随煤炭资源的深度开发,原煤质量逐年恶化,同时随粗煤泥分选回收系统的完善,入浮煤泥细颗粒含量和高灰细泥含量增加趋势显著。在细粒浮选体系中,存在颗粒对捕收剂的非选择性吸附、颗粒间的异相凝聚以及机械夹带等系列问题,致使煤泥表现为可浮性较差。在保证要求的浮选精煤灰分时,精煤产率和尾煤灰分均较低[1-2],而提高浮选精煤产率则精煤灰分极易超标,生产操作困难。煤泥浮选的效果受多种因素的影响[3],目前强化煤泥浮选效果的研究主要集中在以下几个方面:① 新型捕收剂和浮选促进剂的研究以及浮选药剂的处理。使用选择性能好的浮选药剂或促进剂或对浮选药剂提前处理,会在很大程度上改善煤泥的浮选效果。在药耗基本相同条件下,使用药剂WC-01浮选精煤产率提高16%～33%[4]。一种以油酯为主要成分的纳尔科浮选药剂[5]具有良好的捕收性,能改善煤泥浮选效果,提高精煤产率。张秀梅[6]、林玉清[7]、荣令坤[8]等的研究表明,通过添加表面活性剂可促进捕收剂在煤粒上的黏附与铺展,起到提高精煤产率或节油的目的。对柴油、煤油类捕收剂进行机械乳化[9]、乳化剂乳化[10-11]和雾化[12]均能起到改善浮选效果的作用。② 选前预处理技术和改善浮选条件的研究。浮选前脱除部分高灰细泥可显著改善浮选效果和浮选产品脱水效果[13-14]。康文泽等[15]用频率为40 kHz的超声波对稀缺难浮煤泥矿浆预处理4 min,在精煤灰分大致相同时,精煤产率、浮选完善指标和可燃体回收率分别比未经预处理的提高了19.47%,18.80%和24.14%。郭德等[16]对煤泥水浮选前加压预处理,改善了浮选效果,精煤产率和浮选完善指标均有所提高。桂夏辉[17]、马力强[18]等对浮选前调浆技术进行了研究,结果表明:适度增加调浆搅拌强度和调浆时间能有效促进煤泥浮选过程中难浮颗粒的回收,但过度搅拌会降低精煤产率。对于粒度组成较细和难浮煤泥采用低浓度浮选、分段加药、适当喷淋水和增加二次富集等手段也可在一定程度上改善浮选效果。③ 浮选流程的改进。浮选工艺流程主要取决于煤泥的性质及对精煤的质量要求。目前的煤泥浮选流程主要包括一次浮选流程、中煤再选流程、三产品流程、精煤再选流程和近年出现的分级浮选[19]、分支浮选[20]等煤泥浮选工艺。其中精煤再选[21]和改进的分级浮选[22]流程在生产实际中得到了大力推广,也取得了较好的技术经济效益。④ 絮凝—浮选分选方法的研究。付晓恒[23]提出了煤泥深度浮选技术,采用超细磨的方法,将中煤中的连生体充分解离,再采用絮团浮选的方法分选。在精煤灰分接近时,深度浮选比常规浮选试验的精煤产率高出46.06%;在精煤产率接近时,深度浮选的精煤灰分低1.78%。王怀法[24]、邹文杰[25]等通过研究认为选择性絮凝浮选是处理高灰极难选煤泥的一种有效分选方法,其分选效果和浮选速度优于常规浮选。絮凝剂的种类和用量对精煤数质量的影响很大。

20世纪60年代美国学者提出了载体浮选的理念并将载体浮选成功应用于高岭土脱钛。载体浮选[26]为用易浮的粗粒矿物作为载体背附细粒矿物从而回收细粒矿物的浮选方法,又称背附浮选。载体浮选的实质是疏水絮凝,在表面活性剂和剪切力场的作用下,细粒目的矿物覆盖或者黏附在粗粒载体上,形成疏水聚团,然后用正规浮选方法浮出。目前载体浮选技术主要应用于微细金矿[27]、钛铁矿、赤铁矿和锡石等[28]矿物的浮选,并形成了成熟的浮选工艺。ATESOK G[29]等在实验室进行了煤炭载体浮选试验的研究,他们使用0.30～0.1 mm的高度疏水的煤颗粒作为载体,载体比为0.02,在最佳条件下,从灰分16.30%、硫分2.0%的煤泥中获得了灰分8.3%、硫分0.72%、产率为81.0%的精煤(-38 μm)。研究发现粗颗粒煤粒黏附细颗粒并形成聚集体,捕收剂能进一步提高载体浮选的性能。

载体分为外加载体和自载体。外加载体多用于金属矿、非金属矿浮选,目前研究重点为载体的选择、载体预处理、选后分离以及技术经济效益等方面。自载体是采用与目的矿物相同的矿物为载体,具有成本低、工艺流程简单、易于在生产时实现等优点。自载体浮选在金属矿物分选中较为成熟,典型代表工艺为分支载体浮选工艺[30]。煤炭作为大宗商品,采用外加载体显然不经济,也会使分选工艺变得相对复杂。在借鉴国内外有关载体浮选的基础上,提出了煤泥自载体浮选的概念。其实质是在最佳药剂制度、入浮浓度条件下,用部分浮选精煤矿浆作为自载体与入浮矿浆充分混合准备后进行浮选。煤泥自载体浮选以浮选精煤作为载体,强化煤泥特别是细粒级煤泥的浮选效果,可达到提高精煤产率、降低精煤灰分、提高浮选完善指标的目的,为煤泥浮选提供了一种新工艺。

1 试 验

1.1 试验煤样

试验煤样取自内蒙古乌海某选煤厂浮选入料(简称WH煤样)。在室温下干燥至质量稳定状态,供试验用。煤样的小筛分试验结果见表1。由表1看出,煤泥粒度组成较细,细粒级含量大且灰分较高。-0.075 mm含量60.91%、灰分36.45%。同时+0.075 mm各粒级的灰分也较高。

因该选煤厂煤质的特殊性,浮选精煤灰分≤13.50%即可满足生产要求。通过分步释放浮选试验,在绘制出的分步释放浮选试验曲线上查得:当精煤灰分13.50%时,精煤产率70.21%。计算出精煤可燃体回收率为88.26%,可判定该煤泥为易浮。但在实际生产中发现要使浮选精煤灰分稳定在13.50%以下比较困难,实验室的试验也验证了这一点。

1.2 浮选试验

试验用浮选机型号为MFD-1.5L,柴油为捕收剂,仲辛醇为起泡剂。试验方法按GB/T 4757—2013《煤粉(泥)实验室单元浮选试验方法》进行。

(1)采用正交试验,确定出最佳药剂制度和最佳入浮浓度。

(2)为模拟生产实际,用浮选精煤矿浆作为载体进行煤泥浮选试验。这需要测出精煤矿浆体积量与干燥基状态下精煤质量的关系,以便将需要的载体量换算成精煤矿浆的体积。主要目的是计算出所加载体干燥级的质量和确定后续试验使用的煤泥量和药剂量,确保浮选是在最佳的入浮浓度和最佳的药剂用量条件下进行的。方法如下:将浮选精煤矿浆充分混匀,尽量保证浓度一致,用二分器量取作载体的精煤矿浆体积。每次取相同体积的精煤矿浆2份,一份过滤后放置于75 ℃的恒温干燥箱中干燥,冷却至空气干燥状态后称重,以方便后续对比分析;另一份作为载体进行浮选试验。

(3)取固定量的浮选精煤矿浆进行连续循环次数的浮选试验。

(4)对每次浮选出的精煤、尾煤烘干、称重、验灰,并进行相关计算。

(5)对精煤按GB/T 477—2008《煤炭筛分试验方法》中的煤泥小筛分试验方法进行筛分试验。

1.3 试验评定指标

(1)精煤产率和灰分,尾煤产率和灰分。

(2)浮选完善指标。浮选完善指标用于评定同一煤样在不同的工艺条件下的分选完善程度。浮选完善指标越大,工艺效果越好。

(1)

式中,ηwf为浮选完善指标,%;γj为浮选精煤产率,%;Aj为浮选精煤灰分,%;Ay为计算入料灰分,%。

2 结果与讨论

2.1 正交试验

为了确定试验最佳药剂用量和入浮浓度,对捕收剂和起泡剂用量以及入浮浓度3个因素进行了正交试验。经过两轮的正交试验得出:WH煤样的最佳药剂用量为捕收剂800 g/t、起泡剂60 g/t,浓度80 g/L。这时浮选精煤灰分14.32%,产率62.52%。起泡剂的用量对精煤灰分影响显著。由正交试验看出,由于这种煤泥粒度组成较细,各粒级灰分特别是细粒级灰分较高,直接采用一次浮选工艺很难浮选出灰分合格的精煤。即使通过调整工作参数达到了要求的精煤指标,也会出现精煤产率较低、操作参数敏感、操作困难等问题。

2.2 浮选精煤矿浆作为载体的作用

在正交试验的基础上,在最佳浮选条件下,做4次浮选试验以获得足够的浮选精煤矿浆。从浮选精煤矿浆中取确定好的一定体积的精煤矿浆作为载体与确定好的一定量的煤泥混合浮选,考查浮选精煤矿浆作为自载体发挥的作用及程度。不同载体量(占煤泥总量即载体量+煤泥量)的试验结果分别如图1所示。由图1可知,随载体量的增加,精煤产率增加,精煤灰分降低,浮选完善指标总体是提高的,说明精煤作为自载体在浮选中发挥了重要作用。在载体量占10%时,总精煤产率70.35%,精煤灰分13.59%接近所要求的精煤灰分。

假设所添加的精煤矿浆作为载体全部进入到浮选精煤产品中,将载体扣除后的精煤产率、精煤灰分及浮选完善指标(以扣除载体后的加权灰分为入料灰分计算)与载体量的关系如图2所示。由图2可知,扣除载体后,随载体量的增加,精煤产率增加,当载体量为10%时,产率达到69.70%。随后产率略有降低但幅度很小,基本稳定在68%～69%。

扣除载体后,随载体量的增加,精煤灰分降低,在载体量为10%时,精煤灰分由14.22%降低到13.57%,随后灰分的变化呈小幅度的起伏,但基本保持在13.60%左右。

扣除载体后,随载体量的增加,精煤浮选完善指标增加,由载体为0时的50.29%增加到载体为10%时的57.09%。随后随载体增加曲线基本呈水平趋势,只要小幅度的变化。

由扣除载体后浮选指标分析知,浮选精煤显然起到了载体的作用,作为自载体显著改善了煤泥的浮选效果。载体量从0增加到10%时,各指标均有明显的变化;从10%增加到25%时,各指标虽有所改善但程度不大,基本处于稳定的状态。从实际生产中的电耗、泵损耗以及占用浮选机体积量等方面综合考虑,WH煤泥浮选时的载体量为10%较为适宜。

需要说明的是,由于精煤矿浆泡沫及浓度均匀性的影响,在取一定体积的精煤矿浆时存在一定的误差,这也是图示试验结果稍有波动的主要原因。

2.3 固定载体量条件下的循环次数确定

由上述分析可知,以精煤矿浆作自载体改善浮选效果作用明显,并且自载体量占总煤泥量10%比较合适。上述试验结果只是加入载体后一次浮选的结果,下面通过载体的连续循环试验确定出循环次数,以估计生产中从开车一始到生产指标稳定的时间。取载体量占总煤泥量的10%,扣除载体后,精煤产率、精煤灰分和浮选完善指标与载体循环次数的关系如图3所示。由图3可知,扣除载体后,随载体循环次数的增加精煤产率由63.26%逐渐增加到70.45%,增加了7.19%,但载体循环次数从4次到5次,精煤产率仅增加了0.08%;精煤灰分由14.22%降低到13.05%,循环次数从4次到5次,精煤灰分仅降低了0.03%;浮选完善指标从50.29%提高到57.46%,增加了7.17%,但从第4次到5次浮选完善指标基本持平。所以综合来看,载体循环4次后(估计生产中需要6～8 min)即可达到稳定最佳的浮选效果,此后随载体循环次数增加,浮选效果虽有改善但改善程度已不明显。所以WH煤泥用浮选精煤作为自载体,载体量10%,经过4次循环后,浮选精煤产率提高7.11%、灰分降低1.14%,浮选完善指标提高7.25%。

2.4 自载体浮选精煤的粒度分析

为了解载体连续循环浮选后所得精煤各粒级物料分布状况,将各次精煤产品进行了小筛分试验。分析试验结果可得出:① 各精煤产品中<0.045 mm粒级的含量最高,在57.55%～60.17%,0.045～0.075 mm次之,0.075～0.5 mm粒级中各粒级含量均低于上述2种细颗粒含量。灰分随粒度的减小呈递增的趋势。② <0.045 mm的粒级产率由没加载体时的57.55%提高到添加载体4次循环后的60.17%,灰分从17.86%降低到15.52%,且随载体循环次数的增加,产率增加,灰分降低。③ 0.045～0.075 mm粒级的产率增加1%～2%,灰分降低1%～1.20%,且随载体循环次数的增加,产率略有增加,灰分略有降低。④ 对于0.075～0.125 mm的粒级随载体循环次数的增加,产率从15.10%增加到15.46%,而精煤灰分从11.38%增加到11.57%。⑤ 对于大于0.125 mm的各粒级,随载体循环次数的增加,产率均有所降低,灰分略有增加。

3 煤泥自载体浮选机理

自载体浮选理论学说主要有“矿泥罩盖”、“载体效应”、“助凝效应”、“中介效应”和“碰撞-黏附”等[31]。经典DLVO理论较好地解释了细颗粒间的凝聚与分散行为,后来发展成为扩展的DLVO理论即EDLVO理论。EDLVO理论可很好地解释细颗粒浮选体系中某些理论问题[26]。煤泥自载体浮选机理也可用EDLVO理论解释。

在煤泥矿浆浮选体系中存在极为复杂的相间作用关系,但主要存在静电力、范德华力和疏水相互作用力3种力,分别对应的相互作用能:

(1)静电作用能VE

(2)

式中,εa为分散介质绝对介电常数,εa=ε0εr;ε0为真空中绝对介电常数,ε0=8.854×10-12 C2/(J·m);εr为分散介质水的介电常数εr=78.5[26],得出εa=6.95×10-10 C2/(J·m);φ0为表面电位,以电动电位代替。测得未添加浮选药剂时的煤粒ζ电位为-35.692×10-3 V,添加药剂后的ζ电位为-23.434×10-3 V;κ为Debye长度,取κ=3×107m-1;R为细颗粒半径;H为颗粒间界面力相互作用距离。

(2)范德华相互作用能VW

(3)

式中,25 ℃时,煤粒在真空中的Hamaker常数A11=6.07×10-20 J,水在真空中的Hamaker常数A33=4.84×10-20 J,得到煤粒在水介质中的Hamaker常数A132=0.08×10-20 J。

(3)疏水相互作用能VH

(4)

式中,k1为不完全疏水化系数,为煤在水中的接触角,测得θ=81°;h0为衰减长度,h0=(12.2±1.0)k1nm。

根据DLVO理论,不同颗粒间相互作用总能量用表示:

(5)

根据EDLVO理论,不同颗粒间相互作用总能量用表示:

(6)

根据2.4节的分析,颗粒絮凝的有效粒度<0.075 mm。

取颗粒半径为0.037 5 mm,代入式(5),(6)可得细粒煤泥与粗粒煤泥相互作用的势能曲线如图4所示。由图4中DLVO曲线可见,若不考虑疏水作用力,细粒煤粒与粗粒煤一直存在相互斥能,随距离的逐渐减小,相互作用逐渐上升至峰值即“能垒”,细颗粒难以与载体(粗粒煤)黏附。只有采取其他有效措施促使两颗粒进一步靠近越过“能垒”后,势能曲线急剧下降,此时颗粒间才有可能发生黏附。由EDLVO曲线可见,细粒煤粒与粗粒煤粒表面均疏水,疏水作用力使两者之间由斥能转变为吸引能,细粒煤粒与粗粒煤粒间易于黏附。所以疏水作用力的存在是细粒煤粒向粗粒煤粒吸附的基础,在煤粒自载体浮选中起重要作用。

添加捕收剂前后煤粒间的作用势能曲线如图5所示。由图5可见,当煤粒和捕收剂作用后,斥能“能垒”峰值降低,煤粒间吸引能增大,说明煤粒表面疏水性提高,加速并强化了细粒煤向粗粒煤的黏附以及其他煤粒间的黏附。浮选药剂特别是捕收剂在煤泥自载体浮选中起到至关重要的作用。

4 结 论

(1)用浮选精煤作为自载体的作用效果明显,能显著改善煤泥浮选效果。如WH煤样,在自载体量占10%时,载体循环4次后即可达到稳定最佳的浮选效果,浮选精煤产率提高7.11%、灰分降低1.14%,浮选完善指标提高7.25%。该工艺流程具有重要的实用价值。

(2)精煤矿浆循环量和循环次数应由试验确定。在合适的循环量时,一般经过3～4次循环后即可达到最佳的稳定浮选效果。实际生产中开车6～8 min后即可达到这种效果。

(3)用EDLVO理论解释了自载体作用机理。细煤粒与粗煤粒表面均是疏水的,疏水作用能的存在使两者之间由斥能转变为吸引能,使得细煤粒与粗煤粒间易于黏附,细颗粒间也可产生疏水絮凝,提高了细粒煤泥的浮选效果;当煤粒和捕收剂作用后,“能垒”峰值降低,煤粒间吸引能增强,加速强化了黏附与絮团的形成。

(4)粗煤粒上黏附细粒主要是-0.075 mm的颗粒。细粒与粗颗粒的黏附、细颗粒间的黏附是提高浮选效果的重要原因。

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