稀缺煉焦煤重介中煤再選試驗研究

歐陽其春，羨宇帥，丁晴晴

(1.淮北礦業(yè)(集團)有限責任公司，安徽 淮北 235000；2.中國礦業(yè)大學 化工學院，江蘇 徐州 221116)

主焦煤屬于我國的稀缺煤種，由于其良好的黏結性和結焦性而成為煉焦配煤的核心煤種，占整個煤炭資源儲量的6%左右，優(yōu)質(zhì)主焦煤資源更少[1-2]。許多煉焦煤選煤廠經(jīng)洗選后一部分中煤因硫分較高、脫硫技術不成熟且黏結性差等，選后產(chǎn)品達不到煉焦標準，未得到合理利用而只能用作動力煤；另一部分低硫煤因洗選后中煤的可選性普遍較差，且其灰分較高而不再進行再選處理，作為電煤進行銷售處理，使得優(yōu)質(zhì)主焦煤不能物盡其用，造成煉焦煤資源的極度浪費[3-4]。

近年來，中煤再選是許多學者專家研究的熱點問題，章力等[5]對重介中煤進行破碎、磨礦至<3 mm粒級，對破碎后的重介中煤采用“干擾床分選+細煤泥泡沫浮選”的回收工藝，分選后的精煤灰分為9.80%，產(chǎn)率為39.27%，預計可提高總精煤產(chǎn)率2.75%；孫鳳杰等以山西新裕選煤廠重介中煤為研究對象，利用旋流進氣結構的浮選柱在大充氣量時，中煤可燃體回收率可達66.67%；無旋流進氣結構的浮選柱在較小的充氣量時，中煤浮選產(chǎn)品灰分可降至10.31%。因此從效益上分析，重介中煤再選可以實現(xiàn)對煤中可燃體的進一步回收，提高選煤廠的經(jīng)濟效益，對促進我國煉焦煤資源的高效利用具有一定借鑒意義。

1 試驗部分

1.1 重介中煤粒度組成分析

試驗所取煤樣來自淮北選煤廠重介中煤脫介篩篩上產(chǎn)品，重介中煤篩分試驗結果見表1。

表1 重介中煤篩分試驗結果

由表1可知：主導粒級為6～3 mm和次主導粒級為3～0.5 mm，產(chǎn)率分別為25.64%和40.97%；<0.5 mm含量較少，為1.49%，但<0.5 mm粒級的灰分有所提高，說明矸石存在一定的泥化現(xiàn)象；該煤樣總灰為31.17%，屬于中高灰分，各粒級灰分較平均，連生體含量較大，需經(jīng)過破碎解離后進行分選。

1.2 重介中煤可選性分析

重介中煤煤樣浮沉組成見表2，可選性曲線如圖1所示。

圖1 重介中煤可選性曲線

表2 重介中煤浮沉組成

由表2可知：1.4～1.8 g/cm3的中間密度級產(chǎn)率高達82.46%，低灰和高灰部分產(chǎn)率較低，很難直接分選得到合格精煤；中間密度物含量大、灰分居中，連生體多，需要通過進一步破碎解離后進行再選回收；低密度級和高密度級部分產(chǎn)率均較低，同時說明該廠重介分選過程分選精度較高。

由圖1可知：灰分特性曲線(λ)比較陡，浮物曲線(β)與沉物曲線(θ)也都比較陡峭，兩條曲線幾乎為直線，由此可知該重介中煤可選性為難選或極難選；根據(jù)密度曲線(δ)可知，δ曲線中間段斜率變化非常明顯，說明1.4～1.8 g/cm3中間密度級含量較大，屬于難選特性。當要求精煤灰分為12%時，精煤累計產(chǎn)率只有8%，對可選性而言，其δ±0.1含量為66%，屬于極難選煤，對該重介中煤煤樣進行簡單直接分選很難獲得較好的精煤產(chǎn)品。

1.3 重介中煤礦物組成分析

礦物質(zhì)的組成及其嵌布狀態(tài)對中煤的有效解離和再選有直接的影響，利用X射線衍射儀(德國Bruker，D8 Advance)，并結合工藝礦物學理論，對該中煤進行礦物質(zhì)組成分析，重介中煤煤樣X射線衍射圖如圖2所示。

圖2 重介中煤煤樣的X射線衍射圖

由圖2可知，該中煤主要含有高嶺石等黏土類礦物，并含有一定量的石英、方解石等礦物，除此以外還有少量的碳酸鹽礦物白云石以及少量的伊利石和含硫礦物黃鐵礦等?？紤]到黏土類和硅酸鹽類礦物容易在水中發(fā)生泥化，因此對重介中煤煤樣破碎和磨礦過程中應降低過粉碎情況的發(fā)生，防止因泥化對后續(xù)分選環(huán)節(jié)和煤泥水處理帶來不利影響。

2 重介中煤再選試驗

2.1 破碎與磨礦

將重介中煤有效破碎解離是中煤再選的關鍵，合適的破碎粒度對提高精煤回收、減少破礦和降低后續(xù)分選成本至關重要。

一般破碎粒度越細，煤與無機礦物質(zhì)解離越充分；但從煤樣礦物組成看，由于煤中礦物多是黏土類和硅酸鹽類，應盡量減少過粉碎的發(fā)生；同時煤樣粒度過細，會加大分選難度，脫水作業(yè)成本也會增加；同時從煉焦煤的黏結性和結焦性考慮，破碎粒度會影響煤在結焦過程中的變化動態(tài)，最終將影響焦炭質(zhì)量。對微細煤粒，因其比表面積較大，活性組分較多，配煤煉焦過程中可能會降低煤的黏結性[6-8]。綜上所述，將該重介中煤破碎至<0.5 mm進行再選試驗研究。

對淮北選煤廠重介中煤煤樣采用輥式破碎機破碎至<0.5 mm，中煤破碎后粒度組成見表3，浮沉試驗結果見表4，可選性曲線如圖3所示。

由表3可知，破碎產(chǎn)物中>0.5 mm粒級含量低，<0.045 mm細顆粒含量增多，占比達到28.91%，灰分為29.15%。各粒級的灰分分布比較均勻，說明礦物在各粒級中均有賦存，對中煤煤樣的解離不夠充分。

表3 破碎后煤樣的篩分試驗結果

由表4可知，中間密度物產(chǎn)率仍然較大，<1.5 g/cm3密度級的浮物產(chǎn)率已達到了33.73%，精煤平均灰分為11.78%，可稱之為合格產(chǎn)品。>1.8 g/cm3密度級的含量較高為21.09%，灰分為58.79%，可見灰分不高，矸石純度不夠，說明>1.8 g/cm3密度級中還存在一定量的連生體。由圖3可知，當要求精煤灰分為12%時，精煤理論產(chǎn)率為36%。

表4 破碎后煤樣的浮沉試驗結果

圖3 破碎后的煤樣可選性曲線

2.2 重介中煤<0.5 mm浮選試驗

2.2.1 浮選正交試驗

泡沫浮選是分選細粒煤最常用方法之一，將重介中煤破碎至<0.5 mm后，進行泡沫浮選試驗研究。為了考察浮選過程中捕收劑、起泡劑用量，礦漿濃度及充氣量等最佳條件，浮選采用四因素三水平正交試驗，水平正交試驗設計見表5，浮選正交試驗結果見表6，其中捕收劑采用十二烷，起泡劑采用甲基異丁基甲醇(MIBC)。

表5 四因素三水平正交試驗設計

表6 浮選正交試驗結果

由表6可知，各組精煤灰分較高，尾煤灰分也較低，浮選完善指標值低，浮選效果較差。

2.2.2 浮選分步釋放試驗

依據(jù)所確定的最優(yōu)浮選試驗條件(即捕收劑用量為800 g/t，起泡劑用量為100 g/t，礦漿濃度為80 g/L，充氣量為0.15 m3/h)，對破碎至<0.5 mm中煤試樣進行分步釋放試驗。浮選分步釋放試驗結果見表7，浮選分步釋放可浮性曲線如圖4所示。

表7 浮選分步釋放試驗結果

由表7和圖4可知，當要求精煤灰分為12.74%時，浮選精煤產(chǎn)率為5.76%，精煤產(chǎn)率較低，隨著精選次數(shù)的增加，精煤灰分增加較快，浮選效果并不理想。

圖4 分步釋放浮選可浮性曲線

2.2.3 浮選效果分析

按最優(yōu)試驗條件對破碎至<0.5 mm中煤進行浮選試驗，浮選試驗結果見表8。

表8 浮選試驗結果

由表8可知，實際最優(yōu)條件的浮選效果并不理想，探究其原因可能是，由于該煤樣的礦物成分包含黏土類類礦物(高嶺石、伊利石等)，這些礦物在濕法分選過程中極易泥化，且破碎粒級越細，其比表面積越大，導致黏土礦物吸附水分子的能力相對增強，另外其結構單元外層OH—的存在也會使得高嶺石的陰離子交換能力相對增強，在顆粒表面上吸附捕收劑，導致微細粒高嶺石等黏土礦物黏附在氣泡上成為精礦，使得精煤灰分增高。浮選產(chǎn)品小篩分試驗見表9。

表9 浮選產(chǎn)品篩分試驗結果

由表9可知：①精煤中各粒級灰分變化不大，<0.045 mm粒級灰分稍低(為21.92%)；超粗顆粒含量很少，只占到0.67%，<0.045 mm粒級含量最高；②尾礦中>0.125 mm粒級含量超過60%，且隨粒度減小，灰分逐漸增加，<0.045 mm粒級灰分為43.83%；③隨著粒級降低，精煤灰分有所降低，尾煤灰分逐步增加，說明該中煤要獲得更充分的解離，需破磨更細，但成本會增加，工藝會更復雜。

綜上所述，破碎后<0.5 mm的重介中煤浮選效果不理想的原因可能是由于中煤未能得到充分解離。從浮選入料的篩分組成看，隨著粒度的減小，其灰分在逐漸降低，粗粒級中仍含有較多的連生體，進一步磨礦可能會提高精煤的回收，但是會給后續(xù)的分選作業(yè)和產(chǎn)品脫水會帶來困難。

2.3 強化重力分選試驗

Falcon離心分選機是一種立式離心重力分選設備，在美國和加拿大等國家有較多的應用。離心強度最高可以達到300 g，能夠針對1.0～0.045 mm細粒煤進行有效分選，而且能夠有效脫除細粒煤中的黃鐵礦硫。與此同時，還具有分選過程無需添加藥劑，不會產(chǎn)生二次污染，且可以實現(xiàn)自動控制的優(yōu)點。但隨著入料粒度變細，F(xiàn)alcon分選機來復圈槽物料顆粒不能有效的按密度分層，因此Falcon分選機對<0.045 mm微細顆粒分選效果不太理想[9-10]。

2.3.1 強化重力分選正交試驗

Falcon離心分選主要操作因素有入料濃度、給料速度、轉動頻率、反水壓力。試驗采用SB4型Falcon離心分選機對入料濃度、轉動頻率和反水壓力三個參素進行試驗研究，以探索不同因素對破碎后重介中煤分選效果的影響。采用Design-Expert軟件的Box-Behnken試驗設計，分析不同操作參數(shù)之間的交互作用，并確定最佳試驗條件。強化重力分選試驗因素水平見表10，Box-Behnken正交試驗設計見表11，試驗結果見表12。

表10 強化重力分選試驗參數(shù)與水平

表11 強化重力分選Box-Behnken試驗設計

表12 強化重力分選試驗結果

根據(jù)離心重力分選試驗結果，Design-Expert軟件分析確定線性模型為最佳擬合模型。

線性擬合模型的可燃體回收率學生化殘差分布情況如圖5所示。由圖5可知，其殘差基本都分布在斜線附近，呈線性分布，說明試驗以及模型的擬合效果較好，與實際值較吻合。

圖5 可燃體回收率學生化殘差預測值與實際值對比

由表12可知，精煤灰分幾乎都在23%左右，灰分較高，但尾煤灰分提高不多，與泡沫浮選試驗結果相差不大。究其原因應該是重介中煤經(jīng)過破碎后其中的微細顆粒增多，影響了離心重力分選效果。根據(jù)中國礦業(yè)大學陶有俊等[9-10]的研究，隨著入料粒度的變細，F(xiàn)alcon分選機來復圈內(nèi)<0.045 mm微細顆粒不能有效地按密度分層，使得細顆粒分選效果變差。因此，需要對Falcon離心分選機產(chǎn)品進一步分析。

2.3.2 Falcon離心分選機產(chǎn)品篩分組成分析

Falcon離心分選機的精礦和尾礦小篩分試驗結果見表13。

表13 Falcon離心分選產(chǎn)品篩分表

由表13可知：0.25～0.045 mm粒級灰分相差不大，>0.5 mm粗顆粒含量很少，<0.045 mm微細顆粒含量超過40%，灰分也比較高，其中含有較多的黏土類礦物；尾礦中0.5～0.25 mm粗顆粒含量較多，占比超過50%，脈石成分居多。

離心分選機入料及產(chǎn)品粒度分布如圖6所示。分選入料中<0.045 mm粒級含量占比29.02%，而精礦中<0.045 mm粒級含量達到了40.73%，尾礦中<0.045 mm粒級含量僅占6.49%，說明在Falcon離心分選過程中，<0.045 mm微細顆粒沒有足夠的離心力來按密度分層，微細顆粒往往進入溢流，成為精煤產(chǎn)品[10]，入料和精煤中<0.045 mm粒級灰分變化不大，由此可以大體判斷，F(xiàn)alcon離心重力分選對<0.045 mm細泥分選效果并不理想，因此，考慮采取預先脫泥分選方法進行試驗。

圖6 Falcon離心分選入料及產(chǎn)品粒度分布

2.3.3 預先脫泥Falcon離心分選試驗

脫泥后入料粒度組成見表14。由表14可知，預先脫除細泥后，各粒度級產(chǎn)率稍有增加，而灰分稍有降低。根據(jù)Box-Behnken正交試驗得出的最佳試驗條件，即入料濃度為15%、反沖水壓力為0.04 MPa，離心機轉動頻率為40 Hz。預先脫泥強化重力分選試驗結果見表15。

表14 預先脫泥后入料粒度組成

表15 預先脫泥后強化重力分選試驗結果

由表15可知，經(jīng)過預先脫泥后，其精煤灰分大大降低，因為Falcon離心分選機是通過離心力場來強化細顆粒的分層和最終分選，因此在分選連生體含量較大的細粒煤時，該分選方法具有一定的優(yōu)勢。然而，當分選入料中含有大量高灰細泥時，需要采用超細粒分級旋流器對入料預先脫泥，才能更好地實現(xiàn)細粒煤有效分選。

2.4 重介中煤煤泥重介質(zhì)旋流器分選

通過對淮北選煤廠重介中煤的解離特性與分選試驗研究可知，破碎解離粒度大小要與實際生產(chǎn)工藝相配合，以降低成本，實現(xiàn)經(jīng)濟效益最大化。因此從實際分選試驗結果和選煤廠實際工藝流程來看，也可將中煤破碎至<0.5 mm，采用煤泥重介質(zhì)旋流器分選，預測結果見表16。由表16可以看出，利用小直徑煤泥重介質(zhì)旋流器分選，可得灰分為11.83%、產(chǎn)率為27.90%的精煤產(chǎn)品。

表16 <0.5 mm煤泥重介分選預測結果

3 結論

(1)重介中煤煤質(zhì)特性表明：中煤組成中3～0.5 mm為主導粒級，煤泥含量較少；屬于極難選煤，直接分選無法得到合格精煤產(chǎn)品，故需要中煤進行有效破碎解離，以實現(xiàn)稀缺主焦煤種的重介中煤精準分離。

(2)重介中煤解離后的浮選分步釋放試驗可得到產(chǎn)率為5.76%、灰分為12.74%的精煤，說明解離具有一定效果，但浮選精煤灰分較高，產(chǎn)率偏低，浮選效果并不理想。究其原因主要是黏土類礦物破碎粒度過細時，吸附能力相對增強，同時其結構單元外層OH—的存在，加大了顆粒界面對藥劑的吸附，導致黏土類礦物如高嶺石隨精礦泡沫上浮，造成精煤灰分偏高。

(3)優(yōu)化后強化離心重力分選結果表明，在入料濃度為15%，反水壓力為0.04 MPa，離心機轉動頻率為40 Hz的條件下，采用預先脫泥后強化重力分選，得到產(chǎn)率42.46%，灰分13.37%的精煤產(chǎn)品。

(4)結合現(xiàn)場實際，采用小直徑煤泥重介質(zhì)旋流器進行分選，可取得產(chǎn)率為27.90%、灰分為11.83%的精煤產(chǎn)品。