低阶煤煤泥油泡浮选技术研究

于 伟

(西安科技大学 化学与化工学院，陕西 西安 710054)

煤炭是世界上分布最广、储量最多的一种不可再生资源，在国民经济发展中具有重要作用。我国低阶煤炭资源在煤炭资源总储量中占有很大比例。通常把褐煤、长焰煤、不黏煤、弱黏煤以及部分气煤等变质程度低的煤统称为低阶煤[1]。

煤炭在开采和洗选加工的过程中会产生大量煤泥，约占原煤的10%～20%。针对炼焦煤煤泥，因其表面疏水性强，目前大部分已通过浮选法得以分选利用；而低阶煤煤泥因其含氧官能团多、表面疏水性差，需要添加大量浮选药剂才能实现分选，分选经济性差，因此该部分煤泥目前并未得到有效利用，一般是掺入洗选主产品中进行销售。若能进一步开发浮选技术，实现低阶煤煤泥的分选，则选后精煤就可掺入洗选主产品而不会影响整体质量；此外，浮选后得到的精煤泥还可作为优质的化工用原料煤。因此，需要寻求一种技术经济可行的方式对低阶煤煤泥进行分选提质。

李文文[2]利用柴油对低阶煤煤泥进行了浮选试验研究得出，随着药剂用量增加，精煤产率逐渐增加，最大可达到30%以上，但干煤泥柴油用量高达10 kg/t。任聪等[3]通过煤油与活性物质混合的方式研究了复配药剂浮选低阶煤煤泥的效果。郑茜等[4]采用紫外线对柴油进行活化，研究了低阶煤浮选的动力学。蒋善勇[5]、朱春云[6]研究了煤油作用后的不黏煤颗粒与气泡的接触行为，认为气泡与低阶煤表面难以形成稳定的三相接触周边，当接触时间为500 ms时，黏附概率不足50%，并分析了低阶煤煤泥可浮性差的原因。

近十余年来，中国矿业大学王永田教授一直致力于低阶煤煤泥浮选提质技术研究与工程实践，创造性地将油泡浮选技术应用于低阶煤煤泥分选，显著提高了低阶煤浮选指标。为了推进低阶煤浮选的工业化，总结油泡浮选经验和科学本质，成功设计出了复配捕收剂，在大幅提升浮选指标、降低药剂消耗的同时，解决了低阶煤大规模浮选提质工业实践的技术瓶颈，目前已在神东布尔台选煤厂成功建设了一条年处理能力为16万t干煤泥的低阶煤煤泥浮选工业示范生产线。

从低阶煤煤泥浮选技术研发与工业化进程来看，油泡浮选技术是低阶煤煤泥浮选的基础，对推动低阶煤煤泥实现工业化分选具有重要作用。

1 油泡浮选技术

LIU J等[7]发现在煤的油团絮中被油膜包裹的气泡的重要作用，在分选时，可使药剂耗量降低且精煤产率提高，由此提出油泡分选的新概念。油泡(oily-bubbles)即在气泡的外面包裹一薄层油膜或其他溶剂，浮选时，药剂附着在气泡表面，不仅耗量更低，且在矿浆中分散度更好。常规浮选与油泡浮选示意图如图1所示。

图1 常规浮选与油泡浮选示意图

WALLWORK VINCE等[8]利用自制油泡发生装置将煤油加热后随空气给入到分选系统中，对难选油砂矿进行油泡浮选试验，结果表明，油泡浮选精矿回收率大幅提高，分选指标较常规浮选好。PENG F F[9]等利用实验室丹佛浮选机对煤泥进行了油泡浮选试验探索，采用注射器将浮选药剂滴加到预先加热的铜管中生成蒸汽，然后使之随空气一起被吸入浮选机中进行油泡分选，取得了较好的分选指标。

2 油泡柱浮选技术

王永田教授在加拿大阿尔伯塔大学访学期间(2008—2009年)，将油泡浮选技术与旋流-静态微泡柱浮选技术相结合，形成油泡柱浮选技术，搭建油泡柱浮选系统(图2)，并利用该系统进行了相关研究。

1—浮选柱；2—搅拌桶；3—给料口；4—泡沫排放口；5—尾矿排放口；6—循环泵；7—气泡发生器；8—电加热套；9—三口烧瓶；10—温度计；11—进气管；12—气体流量计

通过连接管路将油气出口与浮选柱气泡发生器的吸气口相连接(出入口连接处均密封)，向烧瓶中加入一定量(大约为烧瓶体积的1/2)的煤油，然后利用电加热套对其加热使之沸腾，控制加热温度和气泡发生器吸气量，使煤油在一个比较温和平衡的环境下缓慢沸腾，沸腾后产生的煤油蒸气随吸入的空气进入气泡发生器中，从而形成油泡完成分选。在不加起泡剂的情况下，利用该系统生成的煤油泡状态如图3所示。

由图3可以看出，浮选柱中气泡数量多且前后叠加，直接观测难度较大，通过一气泡采样盒将柱体中的气泡引出一小部分，可实现气泡大小等性质的在线检测。在不加起泡剂的情况下，浮选柱中煤油泡数量多、尺寸小，且不易兼并。将常规浮选烃类油等捕收剂直接加入到矿浆中，通过搅拌调浆作用实现药剂分散与矿化作用，在这一过程中部分亲水颗粒表面也易附着烃类油，选择性较差。而油泡浮选省略了调浆环节，加热后的烃类油油雾以气溶胶形态被吸入到浮选设备内，油由气相转移至气-水界面间形成油泡，且油泡数量多、直径小。目标矿物与非目标矿物表面都有一层水化膜，油泡外表面也有一层水化膜，当油泡与矿物接触后，水化膜减薄，此时油易与有机碳质颗粒发生吸附，而不易与无机矿物颗粒吸附，这样就实现了油泡对有机质——煤的选择性吸附矿化，进而提高了浮选药剂的捕收性与选择性。油泡浮选原理如图4所示。

图3 煤油泡分散状态

黑色—煤；黄色—油；绿色—水；蓝色—气泡

实践发现，油品沸腾过程较难控制，特别是吸气量改变时，容易引起煤油的暴沸，安全性能较差，在试验过程中曾出现油气出口与气泡发生器之间的导管因油气温度高发生熔化堵塞而导致沸腾煤油从进气口喷出的情况。此外，若气泡发生器发生堵塞或者循环泵出现停转，浮选柱中的矿浆会通过气泡发生器吸气口倒流入沸腾的煤油中，造成不可预知的危险。因此，对油气生成方式进行了改进，将煤油定量滴入到高温加热的烧瓶中或电热板上，煤油瞬间受热气化生成煤油蒸气，然后随空气一起被吸入到浮选柱中。两种油泡生成系统如图5所示[10]。

1—浮选柱；2—搅拌桶；3—给料口；4—泡沫排放口；5—尾矿排放口；6—循环泵；7—气泡发生器；8—储油桶；9—加油泵；10—油气发生器；10-1—烧瓶；10-2—电加热套；10-3—电热板；10-4—锥形集气罩

在热态制造油泡研究的同时，还进行了油泡冷态制造设计，主要采用超声波雾化和加压喷射雾化法令烃类油形成一种分散性气溶胶，然后随空气一起给入到分选设备中。冷态油泡浮选安全性好，同样较常规浮选效果好，但较热态油泡浮选法效果差[11]。

3 低阶煤煤泥油泡柱浮选实践

采取神东矿区大柳塔选煤厂煤泥样品，样品空气干燥基水分为2.9%、灰分为19.7%、挥发分为25.3%，分别进行常规浮选柱分选及油泡浮选柱分选试验[12]。

采用FCSMC-50型旋流-静态微泡浮选柱进行常规浮选试验。采用一次分选流程，捕收剂(煤油)用量分别为10、40、60、100 kg/t，起泡剂(仲辛醇)用量为200 g/t，矿浆浓度为80 g/L，矿浆给料量为280 mL/min，循环泵压力为0.14 MPa。常规分选试验结果见表1。

表1 大柳塔煤泥浮选柱常规分选试验结果

采用闪蒸技术制造油泡，根据矿浆浓度以及给料量控制加药速度，油泡柱分选操作工艺参数参照常规浮选进行。试验结果见表2，分选过程泡沫层状态如图6所示。

表2 大柳塔煤泥油泡柱分选试验结果

图6 大柳塔煤泥油泡柱浮选泡沫层状态

由表1和表2可以看出，使用油泡作为浮选载体对大柳塔煤泥进行浮选可以很大程度地降低捕收剂消耗，且浮选指标良好，达到了油泡浮选处理低阶煤煤泥的预期目标。吨干煤泥煤油用量为2.5 kg时，通过油泡柱浮选可以得到灰分为8.26%、产率为82.38%的精煤，尾煤灰分为69.85%，可燃体回收率高达93.43%。经过分选得到的高产率低灰分浮选精煤可以直接掺入重选末精煤销售，也可作为优质的化工用原料煤(因其本身粒度细还可省去磨矿环节)。常规浮选，在煤油耗量为100 kg/t时，可燃体回收率仅能达到82.18%，相比之下油泡对低阶煤的强捕收能力与高选择性得到了充分的体现。实验室研究表明油泡浮选是处理低阶煤煤泥经济有效的方法。由图6可以看出：浮选柱内形成了一个非常明显的分选界面，上部为泡沫层，矿化后气泡尺寸小且致密；下部的矿浆呈灰白色，柱内灰分梯度明显，尾煤灰分高，分选过程选择性强。

除大柳塔选煤厂煤泥外，还对神东矿区石圪台煤泥、布尔台煤泥、保德煤泥，准旗沙圪堵煤泥，白音华褐煤煤泥[13]等进行了油泡柱浮选试验，均取得了较好的分选指标，分选结果表明，油泡不仅捕收能力强，而且选择性高，是处理低阶煤煤泥分选的有效手段。

4 油泡柱浮选技术工业探索

在实验室试验基础上，为了进一步探索油泡浮选技术的可行性与先进性，王永田教授进行了油泡柱浮选技术的工业探索试验。

进行工业试验时，还未有低阶煤煤泥浮选工业化系统，因此选取一炼焦煤选煤厂煤泥浮选柱进行了相关试验。

首次试验时，仍使用烧瓶与电加热套制造油泡，利用一台蠕动泵将浮选捕收剂定量加入到烧瓶中蒸发气化，起泡剂按原系统加入，油气随空气一起被吸入到浮选柱气泡发生器中形成油泡，油泡与煤粒作用完成分选过程。现场试验装置如图7所示。

图7 油泡浮选半工业性试验装置

由图7可以看出，闪蒸后油气在气泡发生器的作用下，可全部被吸入到浮选柱中。试验表明，与常规浮选相比，油泡浮选可以有效节约浮选药剂用量，但对于φ5 m的浮选柱，500 mL烧瓶产生的油气量不足，必须采用大型油泡制造系统以加大浮选药剂的蒸发体量。

经过查阅资料与实地调研，选定对化工行业不锈钢反应釜进行改造，去除其搅拌机构，增加了相应管路，将之改造成工业用油泡制造装置，如图8所示。通过导热油对反应釜加热，利用一台蠕动泵将捕收剂定量加入到反应釜中使之受热蒸发气化，将油气出口与浮选设备吸气口相连，则油气可随空气一起进入到浮选设备中。

图8 工业化油泡制造装置

利用工业化油泡制造装置进行煤泥浮选工业试验，捕收剂通过蠕动泵定量加入，起泡剂按原给药系统加入。试验结果表明，该装置通过自动温控系统可产生连续稳定的油气，操作简便，有效降低了浮选捕收剂用量，且浮选泡沫层稳定，分选指标较好。

实验室研究及工业性探索均表明，油泡浮选技术可对低阶煤煤泥进行高效分选，捕收能力强且选择性好，但通过蒸发方式制造油气安全性较差，是制约其工业应用的主要原因。油蒸气与空气以一定比例混合遇明火后容易燃烧爆炸，油蒸气扩散遇到火源后会着火回燃造成危险，且密闭容器中压力过大也易爆炸，设备大型化后，人为操作等非可控因素太多。因此，要将油泡浮选技术用于工业生产，还需解决安全问题。

王永田教授还针对油泡浮选与常规浮选的区别与联系[14]，开辟了低阶煤煤泥浮选药剂研究的新思路，成功开发了FO系列浮选药剂，并用于低阶煤煤泥的分选[15]，在实验室应用的基础上，完成了神东矿区等多个选煤厂低阶煤煤泥半工业分选试验，并在神东布尔台选煤厂成功建设了年处理能力为16万t干煤泥的低阶煤煤泥浮选工业示范生产线。

5 结论

(1)油泡浮选是在气泡上镀上油膜，在浮选前不进行加油调浆作业，浮选过程中的矿化主要靠目的矿物与油泡碰撞矿化实现，油泡数量多、直径小，更易于实现矿化。

(2)对神东矿区大柳塔选煤厂等低阶煤煤泥进行油泡柱浮选试验，结果表明，油泡对低阶煤煤泥具强捕收能力与高选择性，分选指标良好，可见油泡浮选技术是处理低阶煤煤泥经济有效的方法。

(3)将油泡浮选技术用于工业浮选柱分选，可有效降低浮选捕收剂用量，且浮选泡沫层稳定，分选指标良好。但热态法制造油气安全性差，是制约油泡浮选工业应用的瓶颈。