陳洪德,房朝軍,2,3,鄧小偉,呂 波

(1.中鋁中州鋁業(yè)有限公司,河南 焦作 454171;2.河南理工大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院,河南 焦作 454000;3.煤炭安全生產(chǎn)與清潔高效利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心,河南 焦作 454000;4.鄂爾多斯市炭源科技有限公司,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017010)

根據(jù)《中國(guó)礦產(chǎn)資源報(bào)告2020》,我國(guó)鋁土礦資源儲(chǔ)量超過(guò)50億噸[1]。煤系地層覆蓋鋁土礦是我國(guó)鋁土礦資源的重要組成部分,山西、河南已查明鋁土礦資源的60%～70%屬煤系地層覆蓋鋁土礦[2-3]。隨著淺地表鋁土礦資源的日益消耗,煤系地層覆蓋鋁土礦資源的開發(fā)利用日益成為研究的重點(diǎn)[4-5]。煤系地層覆蓋鋁土礦一般指300 m以深煤礦區(qū)煤層深部的鋁土礦,其仍位于鋁土礦成礦帶,是淺部中大型鋁礦床的自然延伸[6]。與淺地表鋁土礦相比,由于沒(méi)有風(fēng)化作用和SiO2的流失,其鋁硅比較低,硫含量較高且分布不均[7]。硫含量過(guò)高會(huì)嚴(yán)重影響拜耳法生產(chǎn)氧化鋁的過(guò)程,引發(fā)堿耗增加、設(shè)備腐蝕、沉降變慢、產(chǎn)品質(zhì)量降低等問(wèn)題[8],因此需要對(duì)煤系高硫鋁土礦進(jìn)行預(yù)先脫硫。

目前鋁土礦脫硫主要有焙燒法、添加脫硫劑法、浮選法等[9-10]。焙燒法可以快速脫硫并能改善鋁土礦的溶出和沉降性能,但能耗高,與國(guó)家碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)不相適應(yīng)[11-15]。在拜耳法過(guò)程中添加氧化鋅、氧化鋇、鋁、鐵等脫硫劑可以有效脫除高硫鋁土礦中的硫分,但添加劑成本較高,且不能重復(fù)利用,限制了其大規(guī)模應(yīng)用[16-19]。浮選法脫硫能耗較低,污染較小,流程簡(jiǎn)單易操作,成本不高,可有效降低鋁土礦中的硫分[20-21]。針對(duì)煤系地層覆蓋鋁土礦開展浮選脫硫研究,通過(guò)優(yōu)化工藝條件,實(shí)現(xiàn)高硫鋁土礦的高效脫硫。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)樣品

試驗(yàn)樣品取自山西省,礦石結(jié)構(gòu)為它形柱狀晶粒結(jié)構(gòu)或自形半自形晶粒結(jié)構(gòu),顆粒呈粒狀、屑狀、鮞狀、蜂窩狀、致密狀,礦石構(gòu)造主要為層狀、似層狀、塊狀等。主要化學(xué)組分及含量如表1所示。

表1 鋁土礦樣品化學(xué)組成

由表1可知,鋁土礦樣品主要化學(xué)組分為Al2O3、SiO2、Fe2O3和TiO2,四種組分約占總量的85%,次要組分為鉀、鈣、鈉、鎂等元素的氧化物及一定量的硫。該樣品鋁硅比約為5.5,鐵、鈦組分含量不高,但硫含量達(dá)0.79%。

為了解樣品主要礦物組成及含量,對(duì)其進(jìn)行XRD分析,結(jié)果如圖1和表2所示。

圖1 煤系地層覆蓋鋁土礦XRD譜圖

表2 煤系地層覆蓋鋁土礦物相組成及半定量分析

由物相分析結(jié)果可知,煤系地層覆蓋鋁土礦主要含鋁礦物為一水硬鋁石,其含量高達(dá)68%,硅主要以高嶺石、葉臘石和伊利石等形式存在,鈦主要賦存于金紅石和銳鈦礦,而硫元素主要存在于黃鐵礦中。

結(jié)合元素分析和物相分析結(jié)果可知,試驗(yàn)樣品為典型煤系地層覆蓋高硫鋁土礦,其化學(xué)組成和物相組成與普通鋁土礦相似,含硫量接近0.8%,顯著高于拜耳法要求,因此需要對(duì)其進(jìn)行預(yù)脫硫處理。

1.2 試驗(yàn)方法

通過(guò)單因素試驗(yàn)優(yōu)化鋁土礦浮選脫硫工藝條件,試驗(yàn)工藝流程和預(yù)置試驗(yàn)條件如圖2所示,各因素的不同水平設(shè)置如表3所示。

圖2 單因素浮選試驗(yàn)工藝流程圖和預(yù)置試驗(yàn)條件

表3 磨礦細(xì)度和浮選藥劑用量條件

1.3 結(jié)果表征

鋁土礦浮選脫硫過(guò)程中常用鋁精礦中的硫含量表示脫硫效果。然而,除鋁精礦中硫含量需要符合要求外,使用脫硫率表示鋁土礦脫硫效果更加能夠體現(xiàn)浮選脫硫效果。脫硫率計(jì)算方法如式(1)所示。

(1)

式中:E——脫硫率,%;

A——鋁精礦產(chǎn)率,%;

α——鋁精礦中硫品位,%;

B——尾礦產(chǎn)率,%;

β——尾礦中硫品位,%。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 不同粒級(jí)鋁土礦組分分布

由于含鋁、硅、鐵、硫礦物存在硬度差異,具有選擇性磨礦分離的可能。因此,在對(duì)礦樣進(jìn)行磨礦浮選脫硫之前,先將礦樣進(jìn)行篩分分級(jí),探究鋁土礦鋁硅組分及硫組分在不同粒級(jí)中的分布,結(jié)果如表4所示。

表4 不同粒級(jí)鋁土礦中氧化鋁、二氧化硅、硫組分分布

由表4可知,不同粒級(jí)鋁土礦中硫含量變化不大,其中-0.074～+0.038 mm粒級(jí)含硫量最高為0.96%,-0.038 mm粒級(jí)含硫量最低為0.70%,不具備選擇性脫硫條件。不同粒級(jí)鋁土礦中鋁硅含量略有差異,+1 mm粒級(jí)鋁硅比較原礦僅提高了0.97,-0.038 mm粒級(jí)鋁硅比雖有所下降,但是其值仍超過(guò)4.0,不具備選擇性脫硅條件。因此,需要對(duì)鋁土礦樣品磨礦后進(jìn)行浮選脫硫。

2.2 磨礦細(xì)度對(duì)鋁土礦浮選脫硫的影響

為考察磨礦細(xì)度對(duì)煤系地層覆蓋鋁土礦浮選脫硫的影響,選取60%、70%、80%、90%四個(gè)磨礦細(xì)度進(jìn)行浮選試驗(yàn)研究,結(jié)果如表5所示。

表5 磨礦細(xì)度對(duì)鋁土礦浮選脫硫的影響

結(jié)果表明,隨著磨礦細(xì)度的增加,鋁精礦產(chǎn)率逐漸降低,鋁精礦中硫含量先降低后升高,而脫硫率在-0.074 mm占80%最高。因此可知,當(dāng)磨礦粒度過(guò)粗(-0.074 mm占60%)時(shí),黃鐵礦未能實(shí)現(xiàn)足夠的單體解離,部分黃鐵礦難以隨泡沫上浮導(dǎo)致鋁精礦硫含量較高。當(dāng)磨礦粒度過(guò)細(xì)(-0.074 mm占90%)時(shí),黃鐵礦雖能實(shí)現(xiàn)單體解離,但由于粒度過(guò)細(xì)加重了夾帶現(xiàn)象,導(dǎo)致脫硫效率降低,同時(shí)過(guò)度磨礦會(huì)增加生產(chǎn)成本。而當(dāng)磨礦細(xì)度適中時(shí)(-0.074 mm占80%),既能保證黃鐵礦的有效單體解離,又可避免過(guò)度磨礦,所得鋁精礦硫含量最低,脫硫效率最高。

2.3 抑制劑用量對(duì)浮選脫硫的影響

在選取合適磨礦細(xì)度保證礦物有效單體解離的前提下,鋁土礦浮選脫硫的關(guān)鍵在于黃鐵礦和其他礦物尤其是含鋁硅礦物的分離。為降低鋁硅礦物可浮性,選取HP作為鋁硅礦物浮選抑制劑,試驗(yàn)考查抑制劑用量對(duì)鋁土礦浮選脫硫的影響,結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同抑制劑用量下的鋁精礦硫含量及鋁土礦脫硫率

由圖3可知,HP抑制劑可顯著提高脫硫率,同時(shí)有效降低鋁精礦中硫含量。隨著抑制劑用量的增加,鋁土礦脫硫率逐漸增加且鋁精礦中硫含量逐漸降低,分選效果逐步增強(qiáng)。然而,當(dāng)HP用量超過(guò)2000 g/t時(shí),繼續(xù)增加抑制劑用量,脫硫效果反而降低,其主要原因是抑制劑的過(guò)量添加降低了黃鐵礦和其他礦物的可浮性差異,并最終導(dǎo)致分選效果的下降。因此,抑制劑的用量確定為2000 g/t。

2.4 活化劑用量對(duì)浮選脫硫的影響

添加抑制劑可以在一定程度上降低鋁硅礦物的可浮性,但是黃鐵礦天然可浮性較差,往往需要添加活化劑才能被黃藥類捕收劑高效捕收。試驗(yàn)選取五水硫酸銅作為黃鐵礦的活化劑,通過(guò)設(shè)置不同用量水平,考查硫酸銅用量對(duì)鋁土礦浮選脫硫的影響。圖4所示為不同硫酸銅用量下鋁土礦的浮選脫硫行為。

圖4 不同活化劑用量下的鋁精礦硫含量及鋁土礦脫硫率

由圖4可知,隨五水硫酸銅用量的增加,鋁土礦的脫硫率先升高后降低,而鋁精礦中的硫含量則先降低后升高。結(jié)果表明,硫酸銅可以顯著提高鋁土礦的脫硫效率,未添加活化劑時(shí),脫硫率僅為63.28%,當(dāng)硫酸銅用量為100 g/t時(shí),鋁土礦脫硫率可增加至66.83%,同時(shí)鋁精礦含硫量從0.40%降低至0.33%。但是,當(dāng)硫酸銅用量繼續(xù)增加,礦漿金屬離子濃度過(guò)量時(shí),則會(huì)惡化鋁土礦的脫硫效果。因此,活化劑用量確定為100 g/t。

2.5 捕收劑用量對(duì)浮選脫硫的影響

捕收劑是增加礦物間可浮性差異、提高不同礦物分選效率的關(guān)鍵,在浮選藥劑中具有重要的地位。試驗(yàn)選取丁黃藥為捕收劑,通過(guò)設(shè)置不同用量水平,考查捕收劑用量對(duì)煤系地層覆蓋鋁土礦浮選脫硫的影響,結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同捕收劑用量下的鋁精礦硫含量及鋁土礦脫硫率

由圖5可知,當(dāng)捕收劑用量較低時(shí),隨著捕收劑用量的增加,鋁土礦脫硫率持續(xù)升高,同時(shí)鋁精礦中硫含量持續(xù)降低。然而,當(dāng)捕收劑用量超過(guò)500 g/t時(shí),其脫硫效率增加速率明顯變緩,表明捕收劑用量在500 g/t時(shí),經(jīng)活化的具有較好可浮性的黃鐵礦已基本可以跟隨泡沫上浮,且鋁精礦含硫量低于0.3%,符合精礦產(chǎn)品質(zhì)量要求。繼續(xù)增加捕收劑用量,雖可稍微提高脫硫率,但部分鋁精礦也會(huì)跟隨泡沫產(chǎn)品上浮,導(dǎo)致鋁精礦產(chǎn)率和回收率的顯著下降。因此,捕收劑用量確定為500 g/t。

2.6 浮選脫硫閉路試驗(yàn)研究

根據(jù)上述單因素條件試驗(yàn)優(yōu)化確定的工藝條件,采用“一粗一精一掃”工藝流程,對(duì)煤系地層覆蓋鋁土礦進(jìn)行浮選脫硫閉路試驗(yàn),試驗(yàn)流程和結(jié)果分別如圖6和表6所示。

圖6 浮選脫硫閉路試驗(yàn)工藝流程圖

表6 浮選脫硫閉路試驗(yàn)結(jié)果

由閉路試驗(yàn)結(jié)果可知,采用優(yōu)化后的磨礦細(xì)度和藥劑用量工藝條件,采用“一粗一精一掃”浮選工藝流程,可將煤系地層覆蓋鋁土礦含硫量從0.81%降低至0.29%,且鋁精礦中氧化鋁回收率高達(dá)92.31%。

3 結(jié) 論

(1)煤系地層覆蓋鋁土礦含硫組分主要為黃鐵礦,其賦存狀態(tài)復(fù)雜,不具備選擇性磨礦脫硫條件。宜進(jìn)行浮選脫硫。

(2)磨礦細(xì)度和浮選藥劑用量對(duì)鋁土礦浮選脫硫具有重要影響,當(dāng)磨礦細(xì)度為-0.074mm占80%,抑制劑用量2000 g/t,活化劑用量100 g/t,捕收劑用量500 g/t時(shí),最有利于鋁土礦浮選脫硫。

(3)在最佳浮選工藝條件下,采用“一粗一精一掃”閉路試驗(yàn)工藝流程,可以將煤系地層覆蓋鋁土礦含硫量從0.81%降至0.29%,鋁精礦氧化鋁回收率高達(dá)92.31%。