鄭忠宇

(1.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司；2.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122)

煤炭作為我國(guó)最主要的能源和工業(yè)原料[1-6]。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，強(qiáng)調(diào)煤炭在洗選加工過程中的集約性、高效性和綠色性尤為重要[7-10]。我國(guó)現(xiàn)存煉焦煤中共、伴生異質(zhì)細(xì)泥的含量較多，很多選煤廠受限于原煤性質(zhì)復(fù)雜和分選工藝等因素，導(dǎo)致精煤回收率低，煤泥中精煤含量較高[11-13]。為解決此問題，各位學(xué)者積極探索回收煤泥技術(shù)和相關(guān)研究。李毅紅等[14]利用正交試驗(yàn)和響應(yīng)面模擬對(duì)煤泥再選結(jié)果進(jìn)行模擬，得出影響可燃體回收率的因素中，礦漿濃度>葉輪轉(zhuǎn)速>充氣量；邊炳鑫等[15]對(duì)浮選礦漿進(jìn)行磁化處理，結(jié)果顯示，磁化處理能引起浮選礦漿含氧量、pH值和煤泥表面電位的變化，提高煤泥的浮選效率。蔡璋等[16]介紹了選擇性絮凝對(duì)煤中可燃體和非可燃體進(jìn)行分離的分選方法，試驗(yàn)結(jié)果得出對(duì)極細(xì)粒煤泥分選，可燃體回收率達(dá)到90%以上。綜上所述，煤泥再選研究主要針對(duì)改善浮選環(huán)境，未對(duì)煤泥進(jìn)行浮選前的預(yù)處理，本試驗(yàn)通過水力旋流器預(yù)先脫除高灰細(xì)泥，以此改變浮選礦漿粒度及礦物組成，改善浮選環(huán)境。

1 試驗(yàn)部分

1.1 浮選入料性質(zhì)研究

取煤泥干礦樣200 g，通過0.5～0.045 mm標(biāo)準(zhǔn)套篩進(jìn)行篩分試驗(yàn)，對(duì)篩分后各粒級(jí)產(chǎn)物烘干、稱重，計(jì)算產(chǎn)率，通過馬弗爐測(cè)試灰分，完成篩分試驗(yàn)。

浮沉試驗(yàn)重液按1.3 g/cm3、1.4 g/cm3、1.5 g/cm3、1.6 g/cm3、1.7 g/cm3、1.8 g/cm3密度配制，首先將煤泥稱重，放入離心管內(nèi)，然后通過臺(tái)式離心機(jī)使其分層，分層時(shí)間3 min，用撈勺按一定方向撈取浮物，待浮物撈出后，再用木棒撈取沉物。用同樣方法逐次按密度順序進(jìn)行，最后分別計(jì)算各密度級(jí)產(chǎn)物的產(chǎn)率和測(cè)定灰分[17]。

礦物組成分析：首先對(duì)煤泥烘干，然后用瑪瑙研缽將其研磨至小于200目。測(cè)試設(shè)備：X射線衍射儀，D8 ADVANCE。測(cè)試條件：靶型Cu靶、電壓40 kV、電流40 mA、起始角5°、終止角80°、步長(zhǎng)0.02°、速度0.5 s/步。

1.2 水力旋流器脫泥分選試驗(yàn)研究

分級(jí)脫泥試驗(yàn)，設(shè)置礦漿濃度10%，預(yù)先攪拌30 min，通過調(diào)整旋流器的回流控制入料壓力，設(shè)置入料壓力分別為0.15 MPa、0.2 MPa、0.25 MPa。通過接取旋流器小樣計(jì)算和測(cè)定其產(chǎn)率及灰分，入料組成不變的前提下，確定最佳入料壓力后，對(duì)φ75 mm旋流器的礦漿濃度進(jìn)行條件試驗(yàn)，設(shè)置礦漿濃度為10%、15%、20%，通過接取小樣分別計(jì)算和測(cè)定底流和溢流的產(chǎn)率及灰分[18-19]。

1.3 脫泥后煤泥可浮性試驗(yàn)研究

將φ75 mm水力旋流器底流產(chǎn)品和原浮選煤泥分別進(jìn)行浮選試驗(yàn)，浮選機(jī)為XFD單槽浮選機(jī)，工藝流程為一次粗選和一次掃選，分別得到精煤1、精煤2和尾煤1。浮選工藝試驗(yàn)條件為：浮選機(jī)轉(zhuǎn)速1 800 r/min，充氣量0.3 m3/(m2·min)，煤泥質(zhì)量分?jǐn)?shù) 20%，捕收劑柴油用量450 g/t，起泡劑仲辛醇用量80 g/t，刮板轉(zhuǎn)速20 r/min，刮泡時(shí)間3 min。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 粒度組成分析

浮選入料的濕法小篩分試驗(yàn)結(jié)果見表1，依據(jù)篩分試驗(yàn)煤泥的篩上及篩下累積產(chǎn)率繪制粒度特性曲線，結(jié)果如圖1所示。

表1 浮選入料小篩分試驗(yàn)結(jié)果

由表1對(duì)比分析各粒級(jí)煤泥的產(chǎn)率可知，小于0.045 mm粒度級(jí)的產(chǎn)率達(dá)到61.14%，是此浮選入料的主導(dǎo)粒度級(jí)，煤泥灰分為53.87%，比上一粒級(jí)煤泥灰分提高了15.40%，同時(shí)超過平均灰分4.29%，說明此煤泥中含有大量高灰細(xì)泥，若不經(jīng)預(yù)先處理直接進(jìn)行浮選將導(dǎo)致浮選效率下降，產(chǎn)生機(jī)械夾帶的現(xiàn)象，大幅度提高精煤的灰分，同時(shí)降低精煤產(chǎn)率，所以，應(yīng)對(duì)此高灰細(xì)泥進(jìn)行預(yù)先脫除，才能提高后續(xù)浮選精煤的產(chǎn)率。

由圖1可知，煤泥的正、負(fù)粒度累積曲線相交于0.05 mm左右，并且正累積曲線在前期急速下降呈現(xiàn)明顯的下凹狀，表明此浮選入料的主導(dǎo)粒級(jí)為細(xì)粒級(jí)，在煤泥中占比較大，因此，為有效提高精煤回收的產(chǎn)率，必須對(duì)煤泥進(jìn)行預(yù)先脫泥處理。

圖1 煤泥粒度特性曲線

2.2 密度組成分析

浮選入料浮沉試驗(yàn)所用重液的密度配比見表2，浮沉試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表2 有機(jī)溶液不同密度配比

表3 浮選入料小浮沉試驗(yàn)結(jié)果

分析表3可知，此浮選入料主導(dǎo)密度級(jí)為大于1.80 g/cm3密度級(jí)，產(chǎn)率為46.52%，灰分為61.59%，高出平均灰分12.05個(gè)百分點(diǎn)，該部分煤泥主要是高灰細(xì)泥，因此為提高精煤浮選再選的效率，應(yīng)對(duì)這部分煤泥進(jìn)行預(yù)先脫泥處理。小于1.5 g/cm3密度級(jí)產(chǎn)率為5.57%，綜合灰分8.98%，該部分煤泥產(chǎn)率少，可見直接通過浮選工藝很難產(chǎn)出合格精煤，因此必須進(jìn)行預(yù)先脫泥處理。

2.3 礦物組成

分析浮選入料的礦物組成可掌握煤泥中礦物成分，為選擇預(yù)先處理工藝和改善浮選環(huán)境提供重要依據(jù)，分析結(jié)果如圖2所示。

圖2 浮選入料XRD

由圖2可知，此浮選入料中含有的非煤礦物組成以石英、高嶺石、鐵白云石、地開石為主。并且高嶺石和地開石對(duì)浮選效率影響較大，因?yàn)樗鼈儗儆谡惩令惖母邘X石族礦物，具有親水性強(qiáng)、粘性大、粒度細(xì)等特點(diǎn)，吸水后易泥化浮選煤漿，同時(shí)，在浮選礦漿中粘性較強(qiáng)，極易附著在煤顆粒的表面，通過刮板隨煤粒一同進(jìn)入精煤槽，提高精煤的灰分，影響精煤的質(zhì)量，因此，針對(duì)此煤泥，僅通過磁化和選擇性絮凝等方法改善浮選環(huán)境，將無法大量分選出質(zhì)量合格的精煤。為有效提高精煤產(chǎn)率，降低精煤灰分，本試驗(yàn)通過水力旋流器預(yù)先脫泥工藝脫除煤泥中的粘土類礦物，有利于降低進(jìn)入浮選工藝的煤泥灰分，降低高灰粘土類的高嶺石族礦物含量，從而有效改善煤泥的礦物組成和浮選環(huán)境[20-21]。

2.4 脫泥試驗(yàn)研究

2.4.1 入料壓力試驗(yàn)

為確定水力旋流器分級(jí)脫泥工藝的最佳入料壓力，進(jìn)行旋流器入料壓力試驗(yàn)研究，結(jié)果如表4所示。通過對(duì)不同壓力條件下旋流器的底流進(jìn)行小篩分試驗(yàn)以評(píng)定其分選效果，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

表4 不同壓力對(duì)φ75 mm旋流器脫泥試驗(yàn)結(jié)果

分析表4可知，隨著旋流器入料壓力逐漸增大，φ75 mm旋流器底流產(chǎn)率的增長(zhǎng)趨勢(shì)較為平緩，底流灰分先降低后增高，溢流灰分先增高后降低，灰分差值則先加大后減小，當(dāng)入料壓力為0.2 MPa時(shí)各項(xiàng)分選指標(biāo)最佳，水力旋流器脫除高灰細(xì)泥的效果最佳，因此，通過入料壓力試驗(yàn)確定水力旋流器的最佳入料壓力為0.2 MPa。

圖3 不同壓力對(duì)φ75 mm旋流器底流分級(jí)的影響

分析圖3可知，隨入料壓力增加，φ75 mm旋流器底流產(chǎn)品中大于0.125 mm粒級(jí)產(chǎn)率變化幅度較小，這是由于分選煤泥中大于0.125 mm粗顆粒含量較少。0.125～0.045 mm粒級(jí)產(chǎn)率隨壓力增加先增加后減少，小于0.045 mm粒級(jí)產(chǎn)率先減少后增加，其原因是當(dāng)入料壓力為0.15 MPa時(shí)，φ75 mm旋流器內(nèi)未形成有效分級(jí)，細(xì)粒級(jí)顆粒大量沉入底流，造成底流灰分高，但當(dāng)入料壓力提高到0.25 MPa時(shí)，旋流器的分選精度有所提高，一些密度大的細(xì)粒煤泥也沉入底流，導(dǎo)致底流細(xì)粒級(jí)含量有所增加。

結(jié)合表4和圖3發(fā)現(xiàn)，入料壓力為0.20 MPa時(shí)φ75 mm旋流器分選效果最佳，此時(shí)底流中0.125～0.045 mm粒級(jí)產(chǎn)率最高，達(dá)到54.89%。由原始資料可知，該粒級(jí)煤泥灰分最低，是回收精煤的重要來源。綜上確定φ75 mm旋流器入料壓力為0.20 MPa，此時(shí)，底流產(chǎn)率為24.65%，灰分為41.61%；溢流產(chǎn)率為75.35%，灰分為52.18%；灰分差為10.57%，說明旋流器實(shí)現(xiàn)了預(yù)先脫除非煤類礦物，有效降低了煤泥灰分，提高了浮選效率，并且在入浮選之前通過旋流器預(yù)處理能夠簡(jiǎn)化工藝，并且通過物理分選粘土類高嶺石族礦物，能夠較大程度降低成本。

2.4.2 礦漿濃度試驗(yàn)

水力旋流器分級(jí)脫泥試驗(yàn)結(jié)果見表5。對(duì)分選后的底流產(chǎn)品進(jìn)行小篩分試驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示。

表5 不同礦漿濃度對(duì)φ75 mm旋流器脫泥試驗(yàn)結(jié)果

圖4 不同礦漿濃度對(duì)φ75 mm旋流器底流分級(jí)的影響

分析表5可知，隨著旋流器礦漿入料濃度的逐漸加大，φ75 mm水力旋流器底流產(chǎn)率逐漸提高，底流灰分呈現(xiàn)先降低再增高的“V”字形變化趨勢(shì)，溢流—底流灰分先增大后減小。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是因?yàn)樵系膬啥肆＜?jí)灰分大，中間粒級(jí)灰分小，當(dāng)旋流器礦漿濃度較低時(shí)，礦漿內(nèi)粗細(xì)顆粒間的相互影響較小，旋流器分選效果較好，粗顆粒的富集提高了底流灰分，而當(dāng)濃度提高后，旋流器分選效果變差，一些高灰細(xì)泥跟隨粗顆粒礦物進(jìn)入底流，致使底流灰分再次提高。

分析圖4可知，隨著礦漿濃度的逐漸提高，φ75 mm旋流器底流產(chǎn)品中大于0.125 mm粒級(jí)產(chǎn)率和0.125～0.045 mm粒級(jí)產(chǎn)率呈現(xiàn)先增加后減小趨勢(shì)，而小于0.045 mm粒級(jí)產(chǎn)率則先減小后增大。這是因?yàn)楫?dāng)?shù)V漿濃度提高到一定程度后，單位體積礦漿內(nèi)固體物料含量會(huì)隨之增加，顆粒之間的相互干擾加大，將導(dǎo)致部分細(xì)粒級(jí)煤粒夾帶在粗煤粒間隨著旋流器的水流進(jìn)入底流。當(dāng)?shù)V漿濃度為15%時(shí)，φ75 mm旋流器的分選效率最高。

綜上所述，最終確定φ75 mm水力旋流器的最佳入料壓力和礦漿質(zhì)量濃度分別為0.20 MPa和15%。此時(shí)底流、溢流產(chǎn)率分別為26.27%、73.73%，灰分分別為39.21%、52.33%，灰分差為13.12%。可見被脫除的溢流產(chǎn)品中極細(xì)顆粒煤泥灰分高，這也說明水力旋流器具備脫泥降灰的作用，能夠?qū)崿F(xiàn)脫泥預(yù)處理煤泥，既避免了大量高灰細(xì)粘土類礦物進(jìn)入浮選，又簡(jiǎn)化了磁化和選擇性絮凝等工藝，改善了浮選環(huán)境。

2.5 浮選試驗(yàn)

將φ75 mm水力旋流器底流產(chǎn)品和原浮選煤泥在相同試驗(yàn)條件下進(jìn)行浮選試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 水力旋流器底流及原煤泥浮選指標(biāo)

由表 6 可知，在滿足精煤灰分Ad不大于12.00% 的條件下，φ75 mm旋流器底流經(jīng)過浮選后，浮選精煤產(chǎn)率為41.38%、可燃體回收率達(dá)到61.61%，與原煤泥未經(jīng)脫泥處理直接進(jìn)行浮選相比，精煤可燃體回收率提高8.03%，同時(shí)浮選后的尾煤灰分也有較大程度降低，說明通過旋流器預(yù)先分選能夠大量去除高灰細(xì)泥，實(shí)現(xiàn)了預(yù)處理后煤泥直接進(jìn)行浮選工藝。與現(xiàn)研究成果相比，簡(jiǎn)化了工藝流程，并且有效提高了浮選工藝的精度和效率，精煤產(chǎn)率提高了11.14%，灰分降低了1.09%，入浮煤泥可浮性大幅度提升。

浮選試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了水力旋流器預(yù)先脫泥工藝的效果，與其他學(xué)者的研究相比，本試驗(yàn)工藝通過水力旋流器預(yù)先去除煤泥中的高灰細(xì)泥，在不改變浮選工藝的前提下，提高了精煤產(chǎn)率，簡(jiǎn)化了浮選處理工藝，不必采取響應(yīng)面模擬、磁化處理和選擇性絮凝等工藝在浮選過程中處理煤泥。同時(shí)與其他試驗(yàn)方法相比，通過此工藝分選的浮選精煤灰分更低，精煤灰分僅為9.49%，灰分差更大，并且煤泥入浮的灰分降低了10.33%，有效提高了分選效率；另一方面水力旋流器為物理分選，生產(chǎn)成本低并且不產(chǎn)生二次污染，此工藝適用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，因此，本試驗(yàn)方法可實(shí)現(xiàn)浮選入料脫泥再選。

3 結(jié) 語

(1)通過浮選入料小篩分結(jié)果可知，煤樣主導(dǎo)粒度級(jí)別為小于0.045 mm，產(chǎn)率為61.14%；通過小浮沉密度試驗(yàn)可知，浮選入料主導(dǎo)密度級(jí)為大于1.80 g/cm3密度級(jí)，產(chǎn)率為46.52%，煤泥泥化現(xiàn)象十分嚴(yán)重；通過對(duì)煤樣礦物成分分析可知，煤泥中含有高嶺土和地開石等粘土類礦物，直接進(jìn)行浮選易使礦漿泥化，污染浮選環(huán)境。

(2)最終確定φ75 mm水力旋流器的最佳入料壓力為0.20 MPa，礦漿質(zhì)量濃度為15%，此時(shí)底流、溢流產(chǎn)率分別為26.27%、73.73%，灰分分別為39.21%、52.33%，灰分差為13.12%?？梢姳幻摮囊缌鳟a(chǎn)品中極細(xì)顆粒煤泥灰分高，這也說明水力旋流器具備脫泥降灰的作用。

(3)φ75 mm旋流器底流浮選的精煤產(chǎn)率為41.38%、可燃體回收率達(dá)到61.30%，與原煤泥未經(jīng)脫泥處理直接進(jìn)行浮選相比，精煤產(chǎn)率提高11.14%、灰分降低1.09%、可燃體回收率提高7.64%，同時(shí)浮選后的尾煤灰分也較大程度降低，說明旋流器預(yù)先脫泥有效脫除了高灰細(xì)泥，改善了浮選環(huán)境，在相同的浮選條件下提升了精煤產(chǎn)率。