微細(xì)粒煤分選技術(shù)研究進(jìn)展

宇文超，王春耀，朱述川，王 超，王自祥，許文波

(1.兗礦集團(tuán) 潔凈煤技術(shù)工程研究中心；2.兗礦科技有限公司；3.兗州煤業(yè)股份有限公司，山東 鄒城 273500)

煤炭作為不可再生能源，在我國國民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮著重要作用。自19世紀(jì)80年代第一座煤礦創(chuàng)辦以來，我國煤炭工業(yè)經(jīng)歷近一個半世紀(jì)的高速發(fā)展。如今我國的煤炭工業(yè)已在基礎(chǔ)理論、技術(shù)創(chuàng)新、頂層布局等方面取得了重要突破，煤炭智能無人化開采和煤炭洗選技術(shù)成績顯著[1]。隨著煤炭開采自動化程度的提高，加之煤層地質(zhì)條件的惡化，微細(xì)粒煤泥的產(chǎn)量也不斷攀升。

對于細(xì)粒與微細(xì)粒煤顆粒的定義目前還沒有統(tǒng)一界定，但一般認(rèn)為粒徑小于6 mm的煤顆粒為細(xì)粒煤，粒徑小于250 μm的煤顆粒為微細(xì)粒煤[2]。微細(xì)粒煤泥不僅具有質(zhì)量小、比表面積大、難以沉降等特點(diǎn)，并且常伴有大量親水性的礦物質(zhì)顆粒，加劇了分離難度。采用傳統(tǒng)的煤炭洗選方法，如水力跳汰、重介旋流器和浮選等難以對這些微細(xì)粒煤泥進(jìn)行高效分選[3-7]，造成了大量煤炭資源浪費(fèi)和生態(tài)環(huán)境污染，這不僅無法實(shí)現(xiàn)煤炭資源的高效清潔利用，也有悖于綠色經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)發(fā)展理念。

1 微細(xì)粒煤分選方法

按照常規(guī)選礦方法分類，煤炭分選可分為物理法、化學(xué)法、物理化學(xué)法和生物法。物理法主要包括重力分選(濕法和干法)、電選和磁選等；物理化學(xué)法又稱浮選法，是利用煤與礦物質(zhì)顆粒表面物理、化學(xué)性質(zhì)的差異，從水的懸浮體中浮出煤顆粒的過程；生物法和化學(xué)法是指采用微生物或化學(xué)浸出的方法實(shí)現(xiàn)煤與礦物質(zhì)分離的過程[8]。這些常規(guī)分選方法在被應(yīng)用于微細(xì)粒煤泥分選時，分選效果顯著下降，甚至失去分選效果，暴露出了其在微細(xì)粒分選應(yīng)用中的局限性。如在使用重選法分選微細(xì)粒煤時，由于煤顆粒與礦物顆粒質(zhì)量小，顆粒按密度分層效果嚴(yán)重惡化，導(dǎo)致無法實(shí)現(xiàn)有效分離。由于微細(xì)粒礦漿中煤顆粒與礦物質(zhì)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)較好的解離，更有利于采用浮選方法進(jìn)行回收，但微細(xì)粒顆粒的 “繞流效應(yīng)”也造成了顆?！?dú)馀蓍g的碰撞、粘附概率降低，浮選回收率下降等問題。

為解決微細(xì)粒煤的回收難題，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究，總結(jié)來看主要可分為以下幾個方面：① 通過改善或強(qiáng)化煤與礦物顆粒的受力差異，實(shí)現(xiàn)煤與礦物顆粒的有效分離，如增強(qiáng)型重力分離器；② 通過增大微細(xì)粒的表觀直徑，將微細(xì)粒分選轉(zhuǎn)變?yōu)槌Ｒ?guī)分選，改善“微粒效應(yīng)”引起的分選效率低、精度差等問題，如絮凝浮選、油團(tuán)聚浮選和載體浮選等；③ 強(qiáng)化顆粒表面性質(zhì)差異，提高選擇性，如根據(jù)煤顆粒與氣泡的匹配原理減小氣泡尺寸，增加氣泡對微細(xì)粒煤顆粒的選擇性，開發(fā)新型浮選藥劑，強(qiáng)化煤與礦物質(zhì)顆粒表面的疏水性差異，提高藥劑對微細(xì)粒煤顆粒的選擇性等[9，10]。

2 微細(xì)粒煤分選技術(shù)研究進(jìn)展

2.1 旋流分選技術(shù)

水介質(zhì)旋流器可作為浮選的替代設(shè)備，其分選原理是在離心力和重力的復(fù)合作用下實(shí)現(xiàn)煤與礦物質(zhì)的有效分離，礦漿以一定的速度沿入料口切向給入旋流器，在設(shè)備內(nèi)部做強(qiáng)旋流運(yùn)動，產(chǎn)生遠(yuǎn)大于重力的離心力，并在旋轉(zhuǎn)中心產(chǎn)生負(fù)壓。不同粒度和密度顆粒在隨礦漿運(yùn)動過程中受重力和強(qiáng)離心力的作用，粗而重的礦物顆粒被拋向旋流器筒壁，沿螺旋向下從沉砂口排出，細(xì)而輕的煤顆粒被吸入內(nèi)螺旋中心，向上從溢流管排出。

為探究水力旋流器對煤泥的分選下限，研究人員開展了大量的試驗(yàn)研究。樊民強(qiáng)等人[11]研究了新型水力旋流器在粗煤泥分選中的工業(yè)應(yīng)用，測試結(jié)果顯示，新型水介質(zhì)旋流器分選大于0.5 mm粒級煤泥時的不完善度I=0.16，分選25 ～ 500 μm細(xì)粒級煤泥的不完善度I=0.18，分選大于250 μm粒級數(shù)量效率94 %，分選下限可達(dá)125 μm。A.K.Majumder等人[12]對旋流器進(jìn)行的水動力學(xué)分析認(rèn)為，溢流管長度、溢流管直徑和錐角均會直接影響顆粒的平均停留時間，溢流管直徑是最敏感變量。由于在不同操作條件下旋流器產(chǎn)生的壓降都可能導(dǎo)致細(xì)粒物料從溢流口流出而不產(chǎn)生基于密度的分離現(xiàn)象，因此在處理微細(xì)粒煤泥時的分選效率會顯著下降。因此，水介質(zhì)旋流器在處理小于74 μm微細(xì)粒煤時，其處理性能主要取決于物料的灰分和相對比例。A Liu等人[13]采用向水力旋流器中注入空氣的方法研究了其對0 ～ 1 mm煤顆粒分選性能的影響，結(jié)果表明，注入空氣后的旋流器能夠?qū)Υ笥?25 μm的煤顆粒產(chǎn)生良好的分離效果。Sun等人[14]使用帶有三級錐體的旋流器進(jìn)行了高硫煤分選試驗(yàn)，結(jié)果顯示，該型號旋流器的脫灰和脫硫的粒度下限分別可達(dá)98 μm和45 μm。

2.2 增強(qiáng)型重力分選技術(shù)(EGS)

為了克服微細(xì)粒顆粒的弱重力效應(yīng)，研究人員開發(fā)了增強(qiáng)型重力分選技術(shù)(EGS)，增強(qiáng)型重力分離器通過機(jī)械作用產(chǎn)生遠(yuǎn)高于重力的離心場，從而強(qiáng)化微細(xì)粒顆粒物料的分選。在性能、分離效率和入料粒度方面優(yōu)于傳統(tǒng)的重力分離方法。常用的增強(qiáng)型重力分離設(shè)備有尼爾森選礦機(jī)、莫斯利多重重力分選機(jī)和Falcon離心選礦機(jī)和凱爾西跳汰機(jī)等。

陶有俊等人[15]對比了Falcon選礦機(jī)和浮選分布釋放試驗(yàn)對煤泥脫硫降灰的效果，結(jié)果認(rèn)為，F(xiàn)alcon分選機(jī)對細(xì)粒煤的脫硫效果優(yōu)于浮選。Mohanty和Yerri等人[16-18]的研究發(fā)現(xiàn)，凱爾西跳汰機(jī)對微細(xì)粒煤的分選效果優(yōu)于螺旋分選機(jī)和阿爾泰跳汰機(jī)等常規(guī)重選設(shè)備。凱爾西跳汰機(jī)可以替代傳統(tǒng)的重力分離器用于大于37 μm的微細(xì)粒煤泥分選，可燃回收率可達(dá)96.9%，分選效果良好。Uslu等人[19]采用尼爾森選礦機(jī)對小于106 μm、106 ～ 300 μm和300 ～ 500 μm氧化煤進(jìn)行了分選試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，尼爾森選礦機(jī)能夠起到良好的脫硫和降灰效果。Aksoy[20]采用多重力分選機(jī)對大于53 μm的微細(xì)粒煤泥進(jìn)行了分選試驗(yàn)，得到的精煤產(chǎn)品熱值為21.62 MJ/kg，可燃體回收率為83.62 %。

Boylu通過研究發(fā)現(xiàn)，固體濃度對分離效率的提高起著至關(guān)重要的作用，這是由于分離方式從基于粒度分離變?yōu)榱嘶诿芏确蛛x。表1是研究人員在不同的增強(qiáng)型重力分離器中進(jìn)行的微細(xì)粒煤泥分選試驗(yàn)對比情況。

表1 不同強(qiáng)化型重力分離器的分選結(jié)果對比

從表1中可以看出，凱爾西跳汰機(jī)分選效果最好，煤泥的可燃體回收率最高，其次分別為Falcon選礦機(jī)、多重力分離器和尼爾森選礦機(jī)。這是由于Falcon選礦機(jī)和尼爾森選礦機(jī)克服了固體濃度限制，處理能力得到提高，更適合于工業(yè)化應(yīng)用。EGS相比于傳統(tǒng)重力分選技術(shù)具有更低的分選粒度下限和分選精度，因此在處理傳統(tǒng)重力分選與浮選中間粒度微細(xì)粒顆粒方面具有不可比擬的優(yōu)勢。并且相比于浮選技術(shù)，EGS不需要添加化學(xué)藥劑，更具環(huán)保屬性。

2.3 靜電分選技術(shù)

微細(xì)粒煤與礦物顆粒的靜電分離是通過煤和礦物顆粒在不同類型的分離器中所表現(xiàn)的電性質(zhì)不同實(shí)現(xiàn)的。通常煤顆粒的導(dǎo)電性較差，干燥條件下，黃鐵礦顆粒的電阻率為107 Ωm，煤顆粒的電阻率約為1 014 Ωm。不同類型煤的電阻率有一定差異，水分和灰分均會影響電阻率的大小[21]。電選方法在工業(yè)上最早被應(yīng)用于谷物的分離，20世紀(jì)40年代開始被研究人員用于微細(xì)粒煤的分選。靜電分選中顆粒物料的帶電方式有電暈轟擊帶電、接觸/摩擦帶電和感應(yīng)帶電等，摩擦電選由于對細(xì)粒和微細(xì)粒分選具有較好的適應(yīng)性，獲得了廣泛研究。

最初，國外文獻(xiàn)報(bào)道的摩擦電選設(shè)備應(yīng)用于小于800 μm煤分選時，分選得到的精煤純度可達(dá)94.7 %，回收率高達(dá)88 %。后來，經(jīng)過意大利、加拿大日本等國家的技術(shù)開發(fā)，摩擦電選技術(shù)被成功應(yīng)用于20～30 μm微細(xì)粒礦物的分選。Soong等人[22]研究認(rèn)為，摩擦靜電分選能有效去除小于74 μm微細(xì)粒煤中的礦物顆粒。Yoon等人[23]認(rèn)為，62～350 μm是電選分離煤與礦物顆粒的最佳粒徑范圍。

國內(nèi)的靜電分選技術(shù)雖起步較晚，但也取得了豐碩的成果。早在2001年，陳清如等人[24]發(fā)表的文獻(xiàn)中就報(bào)道了我國研究人員通過前期探索和試驗(yàn)證明了摩擦電選技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)小于43 μm粒度的煤炭分選。后續(xù)研究人員又在粉煤灰和廢塑料分選領(lǐng)域開展了大量試驗(yàn)研究，均取得了不錯的分選效果[25-28]。近些年，國內(nèi)關(guān)于摩擦電選技術(shù)的研究主要集中于顆粒摩擦帶電過程的理論研究和微細(xì)粒煤改性強(qiáng)化電選試驗(yàn)研究[29-32]。

2.4 油團(tuán)聚分選技術(shù)

油團(tuán)聚分選又稱球團(tuán)聚分選，最早由加拿大國家研究委員會提出，其基本原理是：在礦漿中加入捕收劑使煤顆粒(目的礦物)疏水礦化，再加入非極性油使其在疏水顆粒表面鋪展形成“油橋”，使顆粒懸浮體的疏水聚團(tuán)行為得到強(qiáng)化，被非極性油覆蓋的細(xì)顆粒相互粘附形成聚團(tuán)，再通過常規(guī)浮選方法對其進(jìn)行分離回收。

礦粒的疏水聚團(tuán)是由于顆粒的表面疏水作用引起的，顆粒間的疏水作用能UHR計(jì)算公式如下：

式中，R為顆粒半徑，m；K1為系數(shù)；H為顆粒間距，m；h0為衰減長度，m。對于煤顆粒，當(dāng)顆粒間距小于20 ～ 30 nm時，疏水作用能將表現(xiàn)為強(qiáng)烈的吸引作用能。微細(xì)粒間的疏水相互作用表現(xiàn)為強(qiáng)吸引力，總相互作用能基本上由疏水相互作用能提供。因此，即使在高的 ζ電位條件下，疏水引力也能克服靜電排斥能，使疏水礦粒發(fā)生聚團(tuán)。

與泡沫浮選和EGS技術(shù)不同，油團(tuán)聚可以處理38 μm以下的低階煤和氧化煤[33]。并且，團(tuán)聚后的煤的粒徑顯著增加，回收率和熱值也明顯提高。劉杰等[34]研究了煤油、柴油以及兩者復(fù)配對微細(xì)粒煤泥(小于74 μm)脫水效果的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，油團(tuán)聚法在降低精煤灰分的同時具有較好的脫水效果。徐建平等人[35]將油團(tuán)聚法用于微細(xì)粒煤中黃鐵礦的脫除，在最佳試驗(yàn)條件下，精煤產(chǎn)率為84.01%，黃鐵礦脫除率可達(dá)73.12%。由于采用油團(tuán)聚浮選需要消耗大量的藥劑，導(dǎo)致生產(chǎn)成本較高。為降低藥劑成本，研究人員采用低劑量廢棄生物油進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果證實(shí)葵花籽油等生物油能夠替代燃料油、柴油、機(jī)油和煤油等進(jìn)行分選。表2為不同藥劑分選試驗(yàn)結(jié)果對比[36-38]。

表2 不同類型藥劑的分選試驗(yàn)對比

從以上結(jié)果可以看出，采用廢棄芥子油、亞麻籽油等生物油在低劑量條件下獲得了較高的脫灰效率，分選效果較好。這說明試驗(yàn)所用的油類比目前市場上使用的柴油具有更好的“疏水”性能。但是與傳統(tǒng)柴油相比，生物油的市場來源較少，且回收率也有待進(jìn)一步提高。

2.5 泡沫浮選技術(shù)

浮選方法是微細(xì)粒煤泥分選應(yīng)用最廣泛，技術(shù)最成熟的方法。浮選也是利用煤與礦物顆粒表面疏水性的不同進(jìn)行分離的技術(shù)。鑒于微細(xì)粒煤泥處理技術(shù)的日益發(fā)展和微細(xì)粒煤泥資源高效回收的迫切需求，國內(nèi)外科研工作者在微細(xì)粒浮選領(lǐng)域進(jìn)行了大量創(chuàng)新，開發(fā)了載體浮選、選擇性絮凝浮選、納米氣泡浮選等新工藝。

在理論研究方面，國內(nèi)外學(xué)者從動力學(xué)與熱力學(xué)兩方面展開了大量的工作。如，李國勝、卓啟明和李碩夫等從浮選動力學(xué)角度研究了浮選氣泡與煤顆粒的碰撞與黏附規(guī)律[39-41]。熱力學(xué)方面，研究人員針對靜電力、范德華力、水化力、疏水作用力以及EDLVO理論在微細(xì)粒礦物浮選體系中的應(yīng)用進(jìn)行了廣泛研究[42-46]。

在試驗(yàn)研究方面，雖然部分現(xiàn)有微細(xì)粒礦物分選技術(shù)已經(jīng)取得成功應(yīng)用，但是由于技術(shù)的局限性和微細(xì)粒礦物性質(zhì)的復(fù)雜性等問題，仍然存在浮選回收率低的問題。Zhou[47]和Xu[48]的研究結(jié)果認(rèn)為，通過高強(qiáng)度攪拌含有飽和空氣或二氧化碳的礦漿，能夠產(chǎn)生大量的納米氣泡，這些氣泡產(chǎn)生的“納米氣泡橋”作用，有利于增強(qiáng)顆粒間的相互作用。馮其明等的[49]研究認(rèn)為，納米氣泡能夠促進(jìn)煤炭顆粒粘結(jié)與氣泡礦化，有助于氣泡與顆粒間水化膜的脫水作用，還可以降低煤粒沉降速度，有利于煤粒上浮。Fan等[50]研究了納米氣泡對不同粒度、密度和可浮性煤樣浮選性能的影響，結(jié)果表明，納米氣泡能夠擴(kuò)大浮選粒度范圍，同時提高粗粒和微細(xì)粒煤的浮選速率常數(shù)和回收率。

Liu等[51]提出了在浮選中使用含油氣泡作為載體的概念，并開展了相關(guān)研究，認(rèn)為微細(xì)煤顆粒更容易附著在油性氣泡的疏水性表面。于偉[52]采用烴類油蒸發(fā)制造油氣并通入浮選柱氣泡發(fā)生器用于生成油泡，在此基礎(chǔ)上開展了低階煤的油泡浮選試驗(yàn)，結(jié)果表明，油泡對低階煤具有強(qiáng)捕收性和高選擇性，并且油泡浮選能夠有效降低工業(yè)浮選柱的捕收劑用量，增強(qiáng)浮選泡沫穩(wěn)定性，這一技術(shù)也為微細(xì)粒低階煤的資源化利用提供了新思路。

3 結(jié) 語

微細(xì)粒煤泥的典型特點(diǎn)是質(zhì)量小和比表面積大，這也是制約其分選效果的主要因素。EGS技術(shù)通過增強(qiáng)顆粒所受重力和離心力的方式強(qiáng)化微細(xì)粒煤與礦物的分離，已經(jīng)在分選精度和分選粒度方面展現(xiàn)出了一定的優(yōu)勢，尤其在浮選難以處理的微細(xì)粒氧化煤分選中，EGS技術(shù)展現(xiàn)了明顯的優(yōu)勢，但由于該技術(shù)需要依靠機(jī)械作用產(chǎn)生離心力，分選過程產(chǎn)生的能耗較高，后續(xù)應(yīng)在降低能耗和分選粒度下限方面繼續(xù)研究；油團(tuán)聚分選通過強(qiáng)化微細(xì)粒煤顆粒表面疏水作用和增大微細(xì)粒表觀粒徑的方法改善了微細(xì)粒煤的分選，但是該技術(shù)藥劑消耗較高，后續(xù)應(yīng)在新型藥劑探索方面進(jìn)行優(yōu)化，以降低分選成本；納米氣泡浮選通過優(yōu)化煤顆粒與氣泡的匹配原理，利用納米氣泡強(qiáng)化了浮選的粒度下限，是未來微細(xì)粒煤高效綜合利用的關(guān)鍵技術(shù)之一。

綜上，隨著煤炭開采中原生煤泥及洗選過程中次生煤泥的不斷增加，未來微細(xì)粒煤必將成為煤炭資源的主要來源之一，目前部分研究成果在工業(yè)化應(yīng)用中仍存在問題，因此繼續(xù)深入研究微細(xì)粒煤分選新工藝新技術(shù)是實(shí)現(xiàn)微細(xì)粒煤綜合利用的必經(jīng)之路。