浮选煤泥和榆林煤制备气化水煤浆的研究

乔军强

(国能神东煤炭集团有限责任公司，陕西榆林 719315)

煤泥具有粒度细、持水性强、灰分高、发热量低、黏性大的特点，是煤炭加工洗选过程中产生的一种废弃物，且随着原煤入选率的增大，煤泥的产量也逐年增加[1-2]。由于煤泥水分高、内聚力及黏性大，其干化后，遇风、遇雨时对生态环境影响很大[3-4]。神东公司煤泥产出量较大，仅布尔台选煤厂煤泥产量约150万t/a，所有选煤厂全入洗后煤泥产量约2 000万t/a，现有处置方式是将煤泥掺到混煤里，一起对外销售，掺混销售影响商品煤发热量、冬季易造成运输车辆冻车，卸车困难，夏季风干后易扬尘污染环境，使用中易发生溜槽和落料口堵塞引起系统停产等突出问题，影响神东煤炭的市场竞争力[5]。因此，开发一种处理量大、成本低、资源利用率高的煤泥高效利用技术，提高煤泥附加值，变废为宝，实现煤泥的清洁高效利用已成为选煤厂迫切需要解决的问题[6-7]。将煤泥制成水煤浆，有助于缓解煤泥对环境的污染和提高煤泥综合利用价值，是煤泥利用的有效途径之一[8-9]。神东布尔台选煤厂煤泥浮选脱灰降硫系统浮选出的煤泥具有粒度细、含水率高和灰分低的特点(与化工煤指标相当)，是制备超细水煤浆，用作气化水煤浆提浓的最优原料，其中粒度细能节省研磨功耗，含水率高能节省制浆用水，免去煤泥脱水、干燥等高能耗环节，大幅降低煤泥利用的加工成本。目前，国内多采用常规的单棒磨机或球磨机制浆工艺，将煤、水和添加剂按配比一次性加入单棒/球磨机内研磨，制得成品煤浆，该工艺虽简单但调节手段少，无法优化煤浆粒度级配，煤浆粒度分布为单峰连续级配，堆积效率差，成浆质量分数低[10-11]。分级研磨制浆工艺是煤科院国家水煤浆工程技术研究中心开发出第二代制浆工艺，该工艺将棒磨机和细磨机进行组合，通过细磨机制备出合格超细煤浆再返回到棒磨机中提浓，细浆的作用是在提高煤浆流动性和稳定性的同时优化煤浆颗粒的粒度级配，提高煤浆颗粒的堆积效率，进而提高煤浆质量分数[12-13]。间断级配制浆工艺是在分级研磨制浆工艺基础上开发出的新一代制浆技术[14]，该技术主要是使煤浆中的粗颗粒尺寸尽可能大，煤浆中细颗粒煤粉能够填充到粗颗粒构成的空隙中，实现煤浆的高效紧密堆积，同时细颗粒又成为粗颗粒流动的载体，显著改善煤浆流动状态，实现煤浆粒度的双峰间断级配，与常规制浆工艺相比，煤浆质量分数可提高6个百分点以上[15-16]。将神东煤泥浮选精煤用作气化煤浆提浓原料，可大幅提高煤泥的附加值，实现煤泥资源化的综合高效利用。

1 试验部分

1.1 煤样的选择和煤质分析

试验用煤泥来自神东布尔台选煤厂浮选后的精煤泥，试验用煤样为榆林煤，在收到原料后对其进行分析测试，分析数据见表1和表2。

表1 煤泥和榆林煤的工业分析和元素分析

表2 榆林煤的灰熔融性分析

由表1和表2可见：浮选后精煤泥虽全水含量很高但内水含量较低，具有较低灰分、中高挥发分、硫含量较低、热值高的特点；榆林煤属于水分较低、低灰分、高挥发分、特低硫、高热值、低流动温灰的煤种，煤泥经过浮选后灰分可降低至10%以下，工业分析数据与精煤相近，完全满足煤化工企业气化用煤需求。

1.2 主要试验仪器

5E-JCA型颚式破碎机；XMB型棒磨机；MKJP-3型选择性破磨机；QHJM-3型离心式动力超细磨；标准筛振筛机；梅特勒HB43快速水分测定仪；马尔文MS3000超高速智能粒度分析仪；NXS-4CP型水煤浆专用黏度计。

1.3 粗、细煤粉的制备方法

1)常规制浆工艺。首先将试验煤样破碎到3 mm以下，再加至XMB型棒磨机中进行粗研磨，根据粒度要求选取不同磨矿时间用电动振筛机进行干法筛分，测出其粒度分布直到达到粒度要求为止，制备出合格的原料煤粉。

2)分级研磨制浆工艺粗、细煤粉的制备。将破碎后原料煤加至棒磨机中进行粗研磨，选取不同磨矿时间制备出粗粉；取出部分制备好的粗粉放入超细研磨机中进行细磨矿制备出合格的细粉。

3)间断级配制浆工艺粗、细煤粉的制备。将破碎后原料煤用MKJP-3型选择性破磨机通过改变对辊间隙制备出合格粒径的粗粉，然后采用不同规格标准筛对粗煤粉进行筛分，将筛下物再放入超细研磨机中进行超细磨矿制备出合格的细粉。

1.4 制浆方法

采用干法制浆，首先将试验煤样经不同设备制备出合格的煤粉，然后按设定质量分数，将煤粉(包括粗粉和细粉)、水及添加剂放入到制浆容器中，用电动搅拌器进行搅拌制浆，然后对水煤浆产品进行分析检测。

由于煤泥浮选后的精煤粒度较细，小于45 μm粒级物料含量(w)高达70%以上，可以不经过破碎只经过简单的整形处理作为细粉使用，节省了研磨功耗。配煤制浆试验是采用整形后的精煤泥来代替分级研磨工艺和间断级配工艺里的细粉，根据设定的煤浆质量分数将原料煤粗粉、精煤泥、水、添加剂进行充分搅拌调浆，然后对水煤浆产品进行分析检测。

1.5 水煤浆性能的测定

水煤浆的质量分数采用HB43型梅特勒快速水分测定仪测定；水煤浆的表观黏度采用NXS-4C水煤浆黏度计测定。采用目测法测定水煤浆流动性，将煤浆流动性能分为：连续流动(A)、间断流动(B)、不流动(C)，用“+”表示该等级中流动性较好者，用“-”表示该等级中流动性较差者。水煤浆的稳定性采用插棒法测定，密闭静置8 h后，采用插棒观测水煤浆的沉淀情况，分为A、B、C、D四个等级，其中，A表示稳定性最好，浆体保持其初始状态，无析水，无沉淀产生；B表示稳定性尚好或一般，存在少量析水或少许软沉淀产生；C表示浆体稳定性较差，有软沉淀搅拌后可再生；D表示稳定性最差，产生部分沉淀或全部硬沉淀。

2 结果与讨论

2.1 浮选煤泥的粒度分布

考虑到浮选后的煤泥粒度较细，先采用马尔文3000型激光粒度仪对煤泥试样进行粒度分布测试，试验结果见表3。

表3 粗煤泥研磨前的粒度分布

由表3可见：煤泥的粒径较细，其平均粒径为37.70 μm，75 μm以下的含量(w)为86.23%，符合超细水煤浆的粒度要求。但考虑到煤泥颗粒为不规则棱角形状，会影响煤浆的表观黏度和流动性，将粗煤泥经过超细磨进行整形处理，使其颗粒由不规则棱角形状变成规则球状，整形后精煤泥的粒度分布结果见表4。

表4 整形研磨后精煤泥的粒度分布

由表4可见：浮选煤泥经过超细研磨机整形研磨后，煤泥的粒度更细，其平均粒径为25.70 μm，75 μm以下粒径的含量(w)增至94.59%。

2.2 常规单磨机制浆工艺成浆性试验

目前，我国气化水煤浆的制浆工艺多为单磨机制浆工艺，原料煤、水和添加剂按一定比例加入磨机，经磨机一次研磨即制得成品煤浆。该试验中首先采用常规制浆工艺对榆林煤、粗煤泥、整形研磨后精煤泥进行成浆性试验，添加剂为自主研发的煤科院CCRI系统，添加量统一为0.3%(干基/干粉)，试验结果见表5。

表5 常规制浆工艺的试验结果

由表5可见：随着成浆质量分数的逐渐提高，水煤浆表观黏度增大，流动性明显变差，由于煤泥的颗粒较细，煤浆流动性较好；常规制浆工艺下，采用单种煤制浆，榆林煤、粗煤泥和整形研磨后的精煤泥的最高质量分数为60.53%，54.34%，55.33%。整形研磨后精煤泥成浆质量分数高于整形前粗煤泥的制浆质量分数，这是由于粗煤泥经过超细研磨整形后，粒度形状由不规则棱角形变成球形，煤浆的流动性和稳定性较好；但由于粗煤泥和整形研磨后精煤泥的粒度均较小，未形成合理的粒度级配，单独制浆质量分数都较低，仅为55%左右。

鉴于常规制浆工艺下的成浆质量分数较低，进一步研究了分级研磨制浆工艺和间断级配制浆工艺下的成浆性试验。

2.3 分级研磨制浆工艺成浆性试验

合理的粒度级配是制备优质水煤浆的关键，优化煤浆的粒度级配，煤浆中大小颗粒间相互填充，可以提高颗粒的堆积效率，提高煤浆质量分数，改善煤浆的流动性和稳定性。采用分级研磨制浆工艺对榆林煤进行成浆性试验，通过初步试验，确定出分级研磨制浆工艺的最佳粒度级配为粗粉与细粉质量比为85∶15，添加剂用量统一为0.3%(干基/干粉)，试验结果见表6。

表6 分级研磨工艺下的试验结果

由表6可见：榆林煤采用分级研磨制浆工艺，在粗、细粉质量比为85∶15，添加剂用量0.3%(干基/干粉)的条件下，最高成浆质量分数为63.40%。与常规制浆工艺相比，成浆质量分数可提高3个百分点。这是由于细颗粒的加入，在改善煤浆流动性和稳定性的前提下，优化了煤浆的粒度级配，提高了颗粒的堆积效率。

考虑到精煤泥的颗粒较细，如能用整形后的精煤泥代替分级研磨工艺里的细粉，既节省研磨功耗又能解决煤泥难处理的问题。采用分级研磨制浆工艺进行配煤制浆试验，以整形研磨后精煤泥替代分级研磨工艺的细粉，精煤泥的添加比例为15%，添加剂用量为0.3%(干基/干粉)，试验结果见表7。

表7 分级研磨工艺下的配煤制浆试验结果

由表7可见：在分级研磨制浆工艺下，用整形研磨后精煤泥代替分级研磨制浆工艺中的细粉，在榆林煤与精煤泥的配比为85∶15，添加剂用量0.3%(干基/干粉)的条件下，配煤制浆最高成浆质量分数为63.51%，与细粉制浆的质量分数相当，完全可以采用整形研磨后精煤泥替代细煤粉。

2.4 间断级配制浆工艺成浆性试验

为进一步提高榆林煤的成浆质量分数，采用间断级配制浆工艺进行成浆性研究，该工艺是将粗粉的粒度尽可能大，细粉的颗粒足够小，使得粗粉的最小粒径和细粉的最大粒径之间有间断，保证细粉能够完全填充到粗粉中，最大限度地提高填充效率，达到提高煤浆质量分数的目的。采用间断级配工艺，粗粉与细粉质量为6∶4，添加剂质量为干基煤质量的0.3%，进行成浆性试验，试验结果见表8。

表8 间断级配制浆工艺下的试验结果

由表8可见：采用间断级配制浆工艺，在粗细粉比例为6∶4条件下，榆林煤的最高成浆质量分数为65.49%，成浆质量分数与分级研磨工艺相比提高2个百分点；随着细粉添加量的增大，煤浆流动性和稳定性均逐渐增强，但表观黏度较前两种制浆工艺也有所增大，表明细粉在煤浆中起到了很好的润滑与增黏作用。

采用间断级配工艺，用整形研磨后精煤泥替代间断级配工艺中的细粉，榆林煤与精煤泥质量比为6∶4，添加剂用量为0.3%(干基/干粉)的条件下进行成浆性试验，试验结果见表9。

表9 间断级配工艺下的配煤制浆试验结果

由表9可见：采用间断级配制浆工艺，采用整形研磨后精煤泥替代细粉，在榆林煤与精煤泥的质量比为6∶4，添加剂用量0.3%(干基/干粉)的条件下，配煤制浆最高成浆质量分数为65.55%，与细粉制浆的质量分数相当，完全可以用精煤泥来代替细粉进行煤浆提浓。

3 结论

1)煤泥浮选精煤的灰分较低，热值较高，粒径较细，其平均粒径为37.70 μm，75 μm以下的质量分数为86.23%；研磨后精煤泥的平均粒径为25.70 μm，75 μm以下的粒径的质量分数增至94.59%，是气化煤浆的优选原料煤。

2)采用常规制浆工艺，榆林煤、粗煤泥和整形研磨后的精煤泥的最高成浆质量分数分别为60.53%，54.34%，55.33%，整形研磨后精煤泥成浆质量分数高于粗煤泥；粗煤泥经过超细研磨整形后，粒度形状由不规则棱角形变成球形，煤浆的流动性和稳定性变好。

3)在粗粉与细粉质量比为85∶15的条件下，采用分级研磨制浆工艺，榆林煤最高成浆质量分数为63.40%；在粗粉与细粉质量比为6∶4的条件下，采用间断级配制浆工艺，榆林煤的最高成浆质量分数为65.49%，与常规制浆工艺相比，成浆质量分数能提高5个百分点。

4)采用整形研磨后精煤泥代替细粉进行配煤制浆试验，当榆林煤与精煤泥的质量比为85∶15时，配煤制浆最高成浆质量分数为63.51%，当榆林煤与精煤泥的质量比为6∶4时，配煤制浆最高成浆质量分数为65.55%。

5)煤泥浮选后精煤具有颗粒较小的特点，可替代煤浆提浓中的细粉，用作煤化工企业气化水煤浆提浓原料，可较好地实现煤泥资源综合利用。