脈石礦物在細粒煤浮選過程的夾帶回收特性研究

包永紅,張義,陳警衛,王永田

(1.中煤西安設計工程有限責任公司，陜西 西安 710054；2.國家煤加工與潔凈化工程技術研究中心，江蘇 徐州 221116)

浮選作為分選細粒礦物應用最廣泛的方法，主要依據顆粒表面疏水性差異實現目的礦物與脈石礦物的分離[1]。實際浮選中浮選精礦泡沫層不可避免地夾帶脈石礦物，造成細粒分選選擇性降低。對于高灰細泥含量高的煤泥浮選而言，高灰脈石礦物的夾帶進入精煤往往是產品灰分超標的主要原因[2]。研究脈石礦物在浮選過程的夾帶回收特性并通過浮選條件優化以降低脈石礦物回收率、提高精礦質量，成為浮選研究的重要內容。

Hongqiang Li等[3]對石墨浮選中云母的夾帶行為進行了研究，發現顆粒粒度與石墨浮選濃度顯著影響著水回收率與精礦中云母的夾帶量。S.J.Neethling等[4]在浮選泡沫夾帶研究中發現，水回收率與矸石夾帶回收率基本呈線性關系，但在水回收率很低時，矸石夾帶量要明顯高于線性值。張義等[5]在煤泥浮選固體和水的回收特性研究發現，縮短浮選時間可減少水流夾帶和部分較高灰分顆粒對精煤的污染。鄒文杰[6]在高嶺石純礦物和人工混合樣品的浮選實驗發現，浮選時間隨物料粒度變細而延長，水回收率隨之增加，礦物質夾帶回收加劇。上述研究以浮選作為整體環節研究各因素對脈石礦物夾帶回收的影響，對脈石礦物在浮選過程中隨物料特性變化的夾帶回收特性研究較少。

高嶺石作為一種粘土礦物，易泥化后進入煤泥水處理環節，在煤泥浮選過程容易夾帶進入泡沫層，影響精煤質量。本文以高嶺石與低灰煤粉為實驗原料，通過浮選速度實驗研究了高嶺石在單獨浮選及摻配浮選條件下的夾帶回收特性，探究了摻配浮選條件下起泡劑濃度、浮選濃度、攪拌轉速對浮選過程高嶺石回收率Rs、水回收率Rw、夾帶率eg的影響，以期對降低細粒煤泥浮選脈石礦物的夾帶回收提供參考。

1 實 驗

1.1 試樣

本次試樣包含高嶺石純礦物與超純煤。高嶺石粉來源于河北石家莊，純度高；煤樣來源于內蒙某地無煙煤精煤，經烘干、研磨、篩分后取-0.125 mm部分作為煤樣。前期實驗表明，超純煤在不添加捕收劑、起泡劑用量在80 mg/L的條件下，可燃體回收率可達97%；煤樣可浮性好，灰分差異小且均勻。煤樣與高嶺石灰分分別為2.88%和86.63%，兩者灰分相差大，摻配浮選時精煤灰分主要取決于高嶺石夾帶回收量，夾帶是影響浮選效果的主要原因。

利用Microtrac S3500激光粒度儀對高嶺石與煤粉進行分析，得到兩者的粒度累計曲線見圖1。

圖1 高嶺石與煤粉的粒度累計曲線Fig. 1 Grain size accumulation curve of kaolinite and pulverized coal

由圖1可知，高嶺石與煤粉粒度均較細，其中高嶺石-0.045 mm 91.60%，超純煤-0.045 mm 70.01%。樣品粒度細，適合用于浮選過程脈石礦物的夾帶回收研究。

1.2 實驗方法

本實驗主要進行高嶺石單獨或摻配條件下的浮選速度實驗。由于煤粉可浮性極好，實驗過程無需添加捕收劑。浮選實驗時，將配置好的入料加至1 L掛槽浮選槽中攪拌2 min，然后添加起泡劑（仲辛醇），30 s后開始充氣，充氣10 s后開始刮泡，刮泡時間依次為30 s、30 s、60 s、60 s，得到四個精礦（J1、J2、J3、J4）和尾礦W。

浮選過程中不斷添加水使浮選槽液位保持穩定，預先稱量好洗瓶與水重量通過差減法得到各階段所添加水量。每個產品均稱量其濕重，然后過濾、烘干、稱重、制樣、燒灰。各產品的濕重減去烘干固體重量可得到其水量；各產品可根據自身灰分、低灰煤粉與高嶺石灰分計算出產品中兩者質量比，得到產品中低灰煤粉與高嶺石的質量，進而計算出水回收率Rw、高嶺石回收率Rs、高嶺石夾帶率eg等指標。

1.3 實驗評價指標

脈石顆粒回收率與水回收率之間有密切聯系，有學者提出模型Rs=egRw[7]，可以看出脈石礦物回收率Rs由水回收率Rw和夾帶率eg共同決定。脈石礦物隨泡沫層中液體向上運動而夾帶進入精礦，水作為脈石礦物夾帶回收的載體，其回收率Rw表征著載體量；夾帶率eg則表征著脈石礦物在載體上的富集程度，回收率Rs則是脈石回收的總體表征。高嶺石回收率Rs、水回收率Rw、高嶺石夾帶率eg計算公見如式（1～3）。

其中；Rs—高嶺石回收率，%；m(c,k)—某時間段內浮選精礦中的高嶺石質量，g；m(f,k)—某時間段內浮選入料中的高嶺石質量，g；Rw—水回收率，%；m(c,w)—某時間段內浮選精礦中的水量，g；m(f,w)—某時間段內浮選入料中的水量，g；eg—高嶺石夾帶率。

2 結果與討論

2.1 單獨浮選時高嶺石的夾帶回收研究

改變浮選濃度（10 g/L、20 g/L、40 g/L、80 g/L）進行高嶺石純礦物浮選速度實驗。不同濃度下累計高嶺石回收率Rs隨水回收率Rw的變化關系見圖2。

圖2 單獨浮選時高嶺石回收率Rs隨水回收率Rw的關系Fig.2 Relation diagram of kaolinite recovery RS and water recovery Rw in separate flotation

從圖2可以發現，隨著浮選時間延長，高嶺石累計回收率Rs、水回收率Rw逐漸增加。浮選過程中累計高嶺石回收率Rs隨水回收率Rw呈較好的線性關系，且擬合直線離原點很近，eg=Rs/Rw幾乎為定值。這表明單一濃度下浮選時間對夾帶率eg影響較小，高嶺石夾帶回收表現出 “隨水分配”的特征。

浮選時間為3 min時水回收率Rw和高嶺石夾帶率eg隨入料濃度變化關系見圖3。

圖3 水回收率Rw和高嶺石夾帶率eg隨入料濃度的關系Fig .3 Relation between water recovery rate RW and kaolinite entrainment rate eg and feed concentration

圖3表明，水回收率Rw和高嶺石夾帶率eg隨入料濃度增大而增加。高濃度礦漿加劇了脈石礦物的夾帶回收，這主要是濃度越高，浮選泡沫中液相粘度也越大，泡沫排液過程越緩慢，脈石礦物更易夾雜進入精礦泡沫層所致。

2.2 摻配浮選時高嶺石的夾帶回收研究

保證浮選入料濃度為80 g/L，高嶺石與低灰煤粉質量比例為1:3，進行摻配浮選速度實驗。高嶺石摻配浮選及單獨浮選（濃度80 g/L）時累計高嶺石回收率Rs、累計水回收率Rw隨時間變化關系見圖4。

圖4 高嶺石回收率Rs、水回收率Rw隨浮選時間的關系Fig. 4 Relation diagram of kaolinite recovery Rs and water recovery Rw with flotation time

從圖4中不難看出，摻配浮選條件下高嶺石及水的累計回收率Rs、Rw均顯著高于單獨浮選實驗值，這說明疏水性煤粉促進了水和高嶺石的夾帶回收。一方面，疏水性煤粒在浮選過程向精礦富集，精礦量增加促進了水的回收，也不可避免造成高嶺石隨水分配被夾帶回收；另一方面，煤粉顆粒主要粘附浮選氣泡表面，較高嶺石單獨浮選時泡沫層穩定性增強，氣泡的兼并排液過程減弱，單位水載體量夾帶回收的高嶺石更多。

摻配浮選及單獨浮選過程中高嶺石回收速率Vs（單位時間內高嶺石回收量）、夾帶率eg隨浮選時間關系，見圖5。

圖5 高嶺石回收速率Vs、夾帶率eg隨浮選時間關系Fig. 5 Relation diagram of kaolinite recovery rate VS and entrainment rate eg with flotation tim

單獨浮選時，高嶺石回收速率Vs和夾帶率eg隨著浮選時間呈現緩慢下降趨勢。摻配浮選時，高嶺石回收速率Vs由0.17 g/s下降至0.01 g/s，夾帶率eg由0.63下降至0.31；高嶺石回收速率Vs和夾帶率eg呈現快速下降趨勢，這主要是摻配浮選過程煤粒不斷浮出，疏水性煤粒對高嶺石和水的回收促進作用不斷減弱所致。

2.3 浮選條件對高嶺石夾帶回收的影響

2.3.1 起泡劑用量對高嶺石夾帶回收的影響

保證浮選濃度為80 g/L，高嶺石與煤粉的質量比為1:3，葉輪攪拌轉速為2100 r/min，得到不同起泡劑用量下累計水回收率Rw、累計夾帶率eg隨浮選時間的關系（見圖6）。

圖6 不同起泡劑用量下高嶺石回收率Rs、夾帶率eg隨浮選時間的關系Fig. 6 Relation between kaolinite recovery RS and entrainment rate eg with flotation time at different foaming agent dosages

水回收率Rw在起泡劑用量40 mg/L和80 mg/L下差距較小；但起泡劑用量為160 mg/L時水回收率Rw較80 mg/L條件下會顯著增加，說明起泡劑在一定濃度范圍內對水回收率有影響。在隨著浮選時間的延長，起泡劑用量40 mg/L條件下高嶺石累計夾帶率eg維持在0.49左右；80 mg/L時，累計夾帶率eg由0.62逐漸降至0.50；160 mg/L時，累計夾帶率由0.67降至0.52。起泡劑用量越大，夾帶率越高，在浮選前期表現尤為突出。

為對比不同起泡劑用量下高嶺石夾帶在各個精煤產品(J1～J4)的分布規律，對數據進行整理后得到各產品中高嶺石回收率Rs、夾帶率eg（見圖6）。起泡劑用量在40 mg/L、80 mg/L、160 mg/L時，J1產品中高嶺石回收率Rs分別為3.94%、6.34%、9.07%，夾帶率eg分別為0.50、0.62、0.67。這表明低起泡劑用量下，浮選前期產品中高嶺石的夾帶回收較少。但從精煤產品(J2、J3、J4)夾帶率eg對比發現，起泡劑用量越高、夾帶率越低，這說明高起泡劑用量有助于減少浮選后期產品中脈石的夾帶回收。不斷增加的起泡劑用量，更加有利于降低浮選過程脈石礦物的夾帶回收，多點分段加藥可能是有效的調控手段。

2.3.2 浮選濃度對高嶺石夾帶回收的影響

保證起泡劑用量為80 mg/L，高嶺石與煤粉的質量比為1:3，葉輪攪拌轉速為2100 r/min，得到不同浮選濃度下累計水回收率Rw、累計夾帶率eg隨浮選時間的關系圖（見圖7），不同浮選濃度下精煤產品中高嶺石回收率Rs、夾帶率eg（見圖8）。

圖7 不同起泡劑用量下精煤產品中高嶺石回收率Rs、夾帶率egFig. 7 Kaolinite recovery Rs and entrainment rate eg in cleaned coal products under different foaming agent dosages

圖8 不同浮選濃度下水回收率Rw、夾帶率eg隨浮選時間的關系Fig. 8 Relation diagram of water recovery Rw and entrainment rate eg with different flotation concentrations with flotation time

從圖7可以發現，浮選濃度越低，累計水回收率Rw越低，累計高嶺石夾帶率eg越低，這說明采用低濃度浮選可有效減少脈石夾帶，減輕對精煤的污染。圖8表明，濃度對高嶺石回收率Rs、夾帶率eg的影響表現為浮選全過程各個產品，不同精煤產品（J1～J4）中均表現為濃度越低，高嶺石回收率Rs、夾帶率eg越低。

2.3.3 攪拌轉速對高嶺石夾帶回收的影響

保證浮選濃度80 g/L，起泡劑用量80 mg/L，高嶺石與煤粉質量比1:3，得到不同葉輪攪拌轉速下累計水回收率Rw、累計夾帶率eg隨浮選時間的關系見圖9。

圖9 不同攪拌轉速下水回收率Rw、夾帶率eg隨浮選時間的關系圖Fig. 9 Relation diagram of water recovery rate Rw and entrainment rate eg with flotation time at different stirring speeds

從圖9可以看出，不同攪拌轉速下累計水回收率曲線Rw幾乎重疊，攪拌轉速對水回收率的影響很小。低攪拌轉速1500 r/min條件下，高嶺石累計夾帶率eg最低。

從圖10中精煤產品（J1～J4）的高嶺石回收率Rs、夾帶率eg來看，不同攪拌轉速下J1產品差異較大，浮選后期產品（J2～J4）的差異較小。低能量輸入通過降低夾帶率eg以減少脈石礦物回收率，主要表現為對浮選前期精煤產品的影響。

圖10 不同攪拌轉速下精煤產品中高嶺石回收率Rs、夾帶率egFig. 10 Kaolinite recovery RS and entrainment rate eg in cleaned coal products under different stirring speeds

3 結論

（1）高嶺石單獨浮選時，其回收率Rs與水回收率Rw呈較好的線性關系，夾帶率eg在浮選全過程中基本不變，表現出“隨水分配”的特征。

（2）摻配浮選時高嶺石和水的回收率明顯高于單獨浮選，疏水性煤粒在泡沫浮選過程加劇了脈石礦物的夾帶回收。浮選過程隨著煤粒不斷浮出，高嶺石回收速率和夾帶率呈不斷下降趨勢。

（3）浮選過程中不斷增加的起泡劑用量更加有利于降低脈石礦物的夾帶回收，多點分段加藥可能是有效的調控手段；低濃度浮選有助于減少高嶺石的夾帶回收，且該影響表現為浮選全過程；低攪拌轉速可降低浮選前期高嶺石夾帶率eg，以減少脈石礦物回收率。