高灰細粒煤泥正交優化浮選實驗

申世鈺 ，李帥 ，王懷法 ,2，祁占海

（1.太原理工大學，礦業工程學院，山西 太原 30024；2.礦物加工科學與技術國家重點實驗室，北京 100000；3.中鈺泰德煤炭有限公司，內蒙古 鄂爾多斯 017000）

隨著機械化采煤程度的提高和礦井開采的不斷深入，高灰細泥也隨之增加，精煤灰分高、尾煤灰分低、粗粒精煤損失大等已經成為許多選煤廠浮選過程的共性問題[1-3]。

于躍先等[4]通過對細泥夾帶機理的研究發現：影響高灰細泥夾帶的主要因素為細泥粒度、起泡劑用量和礦漿濃度。宋云霞等[5]研究表明：一次浮選的精煤灰分高，產率低，尾煤灰分低，很難滿足生產要求。Taki Güler 等[6]發現，粒徑越細，夾帶程度越高，同時還受起泡劑類型的影響。Sripriya R 和Oats W J 等研究表明，細泥礦物的存在降低了煤的可燃體回收率并影響精煤灰分[7-8]。張曉鵬[9]認為在生產現場中，應針對煤質的變化情況，調整合適的油比、充氣量和攪拌速度，減少高灰細泥對浮選精煤的污染。

異質細泥遇水易泥化成微米級礦物黏附于氣泡與煤粒表面形成細泥罩蓋，由此引起了煤泥浮選的一系列問題[10-11]。提高精煤質量和可燃體回收率是當前提高浮選效率的關鍵所在，本論文將以內蒙古鄂爾多斯市凱達礦的難浮煤泥為研究對象，在正交實驗設計的基礎上，進行了精煤再選工藝優化實驗。

1 煤樣性質與實驗方法

1.1 煤樣性質分析

（1）煤樣礦物組成分析

本實驗選取的煤樣來自內蒙古鄂爾多斯市凱達礦，采用X 射線衍射儀SmartLab 在Cu 靶、管電壓40 kV、管電流40 mA、衍射角度為2～45°的衍射條件下進行了全巖礦物分析，XRD 和結果見圖1 和表1。

表1 煤樣礦物組成分析結果/%Table 1 Timed-release analysis results of coal sample

圖1 煤樣XRDFig.1 X-ray diffraction pattern of coal sample

由圖1 和表1 可知，煤樣中脈石礦物主要為石英和由高嶺石、伊利石、蒙脫石組成的粘土礦物。其中石英的含量最大，意味著精煤與脈石礦物間存在著較大斥力，通過選擇合適的工藝可有效實現分離；粘土礦物的含量為40.4%，這會導致該煤樣在浮選過程中容易泥化。

（2）煤樣篩分分析

對煤樣進行篩分分析，結果見表2。

表2 煤樣篩分分析Table 2 Coal sample screening analysis

由表2 可知，-0.045 mm 粒級的產率和灰分分別達到了59.43%、61.42%，說明該煤樣為高灰細粒煤。其余各粒級的產率相差不大，在9.12%～11.37%之間。+0.125 mm 粒級的灰分明顯較低，為4.28%，這說明煤泥中的粗顆粒需要最大程度地實現回收。

1.2 實驗儀器和藥劑

（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；

（2）實驗藥劑。本次研究實驗藥劑為：FDJ（一種新型非極性烴類捕收劑）+Q1（一種新型醇類起泡劑）。

1.3 實驗方法

（1）正交實驗設計法是利用正交表來安排與分析多因素實驗的一種設計方法[12]。它是在實驗因素的全部水平組合中，挑選出部分具有代表性的水平組合進行實驗，通過對這部分實驗結果的分析了解全面實驗的情況，確定因素主次順序、較佳水平和較優條件。

（2）浮選實驗嚴格按照GB/T 4757-2013《煤粉（泥）實驗室單元浮選實驗方法》要求執行，以可燃體回收率和浮選完善指標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：

其中，ε為浮選精煤可燃體回收率/%；Ay為浮選入料灰分/%；Aj為浮選精煤灰分/%；γj為浮選精煤實際產率/%。

浮選完善指標的計算公式為：

其中，ηWf為浮選完善指標/%；γj為浮選精煤實際產率/%；Ay為浮選入料灰分/%；Aj為浮選精煤灰分/%。

2 實驗結果與分析

2.1 煤泥浮選正交實驗研究

影響煤泥浮選效果的主要因素有浮選礦漿濃度、捕收劑用量、起泡劑用量、充氣量、葉輪轉速等，為了考查這些因素及其水平，在前期單因素探索實驗基礎上，采用L9(34)正交實驗進行研究。其中礦漿濃度固定為60 g/L，其他的因素水平安排見表3，實驗結果見表4、5。

表3 因素水平Table 3 Factor level table

表4 正交實驗安排及分析Table 4 Orthogonal test arrangement and analysis

結合表4 和圖2，分析各個因素對指標的影響情況：

圖2 各指標隨因素水平的變化Fig.2 Changes of various indicators with factor levels

（1）各因素影響的主次順序為：起泡劑用量>捕收劑用量>葉輪轉速>充氣量。

（2）起泡劑用量D 對各指標的影響。由表4可知，對可燃體回收率和浮選完善指標來說，起泡劑用量的極差都是最大的，即起泡劑用量是最大的影響因素，從圖2 可以看出，明顯取值800較好。

（3）充氣量B 對各指標的影響。由表4 可知，對于兩個指標來說，充氣量的極差都是最小的，即為影響最小的因素；從圖2 可以看出，充氣量取值0.175 較好。

（4）捕收劑用量C 對各指標的影響。由表4可知，對于兩個指標來說，捕收劑用量的極差都是第二大的，即次要影響的因素；從圖2 可以看出，捕收劑用量取值1600 較好。

（5）葉輪轉速A 對各指標的影響。由表4 可知，對于兩個指標來說，轉速的極差都是第三大的，即第三影響的因素；從圖2 可以看出，對于可燃體回收率來說，取值2000 較好；但對于浮選完善指標來說，取值1800 較好。

通過以上分析，得出較好的實驗方案有兩組：A2B2C3D3和A3B2C3D3。而這兩組都不在正交實驗的9 組實驗安排中，因此需要補做，其結果見表4 和表5。經比較得出較優的方案為A2B2C3D3，即較佳條件為：葉輪轉速1800 r/min、充氣量0.175 m3/(m2/min)、捕收劑用量1600 g/t、起泡劑用量800 g/t。浮選結果為：精煤產率61.85%、灰分20.20%，尾煤產率38.15%、灰分76.81%。還可以看出，當可燃體回收率和浮選完善指標達極大時，精煤的灰分偏大，同時考慮到脈石礦物中石英的含量較大，此時對精煤進行精選實驗將非常有意義。

表5 正交實驗各組結果Table 5 Orthogonal experimental results

2.2 “一粗一精”浮選實驗研究

由圖3 可知，采用“一粗一精”浮選工藝流程對正交實驗的較優方案進行進一步研究，一段粗選加藥，二段精選不加藥；一段粗選提高回收率，二段精選確保精煤灰分和產率。實驗結果見表6。

表6 “一粗一精”浮選實驗結果Table 6 Results of one roughing and one cleaning flotation test

圖3 “一粗一精”浮選工藝流程Fig.3 Process of one roughing and one cleaning flotation test

由表6 可知，A2B2C3D3方案經過“一粗一精”工藝流程，可以得到產率49.41%、灰分8.70%的精煤和產率50.59%、灰分74.15%的尾煤，有效地降低高灰細泥對精煤浮選效果的影響。

3 結論

（1）煤樣的主導粒級為-0.045 mm，其產率和灰分分別為59.43%、61.42%。XRD 分析結果表明煤樣中脈石礦物以石英和粘土礦物為主。

（2）實驗中各因素影響浮選結果的主次順序為：起泡劑用量>捕收劑用量>葉輪轉速>充氣量；正交實驗所得的較優方案為A2B2C3D3，得到了產率61.85%、灰分20.20%的精煤和產率38.15%、灰分76.81%的尾煤。

（3）在起泡劑用量800 g/t、捕收劑用量1600 g/t、礦漿濃度60 g/L、葉輪轉速1800 r/min、充氣量0.175 m3/(m2/min)的條件下，通過“一粗一精”浮選工藝流程，得到了產率49.41%、灰分8.70%的精煤和產率50.59%、灰分74.15%的尾煤。“一粗一精”浮選工藝能有效地降低高灰細泥對該煤樣浮選的影響，確保了精煤灰分和產率。