王 梟，顏冬青，高少鵬，王 進(jìn)，趙世永

(1.西安科技大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，陜西 西安 710054；2.陜西煤化選煤技術(shù)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(yōu)質(zhì)煤炭資源儲量越來越少[1-3]，而社會的飛速發(fā)展及國家對環(huán)保的高度重視使得優(yōu)質(zhì)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(zhuǎn)化及精細(xì)加工獲得煤基功能材料是實(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)化分級利用新技術(shù)[9]的產(chǎn)物，不僅可制備成精細(xì)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(chǎn)品開辟了更為廣闊的市場，可創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)價值[11]。

超純煤的制備方法主要有物理法和化學(xué)法兩種[12]，其中物理法主要為油團(tuán)聚法、摩擦電選法和選擇性聚團(tuán)法；化學(xué)法分為酸堿法和有機(jī)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(tuán)法制備超純煤的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)添加聚合氯化鋁時，精煤灰分降低0.18%，僅為0.46%，產(chǎn)率增加19.38%，達(dá)到88.29%。肖勁等[15]利用酸堿法對內(nèi)蒙古煤進(jìn)行超純煤制備試驗(yàn)，獲得了灰分小于0.5%的超純煤。當(dāng)前超純煤制備技術(shù)中，物理法存在脫灰與脫水相互影響的問題，而化學(xué)法存在成本高且易破壞結(jié)構(gòu)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(yàn)方案

1.1 樣品

研究發(fā)現(xiàn)，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(yàn)發(fā)現(xiàn)，密度小于1.4g/cm3的精煤，灰分僅為3.1%，產(chǎn)率高達(dá)79.81%。為此，以6～0.5mm中-1.4g/cm3浮煤為后續(xù)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(jī)將浮沉所得低灰煤初碎至0.5mm以下，進(jìn)行X射線衍射(XRD)及顯微鏡分析，并在此基礎(chǔ)上分別進(jìn)行了磨礦方式選擇、分散劑影響、磨礦級配、磨礦時間試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)備及儀器見表1。具體試驗(yàn)方法：

表1 試驗(yàn)儀器與設(shè)備

1.2.1 磨礦方式選擇試驗(yàn)

采用XMQ-?240×90錐型球磨機(jī)，磨罐體積6.5L，轉(zhuǎn)速96r/min，加料量500g，介質(zhì)采用鋼球，直徑分別是30mm、25mm、20mm、15mm，介質(zhì)質(zhì)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(jìn)行干法磨礦與濕法磨礦兩種磨礦方式試驗(yàn)。

1.2.2 分散劑試驗(yàn)

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(jī)對不同磨礦時間的產(chǎn)物進(jìn)行浮選試驗(yàn)，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(zhuǎn)速2000r/min，攪拌時間2min，不添加捕收劑與起泡劑，通過浮選試驗(yàn)驗(yàn)證分散劑對濕法磨礦的影響。

1.2.3 磨礦級配試驗(yàn)

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(zhì)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(zhì)分析

低灰煤XRD結(jié)果如圖1所示，可以看出其中主要無機(jī)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(jié)果如圖2所示，雜質(zhì)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(tuán)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(xì)小顆粒嵌布，粒度為10～40μm，菱鐵礦以層、團(tuán)狀嵌布，故粒度為30～100μm。根據(jù)顯微鏡分析結(jié)果可以大致判斷雜質(zhì)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?？梢钥闯?，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(yuǎn)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(nèi)，濕磨能達(dá)到更好的磨礦效果，整體的能耗較低。因此在后續(xù)試驗(yàn)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(dāng)磨礦粒度達(dá)到一定細(xì)度時，顆粒間的相互作用力增強(qiáng)[17]，顆粒間易團(tuán)聚，需要外加藥劑促進(jìn)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(chǎn)物的平均粒徑達(dá)到了9.26μm，-10μm的含量達(dá)到了64.57%。從低灰煤的礦物分析中可知，雜質(zhì)礦物的嵌布粒徑均大于10μm，說明此時煤粒中的雜質(zhì)礦物已實(shí)現(xiàn)基本解離，說明分散劑的添加對磨礦有促進(jìn)作用。在此條件的基礎(chǔ)上，對濕法磨礦時間5h的產(chǎn)物進(jìn)行一粗兩精的浮選試驗(yàn)。

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(dāng)添加分散劑時，產(chǎn)物的累計(jì)灰分為1.07%，累計(jì)產(chǎn)率達(dá)到了33.44%；不添加分散劑的條件下，當(dāng)灰分為1.36%時，累計(jì)產(chǎn)率為23.26%；當(dāng)添加分散劑時，浮選精煤的灰分可以達(dá)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(jìn)作用。從累計(jì)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(zhì)礦物已基本分離。

A—有分散劑累計(jì)產(chǎn)率曲線；B—無分散劑累計(jì)產(chǎn)率曲線；C—有分散劑灰分曲線；D—有分散劑累計(jì)灰分曲線；E—無分散劑灰分曲線；F—無分散劑累計(jì)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(jī)會不同，從而導(dǎo)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(yàn)的平均粒徑、-10μm百分含量均相近；當(dāng)磨礦時間增加至2h時，2號試驗(yàn)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(yàn)的平均粒徑變化率和-10μm含量增加率更大。當(dāng)磨礦時間增加到5h時，試驗(yàn)的平均粒徑及-10μm含量等均優(yōu)于4h，但提升不明顯，考慮相應(yīng)的磨礦耗能問題，故需進(jìn)一步進(jìn)行磨礦時間試驗(yàn)。

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?；谀サV級配試驗(yàn)的結(jié)果分析，選用磨礦級配試驗(yàn)的磨礦時間為4h、5h的產(chǎn)物進(jìn)行一次粗選兩次精選浮選試驗(yàn)，浮選條件為礦漿濃度60g/t，充氣量0.25cm3/min，攪拌轉(zhuǎn)速2000r/min，攪拌時間2min，不添加捕收劑與起泡劑，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 磨礦4h和5h產(chǎn)物浮選分析圖

從圖7中可看出，當(dāng)磨礦時間為4h和5h時，精煤產(chǎn)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(jī)礦物雜質(zhì)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(jié) 論

1)通過海石灣低灰煤礦物分析，發(fā)現(xiàn)低灰煤中雜質(zhì)主要為以顆粒嵌布為主的石英、黃鐵礦和以團(tuán)狀嵌布為主的硅酸鹽類礦物，其中黃鐵礦的嵌布顆粒最細(xì)，為10～40μm，為了實(shí)現(xiàn)煤粒與雜質(zhì)礦物的充分分離，磨礦的平均粒度需達(dá)到10μm左右。

2)經(jīng)過磨礦方式試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)濕法磨礦效果更好，產(chǎn)物的平均粒度為10.38μm，已基本達(dá)到解離粒徑，且此時-10μm的含量為63.81%；而分散劑的加入促進(jìn)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(chǎn)物浮選精煤產(chǎn)率為19.08%，灰分為0.88%。

3)磨礦級配及磨礦時間試驗(yàn)表明更小的介質(zhì)粒徑使得物料在磨礦時接觸面更大，促進(jìn)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(yàn)并結(jié)合經(jīng)濟(jì)成本等確定磨礦時間4h為最佳磨礦時間。

4)當(dāng)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(chǎn)物已基本實(shí)現(xiàn)煤粒與無機(jī)雜質(zhì)礦物的分離，通過浮選可以制備灰分低于1%的超低灰煤。