长焰煤的载体浮选试验研究

2023-06-01耿鹏岳

煤炭科学技术 2023年4期

耿鹏岳

（中煤科工集团武汉设计研究院有限公司, 湖北武汉 430000）

0 引言

褐煤、长焰煤、弱黏煤等低阶煤占我国煤炭资源总量的50%以上[1-2]。随着焦煤、无烟煤等高阶煤资源的消耗，低阶煤在我国煤炭资源中具有十分重要的位置。但低阶煤热量较低，灰分较高且易碎，产生的煤泥量较大[3-5]。低阶煤煤泥会对环境产生污染且造成资源浪费。因此在工业使用前需对低阶煤进行提质与清洁利用，以减少资源的浪费和环境污染[6]。

浮选是利用煤与矸石表面疏水性的差异对精煤进行回收，是回收细粒煤和超细粒的有效方法[7-8]。但低阶煤表面存在较多的羧基、羟基等含氧官能团，且其孔隙较发达，阻碍了低阶煤表面与药剂的吸附，药剂用量较大，浮选效果差[9-11]。目前提高低阶煤的浮选性能主要分为2 个方面：①开发新的浮选药剂，如复配捕收剂，加入表面活性剂等[12-14]；②对颗粒表面进行处理[15-17]，如超声、微波、孔隙压缩等，提高低阶煤表面的疏水性，从而改善了低阶煤的浮选效果。针对低阶煤可浮性、浮选效果差的缺点，找出有效、切行的浮选方法对低阶煤资源的有效利用具有重大意义。

载体浮选是利用可浮性较好的矿粒作为载体，选择性的黏附细颗粒将其浮选出来的一种方法[18-19]。载体浮选分为自载体浮选和外加载体浮选[20]。自载体浮选为采用和自身性质相同的矿物作为载体[21]，张秀梅等[22]以浮选精煤作为自载体并经过4 次循环，使得浮选精煤产率提高了7.11%，灰分降低了1.14%。ZHANG 等[23]以粗粒聚苯乙烯作为载体对超细镍铁矿进行浮选，在中性pH 条件下，油酸钠捕收剂用量为8×10-4mol/L，聚苯乙烯载体用量为70 kg/t，在转速2 000 r/min 下，浮选回收率可以达到95.69%。朱阳戈等[24]利用自载体浮选工艺对攀枝花难处理微细粒钛铁矿实际矿物进行浮选，与细粒级矿物单独浮选相比，粒级0～20 μm 的矿物回收率提高了9.4%。

载体浮选应用于低阶煤浮选中尚处于探索阶段，近年来有学者也对此展开了相关研究。董世武等[25]采用炼焦厂的重选精煤作为载体，浮选低阶煤，结果表明：当载体粒级为0.5～0.25 mm 时，浮选效果更好，精煤产率提高了近14.00%，且载体回收率为98.92%，但未对载体提升低阶煤浮选效果的机理进行探究。

本次研究采用上海庙选煤厂的＜1.30 g/cm3无烟煤作为载体、陕西榆家梁选煤厂长焰煤作为浮选入料进行了载体浮选试验，并通过扫描电子显微镜（SEM）以及电子显微镜等现代分析技术，揭示了载体浮选对低阶煤浮选效果的提升机理。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

以陕西榆家梁的-0.2 mm 长焰煤为试验对象，灰分为26.94%，其粒度分析见表1。从表1 中可以看出长焰煤的细粒级含量较多为49.65%，灰分也较高37.57%，这部分高灰细泥在浮选过程中容易造成细泥罩盖，使得浮选效果恶化。

表1 长焰煤粒度分析结果Table 1 Results of long flame coal size distribution

载体颗粒为内蒙古上海庙的无烟煤，通过浮沉试验分选出密度级为-1.30 g/cm-3的产品，并通过小筛分试验分为不同粒度级（0.5～0.25 mm、0.25～0.125 mm、0.125～0.074 mm、-0.074 mm）的载体，其灰分分别为3.59%、3.52%、4.41%和6.27%。对上海庙无烟煤和榆家梁长焰煤进行XRD 分析，结果如图1 所示。从图1 可以看出，长焰煤中主要存在的脉石矿物为石英和高岭土，无烟煤中主要存在的脉石矿物为高岭土，其中高岭土易造成细泥罩盖和机械夹带，使得浮选效果恶化，利用常规的浮选方法可能会使得浮选效果较差，所以需要对浮选过程强化。

图1 长焰煤及无烟煤XRD 图谱Fig.1 The result of XRD: of long flame coal and anthracite.

1.2 试验方法

1.2.1浮选方法

采用0.5 L 的XFD 机械搅拌式浮选机进行浮选试验。将不同浓度的矿浆放置在浮选槽中进行搅拌，搅拌时间为3 min，搅拌转速为1 800 r/min，搅拌后加入捕收剂（煤油），搅拌1 min 后加入起泡剂（仲辛醇），30 s 后打开充气阀门，进行刮泡，刮泡时间为3 min。对精煤和尾煤进行过滤，干燥和称重。浮选参数及药剂制度分别为：充气量0.25 m3/(m2·min)，起泡剂用量100 g/t，捕收剂的用量2 000～6 000 g/t，矿浆质量浓度30～60 g/L。

在载体浮选试验中，载体粒级选用0.5～0.25 mm、0.25～0.125 mm、0.125～0.074 mm 和-0.074 mm 的上海庙低灰精煤，载体比例为10∶1、10∶2、10∶3 和10∶4。试验过程中，先加入载体后加入矿浆进行搅拌3 min，后续试验步骤同上。

在0.5～0.25 mm 载体浮选试验中，对精煤和尾煤进行筛分，回收载体计算其回收率。

1.2.2 扫描电镜（SEM）分析

在转速为1 800 r/min、捕收剂用量为5 000 g/t和载体比例为10∶1 的条件下，分别配制浓度为40 g/L 的长焰煤及长焰煤+载体矿浆，将两者分别搅拌3 min 后，取出1 mL 进行烘干处理，对处理后的样品进行扫描电镜分析。采用日本电子JSM-7800(Prime)型原位超高分辨场发射扫描电子显微镜对处理后的絮凝体进行测定，分析细粒煤泥与载体之间的粘附关系。测试参数为：加速电压15.00 kV，工作距离10.00 mm，压力5.0×10-4Pa。

1.2.3 絮凝体图像分析

矿浆进行调浆3 min 后，取出1 mL 矿浆用去离子水将其稀释100 倍后放入培养皿中，采用带有长镜头的佳能600 D 单反相机进行絮凝体图像拍摄。观察加入载体前后细粒级长焰煤絮凝体的变化规律，探究载体浮选的机理。

2 试验结果及分析

2.1 常规浮选试验结果分析

2.1.1 捕收剂用量对常规浮选结果的影响

在矿浆浓度为40 g/L 的条件下，捕收剂用量选用2 000、3 000、4 000、5 000、6 000 g/t 对长焰煤进行常规浮选试验，探究在满足灰分要求（12%）下，长焰煤浮选中的最佳药剂用量，浮选结果如图2所示。

图2 药剂用量对长焰煤浮选的影响Fig.2 Effect of collector dosages on long flame coal flotation

由图2 可知，随着捕收剂用量的增加，精煤产率在不断增加，精煤灰分呈现出先减少后增加的趋势。当捕收剂用量为5 000 g/t 时，精煤产率为68.04%，精煤灰分为11.65%，当捕收剂用量为6 000 g/t 时，精煤产率为73.71%，精煤灰分达到12.15%，此时灰分超过12%，所以将捕收剂用量定为5 000 g/t。

2.1.2 矿浆浓度对常规浮选结果的影响

在药剂用量为5 000 g/t 的条件下，矿浆浓度选用30、40、50、60 g/L 对其进行常规浮选试验，试验结果如图3 所示。

图3 矿浆浓度对长焰煤浮选的影响Fig.3 Effect of pulp concentration on long flame coal flotation

由图3 可知，随着矿浆浓度的增加，精煤产率和灰分明显增加。当矿浆质量浓度为40 g/L 时，精煤产率为68.04%，精煤灰分为11.65%，当矿浆质量浓度为50 g/L 时，灰分达到12.30%，超过精煤灰分12.00%以下的指标，因此将矿浆浓度定为40 g/L。

2.2 载体浮选试验结果分析

2.2.1 载体粒级对载体浮选结果的影响

在常规浮选条件下，采用上海庙-1.3 g/cm3的无烟煤作为载体，载体粒级分别为0.5～0.25、0.25～0.125、0.125～0.074、-0.074 mm，载体比例为10∶1，对其进行载体浮选试验，其结果如图4 所示。

图4 载体粒级对长焰煤浮选的影响Fig.4 Effect of carrier size on long flame coal flotation

从图4 可知，随着载体粒颗粒粒级的逐渐减少，其精煤产率逐渐减少，当载体粒级范围为0.5～0.25 mm 时，其精煤产率为71.93%，精煤灰分为11.48%。与常规浮选对比，未加入载体时，其精煤产率为68.04%，精煤灰分为11.65%，加入载体后，精煤产率增加了3.89%，精煤灰分降低了0.17%，说明载体浮选可以有效提高浮选效果。

2.2.2 载体比例对载体浮选结果的影响

选用0.5～0.25 mm 粒级的载体，对载体比例进行探究，载体比例分别选为10∶1、10∶2、10∶3 和10∶4，在上述最佳条件下进行载体浮选试验，试验结果如图5 所示。

图5 载体质量比对长焰煤浮选的影响Fig.5 Effect of ratio of coal and carrier on long flame coal flotation

由图5 可知，当载体比例为10∶1 时，精煤产率为71.93%，精煤灰分为11.48%，当载体比例为10∶2、10∶3 和10∶4 时，精煤灰分均超过12%，因此载体比例为10∶1 时，长焰煤载体浮选效果更好。

2.2.3 载体回收率试验结果与分析

长焰煤的粒级范围为-0.2 mm，因此只对0.5～0.25 mm 粒级的载体进行筛分回收，计算其回收率。在载体浮选试验中，产率是去除掉载体的量的产率，载体的量为载体回收率试验中回收的载体的量，载体回收率的结果见表2。

表2 0.5～0.25 mm 粒级载体回收率结果Table 2 0.5-0.25 mm particle size carrier recovery result

精煤中的载体回收率为98.48%，尾煤中载体的回收率仅为1.52%，尾煤中含有较少的载体，精煤中载体可以得到有效回收。

2.2.4 煤泥粒级对载体浮选试验结果的影响

为了研究载体对于各粒级长焰煤浮选的作用效果，将原煤样品分别筛选为0.2～0.125 mm、0.125～0.074 mm、0.074～0.045 mm 和-0.045 mm，在载体粒径为0.5～0.25 mm、载体比例为10∶1 的条件下进行了载体浮选试验，并与常规浮选试验进行对比，其结果如图6 所示。

图6 载体浮选与常规浮选对不同粒级原煤的影响Fig.6 Effect of carrier flotation and conventional flotation on different size of raw coal

由图6 可知，加入载体后，各粒级长焰煤的浮选效果均有所提升，但-0.045 mm 长焰煤浮选效果的提升效果最为明显，在精煤灰分基本不变的情况下，其精煤产率从49.20%提高至58.51%。-0.045 mm 的细颗粒粘附在粗颗粒上，粗颗粒易浮，黏附在粗颗粒上的细颗粒随着粗颗粒一起被泡沫带上来。

2.3 载体浮选机理分析

2.3.1 扫描电镜结果分析

由3.2.4 结果可知，载体颗粒主要对-0.045 mm细泥的浮选效果提高较多，所以采用-0.045 mm 粒级的长焰煤进行探究其机理。对处理后的样品进行扫描电镜分析，结果如图7 所示。由图7 可知，未加入载体前，-0.045 mm 粒级未形成较大尺寸的絮体，而加入0.5～0.25 mm 载体后，-0.045 mm 粒级的煤泥粘附在粗颗粒载体上，使得-0.045 mm 可浮性较差的煤泥粘附在可浮性较好的粗粒载体上，且-0.045 mm粒级煤泥的絮体尺寸增大，可浮性较好的载体背负着可浮性较差的细泥，且-0.045 mm 絮体的尺寸增大，从而提高了长焰煤的浮选效果。

图7 扫描电镜结果Fig.7 The results of SEM

2.3.2 絮凝体图像分析

在转速为1 800 r/min、捕收剂用量为5 000 g/t和载体比例为10∶1 的条件下，分别配制浓度为40 g/L 的长焰煤（-0.045 mm）及长焰煤+载体（-0.045 mm+(0.2～0.125) mm）矿浆，将两者调浆3 min 后，分别取出1 mL，加入去离子水稀释100 倍后，观察絮体，其结果如图8 所示。从图8 及图7 中可以看出，在未加入载体时，-0.045 mm 粒级未出现明显的絮体，可以观察到，仍存在着分散的颗粒。加入载体后，可以明显的看出，分散的颗粒数量减少，絮体数量较多且尺寸较大。由此可以看出，长焰煤浮选效果的提高是由于细粒级长焰煤通过粘附在粗粒级载体上形成了大量的絮体，且絮团的尺寸增大，在浮选中能够更好的被浮出。

图8 絮体结果Fig.8 The flocs on carrier flotation

2.3.3 载体浮选的EDLVO 计算

EDLVO 理论常用来解释细颗粒间的凝聚和分散行为，同时也能应用于解释细颗粒浮选系统中的一些理论问题[26]。因此，本次研究将通过EDLVO理论解释载体颗粒与细粒长焰煤间的凝聚和分散行为。

1）范德华氏作用能Vw。在载体浮选系统中，长焰煤的尺寸R1=0.045 mm，载体的尺寸R2=0.4 mm，范德华作用能的数值采用以下公式计算[27]。

2）静电作用VE。通过测量zeta 电位，载体浮选长焰煤与载体颗粒间的静电力采用以下式计算[28]。

3）疏水相互作用力VH。疏水相互作用力采用以下公式计算[29-30]。

式中，在疏水系统中，衰减长度h0=10 nm；界面相互作用能常数=-0.118×10-3J·m2。添加载体前后煤粒间的作用势能曲线如图9 所示。由图9 中的DLVO 势能曲线可见，当加入载体后，斥能“能垒”峰值降低，煤粒间吸引能增大，加速并强化了细粒煤向粗粒煤的黏附以及其他煤粒间的黏附，而在不考虑疏水力的情况下，长焰煤与载体颗粒之间始终存在相互排斥的能量，随着距离逐渐减小，相互作用逐渐上升到称为“能垒”的峰值，长焰煤与载体颗粒之间难以粘附。从EDLVO 势能曲线来看，疏水相互作用力将排斥能转化为吸引能，长焰煤附着在载体煤颗粒上，疏水力在长焰煤载体浮选中起着重要作用。