高灰细粒煤泥正交优化浮选实验

申世钰 ，李帅 ，王怀法 ,2，祁占海

（1.太原理工大学，矿业工程学院，山西 太原 30024；2.矿物加工科学与技术国家重点实验室，北京 100000；3.中钰泰德煤炭有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 017000）

随着机械化采煤程度的提高和矿井开采的不断深入，高灰细泥也随之增加，精煤灰分高、尾煤灰分低、粗粒精煤损失大等已经成为许多选煤厂浮选过程的共性问题[1-3]。

于跃先等[4]通过对细泥夹带机理的研究发现：影响高灰细泥夹带的主要因素为细泥粒度、起泡剂用量和矿浆浓度。宋云霞等[5]研究表明：一次浮选的精煤灰分高，产率低，尾煤灰分低，很难满足生产要求。Taki Güler 等[6]发现，粒径越细，夹带程度越高，同时还受起泡剂类型的影响。Sripriya R 和Oats W J 等研究表明，细泥矿物的存在降低了煤的可燃体回收率并影响精煤灰分[7-8]。张晓鹏[9]认为在生产现场中，应针对煤质的变化情况，调整合适的油比、充气量和搅拌速度，减少高灰细泥对浮选精煤的污染。

异质细泥遇水易泥化成微米级矿物黏附于气泡与煤粒表面形成细泥罩盖，由此引起了煤泥浮选的一系列问题[10-11]。提高精煤质量和可燃体回收率是当前提高浮选效率的关键所在，本论文将以内蒙古鄂尔多斯市凯达矿的难浮煤泥为研究对象，在正交实验设计的基础上，进行了精煤再选工艺优化实验。

1 煤样性质与实验方法

1.1 煤样性质分析

（1）煤样矿物组成分析

本实验选取的煤样来自内蒙古鄂尔多斯市凯达矿，采用X 射线衍射仪SmartLab 在Cu 靶、管电压40 kV、管电流40 mA、衍射角度为2～45°的衍射条件下进行了全岩矿物分析，XRD 和结果见图1 和表1。

表1 煤样矿物组成分析结果/%Table 1 Timed-release analysis results of coal sample

图1 煤样XRDFig.1 X-ray diffraction pattern of coal sample

由图1 和表1 可知，煤样中脉石矿物主要为石英和由高岭石、伊利石、蒙脱石组成的粘土矿物。其中石英的含量最大，意味着精煤与脉石矿物间存在着较大斥力，通过选择合适的工艺可有效实现分离；粘土矿物的含量为40.4%，这会导致该煤样在浮选过程中容易泥化。

（2）煤样筛分分析

对煤样进行筛分分析，结果见表2。

表2 煤样筛分分析Table 2 Coal sample screening analysis

由表2 可知，-0.045 mm 粒级的产率和灰分分别达到了59.43%、61.42%，说明该煤样为高灰细粒煤。其余各粒级的产率相差不大，在9.12%～11.37%之间。+0.125 mm 粒级的灰分明显较低，为4.28%，这说明煤泥中的粗颗粒需要最大程度地实现回收。

1.2 实验仪器和药剂

（1）实验仪器。XFD-1 型单槽浮选机（1 L），主轴转速0～2600 r/min，刮板转速为0～30 r/min；

（2）实验药剂。本次研究实验药剂为：FDJ（一种新型非极性烃类捕收剂）+Q1（一种新型醇类起泡剂）。

1.3 实验方法

（1）正交实验设计法是利用正交表来安排与分析多因素实验的一种设计方法[12]。它是在实验因素的全部水平组合中，挑选出部分具有代表性的水平组合进行实验，通过对这部分实验结果的分析了解全面实验的情况，确定因素主次顺序、较佳水平和较优条件。

（2）浮选实验严格按照GB/T 4757-2013《煤粉（泥）实验室单元浮选实验方法》要求执行，以可燃体回收率和浮选完善指标作为浮选效果的评价标准。根据GB/T 34164-2017《选煤厂浮选工艺效果评定方法》中的可燃体回收率计算公式为：

其中，ε为浮选精煤可燃体回收率/%；Ay为浮选入料灰分/%；Aj为浮选精煤灰分/%；γj为浮选精煤实际产率/%。

浮选完善指标的计算公式为：

其中，ηWf为浮选完善指标/%；γj为浮选精煤实际产率/%；Ay为浮选入料灰分/%；Aj为浮选精煤灰分/%。

2 实验结果与分析

2.1 煤泥浮选正交实验研究

影响煤泥浮选效果的主要因素有浮选矿浆浓度、捕收剂用量、起泡剂用量、充气量、叶轮转速等，为了考查这些因素及其水平，在前期单因素探索实验基础上，采用L9(34)正交实验进行研究。其中矿浆浓度固定为60 g/L，其他的因素水平安排见表3，实验结果见表4、5。

表3 因素水平Table 3 Factor level table

表4 正交实验安排及分析Table 4 Orthogonal test arrangement and analysis

结合表4 和图2，分析各个因素对指标的影响情况：

图2 各指标随因素水平的变化Fig.2 Changes of various indicators with factor levels

（1）各因素影响的主次顺序为：起泡剂用量>捕收剂用量>叶轮转速>充气量。

（2）起泡剂用量D 对各指标的影响。由表4可知，对可燃体回收率和浮选完善指标来说，起泡剂用量的极差都是最大的，即起泡剂用量是最大的影响因素，从图2 可以看出，明显取值800较好。

（3）充气量B 对各指标的影响。由表4 可知，对于两个指标来说，充气量的极差都是最小的，即为影响最小的因素；从图2 可以看出，充气量取值0.175 较好。

（4）捕收剂用量C 对各指标的影响。由表4可知，对于两个指标来说，捕收剂用量的极差都是第二大的，即次要影响的因素；从图2 可以看出，捕收剂用量取值1600 较好。

（5）叶轮转速A 对各指标的影响。由表4 可知，对于两个指标来说，转速的极差都是第三大的，即第三影响的因素；从图2 可以看出，对于可燃体回收率来说，取值2000 较好；但对于浮选完善指标来说，取值1800 较好。

通过以上分析，得出较好的实验方案有两组：A2B2C3D3和A3B2C3D3。而这两组都不在正交实验的9 组实验安排中，因此需要补做，其结果见表4 和表5。经比较得出较优的方案为A2B2C3D3，即较佳条件为：叶轮转速1800 r/min、充气量0.175 m3/(m2/min)、捕收剂用量1600 g/t、起泡剂用量800 g/t。浮选结果为：精煤产率61.85%、灰分20.20%，尾煤产率38.15%、灰分76.81%。还可以看出，当可燃体回收率和浮选完善指标达极大时，精煤的灰分偏大，同时考虑到脉石矿物中石英的含量较大，此时对精煤进行精选实验将非常有意义。

表5 正交实验各组结果Table 5 Orthogonal experimental results

2.2 “一粗一精”浮选实验研究

由图3 可知，采用“一粗一精”浮选工艺流程对正交实验的较优方案进行进一步研究，一段粗选加药，二段精选不加药；一段粗选提高回收率，二段精选确保精煤灰分和产率。实验结果见表6。

表6 “一粗一精”浮选实验结果Table 6 Results of one roughing and one cleaning flotation test

图3 “一粗一精”浮选工艺流程Fig.3 Process of one roughing and one cleaning flotation test

由表6 可知，A2B2C3D3方案经过“一粗一精”工艺流程，可以得到产率49.41%、灰分8.70%的精煤和产率50.59%、灰分74.15%的尾煤，有效地降低高灰细泥对精煤浮选效果的影响。

3 结论

（1）煤样的主导粒级为-0.045 mm，其产率和灰分分别为59.43%、61.42%。XRD 分析结果表明煤样中脉石矿物以石英和粘土矿物为主。

（2）实验中各因素影响浮选结果的主次顺序为：起泡剂用量>捕收剂用量>叶轮转速>充气量；正交实验所得的较优方案为A2B2C3D3，得到了产率61.85%、灰分20.20%的精煤和产率38.15%、灰分76.81%的尾煤。

（3）在起泡剂用量800 g/t、捕收剂用量1600 g/t、矿浆浓度60 g/L、叶轮转速1800 r/min、充气量0.175 m3/(m2/min)的条件下，通过“一粗一精”浮选工艺流程，得到了产率49.41%、灰分8.70%的精煤和产率50.59%、灰分74.15%的尾煤。“一粗一精”浮选工艺能有效地降低高灰细泥对该煤样浮选的影响，确保了精煤灰分和产率。