細(xì)粒煤超導(dǎo)磁選脫硫降灰的試驗(yàn)研究

王建英 宋晉陽(yáng) 吳 旭 程冠宇 雷 霄

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)內(nèi)蒙古自治區(qū)白云鄂博多金屬資源綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市， 014010)

近年來(lái)，煤炭在我國(guó)一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中占比逐步降低，但煤炭的主體能源地位在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)不會(huì)發(fā)生改變。煤炭燃燒利用過(guò)程中產(chǎn)生的二氧化硫、氮氧化物和煙(粉)塵對(duì)我國(guó)環(huán)境造成了極大的危害。火電廠是燃煤消費(fèi)的最大用戶，占我國(guó)年煤炭生產(chǎn)總量的47%以上，煤炭燃前脫硫是最經(jīng)濟(jì)的脫硫技術(shù)，發(fā)電廠磨煤制粉工藝的配置為應(yīng)用燃前物理選煤的方法脫除煤中的硫和灰分提供了必要的解離條件。煤炭磁選的基本原理是利用煤基質(zhì)(逆磁性)和煤系黃鐵礦及其它灰分物質(zhì)(順磁性)磁性的差異，在具有強(qiáng)大磁場(chǎng)力的分選空間中實(shí)現(xiàn)煤基質(zhì)和部分礦物質(zhì)的分離，磁力對(duì)磁選過(guò)程起著主導(dǎo)作用。常規(guī)磁選機(jī)因?yàn)槭艽判圆牧洗棚柡蜆O限和功耗的限制，它們的磁感應(yīng)強(qiáng)度不能超過(guò)2 T，超導(dǎo)磁選機(jī)則不受限制，具有更高的磁感應(yīng)強(qiáng)度和低能耗等優(yōu)點(diǎn)，適合于分選煤中極弱磁性的礦物質(zhì)。

國(guó)外超導(dǎo)磁選煤脫硫試驗(yàn)開展的較早，早在1979年就有國(guó)外專家在5 T磁場(chǎng)下進(jìn)行了超導(dǎo)磁選煤脫硫試驗(yàn)，美國(guó)的MCA公司、荷蘭的FDO公司和HOLEC公司就先后使用超導(dǎo)磁分選裝置進(jìn)行了煤的分選；英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院利用超導(dǎo)磁選機(jī)分選了2種高灰分水煤漿，脫硫效果顯著；2000年日本煤炭利用中心在煤炭干選工業(yè)性試驗(yàn)項(xiàng)目中，對(duì)-0.5 mm以下煤炭采用超導(dǎo)磁分選；2010年還有專家進(jìn)行了干法超導(dǎo)磁選煤脫硫試驗(yàn)。我國(guó)見(jiàn)于報(bào)道的只有1990年中國(guó)科學(xué)院電工研究所的專家在5 T的磁場(chǎng)下進(jìn)行的超導(dǎo)磁選煤脫硫的試驗(yàn)。

近年來(lái)，超導(dǎo)磁選技術(shù)在高嶺土提純和污水處理等行業(yè)得到了很好的應(yīng)用，但在煤炭脫硫降灰方面少有研究應(yīng)用，本文針對(duì)內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市清水河縣天賜源煤礦的中硫煤進(jìn)行了超導(dǎo)磁分選試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)煤樣及設(shè)備

試驗(yàn)所用煤樣為內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市清水河縣天賜源煤礦原煤，將其破碎到一定粒度時(shí)用球磨機(jī)制粉，經(jīng)混勻、縮分后稱取試驗(yàn)煤樣，可有效保證試驗(yàn)煤樣的代表性，該煤樣水分Mad為2.05%、灰分Aad為32.68%、揮發(fā)分Vad為26.58%、固定碳FCad為38.69%、全硫St,ad為1.32%，屬于中低硫、中高灰、低揮發(fā)分煤。

主要試驗(yàn)設(shè)備有球磨機(jī)、標(biāo)準(zhǔn)套篩、干燥箱和精密天平等樣品制備設(shè)備，使用鶴壁市鑫泰高科儀器制造有限公司生產(chǎn)的KZDL-4c型快速智能一體測(cè)硫儀、選用包頭市云捷電爐廠生產(chǎn)的SX10-BYL型箱式電阻爐用來(lái)測(cè)量灰分、選用江蘇旌凱中科超導(dǎo)高技術(shù)有限公司生產(chǎn)的JS102型立式超導(dǎo)磁選實(shí)驗(yàn)機(jī)做為分選設(shè)備，分散劑采用六偏磷酸鈉。

1.2 分選過(guò)程

調(diào)節(jié)電流大小使超導(dǎo)磁體達(dá)到試驗(yàn)所需磁感應(yīng)強(qiáng)度；在分選罐體中加入聚磁介質(zhì)，操作控制箱，使分選罐體進(jìn)入強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)間，聚磁介質(zhì)在磁場(chǎng)中被磁化形成高梯度磁場(chǎng)；將一定量的煤粉配置成一定濃度的礦漿，用磁力攪拌器攪拌礦漿，將充分?jǐn)嚢杷缮⒑蟮牡V漿由給礦泵給入分選罐體；礦漿中的磁性顆粒被吸附在聚磁介質(zhì)表面，非磁性顆粒流出分選罐體被收集；之后將分選腔移出強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)間，打開沖洗水，沖洗出磁性顆粒，實(shí)現(xiàn)了磁性顆粒和非磁性顆粒的分離，分選結(jié)束。

1.3 試驗(yàn)方案

采用單因素試驗(yàn)方法，對(duì)影響煤粉磁選指標(biāo)的5個(gè)因素及其4個(gè)水平進(jìn)行了測(cè)試，以精煤產(chǎn)率、脫硫率和脫灰率作為考核指標(biāo)，選取其中一種因素，固定其他因素，變換多種水平，確定此因素下的最優(yōu)水平；再固定此最優(yōu)水平的因素，依此法逐漸確定其他因素下的最優(yōu)水平，將5大最優(yōu)水平的因素匯總，得到最優(yōu)方案，單因素試驗(yàn)與水平見(jiàn)表1。

表1 單因素試驗(yàn)與水平

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 單因素試驗(yàn)

按照簡(jiǎn)單對(duì)比的實(shí)驗(yàn)方法，探索磨礦粒度、磁感應(yīng)強(qiáng)度、礦漿流速、礦漿濃度和分散劑用量等各個(gè)因素對(duì)磁選精礦的精煤產(chǎn)率、脫硫率和脫灰率等質(zhì)量指標(biāo)的影響規(guī)律，以確定最佳工藝，對(duì)應(yīng)表1中的因素及水平，單因素試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 單因素試驗(yàn)結(jié)果

由于各個(gè)因素的水品對(duì)精煤產(chǎn)率、脫硫率及脫灰率的影響，可得出最佳工藝條件為A1B4C3D3E3，即磨礦粒度為-74 μm占50%、磁感應(yīng)強(qiáng)度為5.5 T、礦漿流速為2.5 cm/s、礦漿濃度為15%、分散劑(六偏磷酸納)為4 kg/t時(shí)為最佳工藝條件 。

2.2 各因素對(duì)磁分選指標(biāo)的影響分析

2.2.1 磨礦粒度對(duì)分選效果的影響

在固定試驗(yàn)條件下，即磁感應(yīng)強(qiáng)度為5.5 T、礦漿流速為2.5 cm/s、礦漿濃度為10%、分散劑為4 kg/t時(shí)，改變磨礦粒度，磨礦粒度變化對(duì)磁分選效果的影響如圖1所示。

由圖1可以看出，隨著磨礦粒度的增加，精煤產(chǎn)率在逐漸升高，煤粉的脫硫率和脫灰率逐漸降低，并且在磨礦粒度為-74 μm占50%時(shí)最高。這是由于隨著磨礦粒度的增加，顆粒體積的減小，煤中礦物質(zhì)顆粒受到的磁力也在減小，此時(shí)的磁力小于顆粒所受的機(jī)械力，不利于煤的分選；并且由于分子表面能的作用，顆粒過(guò)細(xì)容易粘結(jié)聚團(tuán)，不利于煤與其它礦物質(zhì)的分離。因此，在該試驗(yàn)范圍內(nèi)，綜合精煤產(chǎn)率、脫硫率和脫灰率，最佳磨礦粒度為-74 μm占50%。

圖1 磨礦粒度對(duì)分選效果的影響

2.2.2 磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)分選效果的影響

確定磨礦粒度為-74 μm含量占50%，其他試驗(yàn)條件不變，只改變磁感應(yīng)強(qiáng)度，磁感應(yīng)強(qiáng)度變化對(duì)分選效果的影響如圖2所示。

圖2 磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)分選效果的影響

由圖2可以看出，隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增強(qiáng)，精煤產(chǎn)率在降低，脫硫率和脫灰率在增加且在5.5 T時(shí)最高。這是由于隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加，使得煤中礦物質(zhì)顆粒受到的磁力大于機(jī)械力，并且隨著兩者間的差值增大，使得吸附在分選腔聚磁介質(zhì)上的礦物質(zhì)顆粒也隨之增加，從而使得精煤產(chǎn)率降低，脫硫率和脫灰率升高。綜合精煤產(chǎn)率、脫硫率和脫灰率，在該試驗(yàn)范圍內(nèi)，最佳磁感應(yīng)強(qiáng)度為5.5 T。

2.2.3 礦漿流速對(duì)分選效果的影響

確定磨礦粒度-74 μm含量占50%，磁感應(yīng)強(qiáng)度為5.5 T，其他試驗(yàn)條件不變，改變礦漿流速，礦漿流速的變化對(duì)分選效果的影響如圖3所示。

圖3 礦漿流速對(duì)分選效果的影響

由圖3可以看出，精煤產(chǎn)率隨著礦漿流速的增大而增大，這是因?yàn)榈V漿流速增大時(shí)，礦物質(zhì)顆粒在分選罐體中受到的機(jī)械力大于該顆粒受到的磁力，使得煤粉顆粒從聚磁介質(zhì)上脫落，在流體的作用下進(jìn)入精煤中，從而使得精煤產(chǎn)率增大。礦漿流速超過(guò)一定值時(shí)，雖然精煤產(chǎn)率在不斷增大，但是脫硫率先增加后減少，使得脫灰率逐漸降低。礦漿流速過(guò)低，一方面使得煤粉顆粒不能很好的分散開來(lái)而形成聚團(tuán)，另一方面容易造成礦漿中煤粉顆粒的沉積與堵塞，造成脫硫率和脫灰率減少。因此，綜合精煤產(chǎn)率、脫硫率和脫灰率，在該試驗(yàn)范圍內(nèi)最佳的礦漿流速為2.5 cm/s。

2.2.4 礦漿濃度對(duì)分選效果的影響

確定磨礦粒度為-74 μm含量占50%，磁感應(yīng)強(qiáng)度為5.5 T，礦漿流速為2.5 cm/s，其他試驗(yàn)條件不變，改變礦漿流速，礦漿濃度變化對(duì)分選效果的影響圖4所示。

圖4 礦漿濃度對(duì)分選效果的影響

由圖4可以看出，隨著礦漿濃度的升高，精煤產(chǎn)率先降低后升高，脫硫率和脫灰率先升高后降低，并且在礦漿濃度為15%時(shí)最高。分析其原因，一方面是因?yàn)榈V漿濃度較低時(shí)，雖然顆粒間相互較為分散，但是分選時(shí)礦漿濃度過(guò)低，會(huì)造成流速增大，導(dǎo)致分選時(shí)間縮短，造成一部分礦物質(zhì)顆粒進(jìn)入精煤中，使得精煤產(chǎn)率變高，影響煤中硫分與灰分脫除效果；另一方面是由于礦漿濃度較高，造成分選濃度增大，此時(shí)尾煤顆粒容易被精煤顆粒包裹夾帶，使得煤中順磁性礦物顆粒不能與煤顆粒有效分離，導(dǎo)致精煤產(chǎn)率變高，影響脫硫率與脫灰率。因此，綜合精煤產(chǎn)率、脫硫率和脫灰率，礦漿濃度為15%時(shí)效果最佳。

2.2.5 分散劑用量試驗(yàn)

確定磨礦粒度為-74 μm含量占50%，磁感應(yīng)強(qiáng)度為5.5 T，礦漿流速為2.5 cm/s，礦漿濃度為15%，改變分散劑用量，分散劑用量對(duì)分選效果的影響如圖5所示。

圖5 分散劑用量對(duì)分選效果的影響

由圖5可以看出，隨著分散劑用量的增加，精煤產(chǎn)率逐漸降低，脫硫率和脫灰率逐漸增高。分析原因，分散劑的使用，使得煤中顆粒分散更加均勻，同時(shí)能防止顆粒沉降，使得煤中礦物質(zhì)顆粒被吸附的機(jī)會(huì)增加，導(dǎo)致精煤產(chǎn)率的減少和脫硫率、脫灰率的增加。綜合精煤產(chǎn)率、脫硫率、脫灰率，分散劑用量在4 kg/t時(shí)取得最好效果。

2.2.6 綜合試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以-74 μm含量為50%的細(xì)粒煤為試驗(yàn)對(duì)象，采用磁感應(yīng)強(qiáng)度為5.5 T、礦漿流速為2.5 cm/s、礦漿濃度為15%、分散劑用量為4 kg/t的分選條件，進(jìn)行一次分選試驗(yàn)，綜合試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 綜合試驗(yàn)結(jié)果 %

由表3可以看出，綜合最佳工藝條件，利用超導(dǎo)磁選機(jī)對(duì)煤粉進(jìn)行一次分選，取得了精煤產(chǎn)率為85.66%，脫硫率為50.29%和脫灰率為22.65%的效果。

3 結(jié)論

單因素試驗(yàn)結(jié)果表明，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，呼和煤粉超導(dǎo)磁選脫硫的最佳試驗(yàn)條件為：磨礦粒度為-74 μm占50%、礦漿流速為2.5 cm/s、磁感應(yīng)強(qiáng)度為5.5 T、礦漿濃度為15%、分散劑用量為4 kg/t?；谧罴言囼?yàn)條件，對(duì)細(xì)粒煤進(jìn)行一次超導(dǎo)分選，取得了精煤產(chǎn)率為85.66%，脫硫率為50.29%，脫灰率為22.65%的試驗(yàn)效果。試驗(yàn)表明，采用超導(dǎo)高梯度磁選技術(shù)對(duì)煤粉進(jìn)行分選是可行的。

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