煤矸石浮選脫碳的工藝研究＊

張旭波 李延鋒 張多文 趙聞達(dá) 徐世輝

（中國礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，江蘇省徐州市，221116）

煤矸石是煤炭加工過程中排放的固體廢物，其主要成分是Al2O3和SiO2，相當(dāng)一部分煤矸石中氧化鋁的含量都在30%～45%左右，有時甚至?xí)?，屬于高鋁煤矸石。從高鋁煤矸石中提取氧化鋁不僅能夠緩解鋁土礦資源的不足，帶來巨大的經(jīng)濟效益，還可緩解大量煤矸石堆積造成的環(huán)境污染問題。利用煤矸石 （或粉煤灰）生產(chǎn)氧化鋁一般都采用酸浸和堿性燒結(jié)等化學(xué)方法，存在著污染大和成本較高的問題。

利用成本比較低的分選技術(shù)脫出煤矸石中的有機物（主要是碳），對于減少酸堿的消耗、降低生產(chǎn)成本和減少污染方面將起到很好的效果，根據(jù)現(xiàn)有的高鋁煤矸石提取氧化鋁的一般工業(yè)實踐對煤矸石燒失量的上限控制 （一般在20%以下），為了滿足用戶的要求，本試驗主要通過磨礦和浮選方法，探索獲得燒失量在18%左右的矸石產(chǎn)品的最佳工藝和方法，以滿足后續(xù)煤矸石的綜合利用條件。

1 煤矸石樣品的來源和組成

試驗所用的煤矸石樣品，取自河南平煤集團下屬選煤廠洗選過程中排放的煤矸石，該廠入選原煤為貧廋煤，利用X 射線熒光光譜儀對煤矸石樣品進(jìn)行分析，其主要化學(xué)成分如下：SiO2為35.72%，Al2O3為28.44%，F(xiàn)e2O3為2.10%，CaO 為0.85%，MgO 為1.02%，其它化學(xué)成份為3.83%，燒失量為36.04%。

2 煤矸石磨礦細(xì)度與燒失量試驗

對于煤炭洗選過程中排放的煤矸石，直接洗選難以實現(xiàn)進(jìn)一步的脫碳目的，因此考慮將煤矸石進(jìn)行破碎和磨礦后再選，隨著煤矸石破碎粒度的減小，煤與矸石的解離度增大，低密度物料和高密度物料的含量均增加，而中間級密度物含量顯著減少。為研究煤矸石樣品中煤的嵌布粒度特性，探索最佳的磨礦細(xì)度提供理論依據(jù)。

2.1 破碎

首先使用SP-100×100鄂式破碎機將煤矸石樣品全部破碎到2mm 以下，然后對破碎后的煤矸石進(jìn)行混勻、縮分和取樣。

2.2 磨礦細(xì)度與燒失量試驗

使用XMB-68型160×200 棒磨機對煤矸石樣品 進(jìn) 行8 min、10 min、12 min、16 min 和20min的磨礦試驗，并進(jìn)行篩分分析和燒失量測定，研究不同磨礦時間下煤矸石中各粒級產(chǎn)率及燒失量的變化規(guī)律見圖1和圖2。

圖1 各粒級煤矸石產(chǎn)率隨磨礦時間的變化曲線

從圖1可以看出，隨著磨礦時間的增加，粗粒級產(chǎn)率逐漸減小。0.074～0.045 mm 粒級的產(chǎn)率在10min內(nèi)迅速減小，10min后達(dá)到最小值，之后以較小的變化梯度逐漸增大，-0.045mm粒級產(chǎn)率10min前迅速增大，之后以較小的變化梯度逐漸增大。這是因為在磨礦時煤矸石中呈粗顆粒嵌布的煤 （以貧廋煤為主，可磨性指數(shù)在67 左右）與矸石首先解離被磨碎，迅速提高細(xì)粒級產(chǎn)率。隨后粗粒級矸石被不斷磨碎，使得中間粒級產(chǎn)率又逐漸增大。

圖2 各粒級煤矸石燒失量隨磨礦時間的變化曲線

從圖2可以看出，在不同磨礦時間的煤矸石粒度組成中，粗粒級的燒失量隨磨礦時間的增加稍微降低，但都在33%～34%之間，小于原樣的燒失量36.94%。這說明還有一部分煤與矸石處于未解離狀態(tài)，要想將這部分煤脫除，必須增加磨礦時間，將其磨至更細(xì)粒級。0.074～0.045 mm 粒級的燒失量在10 min 前迅速降低，之后緩慢減小，-0.045mm粒級燒失量先增大后減小，但都大于原樣燒失量，這與圖1中各粒級產(chǎn)率的變化規(guī)律相對應(yīng)，進(jìn)一步說明了煤矸石中含有一部分呈粗顆粒嵌布的煤，經(jīng)過初步磨礦后迅速解離提高了細(xì)粒級中煤的含量。

3 煤矸石浮選試驗

按照GB／T 4757-2001選煤實驗室單元浮選試驗方法，使用XFD-1.5單槽浮選機分別對這4種不同磨礦時間的煤矸石進(jìn)行了浮選試驗的研究，浮選濃度為40%，捕收劑選用煤油，起泡劑為仲辛醇，采用一次精選、階段加藥的浮選流程。每組浮選的充氣量保持一致，收集并測定浮精 （浮物）、浮尾（沉物）的燒失量，進(jìn)一步探究滿足燒失量要求的最佳粒度條件，不同磨礦時間的煤矸石浮選試驗結(jié)果如表1所示。

表1 不同磨礦時間煤矸石浮選試驗綜合表

根據(jù)表1繪制浮尾產(chǎn)率及燒失量隨磨礦時間的變化曲線如圖3所示。

圖3 浮尾產(chǎn)率及燒失量隨磨礦時間的變線

從圖3 可以看出，磨礦時間從8 min 變?yōu)?0min時，浮尾燒失量和產(chǎn)率基本不變，而從10min到12 min 時浮尾燒失量及產(chǎn)率迅速降低，從12min逐漸變?yōu)?0min過程中浮尾燒失量及產(chǎn)率逐漸減小，這說明磨礦時間為10 min時矸石與煤的解離度開始迅速增大，到20 min時浮尾的產(chǎn)率及燒失量變化率趨向不變。初步得出結(jié)論，磨礦時間越長，浮選入料中細(xì)粒級含量越高，矸石和煤的解離度越高，入料中的精煤越容易隨氣泡礦化后溢出成為精礦，而浮尾中精煤含量則減少，燒失量降低。

在磨礦時間為20 min 時，浮尾燒失量最低，但此時浮尾產(chǎn)率也最小。因此，對磨礦時間為16min的浮選尾礦取樣進(jìn)行濕篩，得到浮選尾礦的粒度組成及各粒級的燒失量，就各粒級對浮選尾礦燒失量的影響程度進(jìn)行了分析。

4 浮尾篩分試驗

磨礦時間為16min的煤矸石浮選尾礦的篩分結(jié)果如表2所示。

保富圖最新的B10頭燈擁有250瓦的輸出功率，與同系列的B2系統(tǒng)（頭燈+電池組）相同，但重量只有同系列B1頭燈的一半，同時B10全新設(shè)計的電池組非常適合隨身攜帶。每次充電耗時一個小時，滿電電池能夠進(jìn)行250次全功率輸出閃光。B10閃光燈支持保富圖的Air無線引閃系統(tǒng)，支持各家相機的TTL以及高速同步功能，同時能夠與旗下的其他產(chǎn)品進(jìn)行無線通信（B1，B2，D2以及Pro-10）。

從表2可以看出，該浮尾中0.045～0 mm 粒度級的燒失量只有17.73%，而+0.074 mm 粒度級的燒失量為29.66%，超過了全粒級浮尾的燒失量24.06%。因此，進(jìn)一步確定了浮選入料中細(xì)粒級含量的增大對降低浮尾燒失量有著明顯的促進(jìn)作用。

表2 磨礦時間為16min的煤矸石浮尾篩分結(jié)果

5 煤矸石磨礦-浮選工藝研究

5.1 磨礦-浮選工藝流程

由表2的結(jié)果分析來看，粗粒級煤矸石由于它的夾帶煤沒有得到充分解離，導(dǎo)致額外一部分夾帶煤隨矸石進(jìn)入尾礦，從而提高了整體的燒失量。為了使這部分煤能夠隨氣泡溢出成為精礦產(chǎn)品，同時提高合格矸石產(chǎn)品的產(chǎn)率，設(shè)計了3種不同的磨礦浮選工藝。

（1）工藝一：原礦開路磨礦16 min后進(jìn)行粗選試驗，對粗選精礦閉路磨礦到-0.045mm 進(jìn)行“一粗二掃”的浮選試驗，最終掃選尾礦作為合格矸石；對粗選尾礦先分級，-0.045mm粒級直接作為合格矸石，+0.045 mm 粒級閉路磨礦到-0.045mm進(jìn)行一次粗選試驗，粗選尾礦作為合格矸石。

（2）工藝二：原礦閉路磨礦到-0.074mm 進(jìn)行“一粗三精”浮選試驗，粗選尾礦直接作為合格矸石，對粗選精礦進(jìn)行三次精選后的最終浮精作為低灰煤泥，中礦產(chǎn)品再次閉路磨礦到-0.045mm進(jìn)行“一粗二掃”浮選試驗，最終掃選尾礦作為合格矸石，其余產(chǎn)品作為高灰煤泥。

（3）工藝三：原礦閉路磨礦到-0.074mm 進(jìn)行“一粗三掃”浮選試驗，最終掃選尾礦作為合格矸石，精礦產(chǎn)品再次閉路磨礦到-0.045mm 進(jìn)行“一粗二掃”浮選試驗，最終掃選尾礦作為合格矸石，其余產(chǎn)品作為高灰煤泥。

5.2 3種工藝的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及對比分析

3種工藝的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)綜合表如表3所示。

從表3可知，當(dāng)合格矸石的產(chǎn)率相差不多時第三種工藝的尾礦燒失量達(dá)19.71%，不符合燒失量要求。因此對第三種工藝直接予以否定，下面從不 同方面對工藝一和工藝二進(jìn)行對比分析，見表4。

表3 3種工藝的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)綜合表

表4 工藝一和工藝二的對比分析

（1）工藝二磨礦時間較工藝一短，有助于降低全廠能耗。

（2）工藝二由于只對中礦進(jìn)行再磨，因此可削弱微細(xì)粒矸石對精煤的污染，提高精煤的燒失量，同時也可提高合格矸石產(chǎn)品的產(chǎn)率。

圖4 工藝二流程圖

（3）相比工藝一，工藝二可大大降低藥劑用量，節(jié)約生產(chǎn)成本，降低對產(chǎn)品污染。

（4）工藝二結(jié)構(gòu)更簡單，便于日常生產(chǎn)與維護，降低了人工和維修成本。

（5）工藝二可獲得3種產(chǎn)品，提高了產(chǎn)品利用率，其中低灰煤泥發(fā)熱量為19.1 MJ／kg，可以直接作為電煤及配煤銷售或作為原料加工成型煤。工藝二流程圖見圖4。

6 結(jié)語

對于高鋁煤矸石采用工藝二來降低其燒失量，原料成本不計，總脫碳成本合計為31.9 元／t。而煤矸石化學(xué)提取氧化鋁成本為630 元／t，相比之下，煤矸石浮選脫碳成本極低，其經(jīng)濟效益和環(huán)境效益顯著，一方面可有效降低煤矸石提取氧化鋁過程中酸堿的消耗量，提高氧化鋁的抽出率，降低生產(chǎn)成本；另一方面還能夠減少有害氣體排放量，有效緩解大氣污染。

對于具有微細(xì)粒煤嵌布特性的煤矸石，矸石中的微細(xì)粒煤是影響煤矸石燒失量的最主要因素，因此在每一個階段都要把合格產(chǎn)品分離出來，同時把可浮性較好的煤也要從原礦中分離出來，減少矸石中煤的含量，降低后續(xù)浮選中微細(xì)粒煤與矸石的互相干擾。采用階段磨礦和階段浮選的工藝流程不僅能降低能耗、減少過磨以及提高浮選設(shè)備對原礦的處理能力，而且能夠獲得較低的燒失量，同時還有利于提高合格產(chǎn)品的產(chǎn)率。燒失量是煤矸石諸多利用途徑中一個必須考慮的影響因素，因此煤矸石脫碳研究必將成為一個新的研究課題。

［1］ 蔣愛良.煤矸石的組成特征及利用途徑 ［J］.中國煤炭，2000 （3）

［2］ 崔樹軍，張慶甫，張建云等.煤矸石中提取鋁的工藝探討 ［J］.非金屬礦，2010 （3）

［3］ 江明，邵群.利用淮南煤矸石生產(chǎn)系列鋁硅合金［J］.中國煤炭，1997 （7）

［4］ 馮良.制約煤矸石綜合利用發(fā)展的原因 ［J］.中國煤炭，2002 （8）

［5］ Kejian Ding et.al.Coal reverse flotation.Part I：Separation of a mixture of subbituminous coal and gangue minerals［J］.Minerals Engineering，2006 （1）

［6］ 付克明，祝天林，姚巧玲 .煤矸石脫碳技術(shù)研究［J］.資源節(jié)約和綜合利用，2000 （1）

［7］ 翟雪，曹亦俊，周強等.某電廠粉煤灰浮選脫碳浮選試驗研究 ［J］.金屬礦山，2011 （3）

［8］ 張世誠.加快推進(jìn)煤矸石資源化綜合利用的步伐［J］.煤炭技術(shù)，2009 （1）

［9］ 孟凡勇，薛可軼，高慶宇等.煤矸石制取鋁產(chǎn)品的研究進(jìn)展 ［J］.煤炭加工與綜合利用，2003 （6）

［10］ 殷海榮，陳平.榆林煤矸石的綜合開發(fā)利用 ［J］.陜西科技大學(xué)學(xué)報，2013 （2）