调浆对低阶煤浮选的影响及其机理研究

曾红久

(国家能源集团 神东洗选中心，陕西 榆林 719315)

我国低阶煤储量大，褐煤占我国煤炭资源总量的13%左右，长焰煤、弱黏煤和不黏煤等低变质程度烟煤占总量的42%左右[1，2]。低阶煤变质程度低，开采和洗选过程中常产生大量的煤泥，这些煤泥通常发热量较低，需提质后才能加以综合利用。浮选是细粒煤泥分选和回收最有效的方法之一，由于低阶煤表面含有大量含氧官能团，疏水性差，因此浮选时药剂消耗大，浮选效率较低[3]。

目前，低阶煤的浮选受到国内外研究人员的广泛关注，研究主要集中在低阶煤浮选药剂方面[4-6]。低阶煤浮选药剂的优化可有效提高浮选效果，但关于提高药剂在矿浆中分散和在颗粒表面吸附的研究较少。

调浆作为浮选前的一个预处理环节，对浮选效果具有重要的影响。大量的研究结果表明，调浆通过强搅拌产生的湍流作用，可有效去除颗粒表面罩盖的细泥，促进捕收剂的分散，增加捕收剂和煤颗粒的碰撞和吸附概率[7，8]，降低药剂消耗量[9-11]，提高浮选效率[12，13]。许宁等[14]认为高剪切调浆对煤粒表面的高灰细泥有脱除作用，从而改变其表面性质，增加其疏水性。张峰[15]对不同变质程度的煤泥分别进行了调浆浮选试验，表明几种煤泥经调浆处理后浮选回收率均得到提高，同时药剂用量减少。梁龙[16]等研究表明高剪切调浆能够减少细泥罩盖，降低精煤污染，提高精煤的回收率。Yang[17]等通过试验和数值模拟表明适当的调浆强度能够提高浮选回收率。调浆过程中能够清洗固体颗粒表面的异质细泥，加大细粒矿物与药剂的吸附，提高浮选效果[18]。黄根[19]研究表明调浆能够促进药剂吸附，强化微细颗粒聚团效果，提高目的矿物的回收率和选择性。乔二乐[20]等研究了高剪切调浆对内蒙古地区某长焰煤浮选的影响，表明高剪切调浆可以显著提高低阶煤的浮选效果，提高捕收剂在低阶煤表面的吸附量。Tian[21]等研究表明适当的调浆时间对低阶煤浮选至关重要，当调浆时间较长时，精矿回收率下降。调浆虽然广泛应用于煤泥浮选，但目前对低阶煤的调浆研究较少，尤其是调浆对于低阶煤浮选效果的影响及其机理有待进一步研究。

本文以内蒙某选煤厂的长焰煤为研究对象，研究了捕收剂柴油用量、调浆转速和调浆时间对煤泥浮选效果的影响，采用傅里叶红外光谱仪(FTIR)、X射线光电子能谱分析(XPS)和接触角测定仪分析了调浆对煤泥表面性质的影响。

1 试验样品和研究方法

1.1 试验煤样

试验所用煤样为长焰煤，取自内蒙古布尔台选煤厂，样品为现场未加入药剂的浓缩池入料，经过过滤后，将煤样置于真空干燥箱，在40 ℃的条件下低温烘干。

煤样的粒度组成见表1。该煤样粒度粗细并不均匀，粒度越细，对应的灰分也越高。粒径为-0.074 mm的煤样累计产率为49.53%，累计灰分为26.40%，说明该煤样中高灰细粒含量较多，分选容易发生夹带，从而污染精煤产品。

表1 煤样粒度组成结果

煤样的密度组成结果见表2。煤样中-1.5 g/cm3密度级的累计产率为69.99%，累计灰分为6.14%，说明该煤样低密度级含量较多，灰分较低。

表2 煤样密度组成结果

1.2 煤样矿物成分分析

利用X射线衍射分析仪(XRD，布鲁克公司D8 ADVANCE)分析样品的物相组成，结果如图1所示。该长焰煤中矿物组成主要为高岭石和石英，高岭石是黏土类矿物，易泥化并罩盖在煤粒表面，造成浮选药剂消耗增加、浮选选择性降低。

图1 煤样XRD结果

采用X-射线荧光光谱仪(XRF，赛默飞公司 ARLAdvantX Intellipower TM3600)分析煤样中主要矿物成分，结果见表3。该煤样中以氧化物形式含量最多的是SiO2和Al2O3，这两者是石英和高岭石等脉石矿物的主要成分，与XRD结果一致。

表3 煤样XRF分析结果 %

1.3 主要研究方法

1)调浆试验。调浆试验在一个有效容积为0.55 L的实验室搅拌装置中进行，调浆机最大转速为3000 r/min。调浆矿浆浓度为80 g/L，将矿浆倒入搅拌槽中，搅拌10 s后，加入一定量的捕收剂柴油，按照设定转速搅拌2 min，搅拌完成后将矿浆立即转入浮选槽内。

2)浮选试验。浮选试验在一台XFD-0.5 L浮选机上进行。试验过程中固定叶轮转速为1800 r/min。矿浆在浮选槽中搅拌10 s后，加入一定量的起泡剂仲辛醇，搅拌20 s，然后充气开始浮选，充气量保持在0.1 m3/h，试验过程中尽量保证浮选液位不变。浮选5 min，浮选完成后，将精煤、尾煤分别进行过滤烘干，然后称重，化验灰分。每组试验重复2次，取平均值。

3)红外光谱分析。采用傅里叶变换红外光谱(FTIR，尼高力 Nicolet IS10)对调浆前后煤样表面的官能团变化进行分析。检测时红外光谱仪以0.4 cm-1的分辨率和0.01 cm-1的波数精度对样品进行扫描。

4)X射线光电子能谱分析(XPS)。采用X射线光电子能谱(XPS，赛默飞 Thermo ESCALAB 250XI)对煤样表面的元素含量和官能团的变化进行分析。

5)疏水性分析。采用停滴法测定样品表面接触角，先采用FY-30新型压片机对煤样进行压片，然后再利用接触角测定仪(哈科，HARKE-SPCA)对其进行测量。

6)浮选效果评价指标。采用可燃体回收率和浮选完善指标对浮选效果进行评价。

可燃体回收率：

式中，ε为精煤可燃体回收率，%；rj为精煤产率，%；Ay为原煤灰分，%；Aj为精煤灰分，%。

浮选完善指标：

2 低阶煤调浆浮选效果

2.1 捕收剂用量对浮选效果的影响

在调浆转速1800 r/min、调浆时间2 min的条件下，柴油用量对浮选效果的影响如图2所示。随着柴油用量的增加，精煤产率和灰分均呈现逐渐增加的趋势。当药剂用量为1 kg/t时，精煤产率较低，为24.37%，灰分为6.34%，此时可燃体回收率为28.40%，随着柴油用量的增加，精煤产率和可燃体回收率迅速增加，当药剂用量增加至7 kg/t时，可燃体回收率达到75.48%；当药剂用量从7 kg/t增加至9 kg/t时，精煤可燃体回收率仅增加了1.21百分点，但精煤灰分增加了0.51百分点。随着柴油用量的增加，浮选完善指标逐渐增加，当柴油用量为7 kg/t时，浮选完善指标达到最大值。后续试验选择柴油用量为7 kg/t。

图2 柴油用量对浮选效果的影响

2.2 调浆转速对浮选效果的影响

在煤油用量为7 kg/t、调浆时间2 min的条件下，调浆转速对浮选效果的影响如图3所示。随着调浆转速的增加，精煤产率呈现先增加后略有降低的趋势，精煤灰分与精煤产率变化趋势一致，也呈现先增加后降低的趋势。当调浆转速较低，为1500 r/min时，精煤产率也偏低，为58.62%，灰分为6.24%，精煤可燃体回收率为68.25%，浮选完善指标为49.46%；随着调浆搅拌转速的增加，精煤可燃体回收率和浮选完善指标逐渐增加，当调浆转速增加至2400 r/min时，精煤产率为69.34%，灰分为6.97%，此时精煤可燃体回收率和浮选完善指标均达到最大值，此后再进一步提高搅拌转速，浮选完善指标反而略有降低。可以看出，调浆可显著提高低阶煤的浮选效果。煤泥浮选调浆过程中，随着搅拌转速的增加，非极性油的分散程度提高，捕收剂与煤颗粒的碰撞概率增加，有利于提高药剂与颗粒的相互作用，同时搅拌作用还有利于颗粒表面细泥罩盖的清除，减少浮选过程中的细泥罩盖和夹带，但搅拌转速过高时，高强度的剪切作用可能会使吸附在煤颗粒表面的药剂脱附，从而导致浮选效果降低。根据试验结果，后续试验调浆转速选择2400 r/min。

图3 调浆转速对浮选效果的影响

2.3 调浆时间对浮选效果的影响

在煤油用量为7 kg/t、调浆转速为2400 r/min的条件下，调浆时间对浮选效果的影响如图4所示。随着调浆时间的延长，精煤产率先增加后趋于平缓，精煤灰分也呈现类似的趋势，精煤可燃体回收率和浮选完善指标均呈现先增加后略有降低的趋势。当调浆时间为0.5 min时，精煤产率为64.37%，灰分为6.48%，可燃体回收率为74.87%，浮选完善指标为53.58%。调浆时间从0.5 min增加至2 min，精煤产率增加了4.97百分点，灰分增加了0.49百分点，此时可燃体回收率和浮选完善指标均达到最大值；继续延长调浆时间，精煤可燃体回收率和浮选效率均开始降低。调浆时间的延长可在一定程度上提高捕收剂在煤颗粒表面的吸附效果，但超过一定时间后，药剂吸附量会趋于平衡，但药剂的脱附量会逐渐增加，同时过长的搅拌时间会导致煤泥颗粒的破碎，增加微细颗粒含量，反而降低浮选效果。

图4 调浆时间对浮选效果的影响

2.4 不同调浆转速下煤样的红外光谱分析

用傅里叶红外光谱对不同转速下调浆后的煤样进行分析，结果如图5所示。可以看出，不同转速调浆后煤样的吸收峰波数基本相同，透过率呈现相似的规律。2918 cm-1和2850 cm-1处出现吸收峰是由于脂肪族—CH2伸缩振动引起的，对应柴油的主吸收峰。随着调浆转速的增加，在煤样表面的柴油吸附量也逐渐增加，当转速过高时，煤样表面柴油的吸附量略有降低，煤泥表面柴油吸附量的变化规律与浮选试验结果基本一致。

图5 不同转速调浆后的煤样红外光谱

2.5 不同调浆转速下煤样的接触角

在不同转速下对煤样进行调浆处理，测定煤样调浆后的接触角变化，结果如图6所示。

图6 原煤与不同转速调浆煤样的接触角测量

调浆前，煤泥样品的接触角为49.92°，疏水性较弱，可浮性较差；经1500 r/min调浆的煤样接触角为60.32°，与原煤相比，接触角显著增加，说明调浆后捕收剂吸附在煤颗粒表面，提高了煤泥样品的表面疏水性，随着调浆搅拌转速的增加，调浆后煤样表面的接触角逐渐增加，当调浆转速增加至2400 r/min时，煤样接触角达到最大值，为79.67°，此时相应的浮选精煤可燃体回收率也达到了最大值，当转速进一步增加时，接触角却略有降低，可能是转速过高导致煤颗粒表面吸附的捕收剂脱附量增加，降低了捕收剂在煤颗粒表面的吸附效果。

2.6 调浆前后煤泥样品的X射线光电子能谱分析

为了研究煤泥样品调浆前后表面元素及官能团的变化，采用X射线光电子能谱分析(XPS)分别对调浆前的煤样和最佳调浆条件下(柴油用量7 kg/t，调浆转速2400 r/min，调浆时间1 min)调浆后的煤样的表面性质进行检测，用Thermo Avantage软件对检测结果进行分析，绘制出的调浆前和调浆后的煤样的XPS宽扫能谱如图7所示。根据图中峰面积的不同可以计算出不同官能团的相对含量，调浆前后煤样表面元素的相对含量见表4。

图7 原煤和调浆煤样的XPS宽扫能谱

表4 煤样表面化学元素的相对含量 %

从图7可以看出，调浆前后煤样的XPS宽扫能图谱中均出现了C1s，O1s，N1s，Si2p等吸收峰，且C1s吸收峰和O1s吸收峰较强，其余元素的吸收峰较弱，说明低阶煤表面的元素以C和O为主，除此之外还有N，Si，Al等元素。

由表4可知，调浆前煤样表面的C元素和O元素的相对含量分别为52.39%，24.63%，煤样中O元素含量较高，说明煤样表面含有一定比例的含氧官能团，含氧官能团亲水性较强，不利于非极性油类捕收剂在煤泥表面的吸附。加入捕收剂调浆后煤样表面的C元素和O元素的相对含量分别为56.49%，22.47%，其余元素的相对含量较低。对比调浆前煤样表面各元素含量，可以看出调浆后煤样表面的C1s含量增加了4.10百分点，O1s含量降低了2.16百分点，这也是颗粒表面疏水性提高的一个重要原因。低阶煤表面碳元素含量提高，氧元素含量降低，有利于提高颗粒与气泡的粘附作用，进而改善低阶煤的浮选效果。

图8 煤样的C1s分峰拟合

表5 煤样表面各基团的相对含量 %

3 结 论

1)调浆显著提高低阶煤煤泥的浮选效果。随着调浆转速和调浆时间的增加，精煤产率和灰分均呈现先增加后略有降低的趋势。当柴油用量为7 kg/t，调浆转速为2400 r/min，调浆时间为1 min时，精煤可燃体回收率和浮选完善指标达到最大值。

2)调浆提高了低阶煤表面疏水性。随着调浆转速的增加，调浆后煤样表面的接触角逐渐增加，但调浆转速过高时，煤样表面接触角略有降低。

3)调浆可一定程度上减少低阶煤表面含氧官能团含量。与调浆前的煤样相比，调浆后煤样表面的碳含量增加，C—C/C—H官能团含量增加，C—O官能团含量降低，煤样表面疏水性增加。

4)搅拌转速的增加有利于提高非极性油的分散程度，增加捕收剂与煤颗粒的碰撞概率，同时可在一定程度上清除颗粒表面罩盖的细泥，减少低阶煤表面含氧官能团含量。但搅拌转速过高时，高强度的剪切作用可能会使吸附在煤颗粒表面的药剂脱附，从而降低调浆和浮选效果。