有效去除小于74 μm微細粒煤中的礦物顆粒。Yoon等人[23]認為，62～350 μm是電選分離煤與礦物顆粒的最佳粒徑范圍。

國內的靜電分選技術雖起步較晚，但也取得了豐碩的成果。早在2001年，陳清如等人[24]發表的文獻中就報道了我國研究人員通過前期探索和試驗證明了摩擦電選技術能夠實現小于43 μm粒度的煤炭分選。后續研究人員又在粉煤灰和廢塑料分選領域開展了大量試驗研究，均取得了不錯的分選效果[25-28]。近些年，國內關于摩擦電選技術的研究主要集中于顆粒摩擦帶電過程的理論研究和微細粒煤改性強化電選試驗研究[29-32]。

2.4 油團聚分選技術

油團聚分選又稱球團聚分選，最早由加拿大國家研究委員會提出，其基本原理是：在礦漿中加入捕收劑使煤顆粒(目的礦物)疏水礦化，再加入非極性油使其在疏水顆粒表面鋪展形成“油橋”，使顆粒懸浮體的疏水聚團行為得到強化，被非極性油覆蓋的細顆粒相互粘附形成聚團，再通過常規浮選方法對其進行分離回收。

礦粒的疏水聚團是由于顆粒的表面疏水作用引起的，顆粒間的疏水作用能UHR計算公式如下：

式中，R為顆粒半徑，m；K1為系數；H為顆粒間距，m；h0為衰減長度，m。對于煤顆粒，當顆粒間距小于20 ～ 30 nm時，疏水作用能將表現為強烈的吸引作用能。微細粒間的疏水相互作用表現為強吸引力，總相互作用能基本上由疏水相互作用能提供。因此，即使在高的 ζ電位條件下，疏水引力也能克服靜電排斥能，使疏水礦粒發生聚團。

與泡沫浮選和EGS技術不同，油團聚可以處理38 μm以下的低階煤和氧化煤[33]。并且，團聚后的煤的粒徑顯著增加，回收率和熱值也明顯提高。劉杰等[34]研究了煤油、柴油以及兩者復配對微細粒煤泥(小于74 μm)脫水效果的影響，結果發現，油團聚法在降低精煤灰分的同時具有較好的脫水效果。徐建平等人[35]將油團聚法用于微細粒煤中黃鐵礦的脫除，在最佳試驗條件下，精煤產率為84.01%，黃鐵礦脫除率可達73.12%。由于采用油團聚浮選需要消耗大量的藥劑，導致生產成本較高。為降低藥劑成本，研究人員采用低劑量廢棄生物油進行了試驗，結果證實葵花籽油等生物油能夠替代燃料油、柴油、機油和煤油等進行分選。表2為不同藥劑分選試驗結果對比[36-38]。

表2 不同類型藥劑的分選試驗對比

從以上結果可以看出，采用廢棄芥子油、亞麻籽油等生物油在低劑量條件下獲得了較高的脫灰效率，分選效果較好。這說明試驗所用的油類比目前市場上使用的柴油具有更好的“疏水”性能。但是與傳統柴油相比，生物油的市場來源較少，且回收率也有待進一步提高。

2.5 泡沫浮選技術

浮選方法是微細粒煤泥分選應用最廣泛，技術最成熟的方法。浮選也是利用煤與礦物顆粒表面疏水性的不同進行分離的技術。鑒于微細粒煤泥處理技術的日益發展和微細粒煤泥資源高效回收的迫切需求，國內外科研工作者在微細粒浮選領域進行了大量創新，開發了載體浮選、選擇性絮凝浮選、納米氣泡浮選等新工藝。

在理論研究方面，國內外學者從動力學與熱力學兩方面展開了大量的工作。如，李國勝、卓啟明和李碩夫等從浮選動力學角度研究了浮選氣泡與煤顆粒的碰撞與黏附規律[39-41]。熱力學方面，研究人員針對靜電力、范德華力、水化力、疏水作用力以及EDLVO理論在微細粒礦物浮選體系中的應用進行了廣泛研究[42-46]。

在試驗研究方面，雖然部分現有微細粒礦物分選技術已經取得成功應用，但是由于技術的局限性和微細粒礦物性質的復雜性等問題，仍然存在浮選回收率低的問題。Zhou[47]和Xu[48]的研究結果認為，通過高強度攪拌含有飽和空氣或二氧化碳的礦漿，能夠產生大量的納米氣泡，這些氣泡產生的“納米氣泡橋”作用，有利于增強顆粒間的相互作用。馮其明等的[49]研究認為，納米氣泡能夠促進煤炭顆粒粘結與氣泡礦化，有助于氣泡與顆粒間水化膜的脫水作用，還可以降低煤粒沉降速度，有利于煤粒上浮。Fan等[50]研究了納米氣泡對不同粒度、密度和可浮性煤樣浮選性能的影響，結果表明，納米氣泡能夠擴大浮選粒度范圍，同時提高粗粒和微細粒煤的浮選速率常數和回收率。

Liu等[51]提出了在浮選中使用含油氣泡作為載體的概念，并開展了相關研究，認為微細煤顆粒更容易附著在油性氣泡的疏水性表面。于偉[52]采用烴類油蒸發制造油氣并通入浮選柱氣泡發生器用于生成油泡，在此基礎上開展了低階煤的油泡浮選試驗，結果表明，油泡對低階煤具有強捕收性和高選擇性，并且油泡浮選能夠有效降低工業浮選柱的捕收劑用量，增強浮選泡沫穩定性，這一技術也為微細粒低階煤的資源化利用提供了新思路。

3 結 語

微細粒煤泥的典型特點是質量小和比表面積大，這也是制約其分選效果的主要因素。EGS技術通過增強顆粒所受重力和離心力的方式強化微細粒煤與礦物的分離，已經在分選精度和分選粒度方面展現出了一定的優勢，尤其在浮選難以處理的微細粒氧化煤分選中，EGS技術展現了明顯的優勢，但由于該技術需要依靠機械作用產生離心力，分選過程產生的能耗較高，后續應在降低能耗和分選粒度下限方面繼續研究；油團聚分選通過強化微細粒煤顆粒表面疏水作用和增大微細粒表觀粒徑的方法改善了微細粒煤的分選，但是該技術藥劑消耗較高，后續應在新型藥劑探索方面進行優化，以降低分選成本；納米氣泡浮選通過優化煤顆粒與氣泡的匹配原理，利用納米氣泡強化了浮選的粒度下限，是未來微細粒煤高效綜合利用的關鍵技術之一。

綜上，隨著煤炭開采中原生煤泥及洗選過程中次生煤泥的不斷增加，未來微細粒煤必將成為煤炭資源的主要來源之一，目前部分研究成果在工業化應用中仍存在問題，因此繼續深入研究微細粒煤分選新工藝新技術是實現微細粒煤綜合利用的必經之路。