浮選精煤中雜質礦物含量變化規(guī)律研究

郭明明，董憲姝，烏鵬飛

（太原理工大學礦業(yè)工程學院，山西太原030024）

浮選精煤中雜質礦物含量變化規(guī)律研究

郭明明，董憲姝，烏鵬飛

（太原理工大學礦業(yè)工程學院，山西太原030024）

為研究煤泥浮選時精煤中雜質礦物含量在不同粒度隨浮選時間的變化規(guī)律，本文選取平朔3#弱粘煤（-0.5mm）作為試樣，用X射線熒光光譜分析煤樣中主要氧化物質為Al2O3、SiO2及CaCO3，用X射線衍射儀對各粒級入料煤樣及精煤中不同浮選時間的4種產(chǎn)品的雜質礦物分別進行了定性及RIR定量分析，并根據(jù)燒灰前后發(fā)生的化學變化及質量守恒定律計算燒灰前礦物實際含量。結果表明：平朔3#弱粘煤（-0.5mm）煤樣中礦物質主要由高嶺石、方解石及石英3種組成，其中0.125～0.074mm、0.250～0.125mm、0.500～0.250mm粒度級中高嶺石含量均在70%以上，且該煤樣中高嶺石含量隨粒度的增大而增加，石英、方解石含量則隨粒度的增大而減少。在有效浮選3分鐘內，隨著浮選時間增加，粒度級為0.500～0.250mm、0.250～0.125mm時礦物質含量變化規(guī)律相似，即高嶺石、方解石的含量均為先減小后增大，石英含量則先增大后減小。粒度級為0.125～0.074mm、-0.074mm時，高嶺石含量先增大后減小，石英、方解石含量則沒有明顯變化規(guī)律。

浮選試驗；雜質礦物；粒級；XRF；XRD

煤炭在我國的一次能源結構中約占70%［1］，隨著機械化開采程度的提高，入洗原煤中煤泥含量越來越高。浮選作為精選細粒煤的最常用方法，在選煤中所占比例呈增大趨勢［2-4］。煤泥浮選是基于煤與矸石表面潤濕性的差異實現(xiàn)的，煤中的高嶺石、方解石及石英等礦物具有較強的親水性，煤泥中雜質礦物的組成、種類及其含量對煤的表面疏水性有直接的影響［5-8］。國內對精煤中礦物含量隨浮選時

間變化情況的相關研究。本文通過XRD對平朔3#弱粘煤原煤樣各粒級及精煤中不同浮選時間的4種產(chǎn)品中的礦物進行了定性、定量分析，通過灰分測定結果與原煤樣所含礦物含量之間的關系，計算原煤樣中各礦物的實際含量，在此基礎上對原煤樣各粒級浮選時精煤中雜質礦物含量隨浮選時間的變化規(guī)律進行研究，探討粒級物料與不同浮選速率條件的雜質礦物關系。

1 實 驗

1.1 煤樣分析

試驗用煤樣選取平朔3#弱粘煤（-0.5mm），將其記為PS3#，煤樣按照GBT212-2008《煤的工業(yè)分析》進行工業(yè)分析。煤樣按照GB/T 477—2008《煤炭篩分試驗方法》中的規(guī)定，采用0.500mm，0.250mm，0.125mm，0.074mm的標準套篩對PS3#（-0.5mm）進行小篩分試驗。采用X射線熒光光譜分析儀荷蘭帕納克Epsilon1對原煤及各粒級煤樣中氧化物含量進行了測定。

1.2 浮選試驗

選用1.5L的XFD型單槽浮選機，葉輪轉速定為1800r/min，充氣量為0.15m3/h，浮選礦漿質量濃度為100g/L，捕收劑煤油（試驗級）用量為1000g/t，起泡劑仲辛醇（試驗級）用量為200 gt。試驗操作按照選煤實驗室單元浮選試驗方法GB4757-2013標準進行，礦漿攪拌時間為2min，捕收劑煤油調漿時間為1min，起泡劑仲辛醇調漿時間為10s，浮選階段分為Ⅰ（0～0.5min）、Ⅱ（0.5～1.0 min）、Ⅲ（1.0～2.0 min）、Ⅳ（2.0～3.0 min），依次得到5個產(chǎn)品，分別為精煤1、精煤2、精煤3、精煤4和尾煤。浮選結束后，將各產(chǎn)品過濾、烘干后稱重，燒灰，并計算礦物的產(chǎn)率以及灰分。

1.3 煤樣表征

利用日本理學MiniFlex600型X射線衍射儀對PS3#原煤樣各粒級及各粒級浮選產(chǎn)品中的無機礦物進行定性、定量分析，掃描方式采用θ-2θ連續(xù)掃描，衍射條件為Cu靶Kα輻射，管電壓40k V，管電流15m A，衍射角度為5～85°，掃描速度為8°/min，采樣步寬取0.02°。根據(jù)煤中主要礦物的PDF卡片標準數(shù)據(jù)對圖譜進行標記，其中各物的形態(tài)歸屬是依據(jù)國際性組織“粉末衍射聯(lián)合會”（JCPDS）所屬的國際中心（ICDD）提供的各種純物的標準衍射數(shù)據(jù)。

1.4 原煤樣中礦物含量計算

假設原煤樣中礦物總量為t，則各礦物實際含量分別為x1t、x2t、x3t、x4t…（x1、x2、x3、x4……分別為原煤樣中各礦物質百分含量，該值依據(jù)XRD中 RIR法得到，且x1+x2+x3+x4+……=100%）。煤在灰化過程中發(fā)生的化學反應主要見式（1）～（3）。

高嶺石：

方解石：

對于（3）式而言，反應中沒有揮發(fā)分產(chǎn)生，原煤中檢測到的P2O5固體在815℃高溫下升華為氣體，同時，SO4固體轉變成SO2氣本。當原煤樣礦物質中主要為高嶺石、方解石、石英時，對于（1）、（2）式依據(jù)質量守恒定律可以得到式（4）。

式中：x1、x2、x3分別為原煤樣中高嶺石、石英、方解石占礦物總含量的比例，A為精煤灰分，均是準確通過取1.0000g煤樣進行燒灰后所得。將x1、x2、x3的數(shù)值代入方程，即可求得t，然后依次求得原煤樣中高嶺石、石英、方解石的實際含量。

2 結果與討論

2.1 煤樣分析

選取PS3#煤樣作為浮選入料，其工業(yè)分析和粒度組成分析結果見表1、表2。

由表1工業(yè)分析試驗數(shù)據(jù)可知PS3#煤樣灰分為39.38%，屬于中高灰煤；揮發(fā)分為23.68%，屬于中等揮發(fā)分煙煤；固定碳含量為34.08%，為特低固定碳煤。

表1 PS3#（-0.5mm）煤樣的工業(yè)分析

表2 PS3#（-0.5mm）粒度組成分析

由表2可知，PS3#煤樣（-0.5mm）中-0.074mm粒級產(chǎn)率為25.09%，灰分為43.47%，0.250～0.074mm范圍內顆粒約占30.44%。

從圖1可以看出PS3#各粒級煤樣在浮選時間

3分鐘內，入料粒度為0.250～0.125mm與0.125～0.074mm的煤樣的浮選可燃體回收率比入料粒度為0.500～0.250mm、-0.074mm的浮選可燃體回收率高，可見有效浮選粒度為0.250～0.074mm，并且各粒度級煤樣的浮選可燃體回收率在3min后基本保持不變。

從表3～7中，可以得知PS3#原煤及各粒級煤樣中Al2O3、SiO2及CaCO3三者含量總和分別為82.471%（-0.500mm）、79.826%（0.500～0.250mm）、79.811%（0.250～0.125mm）、81.211%（0.125～0.074mm）、81.238%（-0.074mm）。

圖1 可燃體回收率與浮選累積時間之間的關系

表3 PS3#原煤（-0.500mm）XRF分析結果

表4 PS3#煤樣（0.500～0.250mm）XRF分析結果

表5 PS3#煤樣（0.250～0.125mm）XRF分析結果

表6 PS3#煤樣（0.125～0.074mm）XRF分析結果

表7 PS3#煤樣（-0.074mm）XRF分析結果

2.2 煤樣表征

2.2.1 PS3#原煤樣各粒級礦物組成特征

為分析PS3#原煤樣各粒級中礦物質的組成，采用X射線衍射儀對粒度級分別為0.500～0.250mm、0.250～0.125mm、0.125～0.074mm、-0.074mm的煤樣進行了XRD物相分析［9］，將各粒度級煤樣的XRD圖譜與PDF卡片中的各礦物的純物質的標準衍射數(shù)據(jù)進行比對，結果見圖2，從圖中可得出各粒級煤樣中包含的無機物質分別為高嶺石、方解石、石英［10-12］。

從表8可知，PS3#中高嶺石含量從-0.074mm時的29.0%增加至0.500～0.250mm時的81.0%，石英、方解石的百分含量則分別從-0.074mm時的58.6%、12.4%減小至0.500～0.250mm時的18.3%、0.7%。從表中可以看出粒度級為-0.074mm時石英百分含量高達58.6%，這與-0.074mm時原煤樣灰分為43.47%的結果吻合，因為石英在灰化的前后含量維持不變，而高嶺石灰化后則有15.65%的水分損失，方解石灰化后則有高達44%的CO2生成。

圖2 X射線衍射儀物相定性分析結果

表8 各粒度級煤樣中主要礦物含量

2.2.2 浮選精煤中礦物質的變化規(guī)律

為了探索PS3#在不同入料粒度下精煤中3種礦物質（高嶺石、方解石及石英）含量隨浮選時間的變化情況，對各粒級浮選精煤中的礦物質進行了XRD定性、RIR定量分析，結合方程（1）求得實際礦物含量，結果見圖3。

針對PS3#煤樣（-0.5mm）煤泥浮選，在3min中內，隨著刮泡時間的增加，對于入料粒度級為

0.500～0.250mm、0.250～0.125mm時，高嶺石含量分別從0.5min時的0.1156g、0.1638g減小到0.0698g、0.0985g后增加到3.0min時的0.1728g、0.2086g，方解石含量分別從0.5min時的0.0128g、0.0198g增大到0.0493g、0.0601g后減小到3.0min時的0.0098g、0.0402g，而石英含量則從0.5min時的0.0128g、0.0198g增大到0.0493g、0.0601g后減小到3.0min時的0.0098g、0.0290g，?？赡茉蚍治觯涸诟∵x起始階段，礦漿中捕收劑濃度雖然最大，但不是改善煤表面疏水性的最佳濃度，隨著刮泡的繼續(xù)進行，捕收劑濃度有所降低，但這時可能為最適宜濃度，可以最大程度地提高煤的表面疏水性，從而使煤與氣泡大量結合，更多的精煤被刮出，高嶺石、方解石盡可能多地留在了尾煤中，隨后捕收劑濃度進一步降低，煤表面疏水性的改善程度逐漸減弱，這時黏土類礦物高嶺石在浮選中可能易造成細泥夾帶，親水性礦物方解石附著在煤表面，增加了浮選分離的難度［4］，兩者被夾帶的含量不斷增大。對于入料粒度級為0.125～0.074mm、-0.074mm時，高嶺石含量分別從0.5min時的0.1989g、0.2469g增大到2.0min時的0.2307g、0.2809g后減小到0.1145g、0.2523g，可能原因是隨著捕收劑濃度逐漸降低，高嶺石隨著氣泡被夾帶出，在Ⅳ（2.0～3.0min）時盡管捕收劑濃度已經(jīng)很低但起泡劑濃度也減小到不足以夾帶更多高嶺石浮出［7］。

圖3 精煤中雜質礦物含量與浮選時間的關系

3 結 論

1）平朔3#弱粘煤及各粒級煤樣中主要氧化物為Al2O3、SiO2及石灰?guī)r，通過XRD定性分析，結果顯示煤樣中主要含有高嶺石，方解石和石英三種無機礦物質，高嶺石主要集中在粒度0.500～0.074mm的煤樣中，含量高達70%以上，而粒度級為0～0.074mm的煤樣中石英含量則最多，高達58.6%。

2）推導出一種計算原煤樣中各礦物實際含量的方法，即在RIR定量分析的基礎上，依據(jù)燒灰前后發(fā)生的化學變化及質量守恒定律得出方程等式，見式（4）。

3）在浮選時間0～3.0min內，對于浮選入料粒度級為0.500～0.250mm、0.250～0.125mm時高嶺石含量隨著刮泡時間的增加先減小后增大，方解石含量則先增大后減小，而石英含量沒有明顯的變化規(guī)律。對于浮選入料粒度級為0.125～0.074mm、-0.074mm時，高嶺石含量隨著刮泡時間的增加先增大后減小。隨著刮泡的進行，礦漿中捕收劑及起泡劑用量的合理調節(jié)是控制精煤中礦物質含量的關鍵因素。

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Study on rule changing of entrainment of mineral content in clean coal with the flotation time

GUO Ming-ming，DONG Xian-shu，WU Peng-fei
（College of Mining Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China）

In this paper，the authors use the Pingshuo3#weakly caking coal（-0.5 mm）as experimental coal sample，which study the change rule of minerals content from clean coal with the flotation accumulation time under the condition of different flotation particles.The analysis of XRF indicats main oxides in coal consists of Al2O3，SiO2and CaCO3.The qualitative and quantitative analysis on minerals in the coal sample of grain sizes and all clean coals from flotation speed test were done with XRD.The results show that the main minerals in the coal samples of grain sizes are kaolinite，calcite and quartz and the content of kaolinite raised with the increase of particle size，however，the content of quartz and calcite lessened with the increase of particle size.The contents of kaolinite have the similar change rule that they raised and then lessened with the flotation time when the grain sizes were 0.500～0.250mm and 0.125～0.074mm，however，the content of kaolinite lessened and then raised with the flotation time when the grain sizes were 0.250～0.125mm and-0.074mm.

flotation experiment；entrainment of mineral；grain sizes；XRF；XRD

TD925

A

1004-4051（2016）09-0123-04

2016-01-20

山西省自然科學基金項目“粘性煤泥多場耦合脫水的粒群運動模擬及水分遷移規(guī)律研究”資助（編號：201601D101056）；山西省社發(fā)攻關項目“煤泥處理成套工藝、技術和關鍵設備研究與應用”資助（編號：20130313001-2）

郭明明（1989-），碩士研究生，主要從事煤炭浮選藥劑方面的研究。E-mail：791825715@qq.com。

董憲姝（1964-），教授，博導，研究方向為煤炭高效分選提質工藝與設備及應用化學。E-mail：dxshu520@163.com。