不同礦物組成煤的矸石泥化試驗研究

盧 軍，夏云騰，趙林盛，沙 杰

(1.中煤科工集團(tuán) 北京華宇工程有限公司，北京 100067；2.陽煤集團(tuán) 發(fā)展計劃部，山西 陽泉 045000；3.山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 太原 030024；4.中國礦業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

隨著采煤機(jī)械化程度的提高，越來越多的矸石在開采過程中被帶入原煤，并隨之進(jìn)入煤炭洗選加工過程中[1]。大部分矸石會在塊煤重選過程中，經(jīng)過分選成為矸石產(chǎn)品排出，而矸石中易粉碎和遇水泥化的部分將會隨著介質(zhì)流和煤泥流長時間的存在于分選系統(tǒng)中，對選煤系統(tǒng)造成不良的影響，使得煤炭分選精度降低，精煤產(chǎn)品質(zhì)量不合格。同時，大量的泥化矸石成為高灰細(xì)泥，在煤泥水中大量存在，也會導(dǎo)致浮選效果變差，煤泥水澄清沉降效果不佳，嚴(yán)重時會使循環(huán)水濃度升高，導(dǎo)致脫泥、脫介效率降低，從而影響選煤廠正常生產(chǎn)[2]。

1 矸石泥化及其影響

1.1 矸石泥化

矸石泥化是指矸石浸水后碎散成泥的現(xiàn)象，泥化現(xiàn)象的嚴(yán)重與否與矸石的礦物組成密切相關(guān)。煤矸石中的主要礦物有層狀硅酸鹽礦物，如高嶺石、蒙脫石、伊利石、云母等；碳酸鹽礦物如方解石、白云石等；氧化礦物如石英等[3]。這幾種礦物的晶體結(jié)構(gòu)不同，其解理面和解理程度亦不同，因此，泥化程度也不同。

1.2 矸石泥化的影響

較高的細(xì)泥含量使浮選效果迅速惡化,藥劑選擇性變差,浮選精煤灰分逐步升高。此時,普遍采取降低入浮濃度和減少藥劑用量的調(diào)整方法,這種措施能夠產(chǎn)生一定效果,但容易使浮選尾礦流量或濃度增大,進(jìn)而導(dǎo)致濃縮澄清設(shè)施處理能力不足,澄清水濃度逐漸升高,大量高灰細(xì)泥在浮選系統(tǒng)中循環(huán)積聚,最終使浮選精煤灰分繼續(xù)升高[4]。

泥化煤浮選時存在浮選精煤粒度組成過細(xì)的情況,主要原因是高灰細(xì)泥的浮出使精礦泡沫消泡困難,泡沫中的大量空氣消耗了過濾機(jī)的能力,使脫水環(huán)節(jié)處理能力不足,導(dǎo)致浮選精礦泡沫由于來不及處理而大量外排,不但造成精煤產(chǎn)率下降,同時也惡化了循環(huán)水水質(zhì)[5]。

對重介質(zhì)系統(tǒng)的影響主要表現(xiàn)在精煤噴水質(zhì)量和末精煤灰分指標(biāo)兩個方面。浮選精煤灰分由于原煤泥化的影響而不斷升高,為保證最終精煤產(chǎn)品灰分,必須采取犧牲末精煤產(chǎn)率的措施,從而造成資源浪費。另外,原煤泥化直接影響循環(huán)水水質(zhì),由于循環(huán)水中固體含量升高,在用做精煤產(chǎn)品噴水時,高灰分顆粒附著在精煤顆粒表面,使精煤灰分有所增高。

另外，矸石泥化嚴(yán)重時會堵塞濾布，煤泥脫水設(shè)備無法正常運轉(zhuǎn)，導(dǎo)致處理能力不夠，同時造成濾餅水分高，濾液濃度高[6]。

不同的矸石泥化程度會對選煤廠正常生產(chǎn)運行產(chǎn)生不同程度的影響，目前，我國絕大多數(shù)的選煤廠對于矸石泥化的關(guān)注僅停留在對矸石泥化試驗結(jié)果的認(rèn)識上。在實驗室前期的研究過程中發(fā)現(xiàn)，不同產(chǎn)地的煤矸石中所含礦物質(zhì)的礦物組成有所不同，從而具有不同的泥化程度。為了進(jìn)一步掌握不同礦物組成的泥化性質(zhì)，本文對來自3個地區(qū)的煤矸石分別測定其礦物組成并進(jìn)行泥化試驗，通過試驗結(jié)果分析不同礦物組成對于泥化程度的影響。通過對煤矸石礦物組成泥化性質(zhì)的掌握，選煤廠可以實現(xiàn)對煤泥水沉降性質(zhì)的預(yù)判，從而采取相應(yīng)的措施來降低矸石泥化對循環(huán)水質(zhì)量的影響，保證選煤廠正常生產(chǎn)，提高選煤廠管理水平。

2 試驗研究

2.1 試驗煤樣

試驗煤樣分別來自棗莊、榆林、淮北的入廠原煤，經(jīng)篩分后取100 ～13 mm粒度級煤樣進(jìn)行試驗。

2.2 泥化試驗

試驗過程參照MT-T 109-1996《煤和矸石泥化試驗方法》進(jìn)行。首先，用轉(zhuǎn)筒法進(jìn)行煤和矸石泥化試驗，取4份質(zhì)量均為25 kg的100～13 mm的試驗煤樣放入轉(zhuǎn)筒中，再加入100 kg水，將轉(zhuǎn)筒密封后開始翻轉(zhuǎn)，4份試樣的旋轉(zhuǎn)時間分別為5 min、15 min、25 min和30 min，轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速均為20 r/min。將翻轉(zhuǎn)后的煤樣取出，用0.5 mm標(biāo)準(zhǔn)篩篩分，篩分過程中沖水保證篩分完全。篩上物烘干后用13 mm標(biāo)準(zhǔn)篩篩分，篩下物用0.045 mm標(biāo)準(zhǔn)篩進(jìn)行濕篩，將所得的各粒級產(chǎn)物烘干稱重。

其次，用安氏法進(jìn)行矸石泥化試驗，手選出矸石進(jìn)行破碎，篩分得到6～3 mm粒級的矸石，應(yīng)保證這部分矸石質(zhì)量不小于1 kg。取6～3 mm矸石100 g置于洗瓶中，加水500 mL，密封后置于翻轉(zhuǎn)裝置中翻轉(zhuǎn)30 min，轉(zhuǎn)速為40 r/min。將翻轉(zhuǎn)后產(chǎn)品用0.5 mm標(biāo)準(zhǔn)篩篩分，篩上物烘干稱重，篩下物進(jìn)行沉降，沉降20 min 25 s后，用膠頭滴管吸出上層液體10 mL放入烘箱中烘干后稱重，從而測定-10 μm粒級含量。

2.3 礦物組成分析

將安氏法得到的-0.5 mm矸石樣烘干后磨細(xì)至-0.045 mm，采用X射線衍射儀進(jìn)行礦物組成分析，并采用X熒光衍射分析測定其元素含量。

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 煤和矸石泥化試驗結(jié)果

3組煤樣的煤和矸石泥化試驗結(jié)果見圖1。由圖1可知，棗莊煤樣的泥化最為嚴(yán)重，-0.045 mm細(xì)泥含量在翻轉(zhuǎn)5 min時就達(dá)到3.27％，而在30 min時高達(dá)6.55％；淮北煤樣的泥化最不明顯，在翻轉(zhuǎn)30 min時只有2.04％；榆林煤樣的泥化程度介于二者之間。棗莊煤樣在翻轉(zhuǎn)15 min左右時泥化速度最快，榆林煤樣在翻轉(zhuǎn)15～25 min時泥化速度最快，而淮北煤樣在翻轉(zhuǎn)25 min左右時泥化速度最快。

圖1 煤和矸石泥化細(xì)泥增量圖

3.2 矸石泥化試驗結(jié)果

對3組煤樣中的矸石進(jìn)行單獨的矸石泥化試驗，其結(jié)果見表1。

表1 矸石泥化試驗結(jié)果表

注：泥化比是小于500 μm篩下物的百分?jǐn)?shù)

由表1可知，3組煤樣中的矸石泥化比B由大到小的順序為：棗莊>榆林>淮北，與2.1中煤與矸石泥化試驗結(jié)果一致，且棗莊矸石中-10 μm超細(xì)顆粒的產(chǎn)率明顯高于其他2組矸石的產(chǎn)率。

3.3 XRD礦物組成分析結(jié)果

為了找出3組矸石泥化程度不同的根本原因，對3組矸石樣分別用X射線衍射儀進(jìn)行礦物組成分析，其衍射圖譜見圖2～4。

圖2 棗莊矸石XRD圖譜

圖3 榆林矸石XRD圖譜

圖4 淮北矸石XRD圖譜

由圖2～4可知，棗莊矸石的主要礦物為高嶺石、石英、蒙脫石、方解石，其中高嶺石含量明顯高于其他礦物含量。

高嶺石和蒙脫石的晶體結(jié)構(gòu)見圖5，6。高嶺石屬于TO型層狀硅酸鹽礦物，由硅氧四面體和鋁氧八面體構(gòu)成層狀結(jié)構(gòu)，層與層之間通過氫鍵連接，在外力作用下氫鍵很容易斷裂，從而導(dǎo)致高嶺石沿層間解理。宏觀上表現(xiàn)為硬度小，易泥化。蒙脫石屬于TOT型層狀硅酸鹽礦物，其基本結(jié)構(gòu)單元由兩層硅氧四面體夾一層鋁氧八面體構(gòu)成，層與層之間同樣通過氫鍵連接，受外力作用極易沿層間解理[5]。含有大量的高嶺石和蒙脫石是棗莊矸石泥化程度高的重要原因。

圖5 高嶺石晶體結(jié)構(gòu)圖

圖6 蒙脫石晶體結(jié)構(gòu)圖

石英的晶體結(jié)構(gòu)見圖7。石英屬于氧化礦物，硬度為7，由無數(shù)個硅氧四面體連接而成，原子間以共價鍵相互連接，在外力作用下很難斷裂。

圖7 石英晶體結(jié)構(gòu)圖

榆林矸石的主要礦物有高嶺石、石英、方解石，由于石英的大量存在，其泥化程度要比棗莊矸石弱很多。而淮北矸石的主要礦物為石英，因此，泥化程度最弱。

3.4 礦物元素組成分析

3.4.1XRF

XRF即X射線熒光光譜儀，具有重現(xiàn)性好，測量速度快，靈敏度高的特點。能分析F(9)～U(92)之間所有元素。樣品可以是固體、粉末、熔融片、液體等，分析對象適用于煉鋼、有色金屬、水泥、陶瓷、石油、玻璃等行業(yè)樣品。無標(biāo)半定量方法可以對各種形狀樣品定性分析，并能給出半定量結(jié)果，結(jié)果準(zhǔn)確度對某些樣品可以接近定量水平，分析時間短。薄膜分析軟件FP-MULT1能做鍍層分析、薄膜分析。

能量色散X射線熒光光譜采用脈沖高度分析器將不同能量的脈沖分開并測量，可分為具有高分辨率的光譜儀、分辨率較低的便攜式光譜儀和介于兩者之間的臺式光譜儀。高分辨率光譜儀通常采用液氮冷卻的半導(dǎo)體探測器，如Si(Li)和高純鍺探測器等。低分辨便攜式光譜儀常常采用正比計數(shù)器或閃爍計數(shù)器為探測器，不需要液氮冷卻。采用電致冷的半導(dǎo)體探測器，高分辨率光譜儀已不用液氮冷卻。同步輻射光激發(fā)X射線熒光光譜、質(zhì)子激發(fā)X射線熒光光譜、放射性同位素激發(fā)X射線熒光光譜、全反射X射線熒光光譜、微區(qū)X射線熒光光譜等較多采用的是能量色散方式。

3.4.2試驗結(jié)果

為進(jìn)一步分析3組矸石的特性，對3組矸石利用XRF進(jìn)行了元素含量分析，其結(jié)果見表2。

表2 矸石元素組成分析表

由表2可知，3種矸石中的硅鋁比分別為1.49、1.77、1.96，依次增加，說明石英含量依次增加，而燒失量依次減少，說明其中不可燃礦物含量依次增加，也可以從另一個側(cè)面反映出石英或者類石英礦石的含量依次增加，與XRD檢測結(jié)果一致。

4 結(jié) 論

煤矸石的礦物組成十分復(fù)雜，其中最主要的部分包括層狀硅酸鹽礦物和石英兩大類。層狀硅酸鹽礦物又稱黏土礦物，包括高嶺石、伊利石、蒙脫石、云母等，是地殼中含量最多的礦物，這些礦物硬度都很小，易沿層間解理，造成矸石泥化，因此，若矸石中含有大量高嶺石等層狀硅酸鹽礦物，則其泥化程度會比較嚴(yán)重；石英為架狀氧化礦物，硅、氧原子通過共價鍵連接，結(jié)構(gòu)十分穩(wěn)定，因此，若矸石中石英含量較大，則其泥化程度較弱。

在選煤廠實際生產(chǎn)過程中，可以預(yù)先對煤矸石的礦物組成進(jìn)行測定，當(dāng)高嶺石等層狀硅酸鹽礦物較多時，可以推測其矸石泥化比較嚴(yán)重，煤泥水較難沉降。因此，不能只添加普通的絮凝劑，還需要加入一定量的凝聚劑與絮凝劑共同作用，以提高濃縮效率，同時浮選不宜采用太高的濃度。通過采用多種手段，可降低矸石泥化對煤泥水的影響，保證選煤廠正常生產(chǎn)。

參 考 文 獻(xiàn)

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