鈣離子對煤泥浮選效果的影響研究

盧憲路，溫 磊，周坤強，宛 鶴

(1.國能蒙西煤化工股份有限公司，內蒙古 鄂爾多斯 016100；2.西安建筑科技大學 資源工程學院，陜西 西安 710055)

浮選是依據礦物表面物理化學性質的差異性，在固-液-氣三相界面分離礦物的一項科學技術[1-2]。水作為浮選過程不可缺少的介質，對浮選效果具有極為顯著的影響[3-4]。在環境保護要求和水資源短缺的雙重壓力下，礦山廢水處理與回用已成為一種必然趨勢[5-6]。

內蒙古棋盤井煤礦位于嚴重缺水的鄂爾多斯市鄂托克旗境內，2021年產生礦井水約200萬m3。為了避免礦山廢水排放對環境的不良影響及干旱帶來的水資源短缺等問題，該礦山采用脫油+脫泥+曝氣+過濾+活性炭+RO反滲透等工藝處理礦井水，獲得濃鹽水和生活用水，其中：生活用水作為生活飲用水，符合GB 5749—2022《生活飲用水衛生標準》；濃鹽水則與濃縮機溢流混合后作為生產用水。由于濃鹽水中含有的鈣離子(460 mg/L)、鈉離子(829 mg/L)、硫酸根離子(176 mg/L)和氯離子(821 mg/L)濃度較高，因此導致生產用水中上述離子濃度也較高，其中鈣離子濃度為210 mg/L，鈉離子濃度為702 mg/L，硫酸根離子濃度為242 mg/L，氯離子濃度為621 mg/L。

長期的生產實踐表明，含有大量鈣離子的生產用水有助于提高煤泥水的沉降效果，降低絮凝劑的用量，從而起到節約藥劑成本的作用[7-8]，但也會造成浮選精煤灰分時常超標的問題[9]，嚴重影響了選煤廠的正常生產，并給公司造成了一定的經濟損失。

針對浮選用水中鈣離子濃度過高影響煤泥浮選效果的問題，以棋盤井選煤廠浮選入料為研究對象，研究了鈣離子濃度對煤泥浮選效果的影響，并探索了多種鈣離子遮蔽劑改善煤泥浮選效果的可行性，以為解決高鈣浮選用水引起的浮選精煤灰分時常超標的問題提供技術支撐。

1 試驗

1.1 試驗原料

試驗煤樣為棋盤井選煤廠浮選入料(<0.5 mm)，其灰分為22.5%，水分為7.5%，揮發分為20.6%，固定碳為77.5%，其密度組成見表1，煤樣X射線衍射(XRD)分析結果如圖1所示，礦物組成見表2。試驗用捕收劑和起泡劑分別為柴油和仲辛醇，來自棋盤井選煤廠，二者用量分別為150，75 g/t；氯化鈣、碳酸鈉、硅酸鈉和檸檬酸鈉均為分析純；浮選用水為去離子水和含鈣水。

表1 煤泥密度組成Table 1 Density composition of coal sample

表2 煤樣中礦物組成Table 2 Mineral composition results %

圖1 煤樣XRD分析結果Fig.1 Results of XRD analysis of coal sample

由圖1和表1結果可知，煤樣中礦物質主要為高嶺土(17.5%)、石英(1.5%)和方解石(3.5%)。

1.2 試驗流程

煤泥浮選試驗流程如圖2所示。首先將煤樣加入1.0 L XFD 型單槽浮選機(煤漿濃度為120 g/L，主軸轉速為 1 700 r /min)，待煤樣分散后，依次加入鈣離子遮蔽劑、捕收劑和起泡劑，并分別攪拌2，2，1 min，充氣30 s后浮選2 min。

圖2 煤泥浮選試驗流程Fig.2 Flowsheet of fine coal flotation process

2 結果與討論

2.1 鈣離子濃度對煤泥浮選效果的影響

為了獲得鈣離子濃度對煤泥浮選效果的影響規律，采用不同鈣離子濃度的浮選用水進行了煤泥浮選試驗研究，試驗結果如圖3所示。

由圖3可知，隨著浮選用水中鈣離子濃度的不斷升高，浮選精煤灰分、精煤產率和可燃體回收率呈不斷升高的趨勢，浮選完善指標則呈現先升后降的趨勢。當浮選用水中鈣離子濃度為100 mg/L時，浮選效果最佳，此時浮選精煤灰分為10.60%，精煤產率為72.94%，可燃體回收率為83.49%，浮選完善指標為48.17%。由此可見，在一定鈣離子濃度范圍內，浮選用水中的鈣離子有助于煤泥浮選，但當浮選用水中鈣離子濃度高于100 mg/L以后，將會引起浮選精煤灰分超標。當浮選用水中鈣離子濃度為210 mg/L時，浮選精煤灰分接近12%。

圖3 鈣離子濃度對煤泥浮選效果的影響Fig.3 Effect of Ca2+ concentration on fine coal flotation

2.2 煤泥浮選效果改善措施

為了改善浮選用水中鈣離子濃度過高對煤泥浮選產生的不利影響，研究了碳酸鈉、硅酸鈉、檸檬酸鈉三種鈣離子遮蔽劑對煤泥浮選的改善作用。試驗選取鈣離子濃度為210 mg/L的浮選用水。

2.2.1 碳酸鈉對煤泥浮選效果的影響

碳酸鈉作為鈣離子遮蔽劑時，煤泥浮選試驗結果如圖4所示。

圖4 碳酸鈉對煤泥浮選效果的影響Fig.4 Effect of sodium carbonate on fine coal flotation

由圖4可知，隨著礦漿中碳酸鈉濃度的不斷升高，精煤灰分、產率、可燃體回收率和浮選完善指標均呈下降趨勢。當碳酸鈉濃度達到50 mg/L時，精煤灰分已經低于11%，但精煤產率較低，為48%，可燃體回收率僅為54.86%。由此可見，碳酸鈉有助于降低浮選精煤灰分，但同樣也會造成精煤產率大幅度下降，并引起可燃體的流失。

2.2.2 硅酸鈉對煤泥浮選效果的影響

硅酸鈉作為鈣離子遮蔽劑時，煤泥浮選效果研究結果如圖5所示。

由圖5可知：隨著礦漿中硅酸鈉濃度的不斷升高，精煤產率、可燃體回收率及浮選完善指標均呈下降趨勢，但精煤灰分則呈現增加的趨勢。該結果表明，硅酸鈉的添加不但不能改善煤泥的浮選效果，還會引起浮選精煤產率的大幅度下降。

圖5 硅酸鈉對煤泥浮選效果的影響Fig.5 Effect of sodium silicate on fine coal flotation

2.2.3 檸檬酸鈉對煤泥浮選效果的影響

檸檬酸鈉作為鈣離子遮蔽劑時的煤泥浮選試驗結果如圖6所示。由圖6可知：隨著礦漿中檸檬酸鈉濃度的不斷升高，精煤灰分、產率、可燃體回收率均呈下降趨勢，但浮選完善指標則呈現先下降后升高的趨勢。當檸檬酸鈉濃度高于50 mg/L時，浮選精煤灰分已經能夠滿足棋盤井選煤廠浮精灰分(<11%)的要求，且精煤產率高于60%，可燃體回收率高于70%。由此可見，檸檬酸鈉有助于降低浮選精煤灰分，但也會造成精煤產率下降，并引起可燃體的流失。相比之下，檸檬酸鈉對煤泥浮選效果的改善作用好于碳酸鈉。

圖6 檸檬酸鈉對煤泥浮選效果的影響Fig.6 Effect of citric acid on fine coal flotation

3 結論

以棋盤井選煤廠浮選入料為研究對象，研究了鈣離子濃度對煤泥浮選效果的影響，并探索了三種鈣離子遮蔽劑改善煤泥浮選效果的可行性，主要得到以下結論：

(1)隨著浮選用水中鈣離子濃度的升高，浮選精煤灰分、產率和可燃體回收率呈不斷升高的趨勢，浮選完善指標則呈先升后降的趨勢。當浮選用水中鈣離子濃度為100 mg/L時，浮選效果最佳，此時浮選精煤灰分為10.6%，產率為72.94%，浮選完善指標為48.17%。由此可見，當鈣離子濃度在一定范圍內，浮選用水中的鈣離子有助于煤泥浮選，當浮選用水中鈣離子濃度高于100 mg/L以后，則會引起浮選精煤灰分超標。

(2)當浮選用水中鈣離子濃度過高時，硅酸鈉用作鈣離子遮蔽劑不能起到降低浮選精煤灰分的作用，而檸檬酸鈉和碳酸鈉用作鈣離子遮蔽劑則能夠實現降低浮選精煤灰分的目的，且檸檬酸鈉的效果好于碳酸鈉。

(3)當檸檬酸鈉的用量為50 mg/L時浮選效果最佳，此時浮選精煤灰分、產率、可燃體回收率分別為10.95%，63.91%，73.70%。