王建军
(中煤华利山西煤炭销售有限公司,山西 晋中 031300)
煤泥的深度分选加工是我国煤炭行业性难题。燃煤产生的烟尘、二氧化硫等污染物是导致大气污染的重要原因,煤泥的燃烧更是重中之重。为适应“碳达峰”“碳中和”目标形势要求,探索煤泥深度分选,通过利用前端技术提高煤炭品质,改善中端燃烧过程,提升煤炭利用率,减少污染物排放、降低能源消耗已势在必行[1-3]。
中煤华利裕丰煤业井田位于山西省临汾市西南约57 km,乡宁县南部柏坡、坪头一带,行政区划属尉庄乡及昌宁镇管辖。井田面积9.68 km2,批准开采2#、10#煤层,煤种属于优质主焦煤,目前已探明储量9957 万t,保有储量9440 万t,服务年限28 a。矿井生产能力1.20 Mt/a,煤种为2#、10#主焦煤,煤质优良,低硫高黏结,是冶金、炼焦优质用煤[4]。
中煤华利裕丰煤业公司随着开采时间的不断增长,其井下采煤机械化程度不断提高,在以旋流器为核心的选煤工艺中,煤泥含量越来越高。裕丰煤业公司原煤当前选用脱泥+无压三产品重介质旋流器+三锥角粗煤泥分选+浮选+煤泥浓缩压滤工艺,分选后煤泥产率高达35.22%。对煤泥进行浮选等提质研究,存在效率低、成本高等问题,效果不佳。为有效解决煤泥销售困难、煤泥顶库停产、污染环境等问题,裕丰煤业公司选煤厂提出了煤泥资源化利用新途径,通过煤泥分级深度分选工艺,回收煤泥中的中煤、精煤资源。裕丰煤业公司选煤厂在对煤泥特性分析基础上提出水力旋流器分级+正-反浮选煤泥深度分选工艺,通过试验确定水力旋流器型号、入料压力、正浮选和反浮选捕收剂用量等最优工艺参数[5]。
煤泥样品取自中煤华利裕丰煤业公司,正浮选捕收剂采用“失水山梨醇单油酸酯+柴油”混合制备的复配捕收剂,正浮选起泡剂采用“戊醇+仲醇”混合制备的混合醇起泡剂KD-1Q,反浮选采用十二胺盐酸盐/脂肪酸复配捕收剂(浓度0.124 mol/L),反浮选抑制剂采用糊精。试剂采自国药集团上海化学试剂有限公司。
设计的煤泥深度分选工艺流程如图1。第一步,准确称取一定量煤泥和水,均匀搅拌后调节矿浆浓度为100 g/L,煤泥以矿浆形式进入搅拌桶;第二步,搅拌均匀后,通过渣浆泵将煤泥水打到水力旋流器浓缩分级;第三步,水力旋流器底流作为正浮选入料,加入起泡剂和捕收剂后进行充分搅拌,水力旋流器溢流作为反浮选入料,加入捕收剂和抑制剂后进行充分搅拌;第四步,正浮选泡沫产物采用精煤压滤机回收得到合格精煤+尾煤,反浮选为富含高岭石尾煤+精煤,将正浮选尾煤和反浮选精煤混合形成中煤产品[6]。
图1 煤泥深度分选工艺流程示意图
煤泥水经均匀搅拌后,输送至水力旋流器进行分级,水力旋流器运行时间5 min 后收集水力旋流器的溢流和底流。水力旋流器入料压力设置为0.12 MPa、0.24 MPa 两种情况[7],设计采用结构和筒体直径不同(1#、 2#、3#、4#、5#)的五种水力旋流器(水力旋流器筒体直径依次减小)进行分选试验,如图2。
图2 水力旋流器分级系统
水力旋流器底流正浮选工艺及过程:第一步,旋流器底流加入浮选槽中,调浆2 min 后加入“失水山梨醇单油酸酯+柴油”复配捕收剂;第二步,搅拌2 min 后加入混合醇起泡剂KD-1Q;第三步,搅拌30 s 后开始刮泡,刮泡时间4 min。浆浓度设置为100 g/L,复配捕收剂用量设置为200 g/t、400 g/t、600 g/t 三种情况,混合醇起泡剂KD-1Q 用量为100 g/t,采用XFD-1.5L 挂槽型浮选机。
水力旋流器溢流反浮选工艺及过程:第一步,旋流器底溢流加入到浮选槽中,调浆2 min 后加入十二胺盐酸盐/脂肪酸复配捕收剂;第二步,搅拌2 min 后加入糊精抑制剂;第三步,搅拌30 s 后开始刮泡,刮泡时间3 min。浆浓度设置为60 g/L,复配捕收剂用量设置为800 g/t、1200 g/t、1600 g/t 三种情况,糊精用量为1000 g/t,采用XFD-1.5L 挂槽型浮选机。
中煤华利裕丰煤业公司洗选加工后得到的煤泥工业分析结果见表1。洗选加工后煤泥灰分高达34.22%,其中含有大量的精煤,造成大量精煤损失如将含大量精煤的煤泥直接燃烧处理,既浪费了资源又增加了环保压力,因此有必要对煤泥进行深度分选[8]。
表1 煤泥工业分析结果 %
采用D8ADVANCE 型X-射线衍射仪对煤泥进行矿物组成分析,XRD 分析结果如图3,煤泥XRF分析结果见表2。从表2 和图3 数据分析可知,裕丰煤业煤泥中主化学成分主要为二氧化硅和三氧化二铝,成分分别为17.33%和13.01%。经分析可知纯高岭石中三氧化二铝与二氧化硅的理论摩尔比为2:1,这一数据表明在煤泥中不仅含有高岭石,还应该单独含有石英。煤泥的矿物主体为石英和高岭石。
表2 煤泥XRF 分析结果 %
裕丰煤业煤泥粒度组成如表3 所示。<0.045 mm 粒 级 产 率 达 到64.52%, 灰 分 为41.01%;0.074~0.045 mm 粒 级 产 率 达 到6.98%,灰 分 为19.68%;0.125~0.074 mm 粒级产率达到7.08%,灰分为18.01%。综上,煤泥粒度主要由细颗粒组成,在煤泥水中含有大量的泥化矿物。结合以往研究结果可知,细颗粒主要为高岭石,能采用水力旋流器来实现高岭石富集。
表3 煤泥试样的粒度组成
从1#~5#水力旋流器,其筒体直径是逐渐变小的,其分级粒度从偏粗逐渐转变为偏细,处理量从较大逐渐转变为较小。1#水力旋流器筒体直径较大,分级粒度偏粗;5#水力旋流器筒体直径较小,分级粒度偏细,但是处理量较小。综合分级粒度及处理量两方面因素,确定选择筒体直径偏小的2#、3#、4#水力旋流器作为试验设备,试验结果见表4、表5。
表4 不同入料压力条件下水力旋流器分级结果
表5 不同粒度条件下水力旋流器分级结果
从分级试验可知,随着旋流器筒体直径减小(从2#旋流器至4#旋流器),溢流产率表现为逐渐减小趋势,灰分表现为逐渐增加趋势。主要原因:溢流中含的细颗粒矿物主要为微细高岭石(不可燃),随旋流器直径减小溢流中二氧化硅与三氧化二铝的摩尔比逐渐减小,表明煤泥中一部分石英进入底流,微细高岭石在溢流中产生富集;分级粒度表现为逐渐减小趋势。综合对比可知,当采用4#水力旋流器,入料压力为0.24 MPa 时,溢流灰分达39.63%,脱泥效果较好。因此入料压力确定为0.24 MPa。
确定其他试验条件一致的情况下,采用2#、3#、4#水力旋流器在“失水山梨醇单油酸酯+柴油”复配捕收剂用量不同(200 g/t、400 g/t、600 g/t)时分别进行正浮选试验,得到精煤产率和精煤灰分数据,见表6。
表6 “失水山梨醇单油酸酯+柴油”复配捕收剂用量对正浮选效果的影响
试验结果表明:当复配捕收剂用量从200 g/t 增大至600 g/t 时,三种水力旋流器精煤产率和精煤灰分均表现为增大趋势;当复配捕收剂用量一定时,水力旋流器筒体直径越小,精煤产率越低,水力旋流器筒体直径越大,精煤产率越高。2#水力旋流器筒体直径较大,其精煤产率最高(分别为76%、82%、89%),其底流产物中细颗粒含量最小。当复配捕收剂用量为200 g/t 时,4#水力旋流器精煤灰分最小为11.95%。综上所述,确定正浮选试验复配捕收剂用量为200 g/t 较为合理。
1)随着复配捕收剂用量的增加,精煤的产率和灰分也增加。随着矿浆中复配捕收剂浓度增加,更多的颗粒尤其灰分高的颗粒吸附了捕收剂,造成精煤灰分逐渐增加。2)在复配捕收剂相同条件下,水力旋流器筒体直径增大,其精煤产率逐渐增大。水力旋流器的分级粒度随着筒体直径的增大而增大。3)细颗粒的比表面积大,在浮选过程中会吸附更多的药剂,因此在相同的药剂用量下,4#水力旋流器底流的浮选产率要低于2#和3#水力旋流器。4)因矿浆中细颗粒含量增加,细泥罩盖和竞争吸附,造成精煤产率下降。
确定其他试验条件一致的情况下,采用2#、3#、4#水力旋流器在十二胺盐酸盐/脂肪酸复配捕收剂用量不同(800 g/t、1200 g/t、1600 g/t)时分别进行反浮选试验,得到精煤产率和精煤灰分、尾煤产率和尾煤灰分数据,见表7。
表7 十二胺盐酸盐/脂肪酸复配捕收剂用量对反浮选效果的影响
试验结果表明:当复配捕收剂用量从800 g/t 增大至1600 g/t 时,三种水力旋流器精煤产率、精煤灰分、尾煤灰分均表现为降低趋势,尾煤产率表现为升高趋势。在复配捕收剂用量为800 g/t 时,2#、3#、4#水力旋流器的精煤产率分别为62.25%、63.05%、64.31%, 精 煤 灰 分 分 别 为15.11%、16.24%、17.09%;当复配捕收剂用量一定时,水力旋流器筒体直径越小,精煤产率、精煤灰分、尾煤灰分均表现为越大趋势,而尾煤产率表现为越小趋势;复配捕收剂用量从800 g/t 增大至1600 g/t 时,4#水力旋流器反浮选精煤灰分从17.09%降低到15.30%,反浮选尾煤灰分从75.43%降低到59.32%;复配捕收剂用量为800 g/t 时,4#水力旋流器反浮选尾煤煅烧后SiO2、Al2O3含量分别为53.45%、42.42%,为优质工业原料。综上所述,确定反浮选试验复配捕收剂用量为800 g/t。
确定试验条件:入料压力0.24 MPa,正浮选复配捕收剂用量为200 g/t,反浮选复配捕收剂用量为800 g/t 时。2#、3#、4#水力旋流器产品产率及灰分见表8。从表8 数据可知,采用4#水力旋流器做为煤泥深度分选设备,正浮选获得的合格精煤产率达34.42%、灰分为10.88%,反浮选获得含有高岭石的尾煤其产率为14.37%。对比以往直接含34.22%灰分的煤泥,采用4#水力旋流器+正-反浮选联合处理煤泥工艺,可以有效地起到对煤泥的减量化处理,提出了一种煤泥资源化利用新途径,具有较好的经济效益、环境效益和社会效益。
表8 2#、3#、4#水力旋流器产品产率及灰分 %
煤泥主要指选煤厂生产过程中伴生的副产品,根据选煤工艺不同,分为浮选尾煤和其他煤泥。当前我国选煤厂的煤泥产量大、污染严重。针对裕丰煤业煤泥特性,提出了一种采用水力旋流器分级+正-反浮选的煤泥深度分选提质的新思路,通过试验确定了最优工艺参数为:4#水力旋流器,入料压力0.24 MPa,正浮选复配捕收剂用量为200 g/t,混合醇起泡剂KD-1Q 用量100 g/t,反浮选复配捕收剂用量为800 g/t 时,糊精用量为1000 g/t。可回收产率达34.42%、灰分为10.88%的合格精煤,回收产率为24.17 %、灰分17.01%的中煤,回收产率为14.37%的高岭石尾煤,经济、环境、社会效益显著。通过对裕丰煤业煤泥的水力旋流器分级+正-反浮选的煤泥深度分选新工艺,实现了煤泥减量化,降低生产成本,该技术可为同类型企业的煤泥减量化提供借鉴。