煤泥浮選效果影響因素研究

賈 斌

(中國(guó)煤礦機(jī)械裝備有限責(zé)任公司，北京 100011)

煤炭屬于非可再生資源，經(jīng)過幾十年大規(guī)模開采，我國(guó)優(yōu)質(zhì)煤炭資源存儲(chǔ)量大幅下降，煤炭經(jīng)濟(jì)下滑，同時(shí)機(jī)械化程度越來越高，在開采過程中產(chǎn)生大量煤泥，粉煤的含量一般占到原煤量的10%～30%之間。隨著選煤廠粉煤產(chǎn)量越來越多，煤泥浮選的地位就越來越重要。從目前煤炭技術(shù)發(fā)展成果來看，煤泥浮選是處理這部分煤泥最高效、最經(jīng)濟(jì)的煤泥分選方法[1]，在國(guó)外內(nèi)各選煤廠得到廣泛應(yīng)用。

煤炭燃燒過程中各種元素以氧化物的形式釋放出來，同時(shí)生成煤塵造成環(huán)境污染。在整個(gè)煤泥浮選過程中，煤泥浮選效果除了受到煤泥自身性質(zhì)的影響外，還受到煤泥預(yù)處理方式、浮選藥劑、藥劑用量、浮選設(shè)備、浮礦漿濃度、浮選工藝等因素的影響。因此，通過了解浮選原理及對(duì)煤泥浮選主要影響因素進(jìn)行分析，深入研究各因素間的相互作用規(guī)律，達(dá)到優(yōu)化煤泥浮選工藝參數(shù)、提高浮選效率的目的，進(jìn)而降低煤炭中的灰分和提高精煤質(zhì)量，對(duì)保護(hù)環(huán)境和提高經(jīng)濟(jì)效益有重要意義[2]。

1 煤泥浮選概述

煤泥浮選是根據(jù)煤粒與矸石顆粒表面物理化學(xué)性質(zhì)(水潤(rùn)濕性)的不同而進(jìn)行的比較錯(cuò)綜復(fù)雜的分選工藝過程。煤泥浮選首先將煤泥以礦漿形式加入攪拌設(shè)備，同時(shí)加入一定比例的浮選藥劑進(jìn)行攪拌，攪拌后的煤泥經(jīng)預(yù)處理后進(jìn)入浮選設(shè)備，在浮選設(shè)備的作用下，浮選過程中產(chǎn)生大量的氣泡，疏水性較好的煤粒黏附在氣泡上，隨著氣泡進(jìn)入礦化泡沫層，被刮泡器刮取后成為精煤，而親水性好的矸石、灰分等留在泥漿中成為尾煤，實(shí)現(xiàn)煤與矸石、灰分的有效分離。

2 煤泥浮選效果影響因素

2.1 煤泥性質(zhì)對(duì)浮選效果的影響

煤是億萬年前植物遺體在地下經(jīng)過復(fù)雜的物理化學(xué)變化沉積成的高分子有機(jī)質(zhì)和多種礦物質(zhì)組成的固體可燃混合物，其成分具有明顯的不均勻性。經(jīng)過時(shí)間的演變，不同時(shí)期的煤風(fēng)化程度有較大不同，造成煤泥表面性質(zhì)差異很大。煤泥性質(zhì)是煤泥可浮性的決定性因素，研究煤泥性質(zhì)對(duì)提高煤泥浮選效果具有重要意義。從煤泥性質(zhì)方面分析，影響煤泥可浮性的因素主要有煤泥氧化程度、煤泥變質(zhì)程度和煤泥粒徑等[3]。

(1)煤泥氧化程度對(duì)浮選效果的影響。煤泥表面很容易被氧化，主要存在2種氧化方式：①煤風(fēng)化過程被氧化；②水浸泡過程被氧化。煤泥氧化過程伴隨著結(jié)構(gòu)復(fù)雜的有機(jī)質(zhì)降解，在煤泥氧化初期，表面主要進(jìn)行物理吸附以提高煤粒的疏水性。隨著氧化程度加深，煤泥中含氧量增加，含碳量和含氫量降低，煤粒表面主要發(fā)生化學(xué)吸附導(dǎo)致疏水性降低，可浮性變差。當(dāng)煤泥表面氧化程度較嚴(yán)重時(shí)，煤泥表現(xiàn)出與無機(jī)礦物質(zhì)一樣的親水性，造成浮選時(shí)精煤產(chǎn)率下降。為實(shí)現(xiàn)氧化煤粒與矸石的分離，這時(shí)煤泥中需要添加OC系添加劑，促進(jìn)捕收劑油滴的擴(kuò)散，增加油滴與煤粒接觸可能性，從而改善浮選的選擇性。添加劑可與氧化煤中的多種含氧官能團(tuán)結(jié)合，增加煤粒表面的接觸角，提升煤泥的疏水性，提高煤粒的可浮性。另外，煤粒在水中的氧化程度比在空氣中更為劇烈，為降低煤泥氧化程度對(duì)煤泥可浮性的影響，應(yīng)避免煤泥長(zhǎng)時(shí)間在空氣中暴露及水中浸泡[4]。

(2)煤泥變質(zhì)程度對(duì)浮選效果的影響。煤泥變質(zhì)程度不同影響煤粒表面接觸角，煤泥疏水性可通過其表面接觸角進(jìn)行表征。煤泥表面接觸角越大，其表現(xiàn)出疏水性越強(qiáng)，進(jìn)而煤?？筛⌒栽胶?；反之，煤?？筛⌒栽讲?。根據(jù)煤的變質(zhì)程度從低到高可將煤分為褐煤、長(zhǎng)焰煤、不粘煤、氣煤、肥煤、焦煤、瘦煤、貧煤、無煙煤等。中等變質(zhì)程度的焦煤接觸角相對(duì)較大，表現(xiàn)出良好疏水性，其可浮性表現(xiàn)最好。另外，煤泥的可浮性也與其表面孔隙率相關(guān)，孔隙率越大，疏水性越差。因此，貧煤和無煙煤的接觸角雖大，但其孔隙發(fā)達(dá)，可浮性表現(xiàn)較差，需要更多的浮選藥劑來提升疏水性[5]。

(3)煤泥粒徑對(duì)浮選效果的影響。在煤泥浮選過程中，煤泥粒徑是影響浮選效果的重要因素。煤粒粒徑較大或較小都會(huì)導(dǎo)致浮選產(chǎn)率降低，只有適宜的中等粒徑煤泥才具有較高的浮選產(chǎn)率。煤粒徑越小，其表面的物理化學(xué)性質(zhì)受粒徑的影響越大，越易附著在礦化氣泡表面造成泡沫發(fā)黏，導(dǎo)致浮選的選擇性變差，進(jìn)而導(dǎo)致精煤灰分升高，降低精煤質(zhì)量。在煤粒密度一定的條件下，煤粒粒徑越大其在水中受重力影響就越大，當(dāng)重力大于黏附力時(shí)，受到漩渦離心力的作用即使被氣泡黏浮著，也易從氣泡上脫落。因此，在工藝條件一定時(shí)，煤粒粒徑差異可導(dǎo)致煤泥浮選產(chǎn)率不同，通常煤泥粒徑在0.074～0.500 mm可實(shí)現(xiàn)較高的浮選產(chǎn)率。另外，煤粒表面幾何形狀也對(duì)煤泥浮選效果有一定影響，當(dāng)煤粒表面呈球形時(shí)，其難以破壞水化層，附著能力降低；當(dāng)煤粒表面不規(guī)則時(shí)，其易破壞水化層，進(jìn)而煤粒易在氣泡表面接觸附著。煤泥浮選過程中，應(yīng)避免煤泥長(zhǎng)時(shí)間攪拌，磨損煤粒表面棱角而影響其可浮性[4]。譚佳琨等[6]研究了不同粒度煤炭顆粒對(duì)浮選產(chǎn)率和灰分的影響，研究表明粗顆粒的浮選精煤過程中，在加入細(xì)顆粒后，浮選產(chǎn)率提高30%，且精煤灰分基本保持不變，但粗顆粒加入會(huì)導(dǎo)致細(xì)顆粒精煤灰分升高。

2.2 煤泥預(yù)處理方式對(duì)浮選效果的影響

(1)煤漿預(yù)處理對(duì)浮選效果的影響。煤漿預(yù)處理是提升煤泥浮選效果的選煤工藝中非常重要的環(huán)節(jié)，其作用不僅是發(fā)揮浮選機(jī)良好性能，使物料得到均勻攪拌，同時(shí)也在高剪切力作用下引起液流強(qiáng)湍流運(yùn)動(dòng)，使浮選藥劑和團(tuán)聚煤顆粒均勻分散，提高其與煤泥顆粒的碰撞與吸附機(jī)會(huì)，為煤泥的浮選工作做好準(zhǔn)備。目前，國(guó)內(nèi)外研究人員已經(jīng)認(rèn)識(shí)到煤漿預(yù)處理對(duì)提高煤泥浮選效果的重要性，相繼開發(fā)出一些提高煤漿預(yù)處理工藝效果的煤漿預(yù)處理設(shè)備，如霧化—跌落式煤漿預(yù)處理器、射流預(yù)礦化器、PS系列煤漿預(yù)處理器、表面改質(zhì)機(jī)等[7]。煤漿預(yù)處理已廣泛應(yīng)用于微細(xì)粒度煤泥浮選工作中。隨著科學(xué)技術(shù)不斷更新，煤漿預(yù)處理器逐漸向著節(jié)能減排、大型化、自動(dòng)化、系統(tǒng)化方向發(fā)展。

(2)超聲波預(yù)處理對(duì)浮選效果的影響。隨著超聲波技術(shù)快速提升，尤其是高功率超聲波的應(yīng)用，利用超聲空化作為動(dòng)力，促進(jìn)了超聲波技術(shù)在煤泥浮選應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展。超聲波空化作用可產(chǎn)生沖擊波和微射流，在其界面之間形成強(qiáng)烈的機(jī)械攪拌效應(yīng)。因此，超聲波預(yù)處理可顯著提高煤漿中浮選藥劑的分散性和活性，目前已成為提升浮選效果的重要預(yù)處理方式。超聲波預(yù)處理影響煤漿特性，使煤漿含氧量減少，提高其可浮性；超聲波預(yù)處理可有效清洗煤泥表面黏附的細(xì)小灰塵及礦物，同時(shí)使浮選藥劑分散更加均勻，粒徑變小50%左右，使其更容易吸附在煤粒表面，相同體積浮選藥劑有效吸附面積增大，煤泥表面藥劑吸附量降低，減少藥劑用量，節(jié)約浮選成本。超聲波預(yù)處理使礦漿中的微氣泡核在聲場(chǎng)作用下析出，導(dǎo)致煤粒表面產(chǎn)生許多微氣泡利于氣泡礦化，提高煤泥可浮性。唐超[8]研究了超聲波預(yù)處理對(duì)煤泥浮選效果的影響，研究表明超聲波預(yù)處理可以有效改善煤泥表面性質(zhì)，減少煤表面的含氧官能團(tuán)及增大煤泥接觸角，使煤泥表現(xiàn)出更好的可浮性。李俊龍[9]研究超聲波預(yù)處理時(shí)間對(duì)浮選效果的影響發(fā)現(xiàn)，合適的超聲波處理時(shí)間，可降低煤漿中的氧含量、升高煤漿中的pH值，最終得到灰分較小的純煤產(chǎn)率達(dá)27.85%。

(3)磨礦預(yù)處理對(duì)浮選效果的影響。磨礦預(yù)處理是改善難浮選煤泥表面性質(zhì)、提高浮選效果的重要煤泥預(yù)處理技術(shù)。磨礦預(yù)處理利用物理破碎作用，不僅使煤粒表面的無機(jī)質(zhì)與有機(jī)質(zhì)解離、氧化層剝離，提高其可浮性，而且有利于降低精煤中灰分。夏文成等[10]研究磨礦預(yù)處理對(duì)不同氧化程度的煤泥的影響表明，磨礦預(yù)處理使煤粒表面疏水官能團(tuán)含量增加，親水官能團(tuán)的含量減少，增強(qiáng)煤泥的浮選效果；不同氧化程度的煤泥，氧化程度越深，需要較長(zhǎng)研磨的時(shí)間才可達(dá)到最佳浮選回收效果。但是，過度磨礦不僅使能量消耗增加，浪費(fèi)資源，同時(shí)導(dǎo)致煤泥中的煤粒粒度過小，反而降低煤泥的浮選效率[11-12]。

2.3 藥劑制度對(duì)煤泥浮選效果的影響

藥劑制度是影響煤泥浮選效果的關(guān)鍵因素。煤炭資源經(jīng)過幾十年機(jī)械化開采，優(yōu)質(zhì)煤礦的存儲(chǔ)量減少，同時(shí)煤泥含量相對(duì)增大、煤泥可浮性變差等因素，導(dǎo)致煤泥浮選成本增加。原有藥劑制度已不能滿足現(xiàn)有浮選工藝要求，由此制定高性能、高效率的浮選藥劑制度成為提高浮選效率的有效手段。目前國(guó)內(nèi)外已得到廣泛應(yīng)用的浮選藥劑種類繁多，主要浮選藥劑可分為捕收劑、起泡劑和調(diào)整劑[13]。

(1)捕收劑對(duì)浮選效果的影響。捕收劑是煤泥浮選重要的浮選藥劑，通常選用水中的溶解度極小、疏水性好的非極性烴類化合物。其作用是通過親固基團(tuán)吸附在煤粒表面，疏水基團(tuán)朝向水，提高煤粒表面的疏水性，并使其牢固吸附在氣泡表面而上浮。常用捕收劑有煤油、輕柴油、天然氣冷凝液及人工合成的非極性烴類油等[14]。天然氣冷凝油主要應(yīng)用于我國(guó)西南地區(qū)的選煤廠。捕收劑的浮選效果主要受到捕收劑種類、用量、煤質(zhì)等因素的影響。目前應(yīng)用的傳統(tǒng)煤泥捕收劑存在消耗量大、選擇性弱及分散性差等缺點(diǎn)。煤油、輕柴油是非可再生資源，屬于短缺物資。選用穩(wěn)定性好、價(jià)格低廉的化工副產(chǎn)品代替石油作為捕收劑，進(jìn)而減少石油用量，降低生產(chǎn)成本，成為煤泥浮選捕收劑的發(fā)展趨勢(shì)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者從未停止過對(duì)新型捕收劑的研究，已合成多種新型捕收劑應(yīng)用于生產(chǎn)，如WL乳化型捕收劑由油、水、乳化劑及助乳化劑以一定比例混合而成，其在水中分散性強(qiáng)，與煤油捕收劑相比，在浮選效果不變的情況下，其成本更低[12]。

在煤泥浮選的過程中，捕收劑的用量影響精煤產(chǎn)率和質(zhì)量。精煤產(chǎn)率會(huì)隨捕收劑用量的增加而增加，但選擇性減弱，精煤灰分隨捕收劑用量的增加先減小后增加[15]。但煤油用量過大導(dǎo)致泡沫層致密、發(fā)黏、不易流動(dòng)，有明顯的消泡作用，精礦易脫水，尾煤水存在大顆粒煤，不利于浮選。煤質(zhì)影響捕收劑的消耗量，氧化程度高、變質(zhì)程度低的煤由于疏水性差導(dǎo)致藥劑消耗量較大[16]。

(2)起泡劑對(duì)浮選效果的影響。起泡劑是一種分子結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜具有起泡作用的異極性表面活性劑，由親水的極性基和親氣的非極性基2部分組成。起泡劑能夠在煤漿表面形成穩(wěn)定的泡沫層，實(shí)現(xiàn)煤泥的有效分離，主要是由于其易吸附在氣液界面，能有效降低水表面張力，增加空氣在煤漿中的溶解度及彌散程度，誘使空氣在煤漿中形成適合浮選的穩(wěn)定氣泡[17]。根據(jù)起泡劑的來源，常用的起泡劑包括天然起泡劑、工業(yè)副產(chǎn)品起泡劑和人工合成起泡劑。①天然起泡劑應(yīng)用廣泛的是松醇油，但天然起泡劑存在泡沫易碎、流動(dòng)性差等缺點(diǎn)，逐漸被人工合成起泡劑所替代。②工業(yè)副產(chǎn)品起泡劑主要包括GF油、雜醇等，其中GF油起泡能力強(qiáng)、泡沫穩(wěn)定性、選擇性較好、用量少，被我國(guó)選煤廠青睞而得到廣泛應(yīng)用。榮令坤等[18]研究起泡劑對(duì)浮選效果影響發(fā)現(xiàn)，在相同起泡劑的作用下，GF油可使精煤產(chǎn)率高且灰分低。人工合成起泡劑主要包括合成醇類起泡劑、HC型起泡劑、X-316起泡劑等。③人工合成起泡劑具有起泡性能較強(qiáng)、浮選速度快、用量小、泡沫多、易破碎、易過濾等優(yōu)點(diǎn)，被選煤廠浮選生產(chǎn)中廣泛使用。

(3)調(diào)整劑對(duì)浮選效果的影響。我國(guó)煤資源種類多，煤質(zhì)情況相對(duì)復(fù)雜，存在浮選效果差、煤泥難浮選、精煤產(chǎn)率低的情況。在煤泥浮選時(shí)，捕收劑和起泡劑本身不能滿足浮選要求，需要在其中添加一些調(diào)整劑，輔助降低浮選藥劑用量，改善煤泥浮選效果，提高浮選效率和浮選速度。常用調(diào)整劑有pH值調(diào)整劑、乳化劑、分散劑、絮凝劑等。pH值調(diào)整劑主要調(diào)整煤漿pH值在一定范圍內(nèi)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)浮選藥劑用量最少、性能最優(yōu)的目的。乳化劑主要對(duì)煤油、柴油等捕收劑進(jìn)行乳化，使其充分?jǐn)U散，增加與煤顆粒的接觸機(jī)會(huì)，更好發(fā)揮捕收劑的藥效，減少其消耗，提高浮選效率和浮選質(zhì)量。分散劑主要增強(qiáng)煤顆粒表面電負(fù)性，進(jìn)而增加它們之間的排斥力，使煤漿中煤粒充分分散，防止其團(tuán)聚[13]。絮凝劑主要加速沉降浮選尾煤泥水中的懸浮顆粒。

2.4 浮選工藝對(duì)煤泥浮選效果的影響

煤泥浮選工藝方案受到煤泥本身可浮性、浮選設(shè)備性能及產(chǎn)品質(zhì)量要求等因素的影響。因此，各選煤廠所用的浮選工藝存在一定的差異性。煤泥浮選工藝制定主要通過試驗(yàn)獲取表征煤泥可浮性的資料，依據(jù)煤泥浮選速度及可浮性曲線，評(píng)定煤泥的可浮性等級(jí)，進(jìn)而對(duì)浮選工藝流程進(jìn)行選擇和制定。對(duì)于可浮性較好的煤泥，一般采用一次煤泥浮選工藝流程。對(duì)于可浮性難浮的煤泥，浮選初期精煤灰分較高，需要選用二次浮選工藝[19-20]。

3 結(jié)語

隨著煤炭工業(yè)向著機(jī)械化、自動(dòng)化、集約化、大型化方向發(fā)展，對(duì)原有選煤廠進(jìn)行升級(jí)改造，適應(yīng)市場(chǎng)發(fā)展需求是選煤工業(yè)發(fā)展到一定階段的顯著特征。同時(shí)煤炭資源開采程度逐漸加深，煤泥浮選是受到煤泥性質(zhì)、預(yù)處理方式、藥劑制度、浮選工藝流程等因素的綜合影響，并經(jīng)過極其復(fù)雜的物理化學(xué)變化進(jìn)而實(shí)現(xiàn)分選的過程。只有全面深入了解各因素對(duì)浮選效果的影響，并掌握其內(nèi)在聯(lián)系，找到各影響因素的最佳配合方式，才能在實(shí)際生產(chǎn)過程中采取必要措施獲得較高浮選效率，進(jìn)而提高煤炭經(jīng)濟(jì)效益，使煤泥浮選技術(shù)向著綠色環(huán)保、消耗低、成本低、高效化方向發(fā)展。