神东煤泥浮选精煤水煤浆添加剂实验研究

张云飞

（国能神东煤炭集团有限责任公司，陕西 榆林 719300）

引 言

煤泥是煤炭开采和分选加工过程中产生的一种副产品，占原煤量的12%～18%[1]，具有热值低、黏度大、易团聚等特点。神东煤炭集团所有选煤厂全入洗后煤泥产量大，约2 000万t/a，其中仅布尔台选煤厂煤泥产出量就达150万t/a，现有处置方式是将煤泥掺到混煤里对外销售，但会降低商品煤的发热量，影响神东煤的市场竞争力。

浮选是处理细粒煤泥最有效的分选方法之一[2]。2017年，神东煤炭集团提出煤泥浮选脱灰降硫高质化利用开发研究项目[3]，该项目以“布尔台选煤厂原煤脱粉、煤泥浮选以及粗煤泥螺旋分选机分选改造工程”的扩建初步设计为蓝本，建设了一条处理能力10万t/a干煤泥的神东低阶煤煤泥浮选工业示范生产线。布尔台洗煤厂煤泥浮选出来的精煤中，粒度小于0.045 mm的精煤的质量分数高达60%以上，且含水率高，具备低成本制备超细水煤浆的特点，可用作煤化工企业气化水煤浆提浓原料，实现煤泥资源的综合利用，同时解决煤泥对生产销售的制约。但浮选精煤粒度细、表面含有大量含氧官能团、表面微孔多、亲水性强[4-5]，导致其在制备水煤浆的过程中成浆浓度低、黏度大、添加剂消耗量大，而高效水煤浆添加剂的研究与开发一直是制约水煤浆产业发展的瓶颈[6]，尤其是针对浮选精煤水煤浆添加剂的研究，更是鲜有报道。为此，本研究针对布尔台浮选精煤的表面特性，以碱法造纸黑液为起始原料，通过化学改性制备出适合浮选精煤的水煤浆添加剂，采用多因素实验设计方法分别考察了磺化反应条件和缩合反应条件对原煤水煤浆和浮选精煤水煤浆性能的影响，现介绍如下。

1 实 验

1.1 实验材料

实验中所用的材料包括山东某造纸厂碱法黑液（纯度40%）、对氨基苯磺酸钠（改性剂、纯度97%）、亚硫酸钠（纯度98%）、甲醛（纯度37%）和氢氧化钠（纯度

99%）。

1.2 实验装置

水煤浆添加剂合成实验装置：四口烧瓶（500 mL）、温度计（0～200℃）、球形冷凝管（300 mm）、滴液漏斗（100 mL）、电动搅拌装置及油浴锅。

水煤浆成浆实验装置：电动搅拌器（JJ-2型）、塑料烧杯（300 mL）、水煤浆黏度计（NXS-4C型）、电热鼓风干燥箱（101A型）。

1.3 实验方法

水煤浆添加剂的合成主要分为3步：（1）磺化：将计量好的碱法黑液充分搅拌，然后倒入四口烧瓶中，边加热边加入亚硫酸钠，继续升温并保持一定的反应时间。（2）缩合：磺化实验完成后，开始滴加计量好的甲醛溶液，升至一定温度并保持一定的反应时间。（3）中和：滴加氢氧化钠水溶液，用试纸测定反应物料的pH值，当pH值在9～11时合成实验完成，降温出料备用。

水煤浆成浆：按照制浆浓度要求称取150 g煤粉和相应的水、添加剂，在烧杯中搅拌成浆，然后测定水煤浆的浓度及表观黏度。

2 结果与讨论

为保证合成实验结果具有可对比性，以布尔台浮选精煤和布尔台原煤为研究对象，在相同粒度分布、相同添加剂质量分数（均为0.5%）条件下，考察不同添加剂合成条件对原煤和浮选精煤成浆性能的影响。

2.1 磺化反应条件对水煤浆性能的影响

影响磺化反应的主要因素包括碱法黑液与亚硫酸钠的加入比例、磺化反应温度和时间。通过多因素实验设计方法分别考察了上述反应条件对原煤水煤浆和浮选精煤水煤浆性能的影响，结果见表1～表3。

表1 磺化反应原料配比对水煤浆性能的影响

表2 磺化反应温度对水煤浆性能的影响

表3 磺化反应时间对水煤浆性能的影响

由表1～表3可知，碱法黑液与亚硫酸钠的加入比例、磺化反应温度和磺化反应时间等因素对其分散性有显著影响。随着加入比例的增加、反应温度的升高和反应时间的延长，原煤水煤浆和浮选精煤水煤浆的定黏（1 200 mPa·s）最高成浆浓度先升高后降低。因此，可以确定最佳磺化反应条件为：碱法黑液与亚硫酸钠的质量比为1.0∶0.4，磺化反应温度为90℃，磺化反应时间为3 h，此时原煤水煤浆和浮选精煤水煤浆的质量分数均达到最高，分别为49.2%和48.3%。

2.2 缩合反应条件对水煤浆性能的影响

影响缩合反应的主要因素包括改性剂与甲醛的加入比例、缩合反应温度和缩合反应时间。通过多因素实验设计方法分别考察了上述反应条件对原煤水煤浆和浮选精煤水煤浆性能的影响，结果见表4～表6。由表4～表6可知：改性剂与甲醛的加入比例、缩合反应温度对其分散性有显著影响，随着加入比例的增加和反应温度的升高，原煤水煤浆和浮选精煤水煤浆的定黏（1 200 mPa·s）最高成浆浓度基本呈先升高后降低，这是由于改性剂和甲醛的加入比例、缩合反应温度直接影响合成产物的缩合程度，进而影响其相对分子质量和分散性能。此外，缩合反应时间对其性能影响不大，尤其是超过5 h后，水煤浆性能基本保持不变。因此，综合考虑技术性和经济性，可以确定最佳缩合反应条件为：碱法黑液、改性剂、甲醛的质量比为1.0∶0.1∶1.0，缩合反应温度为100℃，缩合反应时间为5 h。

表4 缩合反应原料配比对水煤浆性能的影响

表5 缩合反应温度对水煤浆性能的影响

由表1～表6还可知，在相同制浆条件下，布尔台浮选精煤水煤浆成浆质量分数比原煤水煤浆成浆质量分数约低1个百分点，这是由于煤泥经过浮选后，精煤表面吸附了大量的絮凝剂和捕收剂，从而影响水煤浆添加剂在煤粒表面的吸附效果。

3 结 论

根据布尔台浮选精煤的表面性质，采用碱法造纸黑液作为起始原料，通过磺化反应和缩合反应等化学合成手段生产浮选精煤水煤浆添加剂的路线是可行的。通过多因素实验设计方法，考察磺化反应条件和缩合反应条件对布尔台原煤水煤浆和浮选精煤水煤浆性能的影响，确定最佳合成条件为：碱法黑液、亚硫酸钠、改性剂、甲醛的质量比为1.0∶0.4∶0.1∶1.0，磺化反应温度为90℃、磺化反应时间为3 h，缩合反应温度为100℃、缩合反应时间为5 h。制浆时添加剂加入质量分数为0.5%时，所制的布尔台原煤水煤浆和浮选精煤水煤浆定黏最高质量分数可分别达到49.2%与48.3%。在相同制浆条件下，布尔台浮选精煤水煤浆成浆质量分数比原煤水煤浆成浆质量分数低约1个百分点。

表6 缩合反应时间对水煤浆性能的影响