低阶煤反浮选试验研究

李永改 陈建中 沈丽娟

(中国矿业大学化工学院,江苏省徐州市,221116)

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低阶煤反浮选试验研究

李永改 陈建中 沈丽娟

(中国矿业大学化工学院,江苏省徐州市,221116)

本文用扫描电子显微镜(SEM)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)等表面分析方法对次烟煤的赋存状态和表面官能团进行了表征分析,并用纯煤进行了正浮选试验,试验结果表明,在消耗大量油类捕收剂的情况下,回收率仍然很低。用两种不同的脉石矿物石英、高岭石和次烟煤混合作为浮选入料进行反浮选试验,研究了捕收剂种类和药剂量对反浮选效果的影响。3种阳离子捕收剂对石英的分选效果要比高岭石好,Lilaflot D817M相对其他两种药剂有更好的选择性。因此,在合适的条件下,反浮选是一种可供选择的分选低阶煤的方法。

次烟煤 反浮选 扫面电子显微镜 傅里叶变换红外光谱 阳离子捕收剂

浮选是一种基于矿物表面性质差异的分选方法。通常情况下低阶煤很难用传统的浮选方法进行分选,因为低阶煤表面有亲水性的含氧官能团,如羟基(-OH)、羧基(-COOH)、羰基(C＝O)等,降低了低阶煤的可浮性。相对于高阶煤来说,低阶煤浮选需要消耗更多的捕收剂。很多研究者做了一些工作来提高低阶煤的可浮性,比如,用不同的表面活性剂进行预处理、低温处理、微波处理等;电解质也会被加入到矿浆中来,将煤表面的Zeta电位从负变正,降低煤表面的负电性,从而提高可燃体回收率;新型捕收剂和复合捕收剂也可以提高精煤的回收率,降低精煤的灰分。和传统浮选相比,反浮选过程是利用低阶煤的亲水性特点,对脉石矿物进行浮选同时对煤进行抑制。本研究主要通过扫描电子显微镜(SEM)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)对次烟煤进行表征分析,采用不同脉石矿物(石英和高岭石)和次烟煤的混合物作为浮选入料,讨论了捕收剂种类和药剂量对反浮选效果的影响。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

次烟煤来源于美国皮博迪能源公司,煤样破碎到浮选入料(-200μm)粒度大小。其工业分析指标如下：水分Mad为27.72%,灰分Aad为8.81%,挥发分Vdaf为46.62%,固定碳含量FCdaf为53.38%,硫含量St为0.72%。煤样粒度组成见表1。

表1 煤样粒度组成

由表1可以看出,煤样灰分较低,为8.81%。随着粒度的降低,煤样灰分逐渐升高,煤样灰分较低,为8.81%。主导粒级(＜38μm)灰分为11.3%。本研究中所用的石英和高岭石接近纯矿物,磨矿后的石英和高岭石的粒度分布如图1所示。

图1 石英和高岭石的粒度组成

由图1可以看出,石英和高岭石的粒度偏细,因为实际煤中的脉石矿物一般也是属于微细颗粒,多存在于细粒级中。而粘土矿物又很容易泥化,所以一般情况下,粘土矿物的颗粒相对石英较粗。石英的粒度组成为：10%：1.52μm,50%：7.03 μm,90%：25.44μm,平均粒度为10.42μm。高岭石的粒度组成为：10%：0.76μm,50%：3.09 μm,90%：9.2μm,平均粒度组成为4.1μm。

1.2 化学试剂

复合药剂Lilaflot D817M和Lilaflot 811来自AKZO NOBEL公司,十二烷基三甲基溴化铵(DTAB)来自SIGMA公司,都被用作反浮选过程中的捕收剂。来自Fisher Scientific的糊精被用作煤的抑制剂,试验中所用捕收剂和抑制剂均为用去离子水配置的1%的溶液。甲基异丁基甲醇用作起泡剂。

1.3 试验方法

反浮选试验是在1 L的丹佛浮选槽中进行,在自然p H下,通气量开到最大。矿浆浓度为40 g/l,调浆速度为1000 rpm,起泡剂用量为20 ppm,抑制剂用量为2 kg/t。反浮选试验过程采用零调浆方法。调浆3 min后,添加抑制剂,搅拌3 min,然后加入起泡剂,搅拌1 min,最后加入捕收剂,加入的同时打开气阀,浮选过程也立即开始,刮泡时间为5 min。反浮选过程的精煤(槽底产品)和尾煤(泡沫产品)在收集、干燥并称重后用来计算可燃体回收率和反浮选分选效率。可燃体回收率用式(1)计算,分选效率用式(2)计算：

式中：RC——可燃体回收率,%;

MC——精煤重量,g;

AC——精煤灰分,%;

MF——入料重量,g;

AF——入料灰分,%;

η——反浮选分选效率,%。

来自NEXUS公司的傅里叶变换红外光谱用来分析次烟煤的表面官能团。一种场发射扫描电镜(HITACHITM,S-4300)被用来分析次烟煤的形态和微观结构。

2 试验结果和讨论

2.1 SEM分析

次烟煤在扫描电子显微镜下的形态和微观结构如图2所示。由图2可知,次烟煤的空间结构非常松散,表面粗糙不平,有一些沟壑和孔隙,这些可以导致很高的孔隙率和比表面积。孔隙的存在会影响煤的吸附能力,孔隙中会吸附一些水分,导致煤的水化程度会升高,从而提高煤表面的亲水性,降低次烟煤的可浮性。

图2 次烟煤的扫描电镜照片

2.2 FTIR分析

次烟煤的红外光谱如图3所示。由图3可以看出,波数在3342 cm-1处为-OH的吸收峰,波数为1605 cm-1为COOH的吸收峰,波数在1150 cm-1和1380 cm-1之间是含氧苯基中的C-O和O -H的吸收峰。波数为1605 cm-1处为COOH的吸收峰,波数为1699 cm-1处为不饱和键C＝C的吸收峰,其不存在于烟煤中,只存在于低阶煤中。由此可见,次烟煤表面含有较多的含氧官能团,如-OH、-COOH、C＝O等,这些亲水性官能团的存在降低了煤颗粒表面的疏水性,增加浮选难度。

图3 次烟煤的FTIR谱图

2.3 正浮选试验结果

传统浮选分选次烟煤的试验结果见表2。由表2可以看出,随着柴油用量的增加,次烟煤的回收率逐渐增加,但一直较低,当柴油的用量为10 kg/t时,回收率仅为39.71%。因为煤的表面亲水性比较强,很难轻易吸附柴油,这与前面的SEM和FTIR分析一致。因此,接下来采取反浮选的方法对次烟煤和脉石矿物的混合物进行分选。

表2 次烟煤传统浮选试验结果

2.4 反浮选试验结果

一般来说,石英和高岭石常用的阳离子捕收剂主要是胺类和铵盐。在本研究中,Lilaflot D817M、Lilaflot 811和DTAB3种不同种类的阳离子捕收剂被用来作为反浮选中的捕收剂。这3种不同的捕收剂在不同药剂用量情况下对次烟煤—石英混合物反浮选效果的影响如图4所示。

图4 捕收剂种类和用量对次烟煤-石英混合物反浮选可燃体回收率和灰分的影响

由图4可以看出,捕收剂用量分别为1 kg/t、 2 kg/t、3 kg/t、4 kg/t。当使用DTAB时,可燃体的回收率比其他两种药剂偏高。这可能是由于在浮选的过程中,次烟煤表面为负电性,很容易吸附带正电的阳离子捕收剂,从而随着泡沫被浮选出, DTAB的正电性没有其他两种药剂强,所以煤与其吸附作用不强,致使更多的煤留在浮选槽中,因此可燃体回收率相对其他两种药剂较高。随着药剂量的增加,精煤的灰分逐渐降低,因为更多的石英被浮出来。

不同捕收剂种类和用量对次烟煤-石英混合物反浮选分选效率的影响如图5所示。由图5可知,当捕收剂用量从1 kg/t增加到4 kg/t时,用DTAB作为捕收剂时的分选效率从9.86%增加到54.90%,用Lilaflot 811作为捕收剂时的分选效率从27.11%增加到67.43%,表明在在使用这2种药剂作为石英的捕收剂时,只有在高药剂用量(4 kg/t)时才能达到较好的反浮选效果。当用Lilaflot D817M作为捕收剂时,当药剂量从1 kg/t增加到2 kg/t时,反浮选分选效率从83%降到68.94%,此后随着药剂量的增大,分选效率先增加到71.32%,后稍微降低至70.75%。原因可能是随着捕收剂用量的增加,石英的回收率增加,煤炭颗粒由于与阳离子捕收剂产生静电吸附作用也随着被捕收,所以导致分选效率的变化。然而,在整个药剂范围内,Lilaflot D817M的分选效率始终要比其他2种药剂高出很多,表明Lilaflot D817M在次烟煤-石英混合物的反浮选试验中,有更好的选择性。综合各项浮选指标,当Lilaflot D817M用量为3 kg/t时,可以达到相对较好的反浮选效果。此时,精煤中可燃体回收率为86.75%,精煤灰分为8.42%,分选效率为71.32%。

图5 捕收剂种类和用量对次烟煤-高岭石混合物反浮选效果的影响

3种不同的捕收剂在不同药剂用量下对次烟煤—高岭石混合物反浮选效果的影响如图6所示。由图6可以看出,随着药剂量的增加,精煤中的可燃体回收率逐渐降低。其中,当用Lilaflot D817M作为捕收剂时,可燃体回收率变化最明显,从93.54%降到79.04%,而当用其他2种药剂时,可燃体回收率也逐渐降低,但变化不是很显著。这表明阳离子捕收剂Lilaflot D817M在反浮选的过程中与次烟煤颗粒产生了较强的静电吸附作用,药剂量增大导致精煤逐渐损失在泡沫产品中。同时,随着药剂量的增加,精煤的灰分也逐渐降低,表明高岭石被逐渐分选出来。但在研究范围内,用Lilaflot D817M时,精煤的灰分相对用其他2种药剂时偏低,表明Lilaflot D817M对高岭石的捕收能力相对其他2种药剂较强。

图6 捕收剂种类和用量对次烟煤-高岭石混合物反浮选可燃体回收率和灰分的影响

图7 捕收剂种类和用量对次烟煤-高岭石混合物反浮选分选效率的影响

捕收剂种类和用量对次烟煤-高岭石混合物反浮选分选效率的影响如图7所示。由图7可知,当药剂量增加时,3种药剂的分选效率也随之提高,但是Lilaflot D817M的分选效率相对其他两种很高,规律为Lilaflot D817M＞Lilaflot 811＞DTAB。当Lilaflot D817M用量为3 kg/t时,精煤中可燃体回收率为81.63%,精煤灰分为19.91%,分选效率为44.92%。对比3种药剂对2种不同入料的分选效果可以看出,在相同的药剂种类和药剂用量下,当脉石矿物为石英时,可以得到更高的回收率和分选效率,说明3种药剂对石英有更好的捕收效果。

3 结论

(1)低阶煤表面含有大量的含氧官能团,表面的孔隙也会增强水化程度,一般很难用传统的浮选方法进行分选。

(2)传统浮选中,药剂消耗量大,当柴油的用量为10 kg/t时,可燃体回收率仅为37.5%。

(3)反浮选可以利用低阶煤的亲水性特点,相对传统的正浮选有一定的优势。经过试验研究发现, Lilaflot D817M相对其他2种药剂的分选效果较好, 3种药剂对石英的分选效果相对高岭石较好。

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(责任编辑 陶 赛)

Experiment research on reverse flotation of subbituminous coal

Li Yonggai,Chen Jianzhong,Shen Lijuan
(School of Chemical Engineering and Technology,China University of Mining and Technology,Xuzhou,Jiangsu 221116,China)

In this study,Scanning Electron Microscope(SEM)and Fourier Transform Infrared Spectroscopy(FTIR)were used to analyze the occurrence and functional groups of subbituminous coal.Pure subbituminous coal was involved in direct flotation experiment and the results showed that the recovery was still very low even with high dosage of oil collector.Quartz or kaolinite mixed with subbituminous coal was chosen as flotation feed to investigate the effect of kinds and dosages of collector on the performance of reverse flotation.The results indicated that all the three cationic collectors had better separation effect on quartz than kaolinite,and Lilaflot D817M has the best selectivity than the other two collectors.Therefore,reverse flotation is an alternative to seperate low-rank coal under appropriate conditions.

subbituminous coal,reverse flotation,SEM,FTIR,cationic collector

TD94

A

李永改(1989-),女,江苏徐州人,博士研究生,主要研究方向为矿物加工理论与工艺。