煤泥絮團(tuán)分選超凈煤的試驗(yàn)研究

王 婕,付曉恒,胡二峰,趙 靜,馮致遠(yuǎn),王 鶴

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,北京 100083)

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煤泥絮團(tuán)分選超凈煤的試驗(yàn)研究

王 婕,付曉恒,胡二峰,趙 靜,馮致遠(yuǎn),王 鶴

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,北京 100083)

摘 要:為探索處理動力煤選煤廠煤泥的新途徑,以動力煤選煤廠煤泥為研究對象,分析了煤泥的性質(zhì)、煤泥中礦物質(zhì)的種類和嵌布特征,通過分步釋放浮選試驗(yàn)考察了該煤泥的理論精煤產(chǎn)率和灰分,分析了煤泥經(jīng)超細(xì)粉碎后分選超凈煤的可行性?；跀U(kuò)展DLVO(EDLVO)理論,論證了絮團(tuán)浮選前采取高剪切攪拌的必要性,研究了高速攪拌對顆粒和藥劑之間的促進(jìn)作用。采用絮團(tuán)浮選方法,對超細(xì)粉碎后的煤泥進(jìn)行了超凈煤分選試驗(yàn),探討了高剪切攪拌葉輪線速度、攪拌時(shí)間、煤泥粒度和非極性油用量與分選效果的關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果表明,只有在高速攪拌的情況下超細(xì)粉碎后的煤泥顆粒才能形成絮團(tuán),并且在與藥劑作用后,降低了需要輸入的攪拌功耗;高速攪拌還可以促進(jìn)藥劑的分散,從而增加藥劑與煤顆粒的碰撞概率;若要達(dá)到較好的絮團(tuán)分選效果,需要一定程度的攪拌強(qiáng)度和適當(dāng)?shù)臄嚢钑r(shí)間。當(dāng)粉碎平均粒度為4.70 μm、非極性油用量為135.24 kg/ t、葉輪線速度為12.56 m/ s、攪拌時(shí)間5 min時(shí),分選出的超凈煤灰分達(dá)到1.15%,產(chǎn)率為69.23%。

關(guān)鍵詞:煤泥;超凈煤;絮團(tuán)浮選;EDLVO理論

責(zé)任編輯:張曉寧

王 婕,付曉恒,胡二峰,等.煤泥絮團(tuán)分選超凈煤的試驗(yàn)研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2015,40(8):1929-1935.doi:10.13225/ j.cnki.jccs.2015.0625

超凈煤為灰分低于2.0%、甚至低于1.0%的特低灰精煤,其產(chǎn)品可以制備代替輕質(zhì)燃油的精細(xì)水煤漿[1]、制備高質(zhì)量活性炭[2-3]和作為其他碳素材料的原料[4]。超凈煤的分選主要有化學(xué)法和物理法?；瘜W(xué)法[5-7]是通過強(qiáng)酸、強(qiáng)堿溶解出煤中的礦物質(zhì),達(dá)到大幅度降低精煤灰分的目的,因其成本高、易污染環(huán)境難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。物理法是首先對煤超細(xì)粉碎,使其中的礦物質(zhì)充分解離,再使用特殊的分選方法分選出其中的超凈煤[8-11]。20世紀(jì)80年代初,美國OTISCA公司就已經(jīng)開發(fā)出了用油團(tuán)聚法分選超凈煤的OTISCA-OTP工藝[12],成功的從上百種不同變質(zhì)程度的煤炭中分選出了灰分小于1%,產(chǎn)率95%以上的超凈煤。宋少先等[13]以八一浮選精煤為研究對象,采用油團(tuán)-浮選法得到了灰分低于1%的超低灰精煤。謝登峰[14]采用選擇性絮凝法-浮選方法制備出了灰分1.29%,產(chǎn)率41.26%的超凈煤。付曉恒等[9]人利用絮團(tuán)-浮選方法,對陜西神木、焦作等地的精煤進(jìn)行超凈煤分選試驗(yàn),制備出了灰分低于1%,產(chǎn)率50%以上的超純煤。劉炯天[15]、于偉[16]等采用旋流-靜態(tài)微泡浮選柱分選得到了灰分1%的超凈煤。李鳳鳴等[17]用傾斜式浮選柱對平均粒度小于15 μm的長焰煤進(jìn)行了降灰研究,經(jīng)3次浮選后得到灰分小于3%的超凈煤。另外,章新喜[18]、錢積才[19]、陳舒翮[11]等還研究了利用摩擦電選法來制備超低灰煤。

本文在對煤泥進(jìn)行粒度、密度分析、礦物質(zhì)種類嵌布分析和煤泥的分步釋放試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,分析煤泥經(jīng)超細(xì)粉碎后分選超凈煤的可行性,證實(shí)在分選前采取高剪切攪拌的必要性,并且探討了攪拌葉輪線速度、攪拌時(shí)間、入料粒度和藥劑用量對絮團(tuán)分選的影響,最后通過絮團(tuán)浮選的方法分選出超凈煤。

1 煤泥性質(zhì)

煤泥樣品取自山西同煤礦業(yè)集團(tuán)晉華宮選煤廠,為原煤破碎到<80 mm后,由1.5 mm脫泥篩得到的篩下產(chǎn)物,經(jīng)水力旋流器分級后,溢流經(jīng)箱式壓濾機(jī)脫水而得,屬侏羅系煤,類別為弱黏煤。

1.1 煤質(zhì)分析

煤泥的元素分析和工業(yè)分析分別采用LECO公司的CHN-600元素分析儀和MAC-400工業(yè)分析儀,結(jié)果見表1。

由表1可見,煤泥中碳含量為85.56%,屬于低變質(zhì)程度煙煤,灰分19.36%,屬于中灰煤,硫分含量1.09%,為中硫煤。

表1　煤泥的工業(yè)分析及元素分析Table 1 Proximate and ultimate analysis of coal slime　%

1.2 煤泥的粒度和密度組成

煤泥的粒度組成見表2?？梢?煤泥中粗顆粒含量較少,大于0.250 mm的僅占1.21%。隨粒度減小,灰分變化不大,+0.106 mm的各粒級灰分均小于18.70%(篩分?jǐn)?shù)據(jù)的計(jì)算灰分),產(chǎn)率僅為27.52%,煤泥中的低灰大顆粒含量少,-0.096 mm的產(chǎn)率45.60%,細(xì)泥含量較多。

煤泥的密度組成見表3。可見,煤質(zhì)較好,灰分4.37%的低灰精煤占34.33%,但是幾乎不可能獲得灰分小于2.0%的超凈煤。

1.3 煤泥的分步釋放浮選試驗(yàn)

表2　煤泥的粒度分析Table 2 Size distribution of coal slime

為考察煤泥未經(jīng)超細(xì)粉碎時(shí),煤泥浮選精煤的理論產(chǎn)率和灰分,采用1 L單槽懸掛式浮選機(jī)對煤泥樣進(jìn)行分步釋放試驗(yàn),入料質(zhì)量濃度為100 g/ L,浮選捕收劑為柴油,用量3.5 kg/ t,起泡劑為仲辛醇,用量50 g/ t,分選結(jié)果見表4。

由分步釋放浮選試驗(yàn)可見,精選5次后精煤最低灰分達(dá)到了3.95%,產(chǎn)率為49.92%,說明煤泥中低灰精煤含量較高,但要獲得灰分更低的超凈煤,采用常規(guī)的浮選不可行。

表3　煤泥密度分析Table 3 Density consist of coal slime

表4　分步釋放浮選試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Results of regressive release flotation

2 超凈煤分選試驗(yàn)

2.1 礦物成分及其解離試驗(yàn)

為考察煤泥中礦物質(zhì)的嵌布狀況以及各礦物質(zhì)通過超細(xì)粉碎獲得解離的可能性,對煤泥樣采用樹脂黏合,表面拋光后制成煤巖光片,采用偏光顯微鏡在油浸500倍下觀察嵌布于煤顆粒中礦物質(zhì)的類型和粒度,結(jié)果如圖1和表5所示。

圖1　煤泥中礦物質(zhì)嵌布狀態(tài)Fig.1 Mineral embedding feature of coal slime

表5　煤泥無機(jī)礦物嵌布分析Table 5 Inorganic minerals disseminated analysis of coal slime

由表5可見,礦物質(zhì)的嵌布粒度基本上都在10 μm以下,其中石英、黃鐵礦的嵌布粒度較粗,與有機(jī)質(zhì)連生比例較大;而黏土礦物嵌布粒度很細(xì),單體在礦物質(zhì)中的比例較低,與有機(jī)質(zhì)連生比例也較大,故當(dāng)煤泥被粉碎至小于10 μm時(shí),石英、黃鐵礦等礦物能夠得到較好的解離,為超凈煤的分選提供條件。

采用小型超細(xì)攪拌磨機(jī)對煤泥樣品進(jìn)行磨煤試驗(yàn),磨煤固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%,采用Malvern Mastersizer X型激光粒度儀測試磨后煤泥顆粒粒度。磨礦粉碎時(shí)間為5,10,20,25,30 min所對應(yīng)的平均粒度D[4,3]為8.84,6.96,4.72,4.70,4.47 μm?？梢?隨著磨礦時(shí)間的延長,粒度逐漸減小,但是粒度變化越來越緩慢。因此,在保證較好的解離度的情況下,應(yīng)確定一個(gè)合適的粉碎粒度。

2.2 絮團(tuán)形成機(jī)理

絮團(tuán)浮選是一種高精度分選微細(xì)礦粒的分選方法[9,12],其過程是超細(xì)粉碎煤顆粒,使嵌布于其中的礦物質(zhì)充分解離,再添加適量的非極性油,在高速攪拌和藥劑的作用下,煤漿中的超凈煤顆粒形成具有一定尺度的絮團(tuán),然后采用常規(guī)的泡沫浮選分選出超凈煤。其中絮團(tuán)的形成是關(guān)鍵技術(shù)之一。

根據(jù)擴(kuò)展DLVO理論,微細(xì)粒超凈煤顆粒要獲得有效的絮凝,其顆粒之間的總作用勢能應(yīng)為負(fù)值。微細(xì)煤顆粒在水中總作用勢能[13]為

式中,V為煤顆粒在水中的總作用勢能;VA為煤顆粒之間范德華氏作用勢能;VR為煤顆粒之間靜電作用勢能;VHI為煤顆粒之間疏水作用勢能。

其中

式中,R為顆粒半徑,m;H為顆粒間界面力作用距離,m;A132為Hamaker常數(shù),即物質(zhì)1和2在第3種介質(zhì)中相互作用的Hamaker常數(shù)。

為了解煤泥絮團(tuán)形成過程中各種作用能以及絮團(tuán)形成機(jī)理,取超細(xì)粉碎后粒度4.70 μm的煤樣,利用式(2)~(4)計(jì)算超細(xì)粉碎后煤泥顆粒之間的各種作用勢能。25℃時(shí),煤粒在真空中的哈馬克常數(shù)A11=6.07×10-20J[16],水在真空中的哈馬克常數(shù)A33= 4.84×10-20J[17],得到煤粒在水介質(zhì)中的哈馬克常數(shù)A132= 0.08×10-20J;介質(zhì)介電常數(shù)εa= 695.039× 10-12F/ m,κ= 3×107m-1[18],表面電位ψ0= -47.0× 10-3V,和藥劑作用后的表面電位ψ′0=-54.0× 10-3V;e=2.718 3,接觸角θ= 72°,與藥劑作用后的接觸角θ′=91°。計(jì)算得到的作用勢能與顆粒間距的關(guān)系如圖2所示。

圖2　粒度為4.70 μm煤樣煤粒間的作用勢能曲線Fig.2 Potential energy curves between 4.70 μm coal particles

由圖2可見,煤粒開始靠近時(shí),總作用勢能為正值,表現(xiàn)為排斥勢能,隨著距離的減小,排斥勢能逐漸上升到一個(gè)峰值,即“能壘”[19],當(dāng)兩煤粒進(jìn)一步靠近時(shí),越過該“能壘”,排斥勢能逐漸減小,當(dāng)距離約為150×10-10m時(shí),疏水勢能克服靜電排斥勢能而占優(yōu)勢,總作用勢能由正轉(zhuǎn)負(fù),曲線急劇下降,煤粒發(fā)生絮凝。因?yàn)橛小澳軌尽贝嬖?煤粒不能自發(fā)地形成絮團(tuán),只能通過機(jī)械攪拌,提供給煤粒一定大小的動能,使其克服“能壘”,才能在疏水勢能作用下迅速發(fā)生絮凝。特別是對于超細(xì)粉碎的煤顆粒,要使其獲得足夠大的動能,就需要足夠高的攪拌強(qiáng)度。由圖2也可以看出,當(dāng)煤顆粒和藥劑作用后,“能壘”峰值下降,煤顆粒發(fā)生絮凝的距離由原來的150×10-10m增加到220×10-10m左右,可見,非極性油的存在加速了絮團(tuán)的形成,降低了需要輸入的攪拌功耗。

機(jī)械攪拌不僅對煤顆粒和顆粒之間形成絮團(tuán)的過程有至關(guān)重要的影響,對藥劑和煤顆粒之間的作用也有一定的促進(jìn)作用。圖3為藥劑在不同攪拌速度(即不同的葉輪線速度)和不同攪拌時(shí)間條件下的粒度分布,隨著線速度的增加,攪拌時(shí)間的延長,油滴分散的粒度更小,說明攪拌強(qiáng)度的增加會促進(jìn)藥劑的分散。

根據(jù)黃根[20]的研究,油滴在分散后和分散前與顆粒的碰撞頻率比為

式中,β1,β2分別為油滴分散前、后與顆粒的碰撞頻率;i為油滴分散前的半徑與分散后的半徑比;γ為油滴分散前的半徑與礦物顆粒半徑之比。

假設(shè)在攪拌過程中,礦物顆粒的半徑不變,即式(5)中的γ不變,則由式(5)可以得出,隨著分散程度的提高,分散后的油滴半徑越小,i越大,油滴與煤顆粒的碰撞頻率也越大。綜上所述,機(jī)械攪拌可以促進(jìn)藥劑的分散,從而提高藥劑與煤顆粒的碰撞概率;攪拌強(qiáng)度越大,攪拌時(shí)間越長,分散程度越高,藥劑與煤顆粒的碰撞概率越大。

圖3　不同的攪拌速度與攪拌時(shí)間條件下的分散粒度分布Fig.3 Particle size distribution under different linear velocity and mixing time

2.3 超凈煤分選試驗(yàn)

煤泥經(jīng)不同磨礦時(shí)間獲得平均粒度D[4,3]為4.47,4.70,4.72,6.96和8.84 μm共5個(gè)煤樣。取定量煤漿加入藥劑后用FS-400D型高速攪拌機(jī)(葉輪直徑60 mm)攪拌一定時(shí)間后,采用槽體容積為1 L的單槽懸掛式浮選機(jī)多次精選后得到超凈煤,浮選入料質(zhì)量濃度為50 g/ L。

超細(xì)粉碎后不同粒度的分選效果如圖4所示。隨著磨礦時(shí)間的延長,粒度減小,分選得到的產(chǎn)率逐漸增大,灰分逐漸降低。當(dāng)磨礦時(shí)間為25 min、粒度4.70 μm時(shí),分選效果最好。

圖4　粒度(磨礦時(shí)間)與分選效果的關(guān)系Fig.4 Effect of size(grinding time) on the separation results

選取粒度4.70 μm的超細(xì)煤漿,探討藥劑用量對絮團(tuán)分選效果的影響,結(jié)果如圖5所示。分選效果隨著藥劑用量的增大而改善,用量為135.24 kg/ t時(shí)的分選效果最好。而當(dāng)藥劑用量超過135.24 kg/ t 后,分選得到的超凈煤灰分有所上升,說明部分高灰成分進(jìn)入絮團(tuán),造成分選的選擇性下降。

圖5　藥劑用量與分選效果的關(guān)系Fig.5 Effect of non-polar oil dosage on the separation results

絮團(tuán)形成時(shí)的攪拌強(qiáng)度,即葉輪線速度和分選效果的關(guān)系如圖6所示。當(dāng)葉輪線速度小于12 m/ s 時(shí),分選效果急劇下降。根據(jù)前人的研究結(jié)果可知[29],顆粒在湍流場中的聚團(tuán)形成速度與單位能耗(即葉輪轉(zhuǎn)速)及顆粒碰撞效率成正比。當(dāng)葉輪速度小時(shí),顆粒難以獲得足夠的動能以克服能壘,顆粒的碰撞效率也很小,形成大絮團(tuán)的可能性也很小。隨著葉輪轉(zhuǎn)速的增大,聚團(tuán)形成加速,分選效果改善,在試驗(yàn)過程中攪拌后的煤漿絮團(tuán)層和尾煤層的界限清晰,證實(shí)擴(kuò)展DLVO理論的計(jì)算結(jié)果,即煤顆粒必須獲得一定量的動能來克服“能壘”,才能在疏水作用下發(fā)生絮凝。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到4 000 r/ min,即葉輪線速度12.56 m/ s時(shí),分選效果最佳。

圖6　葉輪線速度和分選結(jié)果的關(guān)系Fig.6 Effect of linear velocity on the separation results

絮團(tuán)浮選工藝的選擇性不僅要求一定的攪拌強(qiáng)度,而且需要足夠的攪拌時(shí)間。攪拌時(shí)間和分選效果的關(guān)系如圖7所示。試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn),在短時(shí)間的攪拌后,煤漿中沒有形成絮團(tuán),分選效果差。隨著攪拌時(shí)間的增加,分選效果逐漸改善。長時(shí)間的攪拌有助于煤顆粒的分散和碰撞,當(dāng)攪拌時(shí)間5 min時(shí),分選效果已達(dá)到最優(yōu),體系的聚團(tuán)程度達(dá)到平衡,隨后繼續(xù)延長攪拌時(shí)間,分選效果也并沒有改善。

圖7　攪拌時(shí)間和分選結(jié)果的關(guān)系Fig.7 Effect of stirring time on the separation results

綜上,絮團(tuán)浮選的最佳參數(shù)為:粒度4.70 μm,即超細(xì)粉碎25 min;非極性油用量135.24 kg/ t;攪拌葉輪線速度12.56 m/ s;攪拌時(shí)間5 min,該條件下的分選結(jié)果見表6。

表6　煤泥絮團(tuán)浮選的結(jié)果Table 6 The results of flocculation flotation

3 結(jié) 論

(1)煤泥的浮沉試驗(yàn)和分步釋放試驗(yàn)表明,煤泥中低灰精煤含量較高,但是采用常規(guī)的泡沫浮選不可能分選出灰分低于2.0%的超凈煤。

(2)根據(jù)擴(kuò)展DLVO理論計(jì)算,煤顆粒之間存在排斥“能壘”,阻礙了絮團(tuán)的形成,通過高速攪拌,提供給煤泥顆粒一定的動能,克服煤顆粒之間的排斥“能壘”,才能促進(jìn)超凈煤絮團(tuán)的形成。煤泥與藥劑作用后,“能壘”峰下降,煤顆粒發(fā)生絮凝的距離增大,減小了需要輸入的攪拌功耗。高速攪拌還可以促進(jìn)藥劑的分散,從而增加藥劑與煤顆粒的碰撞概率;攪拌強(qiáng)度越大,藥劑分散程度越好,與煤顆粒的碰撞概率越高。

(3)攪拌葉輪線速度、攪拌時(shí)間、入料粒度和藥劑用量對絮團(tuán)分選有很大影響。在葉輪線速度較低、攪拌時(shí)間短、粒度較大、藥劑用量少的情況下,得到的分選效果較差。當(dāng)達(dá)到最優(yōu)值后,繼續(xù)增大葉輪線速度、攪拌時(shí)間,分選效果沒有明顯變化;而繼續(xù)增大藥劑用量或者減小粒度,分選效果下降。

(4)煤泥絮團(tuán)分選超凈煤的最佳參數(shù)為:粒度D[4,3]為4.70 μm,非極性油用量135.24 kg/ t,葉輪線速度12.56 m/ s,攪拌時(shí)間5 min,分選出的超凈煤灰分1.15%,產(chǎn)率為69.23%。

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Experimental study on flocculation flotation of ultra-clean coal from slime

WANG Jie,FU Xiao-heng,HU Er-feng,ZHAO Jing,FENG Zhi-yuan,WANG He

(School of Chemical and Environmental Engineering,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China)

Abstract:In order to explore new ways of processing coal slime in the steam coal preparation plant,the coal slime of thermal coal preparation plant was investigated in this study,including the properties of coal slime,mineral types and dissemination characteristics in coal slime.A regressive release flotation test was designed for theoretically investigating the ash and yield of low ash clean coal.The feasibility of ultra-clean coal separation after super fine crushing was analyzed.Based on the extended DLVO (EDLVO) theory,the necessity of high shear stirring for the ultra-fine grinding slime before flocculation flotation was attested.Also,the acceleration effect of high speed stirring between particle and reagent was studied.With the flocculation flotation method,the ultra-clean coal separation of the slime after ultra-fine grinding were carried out.The effect of mixer impeller linear speed and stirring time,particle size,non-polar oil dosage on the separation results were discussed.The separation results show that the floccules can form capably only in the case of high speed stirring,and the power consumption is reduced after the action between coal particle and non-polar oil.High-speed stirring can also promote the dispersion of agent,then the collision probability of agent and coal particle is increased.A better flocculation separation requires a certain degree of stirring intensity and an appropriate stirring time.When the average particle size is 4.70 μm,non-polar oil dosage is 135.24 kg/ t,the impeller linear speed isbook=1930,ebook=22512.56 m/ s,and the stirring time is 5 min,the ash of ultra-clean coal separated reaches 1.15%,and the yield reaches 69.23%.

Key words:coal slime;ultra-clean coal;flocculation flotation;EDLVO theory

通訊作者:付曉恒(1957—),男,江西南昌人,教授,博士生導(dǎo)師。Tel:010-62331015,E-mail:13601307011@163.com

作者簡介:王 婕(1989—),女,山西長治人,博士研究生。E-mail:13811589178@163.com。

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51474221)

收稿日期:2015-05-04

中圖分類號:TD94

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:0253-9993(2015)08-1929-07