疏水改性助濾精煤脫水試驗研究

張節文，劉 億，楊曉鴻，劉春福

(1.淮北礦業(集團)有限責任公司 臨渙選煤廠，安徽 淮北 235000；2.安徽理工大學 材料科學與工程學院，安徽 淮南 232001)

2030年碳達峰和2060年碳中和目標是我國的重大戰略決策[1]。煤炭清潔高效利用是煤炭行業在“十四五規劃”期間的主要任務，在此期間，原煤入選率將達85%以上。選煤是潔凈煤技術的源頭技術[2]，濕法選煤是我國煤炭分選的主要方式，然而濕法選煤易導致煤炭商品水分升高，發熱量降低，影響煤炭的銷售價格和運輸成本[3-4]。

淮北礦業(集團)有限責任公司臨渙選煤廠是一座大型煉焦煤選煤廠，主要洗選臨渙、海孜、童亭、許疃等十余座礦井生產的原煤。該廠生產采用較成熟的原煤三產品重介質旋流器分選、煤泥浮選、尾煤濃縮壓濾回收聯合生產工藝，可同時分選焦煤、1/3焦煤、肥煤、瘦煤等精煤品種，并實現了洗水閉路循環和零排放[5]。

精煤水分是煉焦煤選煤廠產品質量控制的一項重要指標[6]。受煤質變化、采煤機械化及洗選加工設備等因素的制約，長期以來，重介精煤、粗精煤泥、浮選精煤等各環節精煤水分的波動均可造成綜合精煤水分偏高[7-8]，其中粗精煤泥和浮選精煤水分的高低直接影響總精煤產品的水分，因此解決粗精煤泥和浮選精煤難以脫水的問題是降低總精煤水分的關鍵。文章對臨渙選煤廠的粗精煤泥和浮選精煤進行了性質分析及疏水改性研究，通過助濾-脫水試驗，研究了不同疏水改性藥劑對于粗精煤泥和浮選精煤水分的影響，研究成果對于提高精煤產品質量、改善運輸情況、提高經濟效益具有重要的現實意義。

1 試驗

1.1 煤樣及藥劑

選取臨渙選煤廠生產現場的具有代表性的粗精煤泥、浮選精煤煤樣為研究對象，經真空干燥箱烘干后備用。相關研究[9-10]表明，陽離子型季銨鹽藥劑在煤泥表面疏水改性方面具有較為顯著的效果，因此試驗采用的疏水改性藥劑為陽離子型季銨鹽藥劑，分別為十二烷基三甲基氯化銨(1231)、十二胺(DDA)及十六烷基三甲基氯化銨(1631)。試驗時將藥劑配制成相應的水溶液使用，試驗用水為去離子水。

1.2 試驗方法

1.2.1 X-射線衍射分析

采用日本島津Labx XRD-6000 X射線衍射儀分析精煤樣品的礦物組分。測試條件為：Cu靶K輻射；X射線管電壓設為35 kV，X射線管電流設為30 mA；掃描角度為5°～80°，連續掃描速度為2°/min；采樣間隔為0.02°。

1.2.2 接觸角測定

采用美國科諾SL200B接觸角儀進行樣品的接觸角測定。首先取0.60 ± 0.01 g左右干燥樣品在20 MPa壓強下壓成厚度約為2 mm薄片，在薄片的三個不同區域進行接觸角測定，結果取平均值。

1.2.3 抽濾-離心脫水試驗系統搭建

抽濾-離心脫水試驗系統包括真空過濾試驗系統和離心脫水試驗系統。真空過濾裝置系統如圖1所示。

1—循環水式真空泵；2—抽濾軟管；3—錐形瓶；4—控壓閥門；5—100 mm布氏漏斗；6—緩沖玻璃管；7—抽濾量筒

離心脫水試驗系統借助實驗室離心機進行離心脫水，通過改造離心機配套的離心管達到模擬選煤廠現場離心機脫水的效果，離心管改造示意圖如圖2所示。

圖2 離心管示意圖

1.2.4 抽濾-離心脫水試驗步驟

抽濾環節：①根據圖1中真空過濾試驗系統示意圖，正確連接真空過濾裝置，根據布氏漏斗尺寸選擇相應大小的圓形濾紙，潤濕后放入布氏漏斗中，測試其密封性能良好后，通過控壓閥門將壓力控制在(4 ± 0.1)×104Pa；②做空白試驗(不加藥劑)，待測礦樣經攪拌均勻后，打開循環水式真空泵，將礦漿引流轉移到布氏漏斗中，同時用秒表開始計時，過濾以表面水抽干為終點。

離心脫水環節：①將過濾后的樣品放入改造后的離心管內管；②模擬選煤廠離心機工作轉速。前期大量抽濾-離心脫水工作條件探索試驗表明，測試樣品存在濾紙包裹時，在3 000 r/min的轉速條件下可取得較好的脫水效果，故設置離心機轉速為3 000 r/min、離心時間為6 min。離心脫水試驗完成后稱重、記錄。

精煤水分計算公式如下：

式中：Mt為精煤水分；m1為煤樣質量；m2為濾紙的質量；m3為單張濾紙的平均含水量；m總為離心后樣品總質量。

2 結果與討論

2.1 精煤礦物組分分析

采用X-射線衍射方法(XRD)對總精煤的礦物組分進行分析，結果如圖3所示。

由圖3可知，精煤產品中存在一定量的雜質，主要是蒙脫石((Na,Ca)0.33(Al, Mg)2[Si4O10](OH)2·nH2O)，高嶺石(Al2Si2O5(OH)4)和石英(SiO2)。黏土礦物、石英等親水性礦物的存在，可在一定程度上影響煤的脫水效果，最終影響精煤產品的水分。

圖3 總精煤XRD圖譜

2.2 煤樣表面接觸角分析

煤樣表面的接觸角可在一定程度上反映煤表面的氧化程度及親水性礦物賦存狀況。分別對總精煤、重介精煤、浮選精煤、粗精煤泥表面進行了接觸角測試，結果如圖4所示。

圖4 煤樣表面接觸角測試結果

由圖4可知，總精煤、重介精煤、浮選精煤、粗精煤泥的接觸角分別為42.4°、53.5°、45.8°、52.8°。其中總精煤表面接觸角最小，親水性最強，應為微細黏土礦物含量較高所致；重介精煤表面接觸角最大，表面疏水性最強。由于洗選過程中的表面氧化及黏土礦物賦存，會降低浮選精煤和粗精煤泥表面的疏水性，因此后續的疏水改性試驗主要針對疏水性相對較差的粗精煤泥和浮選精煤。

2.3 精煤粒度組成分析

精煤粒度組成及泥化情況在一定程度上影響著精煤水分及灰分。按照GB/T 477—2008《煤炭篩分試驗方法》的規定，對粗精煤泥和浮選精煤兩種精煤產品進行小篩分試驗，粒度組成分別見表1和表2。

表1 粗精煤泥粒度組成

表2 浮選精煤粒度組成

由表1可知，粗精煤泥的主導粒級為0.5～0.25 mm，且隨著粒度的變小，灰分逐漸增大。其中，0.25～0.125 mm粒級灰分達24.21%。由表2可知，對于浮選精煤，<0.045 mm粒級產率為34.55%，灰分為15.40%，高于浮選精煤的整體灰分，說明煤泥水中含有大量的黏土礦物等細泥，精煤中的微細顆粒及其賦存的黏土類親水礦物是精煤灰分和水分降低的主要制約因素之一。

2.4 抽濾-離心脫水試驗結果

對疏水改性藥劑作用下的粗精煤泥和浮選精煤進行了抽濾-離心脫水試驗，考查藥劑種類及用量對精煤產品脫水效果的影響，結果如圖5所示。

圖5 不同疏水改性藥劑對精煤產品抽濾-離心脫水效果的影響

由圖5(a)可知，三種疏水改性藥劑對粗精煤泥的抽濾-離心脫水效果均產生一定影響。與空白樣(水分為12.32%)相比，疏水改性藥劑的加入明顯降低了粗精煤泥產品的水分，其中1231藥劑作用效果最大，三種疏水改性藥劑的助濾作用效果依次為1631>DDA>1231，當1631用量為150 g/t時，能夠有效降低粗精煤泥水分。

由圖5(b)可知，藥劑用量對疏水改性藥劑作用下的浮選精煤抽濾-離心脫水效果的影響較大。與空白樣(水分為9.72%)相比，當1631、1231用量為150 g/t時脫水效果最佳，1231脫水效果次之，當DDA用量為200 g/t時脫水效果較好。

疏水改性藥劑有助于脫水的原因是，藥劑分子與煤表面發生相互作用，其極性基團與煤表面氧化區域或黏土賦存區域進行吸附，使疏水基團暴露在外面，增強了煤表面的整體疏水性，從而提高了脫水效果。但當藥劑過量時，藥劑分子的烷基鏈會相互纏繞，使煤樣表面疏水性增強，形成疏水聚團，聚團相互擠壓形成的空間網狀結構有網捕作用，反而會限制水分的濾出和脫除，該現象在其他研究中也得到了證實[10-12]。

鑒于對粗精煤泥和浮選精煤進行表面疏水改性可取得一定的降水效果，因此采用上述改性藥劑對總精煤開展了疏水改性抽濾-離心脫水試驗，試驗結果如圖6所示。

圖6 不同疏水改性藥劑對總精煤抽濾-離心脫水效果的影響

由圖6可知，相對于空白試驗結果(空白樣水分為8.57%)，三種疏水改性藥劑對總精煤均具有一定的脫水效果，其中1631和1231的作用效果相對穩定；DDA的脫水效果隨藥劑用量波動較大，當其用量為100 g/t時助濾脫水效果較好。

3 結論

(1)粗精煤泥和浮選精煤中微細顆粒含量高，蒙脫石、高嶺石等黏土類礦物及石英等親水性礦物的賦存是導致精煤產品水分偏高的原因之一。

(2)因洗選過程中的表面氧化作用以及親水性礦物賦存，導致粗精煤泥和浮選精煤表面接觸角變小，表面疏水性降低，增加了精煤脫水的難度。

(3)疏水改性藥劑的加入有效降低了精煤產品的水分，三種疏水改性藥劑的助濾效果依次為1631>DDA>1231，且當1631用量為150 g/t時，能夠顯著降低粗精煤泥水分。對于浮選精煤，當1631、1231的用量為150 g/t時，脫水效果最佳。

(4)總精煤的疏水改性驗證試驗表明，疏水改性藥劑1631的作用效果穩定，當藥劑用量為150 g/t時的脫水效果最佳。