從煤矸石中回收煤系高嶺巖的重介分選技術(shù)

劉彥麗，樊民強(qiáng)

(1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西 大同 037003)

從煤矸石中回收煤系高嶺巖的重介分選技術(shù)

劉彥麗1,2，樊民強(qiáng)1

(1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原030024；2.山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西 大同037003)

為提高煤系高嶺巖的回收率，節(jié)約寶貴資源，以來(lái)自大同礦區(qū)塔山選煤廠的含高嶺巖煤矸石為研究對(duì)象、旋流器為分選設(shè)備、硅鐵粉為加重質(zhì)，進(jìn)行了煤系硬質(zhì)高嶺巖的重介分選試驗(yàn)。分別研究了底流口直徑、入料壓力和懸浮液密度對(duì)產(chǎn)物產(chǎn)率和分配率的影響，并在底流口直徑24mm、入料壓力0.1MPa、懸浮液密度為2.4g/cm3時(shí)，得到了回收率為69.05%的高嶺巖粗精礦。因?yàn)樵V的密度較為集中、可選性差，旋流器的結(jié)構(gòu)需進(jìn)一步優(yōu)化以取得更好的分選效果。

煤系高嶺巖；矸石；旋流器；硅鐵粉；重介質(zhì)

高嶺巖是重要的非金屬礦產(chǎn)資源，中國(guó)的煤系地層及煤層中賦存有大量的高嶺巖資源， 成為目前高嶺巖深加工的重要對(duì)象。大同礦區(qū)石炭紀(jì)煤層的夾矸和頂?shù)装逯泻写罅績(jī)?yōu)質(zhì)高嶺巖[1-3]。生產(chǎn)過(guò)程中，高嶺巖以?shī)A矸或頂?shù)装宓男问讲沙觯偻ㄟ^(guò)選煤廠分選以煤矸石的形式排出。因此，如果能將煤矸石中的高嶺巖進(jìn)行分離回收，不但可以降低煤矸石的處理量，節(jié)約土地，并且可以變廢為寶，提高煤礦的經(jīng)濟(jì)效益。

目前，煤矸石分選的方法主要有揀選[4]、碎選[5]等，主要用于煤和脈石礦物的分離。高嶺巖(土)重力分選使用的主要設(shè)備為小直徑水力旋流器，主要用于分級(jí)除砂[6-7]，須將全部物料磨碎搗漿，泵送至旋流器中進(jìn)行分級(jí)，將粗粒石英排出。陳建中[8]、李海華等[9]用動(dòng)篩跳汰機(jī)對(duì)選煤廠排出的塊狀煤矸石進(jìn)行了分選，但是動(dòng)篩跳汰機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)基本處于停用狀態(tài)；外文文獻(xiàn)中也鮮見(jiàn)煤系高嶺巖分選的報(bào)道。目前為止，國(guó)內(nèi)外尚沒(méi)有一種行之有效的設(shè)備可以將選煤廠排出的塊狀煤矸石進(jìn)行分選并回收其中的高嶺巖。本論文借鑒選煤[10]和非金屬礦的分選方法[11]，在對(duì)選煤廠煤矸石的密度組成和元素組成及礦物組成進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，以旋流器為分選設(shè)備，硅鐵粉為重介質(zhì)，對(duì)煤矸石進(jìn)行了重介分選試驗(yàn)，希望可以回收其中的高嶺巖，節(jié)約資源，同時(shí)降低煤矸石的處理成本。

1 礦石性質(zhì)及分選方案

1.1 礦石性質(zhì)

試驗(yàn)用樣品采自大同礦區(qū)塔山選煤廠的洗矸，原礦粒度50～1.5 mm，受旋流器沉沙口尺寸限制，將樣品破碎至3 mm以下，入選粒度為3～0.5 mm。通過(guò)對(duì)破碎后樣品進(jìn)行浮沉試驗(yàn)、化學(xué)組成分析和XRD圖譜分析，得到了原礦的密度組成、化學(xué)組成和礦物組成，見(jiàn)表1。

表1 原礦的密度組成、化學(xué)組成(w/%)和礦物組成

浮沉實(shí)驗(yàn)在四氯化碳和三溴甲烷配制的不同密度的重液中進(jìn)行，化學(xué)成分分析采用ICP-AES方法進(jìn)行，樣品的XRD表征采用島津-6000型X射線(xiàn)衍射儀，連續(xù)掃描法，掃描范圍2θ =5～70°，掃描速率為4°/min。

由表1可以看出：-2.6 g/cm3各密度級(jí)中，低密度級(jí)燒失量略高，鈦以外其他雜質(zhì)元素含量較低，雜質(zhì)礦物種類(lèi)較少，硅鋁質(zhì)量比接近高嶺石的理論值1.176[13]，可以作為高嶺巖粗精礦回收。+2.6 g/cm3密度級(jí)的雜質(zhì)元素含量高，雜質(zhì)礦物種類(lèi)多，燒失量低，硅鋁質(zhì)量比遠(yuǎn)高于高齡石的理論值，可作為最終的矸石拋棄?；厥崭邘X巖粗精礦后，剩余的無(wú)用脈石礦物的含量?jī)H有19.26%，可以大幅度減少矸石的排放量，同時(shí)得到了高嶺石含量高的高嶺巖粗精礦，提高了高嶺巖資源的利用率。

但是，從表1中各密度級(jí)含量來(lái)看：采用重介分選的方法，當(dāng)分選密度接近2.6 g/cm3時(shí)，臨近密度物含量高，分選會(huì)非常困難，精度不會(huì)太高。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及系統(tǒng)

旋流器采用Φ150 mm的聚氨酯旋流器，錐角20°，溢流管徑Φ40 mm不可調(diào)，礦漿入料濃度100 g/L。試驗(yàn)的工藝系統(tǒng)如圖1所示。

在攪拌桶中加入硅鐵粉，配成所需密度的懸浮液，再加入礦樣配制成所需濃度的礦漿，充分?jǐn)嚢韬笥杀媒o入重介旋流器，各產(chǎn)品可以通過(guò)集料箱返回?cái)嚢柰把h(huán)使用。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

硅鐵粉采購(gòu)自安陽(yáng)鐵發(fā)冶金耐材有限公司，密度6.77 g/cm3，小于0.045 mm含量78.32%。

1.3 試驗(yàn)方法

用兩產(chǎn)品重介旋流器對(duì)樣品進(jìn)行分選，分別考查底流口直徑、懸浮液密度和入料壓力對(duì)分選結(jié)果的影響。對(duì)各產(chǎn)品用有機(jī)重液進(jìn)行浮沉，得到各產(chǎn)物的密度組成，計(jì)算分配率并繪制分配曲線(xiàn)。用ICP-AES方法對(duì)產(chǎn)物的化學(xué)組成進(jìn)行分析，評(píng)價(jià)分選是否達(dá)到預(yù)期目的。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 底流口直徑對(duì)分選的影響

底流口選用Φ18 mm、Φ20 mm和Φ24 mm三種，分選壓力0.1 MPa，分選結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同底流口時(shí)各產(chǎn)物的產(chǎn)率

由表2可以看出：在高、中、低3種懸浮液密度條件下，隨底流口直徑增加，高密度產(chǎn)物的產(chǎn)率增大；懸浮液密度低時(shí)產(chǎn)物產(chǎn)率變化明顯，懸浮液密度高時(shí)，調(diào)整底流口尺寸對(duì)產(chǎn)率影響較小。懸浮液密度為2.0 g/cm3時(shí)，18 mm底流口下底流產(chǎn)率為22.27%，接近原礦密度組成分析中+2.6 g/cm3密度級(jí)含量。

選擇上述試驗(yàn)中懸浮液密度為2.0 g/cm3時(shí)不同底流口的各產(chǎn)物，參照煤炭浮沉試驗(yàn)方法，在有機(jī)重液中進(jìn)行浮沉，得到了各產(chǎn)物的浮沉資料，并計(jì)算3種底流口下的分配率，繪制分配曲線(xiàn)，分配曲線(xiàn)見(jiàn)圖2。

圖2 不同底流口的分配曲線(xiàn)

由圖2可以看出，懸浮液密度為2.0 g/cm3時(shí)，24 mm底流口時(shí)基本上沒(méi)有分選作用，各密度級(jí)在底流中的分配率都非常高，溢流幾乎無(wú)料；18 mm底流口時(shí)，實(shí)際分選密度超過(guò)了2.6 g/cm3，各密度級(jí)物料在底流中的分配率最高只有60%；20 mm底流口時(shí)，高密度級(jí)在底流中的分配率超過(guò)80%，但是實(shí)際分選密度略低，分配曲線(xiàn)較為平緩，錯(cuò)配物的量較高。

2.2 操作壓力對(duì)分選的影響

在懸浮液密度2.2 g/cm3時(shí)，調(diào)整進(jìn)料壓力，考察壓力對(duì)分選的影響。不同壓力條件下底溢流的產(chǎn)率見(jiàn)表3。

表3 不同壓力下的各產(chǎn)物產(chǎn)率

由表3可以看出：底流口直徑較小時(shí)，壓力對(duì)產(chǎn)物產(chǎn)率影響不大；底流口直徑較大時(shí)，壓力對(duì)產(chǎn)物產(chǎn)率影響較大，通過(guò)改變?nèi)肓蠅毫Γ梢詫?shí)現(xiàn)產(chǎn)物產(chǎn)率的大范圍調(diào)整。

將上述試驗(yàn)中底流口直徑為24 mm時(shí)，不同壓力下得到的產(chǎn)品做浮沉并繪制分配曲線(xiàn)，如圖3所示。圖3中，0.12 MPa壓力時(shí)物料在底流中的分配率只有25%左右，分選效果差；入料壓力為0.1 MPa時(shí)，物料在底流中的分配率可達(dá)88%，分選效果明顯改善；分選壓力為0.08 MPa時(shí)，雖然高密度級(jí)在底流中分配率高，但是低密度級(jí)在底流中的分配率也增加。

圖3 不同壓力下的分配曲線(xiàn)

2.3 懸浮液密度對(duì)分選的影響

試驗(yàn)分別考察了Φ18 mm、Φ20 mm、Φ24 mm底流口情況下，懸浮液密度對(duì)分選結(jié)果的影響，入料壓力0.1 MPa。不同懸浮液密度下各產(chǎn)物產(chǎn)率見(jiàn)表4。

表4 不同懸浮液密度下各產(chǎn)物產(chǎn)率

由表4可以看出：3種底流口情況下，懸浮液密度增加，底流的產(chǎn)率降低，溢流量產(chǎn)率增加。Φ18 mm底流口時(shí)，隨懸浮液密度增加，底流產(chǎn)率變化幅度最小；Φ24 mm底流口時(shí)，底流產(chǎn)率隨懸浮液密度減小的幅度最大。底流口直徑較大時(shí)，懸浮液密度增加，實(shí)際分選密度增加，底流量減??；底流口直徑較小時(shí)，因?yàn)榈琢骺诮孛娣e小，從底流出的物料量有限，大部分物料只能從溢流管出，即使改變懸浮液密度對(duì)于底流量的影響有限。

將底流口直徑為Φ24 mm時(shí)，不同懸浮液密度下得到的產(chǎn)品做浮沉并繪制分配曲線(xiàn)，如圖4所示。由圖4可以看出：懸浮液密度2.0 g/cm3時(shí)，基本沒(méi)有分選作用；隨懸浮液密度增加，分選效果變好，但是低密度級(jí)在底流中分配率略高；當(dāng)懸浮液密度為2.4 g/cm3時(shí)，δp接近理想的分選密度2.6 g/cm3；懸浮液密度為2.5 g/cm3和2.55 g/cm3時(shí)，分配曲線(xiàn)基本重合，旋流器中的實(shí)際分選密度已經(jīng)超過(guò)2.6 g/cm3，各密度級(jí)在底流中分配率低，大部分物料都從溢流排出，再提高懸浮液密度已經(jīng)沒(méi)有意義。

當(dāng)?shù)琢骺谥睆綖?4 mm，入料壓力0.1 MPa，懸浮液密度為2.4 g/cm3時(shí)，實(shí)際分選密度接近2.6 g/cm3，可以得到產(chǎn)率為30.95%的矸石產(chǎn)品和產(chǎn)率為69.05%的高嶺巖粗精礦。

圖4 24 mm底流口時(shí)不同懸浮液密度的分配曲線(xiàn)

2.4 產(chǎn)品的化學(xué)組成分析

將上述懸浮液密度為2.4 g/cm3條件下得到的產(chǎn)品作化學(xué)組成分析，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 產(chǎn)品的化學(xué)組成分析

由表5中底溢流的化學(xué)組成來(lái)看，分選后兩種產(chǎn)品的化學(xué)組成出現(xiàn)明顯的差異，硅和鐵在底流中明顯富集，溢流產(chǎn)品中各雜元素的含量較低，并且硅鋁比接近高嶺石的理論值，可以作為高嶺巖粗精礦回收。

3 結(jié) 論

以硅鐵粉為重介質(zhì)，旋流器為分選設(shè)備，研究了從煤矸石中回收煤系高嶺巖的可行性。通過(guò)研究底流口直徑、給料壓力和懸浮液密度對(duì)分選的影響，探索了高嶺巖在旋流器中分選的條件，實(shí)現(xiàn)了雜質(zhì)礦物在高密度底流中的富集，得到較為純凈的高嶺巖粗精礦。

1) 底流口直徑較小時(shí)，作為最終矸石產(chǎn)品的底流產(chǎn)率較低；大底流口時(shí)可以通過(guò)調(diào)整懸浮液密度和入料壓力等操作條件方便調(diào)整底流產(chǎn)率。

2) 底流口直徑較小時(shí),入料壓力對(duì)產(chǎn)物產(chǎn)率影響較小；大底流口時(shí)，產(chǎn)物產(chǎn)率對(duì)入料壓力的變化較敏感。

3) 當(dāng)入料壓力為0.1 MPa，底流口直徑為24 mm時(shí)，改變懸浮液密度可以在很寬范圍內(nèi)改變底溢流的產(chǎn)率，懸浮液密度為2.4 g/cm3時(shí)，可以得到產(chǎn)率為69.05%的高嶺巖粗精礦，此時(shí)最終矸石的產(chǎn)率為有30.95%。

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Separationofcoalbearingkaoliniteusingdensemediumcyclone

LIU Yanli1,2,FAN Minqiang1

(1.College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China;2.College of Coal Engineering,Shanxi Datong University,Datong 037003,China)

In order to improve the recovery of coal bearing kaolinite,the dense medium separation was carried out with ferrosilicon as dense medium in a dense medium cyclone.The investigation was focused on the underflow orifice diameter,the feed pressure and the suspension density affecting the yield and distribution rate of the products.The results showed that the recovery of kaolinite primary concentrate was 69.05% in the condition of underflow orifice Φ24 mm,the feed pressure 0.1 MPa and the suspension density 2.4 g/cm3,respectively.As the narrow density range and the poor wash ability of raw ore,the structure parameter and the technical parameters of the cyclone must be further optimized.

kaolinite;gangue;cyclone;ferrosilicon;dense medium

TD98；TD942

A

1004-4051(2017)10-0142-04

2017- 06-20責(zé)任編輯劉艷敏

劉彥麗(1977-)，女，河北平山人，講師，研究方向?yàn)榈V物加工工程，E-mail:lylme2909@163.com。