氣化灰渣浮選回收炭粉的實驗研究

張智吉，魏上津，郝路路，張錫澤，覃思學，高 明，舒元鋒，許澤勝，舒新前

( 1.中國礦業大學( 北京) 化學與環境工程學院，北京 100083；2.陜西有色榆林煤業有限公司，陜西 榆林 719099)

1 概 述

煤氣化是煤炭清潔高效利用的重要途徑之一。煤氣化涉及復雜的熱化學反應，本質上是煤在氧氣不足的條件下進行的部分氧化過程，使煤中的有機質轉化成H2、CO、CH4等可燃性氣體[1]，而煤中的無機物經過一系列分解甚至熔融反應，冷卻后形成以非晶態玻璃體為主的氣化灰渣[2]。氣化灰渣有不同的分類方法，按照粒度大小可以分為粗渣(CS)和細渣(FS)2種。粗渣是氣化爐的排渣，細渣則由合成氣除塵裝置排出。以水煤漿氣化為例，氣化粗渣約占灰渣總量的75%～80%，氣化細渣約占20%～25%[3]。受氣化煤種、氣化爐型、氣化過程、氣化效率、工藝條件等不同因素的影響，氣化灰渣的組成和性質變化較大，相應的灰渣中殘碳的含量也有較大區別。一般粗渣中殘碳含量為5%～20%，而細渣中殘碳含量較高，可高達30%以上[4]。目前，氣化灰渣的處理和利用方式主要集中于堆存與填埋，尚未開展大規模的工業應用。關于氣化灰渣的利用研究，則主要集中于建筑材料制備、土壤改良與水體恢復、殘碳分選利用、制備催化劑載體和陶瓷材料、制備硅基材料等[5]。不同類型的氣化灰渣，由于組成和性質不同，可以采取不同方式加以利用。制約煤氣化渣利用的主要因素包括灰渣的礦物組成和化學組成以及殘碳含量，即無機組分和有機組分的組成和含量差別。總的說來，灰渣中的礦物組分和殘碳之間相互聯系又互相制約，依次影響氣化灰渣的利用方式和利用效果。例如，細渣中殘碳含量較高，會在一定程度上妨礙渣和水泥或石灰之間的作用，因而不適合作為水泥或者混凝土的添加劑[6]。顯然，十分有必要開展氣化灰渣中碳灰分離和脫碳技術研究，有效實現氣化灰渣的分質利用。

碳灰分離效果受煤氣化灰渣礦相組成、化學組成、粒度分布、微觀形貌等因素的影響，因而不同類型的氣化渣需要采取不同的分選工藝，以便實現灰渣的碳灰高效分離。目前用于氣化灰渣中碳灰分離的主要技術有分選法(如浮選、重選、電選等)和燃燒法2種[7]。浮選技術進行氣化灰渣的碳灰分離，具有分選效率較高、工藝比較簡單等特點，是極具潛力的碳灰分離或者氣化灰渣脫碳方法。但是，會受到氣化渣的粒度組成、礦漿性狀和藥劑制度等多種因素的影響。為了有效開展氣化灰渣中碳灰分離和炭粉回收技術研究，選擇鄂爾多斯某煤化工廠的氣化粗渣，進行了浮選回收炭粉的實驗研究。

2 氣化粗渣基礎性質分析

對于所選取的氣化粗渣，參照煤的工業分析方法，進行了樣品的工業分析，進一步采用篩分分析方法，進行了樣品的粒度分析，見表1和圖1。

圖1 樣品粒度及灰分分布

表1 樣品工業分析及發熱量

3 氣化粗渣浮選回收炭粉實驗

在進行樣品工業分析和粒度分析的基礎上，在實驗室XFD型單槽浮選機上進行了氣化粗渣浮選炭粉回收試驗。捕收劑采用的是柴油，起泡劑采用的是仲辛醇，重點考察了樣品的粒度組成、礦漿預處理、藥劑制度等因素對粗渣浮選和炭回收效率的影響。

3.1 樣品粒度對粗渣浮選回收炭粉效果的影響

首先，探索了樣品粒度對于氣化粗渣浮選回收率的影響。實驗中，將所選的氣化粗渣樣品，縮分成4份，采用實驗室小型高速粉碎機，控制破碎時間為30 s、120 s、300 s，研究破碎后灰渣的粒度組成，得到氣化粗渣樣品的粒度組成，如表2所示。

由表2中的結果可以看出，粗渣原樣中大于0.5 mm的顆粒占24.45%，大顆粒占比較多。粉碎30 s、120 s、300 s后，樣品的粒度明顯減小。粉碎30 s后，樣品中小于0.18 mm的顆粒占53.38%；粉碎120 s后，小于0.18 mm的顆粒占68.25%；粉碎300 s后，小于0.18 mm的顆粒占79.90%。

表2 不同磨礦時間氣化粗渣的粒度組成特點

針對不同粉碎時間后的氣化灰渣樣品，進行了浮選回收炭粉試驗，試驗中捕收劑用量為5 kg/t，起泡劑用量為1 kg/t條件下，浮選機主軸轉速為2 000 r/min，礦漿濃度為10%，刮泡時間為6 min，試驗結果如表3所示。

浮選試驗結果表明，粉碎時間為120 s時，樣品的浮選效果最好，精礦產率最高，精礦灰分19.35%；粉碎時間為30 s，樣品破碎不充分，浮選精礦的產率樣較低；粉碎時間為300 s時，由于粉碎過度，小于0.074 mm的細顆粒物相對較多，在一定程度上影響了浮選效果，精礦回收率相對較低。因此，后續采用粉碎時間為120 s的樣品進行浮選分離實驗，結果見表3。

表3 不同粉碎時間條件下氣化粗渣的浮選試驗結果

3.2 礦漿制備方式對氣化粗渣浮選脫碳效果的影響

確定了樣品合適的磨礦粒度后，進一步探索礦漿制備方式對氣化粗渣浮選回收炭粉的影響。主要探討了常規制漿和添加分散劑并進行高速攪拌后，制得礦漿的浮選回收率的變化。常規制漿是將100 g氣化粗渣加入浮選槽，添加1 000 mL水，攪拌3 min后進行浮選試驗。筆者進行了對比實驗，一種方式是按常規方式制漿，另一種方式先將100 g氣化粗渣樣品加入燒杯中，添加600 mL水，并按照1 kg/t的比例，加入六偏磷酸鈉，利用DJIC-100電動攪拌器進行高速攪拌3 min，然后再把礦漿移入浮選槽，并沖洗燒杯添加水至1 000 mL，然后進行浮選。實驗結果見表4。

表4 礦漿制備方式對氣化粗渣浮選回收炭粉的影響

由試驗結果可以看出，相對于常規制漿，加分散劑高速攪拌后，氣化灰渣的浮選回收效果更好，精礦的回收率較高，灰分較低，尾礦的回收率較低，灰分更高。這說明，加入分散劑并進行高速攪拌后，可以有效實現灰渣中顆粒間的良好分散，相應地可以制得性能良好的礦漿，浮選時可以提高灰渣樣品與浮選藥劑的接觸和相互作用，相應地改善浮選效果。

3.3 藥劑制度對氣化粗渣浮選回收炭粉的影響

進一步進行了浮選藥劑制度對氣化灰渣回收炭粉試驗，試驗中使用粉碎時間為120 s的粗渣樣品，經過前面的礦漿處理，然后進行浮選回收試驗。浮選過程中，捕收劑與起泡劑比例為5∶1，捕收劑用量分別使用4、5、6、7、8 kg，試驗結果見圖2。

圖2 藥劑添加量對氣化渣浮選效果的影響

由圖2看出，當捕收劑用量為6 kg時，炭粉浮選回收的效果最好，浮選精礦的回收率達到15.75%，精礦灰分14.67%，尾礦灰分84.37%。

4 結 語

在對鄂爾多斯氣化灰渣進行基礎性質研究的基礎上，探索了樣品粒度、制漿方式、浮選藥劑用量、添加調整劑情況下，氣化粗渣的浮選回收效果，得出以下幾點結論：

(1)氣化粗渣浮選過程中，樣品粒度過大或者過小，都不利于浮選。當粒度在0.074～0.18 mm的顆粒占比約70%時，樣品的浮選效果較好。

(2)加入分散劑高速攪拌制漿，可以使顆粒充分地分散，提高樣品顆粒與浮選藥劑間的接觸和作用，相應提高浮選效果。

(3)當捕收劑用量為6 kg時，浮選精礦產率達到15.75%，精礦灰分為14.67%，尾礦灰分為84.37%，碳灰分離和炭粉回收效果較好。