復配捕收劑對龍王溝長焰煤的浮選強化試驗研究

2021-09-17 08:02:30代業濱

煤炭工程 2021年9期

代業濱

(國源礦業開發有限責任公司龍王溝煤礦，內蒙古鄂爾多斯 017000)

我國低階煤資源儲量豐富，主要作為高品質化工用煤和動力煤，在我國的能源領域中占有重要的地位。隨著我國優質煤種的不斷開采，資源供應不足，更加凸顯出低階煤加工利用的緊迫性、重要性[1]。由于低階煤表面的含氧官能團豐富，天然疏水性差[2]，導致浮選效率低、藥劑消耗高。因此，以低變質程度煙煤為主要資源的蒙東等地區[3]，目前的分選工藝設計中煤泥大多不分選而直接作為動力煤產品銷售，而針對此地區低階煤種的浮選研究較少。如果強化其浮選過程和效果，對這部分煤泥進行浮選提質，可以更加合理地利用蒙東煤炭資源，同時也對其他地區的細粒低階煤分選利用提供參考。

合適的表面活性劑與傳統捕收劑混溶形成復配藥劑成為學科和行業改善低階煤浮選最具期望的方案[4，5]。表面活性劑可以改善煤顆粒表面疏水性，消除煤顆粒表面的多余電荷，壓縮雙電層，降低水化膜的穩定性[6]，從而使原本親水的煤顆粒更容易與捕收劑或氣泡產生吸附，促進捕收劑分散[5]，從而改善低階煤泥的浮選效果[7-9]。在此思想指導下，聚氧乙烯醚類(Span、OP、Triton、LAE等)[10-12]、四氫呋喃酯類[13]以及一些生物質表面活性劑[6]被直接用于表面改性或者與其他捕收劑復配來強化低階煤浮選。樊民強[14]等指出非離子表面活性劑Span80含多個羥基和醚基，可同時與煤表面多個含氧官能團產生氫鍵吸附，使得煤顆粒表面含氧官能團數目減少。陳鵬[15]采用表面活性劑Span80對不黏煤煤泥進行表面改性，降低了捕收劑用量，最優浮選條件為：捕收劑用量13kg/t，Span80用量5kg/t，起泡劑用量195g/t，此時精煤產率82.94%，精煤灰分7.22%，尾煤灰分74.81%，浮選完善度達到62.77%，獲得了較好的浮選強化效果。

本文以龍王溝長焰煤為研究對象，對其煤泥性質進行了分析，鑒于Span80與十二胺是工業比較易得的非離子型和陽離子表面活性劑，而煤泥表面多為負電性的含氧官能團，比較了表面活性劑Span80、十二胺與傳統捕收劑柴油、十二烷所形成的四種復配捕收劑對此長焰煤的浮選強化效果，研究了其作用機理和對煤泥顆粒的浮選動力學強化規律，為低階煤浮選提質的試驗研究與工程實踐提供理論依據。

1 材料及方法

1.1 試驗樣品及藥劑

1.1.1 煤樣及其性質

試驗煤樣采自內蒙古自治區準格爾旗國源礦業開發有限責任公司龍王溝礦選煤廠，煤種為長焰煤。對原煤進行0.5mm篩分，取篩下作為浮選入料。采用HKGF-6000型工業分析儀對該煤樣進行煤質分析，工業分析結果見表 1。根據國家標準《煤粉篩分試驗方法》(GB/T 19093—2003)對煤樣進行小篩分試驗，結果見表2。依據《煤炭浮沉試驗方法》(GB/T 478—2008)對煤泥進行浮沉試驗，煤樣的密度組成情況見表 3。

表1 工業分析結果 %

從表1看出，煤樣的空氣干燥基水分為4%，含水量中等；灰分含量為26%，屬于中灰分煤樣。從表2可以看出煤樣粒度分布呈現“兩頭多，中間少”的趨勢，主導粒級為0.500～0.250mm，含量為51.91%；-0.045mm的極細物料產率達 31.46%。易浮粒級0.125～0.074mm產率只有9.51%。煤樣的密度組成情況見表3，該煤中間密度級1.40～1.60g/cm3含量較多，產率占44.76%，說明煤樣中連生體較多，分選較為困難。

表2 粒度組成

表3 密度組成

1.1.2 藥劑

捕收劑：柴油，十二烷(純度≥98%，化學純)。表面活性劑：Span80(純度≥99.5%，化學純)；十二胺(純度≥99%，化學純)。起泡劑：仲辛醇。捕收劑與起泡劑之比10∶1。

1.2 物相分析

X射線衍射 (XRD)物相分析所用儀器為D8 ADVANCE型X射線衍射儀。測試樣品研磨至-325目，測試條件為廣角5°～90°，掃描速度8°/min，煤樣X射線衍射圖譜如圖1所示，發現煤樣中脈石礦物主要為方解石、硅灰石、石英和纖硅鈣石。

圖1 XRD圖譜

1.3 紅外光譜

采用紅外光譜儀(Nicolet iS10)分析捕收劑吸附前后煤樣表面的官能團變化。首先將煤樣和不同捕收劑作用，然后過濾和真空干燥，用瑪瑙研缽將煤樣研磨到0.045mm以下，將處理后的煤粉按1∶150的比例和光譜純的KBr混合后壓片。測試條件：掃描次數為16次，分辨率為8cm-1，波數范圍為4000～400cm-1，間隔為1cm-1。

1.4 浮選試驗

浮選試驗采用XFD型充氣單槽浮選機，主軸轉速1960r/min，充氣量1.2L/min，浮選槽容積0.5L，礦漿濃度100g/L。浮選試驗流程：加入煤樣后潤濕攪拌2min，加入柴油攪拌1min，加入起泡劑攪拌10s后充氣、刮泡5min，對精煤和尾煤過濾、烘干、稱重、燒灰。按照《選煤試驗室分步釋放浮選試驗方法》(GB/T 36167—2018)中的規定對龍王溝煤樣進行分步釋放浮選試驗。以精煤產率、精煤灰分、精煤可燃體回收率及浮選完善度作為評定指標。

式中，Ec為可燃體回收率，%；γj為精煤產率，%；Aj為精煤灰分，%；Ay為入料灰分，%。

式中，ηwf為浮選完善度，%。

1.5 浮選速度試驗

浮選動力學試驗流程如下：首先將煤樣(-0.500mm)充分潤濕并攪拌調漿120s，加入捕收劑后，繼續攪拌60s，隨后加入起泡劑，繼續反應10s后，打開進氣閥開始試驗，依次收集30s、 60s、120s、180s和300s的精煤產品(J1、J2、J3、J4和J5)與尾煤(W)。每組試驗重復2次，以保證試驗數據的準確性。

2 浮選試驗結果分析

2.1 柴油作捕收劑的浮選效果

以柴油為捕收劑、仲辛醇作起泡劑對龍王溝煤樣進行浮選試驗，試驗結果如圖2所示。由圖2可知，柴油用量從2kg/t增加至16kg/t，精煤產率由原來的12.60%提升到56.52%，之后增長緩慢；精煤灰分從14.89%逐漸降低至12.00%左右(在8～12kg/t柴油用量區間)后又不斷上升至13.68%，且之后不斷上升。由此可見，不斷增加柴油用量，雖然提升了龍王溝煤樣的回收率，但藥劑用量太大，而且在此灰分水平下的數量效率較低，所以應開發具有更強捕收能力的藥劑。

圖2 柴油捕收劑處理龍王溝煤樣的浮選試驗結果

2.2 復配捕收劑的浮選效果

采用柴油+Span80、柴油+十二胺、十二烷+Span80、十二烷+十二胺4種方案制備得到復配捕收劑，其中捕收劑與表面活性劑體積比均為4∶1，試驗結果如圖3所示。

圖3 復配捕收劑處理龍王溝煤樣的浮選試驗結果

從圖3可以看出，四種復配捕收劑的作用效果均遠遠好于單純柴油。隨著藥劑用量的增加，四種復配捕收劑浮選的精煤產率、可燃體回收率以及浮選完善度均顯著增加。當復配藥劑用量達到6kg/t時，四種復配藥劑的精煤產率和可燃體回收率均達到較高值，之后增長緩慢，其中十二烷+Span80產率最高，在6kg/t時為89.93%。隨著藥劑量的增加，四種復配藥劑作用下的精煤灰分均不斷升高，其中十二烷+Span80的灰分值為最小。對于浮選完善度，四種復配藥劑均在用量為6kg/t時均達到最大值，之后又有降低，其中十二烷+Span80最高，為37.03%，柴油+Span80與之比較接近。

綜上，當浮選藥劑達到6kg/t時，十二烷+Span80復配捕收劑的浮選指標最好，優于其他的復配組合。所以，選擇為十二烷+Span80復配藥劑為最佳藥劑。

2.3 復配捕收劑分步釋放試驗效果

圖4 分步釋放試驗圖

通過分步釋放試驗得到煤樣浮選精煤產率與灰分及分選次數間的理論曲線，為浮選試驗提供參考標準，結果如圖4所示。可以看出十二烷+Span80復配捕收劑顯著提高了龍王溝長焰煤的可浮性。在進行第一次粗選時，使用十二烷+Span80復配捕收劑的作用效果遠遠高于柴油捕收劑，十二烷+Span80復配捕收劑能夠更大程度地回收精煤。當然，復配捕收劑較強的捕收能力也會使得一部分中高灰煤泥會浮出，導致精煤的灰分略有增加。

2.4 浮選動力學分析

對單純柴油捕收劑和十二烷+Span80復配捕收劑分別作用下的煤泥進行浮選速度進行試驗，并采用經典一級動力學模型對其進行動力學分析。經典一級動力學模型表達為：

y=ε∞(1-e-kx)

式中，ε∞為最大累積可燃體回收率，%；k為速率常數，s-1；x為浮選時間，min；y為可燃物累積回收率，%。

柴油捕收劑與十二烷+Span80復配捕收劑不同浮選時間的累計可燃體回收率如圖5所示，不同捕收劑下精煤浮選動力學擬合見表4，在6kg/t條件下，柴油捕收劑與十二烷+Span80復配捕收劑的一級浮選動力學擬合曲線的R2值均大于0.98，說明擬合曲線的擬合程度較高。用柴油作捕收劑的累積可燃體回收率每個時間段均小于柴油+Span80復配捕收劑浮選的累積可燃體回收率，其理論最大可燃體回收率為54.41%，遠遠小于十二烷+Span80復配捕收劑的92.01%。此外，柴油捕收劑的浮選速率常數k值為0.85s-1，而十二烷+Span80復配捕收劑的k值為1.49s-1，浮選速度提升明顯。可得，十二烷+Span80復配捕收劑不但提高了可燃體回收率，而且大幅提高了煤樣浮選速率，提高設備的單位時間處理量，降低藥劑的消耗。

圖5 柴油捕收劑與十二烷+Span80復配捕收劑不同浮選時間的累計可燃體回收率

表4 不同捕收劑下精煤浮選動力學擬合

2.5 復配捕收劑對煤泥表面官能團的影響

原煤及柴油捕收劑和十二烷與Span80復配藥劑用后的精煤的FTIR結果如圖6所示，可以看出，對于柴油和十二烷+Span80復配捕收劑處理得到的浮選精煤，均在950～1150cm-1(伯醇、叔醇和酚的C—O鍵伸縮振動)處處吸收峰減小，尤其是十二烷+Span80復配捕收劑處理的精煤，其吸收峰面積減少明顯，表明煤表面的親水性含氧官能團數量減少。2920cm-1處(脂肪烴相連的甲基、亞甲基)吸收峰面積增大，說明低階煤表面疏水性官能團含量增加。十二烷+Span80復配捕收劑的加入遮蔽了部分表面含氧官能團，使其表面親水性降低，促進了煤顆粒表面的疏水性。