神東煤泥浮選精煤水煤漿添加劑實(shí)驗(yàn)研究

張云飛

（國能神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719300）

引 言

煤泥是煤炭開采和分選加工過程中產(chǎn)生的一種副產(chǎn)品，占原煤量的12%～18%[1]，具有熱值低、黏度大、易團(tuán)聚等特點(diǎn)。神東煤炭集團(tuán)所有選煤廠全入洗后煤泥產(chǎn)量大，約2 000萬t/a，其中僅布爾臺選煤廠煤泥產(chǎn)出量就達(dá)150萬t/a，現(xiàn)有處置方式是將煤泥摻到混煤里對外銷售，但會降低商品煤的發(fā)熱量，影響神東煤的市場競爭力。

浮選是處理細(xì)粒煤泥最有效的分選方法之一[2]。2017年，神東煤炭集團(tuán)提出煤泥浮選脫灰降硫高質(zhì)化利用開發(fā)研究項(xiàng)目[3]，該項(xiàng)目以“布爾臺選煤廠原煤脫粉、煤泥浮選以及粗煤泥螺旋分選機(jī)分選改造工程”的擴(kuò)建初步設(shè)計為藍(lán)本，建設(shè)了一條處理能力10萬t/a干煤泥的神東低階煤煤泥浮選工業(yè)示范生產(chǎn)線。布爾臺洗煤廠煤泥浮選出來的精煤中，粒度小于0.045 mm的精煤的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)60%以上，且含水率高，具備低成本制備超細(xì)水煤漿的特點(diǎn)，可用作煤化工企業(yè)氣化水煤漿提濃原料，實(shí)現(xiàn)煤泥資源的綜合利用，同時解決煤泥對生產(chǎn)銷售的制約。但浮選精煤粒度細(xì)、表面含有大量含氧官能團(tuán)、表面微孔多、親水性強(qiáng)[4-5]，導(dǎo)致其在制備水煤漿的過程中成漿濃度低、黏度大、添加劑消耗量大，而高效水煤漿添加劑的研究與開發(fā)一直是制約水煤漿產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸[6]，尤其是針對浮選精煤水煤漿添加劑的研究，更是鮮有報道。為此，本研究針對布爾臺浮選精煤的表面特性，以堿法造紙黑液為起始原料，通過化學(xué)改性制備出適合浮選精煤的水煤漿添加劑，采用多因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計方法分別考察了磺化反應(yīng)條件和縮合反應(yīng)條件對原煤水煤漿和浮選精煤水煤漿性能的影響，現(xiàn)介紹如下。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)中所用的材料包括山東某造紙廠堿法黑液（純度40%）、對氨基苯磺酸鈉（改性劑、純度97%）、亞硫酸鈉（純度98%）、甲醛（純度37%）和氫氧化鈉（純度

99%）。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

水煤漿添加劑合成實(shí)驗(yàn)裝置：四口燒瓶（500 mL）、溫度計（0～200℃）、球形冷凝管（300 mm）、滴液漏斗（100 mL）、電動攪拌裝置及油浴鍋。

水煤漿成漿實(shí)驗(yàn)裝置：電動攪拌器（JJ-2型）、塑料燒杯（300 mL）、水煤漿黏度計（NXS-4C型）、電熱鼓風(fēng)干燥箱（101A型）。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

水煤漿添加劑的合成主要分為3步：（1）磺化：將計量好的堿法黑液充分?jǐn)嚢瑁缓蟮谷胨目跓恐校吋訜徇吋尤雭喠蛩徕c，繼續(xù)升溫并保持一定的反應(yīng)時間。（2）縮合：磺化實(shí)驗(yàn)完成后，開始滴加計量好的甲醛溶液，升至一定溫度并保持一定的反應(yīng)時間。（3）中和：滴加氫氧化鈉水溶液，用試紙測定反應(yīng)物料的pH值，當(dāng)pH值在9～11時合成實(shí)驗(yàn)完成，降溫出料備用。

水煤漿成漿：按照制漿濃度要求稱取150 g煤粉和相應(yīng)的水、添加劑，在燒杯中攪拌成漿，然后測定水煤漿的濃度及表觀黏度。

2 結(jié)果與討論

為保證合成實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有可對比性，以布爾臺浮選精煤和布爾臺原煤為研究對象，在相同粒度分布、相同添加劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)（均為0.5%）條件下，考察不同添加劑合成條件對原煤和浮選精煤成漿性能的影響。

2.1 磺化反應(yīng)條件對水煤漿性能的影響

影響磺化反應(yīng)的主要因素包括堿法黑液與亞硫酸鈉的加入比例、磺化反應(yīng)溫度和時間。通過多因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計方法分別考察了上述反應(yīng)條件對原煤水煤漿和浮選精煤水煤漿性能的影響，結(jié)果見表1～表3。

表1 磺化反應(yīng)原料配比對水煤漿性能的影響

表2 磺化反應(yīng)溫度對水煤漿性能的影響

表3 磺化反應(yīng)時間對水煤漿性能的影響

由表1～表3可知，堿法黑液與亞硫酸鈉的加入比例、磺化反應(yīng)溫度和磺化反應(yīng)時間等因素對其分散性有顯著影響。隨著加入比例的增加、反應(yīng)溫度的升高和反應(yīng)時間的延長，原煤水煤漿和浮選精煤水煤漿的定黏（1 200 mPa·s）最高成漿濃度先升高后降低。因此，可以確定最佳磺化反應(yīng)條件為：堿法黑液與亞硫酸鈉的質(zhì)量比為1.0∶0.4，磺化反應(yīng)溫度為90℃，磺化反應(yīng)時間為3 h，此時原煤水煤漿和浮選精煤水煤漿的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均達(dá)到最高，分別為49.2%和48.3%。

2.2 縮合反應(yīng)條件對水煤漿性能的影響

影響縮合反應(yīng)的主要因素包括改性劑與甲醛的加入比例、縮合反應(yīng)溫度和縮合反應(yīng)時間。通過多因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計方法分別考察了上述反應(yīng)條件對原煤水煤漿和浮選精煤水煤漿性能的影響，結(jié)果見表4～表6。由表4～表6可知：改性劑與甲醛的加入比例、縮合反應(yīng)溫度對其分散性有顯著影響，隨著加入比例的增加和反應(yīng)溫度的升高，原煤水煤漿和浮選精煤水煤漿的定黏（1 200 mPa·s）最高成漿濃度基本呈先升高后降低，這是由于改性劑和甲醛的加入比例、縮合反應(yīng)溫度直接影響合成產(chǎn)物的縮合程度，進(jìn)而影響其相對分子質(zhì)量和分散性能。此外，縮合反應(yīng)時間對其性能影響不大，尤其是超過5 h后，水煤漿性能基本保持不變。因此，綜合考慮技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性，可以確定最佳縮合反應(yīng)條件為：堿法黑液、改性劑、甲醛的質(zhì)量比為1.0∶0.1∶1.0，縮合反應(yīng)溫度為100℃，縮合反應(yīng)時間為5 h。

表4 縮合反應(yīng)原料配比對水煤漿性能的影響

表5 縮合反應(yīng)溫度對水煤漿性能的影響

由表1～表6還可知，在相同制漿條件下，布爾臺浮選精煤水煤漿成漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)比原煤水煤漿成漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)約低1個百分點(diǎn)，這是由于煤泥經(jīng)過浮選后，精煤表面吸附了大量的絮凝劑和捕收劑，從而影響水煤漿添加劑在煤粒表面的吸附效果。

3 結(jié) 論

根據(jù)布爾臺浮選精煤的表面性質(zhì)，采用堿法造紙黑液作為起始原料，通過磺化反應(yīng)和縮合反應(yīng)等化學(xué)合成手段生產(chǎn)浮選精煤水煤漿添加劑的路線是可行的。通過多因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計方法，考察磺化反應(yīng)條件和縮合反應(yīng)條件對布爾臺原煤水煤漿和浮選精煤水煤漿性能的影響，確定最佳合成條件為：堿法黑液、亞硫酸鈉、改性劑、甲醛的質(zhì)量比為1.0∶0.4∶0.1∶1.0，磺化反應(yīng)溫度為90℃、磺化反應(yīng)時間為3 h，縮合反應(yīng)溫度為100℃、縮合反應(yīng)時間為5 h。制漿時添加劑加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時，所制的布爾臺原煤水煤漿和浮選精煤水煤漿定黏最高質(zhì)量分?jǐn)?shù)可分別達(dá)到49.2%與48.3%。在相同制漿條件下，布爾臺浮選精煤水煤漿成漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)比原煤水煤漿成漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)低約1個百分點(diǎn)。

表6 縮合反應(yīng)時間對水煤漿性能的影響