低階煤反浮選試驗研究

李永改 陳建中 沈麗娟

(中國礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院,江蘇省徐州市,221116)

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低階煤反浮選試驗研究

李永改 陳建中 沈麗娟

(中國礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院,江蘇省徐州市,221116)

本文用掃描電子顯微鏡(SEM)和傅里葉變換紅外光譜(FTIR)等表面分析方法對次煙煤的賦存狀態(tài)和表面官能團(tuán)進(jìn)行了表征分析,并用純煤進(jìn)行了正浮選試驗,試驗結(jié)果表明,在消耗大量油類捕收劑的情況下,回收率仍然很低。用兩種不同的脈石礦物石英、高嶺石和次煙煤混合作為浮選入料進(jìn)行反浮選試驗,研究了捕收劑種類和藥劑量對反浮選效果的影響。3種陽離子捕收劑對石英的分選效果要比高嶺石好,Lilaflot D817M相對其他兩種藥劑有更好的選擇性。因此,在合適的條件下,反浮選是一種可供選擇的分選低階煤的方法。

次煙煤 反浮選 掃面電子顯微鏡 傅里葉變換紅外光譜 陽離子捕收劑

浮選是一種基于礦物表面性質(zhì)差異的分選方法。通常情況下低階煤很難用傳統(tǒng)的浮選方法進(jìn)行分選,因為低階煤表面有親水性的含氧官能團(tuán),如羥基(-OH)、羧基(-COOH)、羰基(C＝O)等,降低了低階煤的可浮性。相對于高階煤來說,低階煤浮選需要消耗更多的捕收劑。很多研究者做了一些工作來提高低階煤的可浮性,比如,用不同的表面活性劑進(jìn)行預(yù)處理、低溫處理、微波處理等;電解質(zhì)也會被加入到礦漿中來,將煤表面的Zeta電位從負(fù)變正,降低煤表面的負(fù)電性,從而提高可燃體回收率;新型捕收劑和復(fù)合捕收劑也可以提高精煤的回收率,降低精煤的灰分。和傳統(tǒng)浮選相比,反浮選過程是利用低階煤的親水性特點,對脈石礦物進(jìn)行浮選同時對煤進(jìn)行抑制。本研究主要通過掃描電子顯微鏡(SEM)和傅里葉變換紅外光譜(FTIR)對次煙煤進(jìn)行表征分析,采用不同脈石礦物(石英和高嶺石)和次煙煤的混合物作為浮選入料,討論了捕收劑種類和藥劑量對反浮選效果的影響。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

次煙煤來源于美國皮博迪能源公司,煤樣破碎到浮選入料(-200μm)粒度大小。其工業(yè)分析指標(biāo)如下：水分Mad為27.72%,灰分Aad為8.81%,揮發(fā)分Vdaf為46.62%,固定碳含量FCdaf為53.38%,硫含量St為0.72%。煤樣粒度組成見表1。

表1 煤樣粒度組成

由表1可以看出,煤樣灰分較低,為8.81%。隨著粒度的降低,煤樣灰分逐漸升高,煤樣灰分較低,為8.81%。主導(dǎo)粒級(＜38μm)灰分為11.3%。本研究中所用的石英和高嶺石接近純礦物,磨礦后的石英和高嶺石的粒度分布如圖1所示。

圖1 石英和高嶺石的粒度組成

由圖1可以看出,石英和高嶺石的粒度偏細(xì),因為實際煤中的脈石礦物一般也是屬于微細(xì)顆粒,多存在于細(xì)粒級中。而粘土礦物又很容易泥化,所以一般情況下,粘土礦物的顆粒相對石英較粗。石英的粒度組成為：10%：1.52μm,50%：7.03 μm,90%：25.44μm,平均粒度為10.42μm。高嶺石的粒度組成為：10%：0.76μm,50%：3.09 μm,90%：9.2μm,平均粒度組成為4.1μm。

1.2 化學(xué)試劑

復(fù)合藥劑Lilaflot D817M和Lilaflot 811來自AKZO NOBEL公司,十二烷基三甲基溴化銨(DTAB)來自SIGMA公司,都被用作反浮選過程中的捕收劑。來自Fisher Scientific的糊精被用作煤的抑制劑,試驗中所用捕收劑和抑制劑均為用去離子水配置的1%的溶液。甲基異丁基甲醇用作起泡劑。

1.3 試驗方法

反浮選試驗是在1 L的丹佛浮選槽中進(jìn)行,在自然p H下,通氣量開到最大。礦漿濃度為40 g/l,調(diào)漿速度為1000 rpm,起泡劑用量為20 ppm,抑制劑用量為2 kg/t。反浮選試驗過程采用零調(diào)漿方法。調(diào)漿3 min后,添加抑制劑,攪拌3 min,然后加入起泡劑,攪拌1 min,最后加入捕收劑,加入的同時打開氣閥,浮選過程也立即開始,刮泡時間為5 min。反浮選過程的精煤(槽底產(chǎn)品)和尾煤(泡沫產(chǎn)品)在收集、干燥并稱重后用來計算可燃體回收率和反浮選分選效率。可燃體回收率用式(1)計算,分選效率用式(2)計算：

式中：RC——可燃體回收率,%;

MC——精煤重量,g;

AC——精煤灰分,%;

MF——入料重量,g;

AF——入料灰分,%;

η——反浮選分選效率,%。

來自NEXUS公司的傅里葉變換紅外光譜用來分析次煙煤的表面官能團(tuán)。一種場發(fā)射掃描電鏡(HITACHITM,S-4300)被用來分析次煙煤的形態(tài)和微觀結(jié)構(gòu)。

2 試驗結(jié)果和討論

2.1 SEM分析

次煙煤在掃描電子顯微鏡下的形態(tài)和微觀結(jié)構(gòu)如圖2所示。由圖2可知,次煙煤的空間結(jié)構(gòu)非常松散,表面粗糙不平,有一些溝壑和孔隙,這些可以導(dǎo)致很高的孔隙率和比表面積。孔隙的存在會影響煤的吸附能力,孔隙中會吸附一些水分,導(dǎo)致煤的水化程度會升高,從而提高煤表面的親水性,降低次煙煤的可浮性。

圖2 次煙煤的掃描電鏡照片

2.2 FTIR分析

次煙煤的紅外光譜如圖3所示。由圖3可以看出,波數(shù)在3342 cm-1處為-OH的吸收峰,波數(shù)為1605 cm-1為COOH的吸收峰,波數(shù)在1150 cm-1和1380 cm-1之間是含氧苯基中的C-O和O -H的吸收峰。波數(shù)為1605 cm-1處為COOH的吸收峰,波數(shù)為1699 cm-1處為不飽和鍵C＝C的吸收峰,其不存在于煙煤中,只存在于低階煤中。由此可見,次煙煤表面含有較多的含氧官能團(tuán),如-OH、-COOH、C＝O等,這些親水性官能團(tuán)的存在降低了煤顆粒表面的疏水性,增加浮選難度。

圖3 次煙煤的FTIR譜圖

2.3 正浮選試驗結(jié)果

傳統(tǒng)浮選分選次煙煤的試驗結(jié)果見表2。由表2可以看出,隨著柴油用量的增加,次煙煤的回收率逐漸增加,但一直較低,當(dāng)柴油的用量為10 kg/t時,回收率僅為39.71%。因為煤的表面親水性比較強(qiáng),很難輕易吸附柴油,這與前面的SEM和FTIR分析一致。因此,接下來采取反浮選的方法對次煙煤和脈石礦物的混合物進(jìn)行分選。

表2 次煙煤傳統(tǒng)浮選試驗結(jié)果

2.4 反浮選試驗結(jié)果

一般來說,石英和高嶺石常用的陽離子捕收劑主要是胺類和銨鹽。在本研究中,Lilaflot D817M、Lilaflot 811和DTAB3種不同種類的陽離子捕收劑被用來作為反浮選中的捕收劑。這3種不同的捕收劑在不同藥劑用量情況下對次煙煤—石英混合物反浮選效果的影響如圖4所示。

圖4 捕收劑種類和用量對次煙煤-石英混合物反浮選可燃體回收率和灰分的影響

由圖4可以看出,捕收劑用量分別為1 kg/t、 2 kg/t、3 kg/t、4 kg/t。當(dāng)使用DTAB時,可燃體的回收率比其他兩種藥劑偏高。這可能是由于在浮選的過程中,次煙煤表面為負(fù)電性,很容易吸附帶正電的陽離子捕收劑,從而隨著泡沫被浮選出, DTAB的正電性沒有其他兩種藥劑強(qiáng),所以煤與其吸附作用不強(qiáng),致使更多的煤留在浮選槽中,因此可燃體回收率相對其他兩種藥劑較高。隨著藥劑量的增加,精煤的灰分逐漸降低,因為更多的石英被浮出來。

不同捕收劑種類和用量對次煙煤-石英混合物反浮選分選效率的影響如圖5所示。由圖5可知,當(dāng)捕收劑用量從1 kg/t增加到4 kg/t時,用DTAB作為捕收劑時的分選效率從9.86%增加到54.90%,用Lilaflot 811作為捕收劑時的分選效率從27.11%增加到67.43%,表明在在使用這2種藥劑作為石英的捕收劑時,只有在高藥劑用量(4 kg/t)時才能達(dá)到較好的反浮選效果。當(dāng)用Lilaflot D817M作為捕收劑時,當(dāng)藥劑量從1 kg/t增加到2 kg/t時,反浮選分選效率從83%降到68.94%,此后隨著藥劑量的增大,分選效率先增加到71.32%,后稍微降低至70.75%。原因可能是隨著捕收劑用量的增加,石英的回收率增加,煤炭顆粒由于與陽離子捕收劑產(chǎn)生靜電吸附作用也隨著被捕收,所以導(dǎo)致分選效率的變化。然而,在整個藥劑范圍內(nèi),Lilaflot D817M的分選效率始終要比其他2種藥劑高出很多,表明Lilaflot D817M在次煙煤-石英混合物的反浮選試驗中,有更好的選擇性。綜合各項浮選指標(biāo),當(dāng)Lilaflot D817M用量為3 kg/t時,可以達(dá)到相對較好的反浮選效果。此時,精煤中可燃體回收率為86.75%,精煤灰分為8.42%,分選效率為71.32%。

圖5 捕收劑種類和用量對次煙煤-高嶺石混合物反浮選效果的影響

3種不同的捕收劑在不同藥劑用量下對次煙煤—高嶺石混合物反浮選效果的影響如圖6所示。由圖6可以看出,隨著藥劑量的增加,精煤中的可燃體回收率逐漸降低。其中,當(dāng)用Lilaflot D817M作為捕收劑時,可燃體回收率變化最明顯,從93.54%降到79.04%,而當(dāng)用其他2種藥劑時,可燃體回收率也逐漸降低,但變化不是很顯著。這表明陽離子捕收劑Lilaflot D817M在反浮選的過程中與次煙煤顆粒產(chǎn)生了較強(qiáng)的靜電吸附作用,藥劑量增大導(dǎo)致精煤逐漸損失在泡沫產(chǎn)品中。同時,隨著藥劑量的增加,精煤的灰分也逐漸降低,表明高嶺石被逐漸分選出來。但在研究范圍內(nèi),用Lilaflot D817M時,精煤的灰分相對用其他2種藥劑時偏低,表明Lilaflot D817M對高嶺石的捕收能力相對其他2種藥劑較強(qiáng)。

圖6 捕收劑種類和用量對次煙煤-高嶺石混合物反浮選可燃體回收率和灰分的影響

圖7 捕收劑種類和用量對次煙煤-高嶺石混合物反浮選分選效率的影響

捕收劑種類和用量對次煙煤-高嶺石混合物反浮選分選效率的影響如圖7所示。由圖7可知,當(dāng)藥劑量增加時,3種藥劑的分選效率也隨之提高,但是Lilaflot D817M的分選效率相對其他兩種很高,規(guī)律為Lilaflot D817M＞Lilaflot 811＞DTAB。當(dāng)Lilaflot D817M用量為3 kg/t時,精煤中可燃體回收率為81.63%,精煤灰分為19.91%,分選效率為44.92%。對比3種藥劑對2種不同入料的分選效果可以看出,在相同的藥劑種類和藥劑用量下,當(dāng)脈石礦物為石英時,可以得到更高的回收率和分選效率,說明3種藥劑對石英有更好的捕收效果。

3 結(jié)論

(1)低階煤表面含有大量的含氧官能團(tuán),表面的孔隙也會增強(qiáng)水化程度,一般很難用傳統(tǒng)的浮選方法進(jìn)行分選。

(2)傳統(tǒng)浮選中,藥劑消耗量大,當(dāng)柴油的用量為10 kg/t時,可燃體回收率僅為37.5%。

(3)反浮選可以利用低階煤的親水性特點,相對傳統(tǒng)的正浮選有一定的優(yōu)勢。經(jīng)過試驗研究發(fā)現(xiàn), Lilaflot D817M相對其他2種藥劑的分選效果較好, 3種藥劑對石英的分選效果相對高嶺石較好。

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(責(zé)任編輯 陶 賽)

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,江蘇徐州人,博士研究生,主要研究方向為礦物加工理論與工藝。