動力煤煤泥高剪切調漿浮選提質研究

劉旭 ，韓華 ，申世鈺 ，李志紅 ，王懷法 ,2

（1. 太原理工大學，山西 太原 030024；2. 礦物加工科學與技術國家重點實驗室，北京 100160）

我國是煤炭消費大國，2019 年原煤產量約40 億 t，按照80%入選率要求，入選總量將超過36 億t，煤泥產生量將超過3 億 t，而且隨著煤礦開采深度加大，機械化采煤程度增強以及煤炭資源的日益枯竭，粉煤和煤泥的占比大大提高，導致浮選精煤中高灰細泥夾帶嚴重，造成浮選精煤灰分偏高[1-3]。對于動力煤而言，其煤泥產量不容小覷，煤泥大量堆放污染環境，摻入商品煤中變賣影響商品煤質量且徒增運輸成本，為了不讓這部分資源白白浪費，在動力煤選煤廠中，浮選工藝日漸展開[4]。

高剪切調漿作為浮選前的預處理方法，主要目的是實現微細礦粒的懸浮分散并與浮選藥劑的充分混合[5-6]，其特點是能夠增強絮體剪切，實現煤粒表面清洗，減少細泥罩蓋，增強藥劑的分散度并提高其與顆粒的碰撞概率，從而提高浮選速度和分選指標同時節省藥劑用量[7]。本文對內蒙古自治區鄂爾多斯市烏審旗圖克鎮葫蘆素煤礦的煤樣進行一系列的調漿浮選實驗，研究高剪切調漿預處理對該煤礦煤樣的浮選強化規律。

1 煤樣性質與實驗方法

1.1 煤樣性質與組成分析

實驗煤樣取自內蒙古自治區鄂爾多斯市烏審旗圖克鎮葫蘆素煤礦，其工業分析和粒度組成分析結果分別見表1、2。

表1 煤樣工業分析/%Table 1 Proximate analysis of coal samples

由表2 可知，原生煤泥的平均灰分為36.47%。+0.5 mm 的粒級含量較少，產率為5.87%，灰分14.07%；0.25～0.5 mm 粒級產率為26.83%，灰分38.71%，說明該煤樣中的矸石較多；較易分選的0.074～0.25 mm 粒級產率為30.64%，-0.074 mm的粒級產率為36.66%，-0.045 mm 的灰分為34.58%。

表2 煤樣粒度組成Table 2 Size analysis of coal samples

在礦漿濃度為80 g/L，FDJ 用量為1000 g/t，Q1 用量為500 g/t 的條件下所做煤泥分步釋放實驗，其結果見表3。

表3 煤泥分步釋放實驗結果Table 3 Timed-release analysis results of coal samples

由分步釋放實驗可知，在精煤灰分要求為8%時，精煤的理論產率為68%左右；經過多次精選可以得到高品質低灰精煤，經過6 次分選之后，精煤產率為29.29%、灰分為2.79%。

1.2 實驗儀器和藥劑

1.2.1 實驗儀器

XFD-1 型單槽浮選機（1 L），主軸轉速0～2600 r/min，刮板 轉速為0 ～30 r/min；SFJ-400 分散研磨攪拌機，主軸轉速為0～8000 r/min；攪拌桶高度 260 mm，攪拌桶內徑 94 mm；葉輪直徑45 mm，葉片高度10 mm，葉片數量8 片，葉片傾角90°，上下葉輪間距65 mm，下葉輪距離桶底30 mm；擋板數量4 片，擋板長10 mm，寬5 mm，高260 mm。

1.2.2 實驗藥劑

本次研究實驗藥劑分為兩個組合：(1)FDJ（捕收劑）+Q1（起泡劑）；(2)EKOF（捕收劑）+仲辛醇（起泡劑）。

1.3 實驗方法

1.3.1 浮選實驗

根據GB/T 4757—2013《煤粉（泥）實驗室單元浮選試驗方法》進行浮選實驗；以可燃體回收率作為浮選效果的評價標準。根據GB/T 34164—2017《選煤廠浮選工藝效果評定方法》中的可燃體回收率計算公式為：

式中：Rj為精煤產率%；Aj為精煤灰分%；Ay為計算入料灰分%。

1.3.2 浮選動力學實驗

動力學實驗是研究在單位時間內煤泥的浮選速率規律性，浮選速率常數越大，浮選過程進行得越快。實驗時采用（20、20、20、30、30、60、60）s 共7 個時間間隔分批刮泡，選用經典一級動力學模型對實驗結果進行擬合，其公式為：

2 實驗結果與分析

2.1 高剪切調漿浮選與常規浮選效果比較

2.1.1 高剪切調漿轉速對浮選效果的影響

在FDJ 用量為1000 g/t，Q1 用量為500 g/t；EKOF 用量為1000 g/t，仲辛醇用量為500 g/t 時，分別進行常規浮選實驗和高剪切調漿浮選實驗，高剪切調漿浮選實驗時，調漿時間固定為2 min，調漿轉速設定為500 r/min，1000 r/min、1500 r/min和2000 r/min。實驗結果分別見圖1、2。

圖1 FDJ+Q1 組合下不同調漿轉速時的浮選效果Fig.1 Effect of different mixing speed on flotation under combination of FDJ and Q1

由圖1 可知，在FDJ+Q1 藥劑組合條件下，隨著調漿轉速的增大，精煤產率和可燃體回收率都呈現出不斷增高的趨勢，精煤灰分呈現出先增大后減小的趨勢。說明在適當轉速增長范圍內，分選過程的捕收性及選擇性都有明顯改觀。在500 r/min 時，精煤產率和可燃體回收率比常規浮選提升的不大，說明FDJ 藥劑在較低的轉速下便能較好的在礦漿中分散；在1000 r/min 時，攪拌系統向礦漿系統中輸入大量能量，增強了煤粒與藥劑的碰撞與吸附概率，精煤產率與可燃體回收率有了較高提升；在1500 r/min 時，精煤產率為66.23%，可燃體回收率為93.56%；與2000 r/min 的效果幾乎相當。對比常規浮選精煤產率上升了2.94 個百分點，可燃體回收率提高了3.79 個百分點，有較好的浮選效果。綜合能量消耗及指標的變化程度，考慮將1500 r/min 作為較佳轉速用于之后的調漿浮選實驗中。

從圖2 可以看出，在EKOF+仲辛醇的藥劑組合條件下，隨著調漿轉速的提高，精煤產率以及可燃體回收率都呈現出普遍減小的趨勢，調漿之后的各項指標都比常規浮選的差。可能是因為EKOF 這種藥劑屬于復合型藥劑，在經過調漿之后，礦漿頂部形成了穩定泡沫層，其中攜帶著未能及時分散的藥劑，轉移到浮選槽中后，加入起泡劑充氣刮泡，這部分泡沫層便直接進入到精礦中。說明在高剪切調漿預處理過程中，強大的剪切力以及渦流力場會使復合藥劑中的起泡劑發揮作用，造成藥劑的損失，影響浮選入料的捕收性，進而影響浮選的各項指標。

圖2 EKOF+仲辛醇組合下不同調漿轉速時的浮選效果Fig.2 Effect of different mixing speed on flotation under combination of EKOF and Secoctanol

2.1.2 高剪切調漿時間對浮選效果的影響

固定捕収劑用量1000 g/t，起泡劑用量500 g/t， FDJ+Q1 藥劑組合條件下，調漿轉速為1500 r/min；EKOF+仲辛醇組合下，調漿轉速為1000 r/min。高剪切調漿浮選實驗結果見圖3。

依據圖3，FDJ+Q1 組合下，隨著調漿時間的延長，精煤產率和可燃體回收率呈現出上升趨勢；延長調漿時間，精煤灰分呈現出減小趨勢，說明適當的調漿時間對于精礦的選擇性有正作用，綜合考慮各項指標，以調漿時間2 min 作為之后調漿實驗的較佳調漿時間；EKOF+仲辛醇組合下，精煤產率和可燃體回收率均隨著調漿時間的延長而增高，但其選擇性和捕收性等均沒有常規浮選優，綜合各項指標，以調漿時間2 min 作為之后調漿實驗的較佳調漿時間。

圖3 不同藥劑組合下調漿時間實驗結果Fig.3 Down-mixing time test results of different chemical combinations

2.1.3 不同藥劑用量下常規浮選與高剪切調漿浮選實驗結果對比

FDJ+Q1 組合下，根據2.1 和2.2 較佳調漿轉速（1500 r/min）和調漿時間（2 min）進行不同藥劑用量的浮選實驗；EKOF+仲辛醇組合下，以1000 r/min 和調漿2 min 的參數進行。其實驗結果見圖4。

由圖4 可以得出，FDJ+Q1 組合下，在同一藥劑用量條件下，經過調漿預處理的浮選比常規浮選在精煤產率和可燃體回收率的指標上都有提升，在FDJ 用量為1000 g/t，精煤灰分有少許提高，在藥劑量減小的情況下，調漿浮選較常規浮選精煤灰分均有下降趨勢；在FDJ 用量為1000 g/t 時，精煤灰分提高了0.2 個百分點，精煤產率提高了3 個百分點，可燃體回收率提高了3.79 個百分點；在可燃體回收率相近的水平時（FDJ 用量為500 g/t 與800 g/t），調漿浮選較常規浮選可節省藥劑量37.5%。EKOF+仲辛醇組合下，在同一藥劑用量下，高剪切調漿浮選相比常規浮選沒有顯現出優勢，可燃體回收率和精煤產率均下降，精煤灰分提高，選擇性和捕收性均變差。

圖4 不同藥劑（捕收劑）用量下的浮選實驗Fig.4 Flotation test results under different dosage of reagents

2.2 常規浮選與調漿浮選動力學對比

將經典一級浮選動力學公式鍵入Origin 中并進行非線性曲線擬合，其結果見圖5。

由圖5 可知，FDJ+Q1 藥劑組合下經過高剪切調漿處理后，浮選速度有了顯著提升，浮選動力學常數由1.29 提高到2.44，提高了1.15，在前40 s 內，精煤灰分幾乎不變，精煤產率分別提升12.97 和3.72 個百分點，累計可燃體回收率及其增速均大于常規浮選，并且在90 s 時基本完成分選過程，而常規浮選直至180 s 才浮選結束，說明高剪切調漿技術對浮選初期的浮選速度以及選擇性有積極作用；EKOF+仲辛醇組合下，高剪切調漿浮選僅在前20 s 比常規浮選速度快，是因為雙功能藥劑EKOF 在高剪切調漿階段便發揮了起泡劑的作用，礦漿頂部浮出致密泡沫層，浮選階段時便直接進入精礦，表現為浮選速率快的現象，之后的浮選速度均慢于常規浮選，浮選動力學常數雖然有所提高，但最大可燃體回收率下降了10.22 個百分點，再一次說明EKOF 雙功能藥劑不適用高剪切調漿浮選。

圖5 不同調漿方式時的浮選動力學曲線Fig.5 Kinetics curves of flotation with different mixing methods

3 結 論

（1）調漿轉速與調漿時間是浮選中的重要參數，對浮選效果有直接影響。在較低的轉速和較短的調漿時間下，系統接收的能量不足，藥劑在礦漿中分散不徹底，煤粒表面的擦洗作用較弱，煤粒與藥劑的碰撞概率低；在轉速提升至1500～2000 r/min 時，以上作用增強，浮選效果較變好。

（2）高剪切調漿技術對提高浮選指標以及節省藥劑用量均有積極作用。FDJ+Q1 組合同一藥劑用量下高剪切調漿浮選比常規浮選可燃體回收率提高了3.79 個百分點；在可燃體回收率相近的情況下，可節省捕收劑用量37.5%；對于EKOF 雙功能藥劑，藥劑中的起泡劑因強大的剪切力在預處理階段便發揮作用，藥劑未及時分散便進入頂部泡沫層，浮選效果差。

（3）浮選動力學實驗中，對于FDJ+Q1，經過高剪切調漿預處理，浮選動力學常數有近一倍的提升（由1.29 提高到2.44），且精煤灰分基本不變，說明高剪切調漿對于浮選速度（特別是浮選初期速度）和選擇性有積極作用。EKOF+仲辛醇藥劑組合下，初期浮選速度略高于常規浮選，說明對于雙功能藥劑來說，高剪切調漿浮選提升效果并不理想。