煤氣化細(xì)渣表面性質(zhì)分析及浮選提質(zhì)研究

葛曉東

(同煤廣發(fā)化學(xué)工業(yè)有限公司，山西省大同市，037000)

煤在氣化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生兩種爐渣，一種在爐底排放，稱(chēng)為粗渣；另一種以飛灰形式隨氣流排出，可以采用濕法除渣工藝脫除，稱(chēng)為細(xì)渣。氣化細(xì)渣的性質(zhì)與粉煤灰性質(zhì)類(lèi)似，但與粉煤灰相比，氣化細(xì)渣的粒度更細(xì)、氧化溫度較高但氧化程度較低。氣化細(xì)渣碳含量較大，燒失量通常為20%～31%?！队糜谒嗪突炷林械姆勖夯摇?GB/T 1596-2005)規(guī)定中，用于混凝土摻和料用的粉煤灰燒失量Ⅲ級(jí)要求為燒失量小于15.0%，因此氣化細(xì)渣不能應(yīng)用于水泥或混凝土工業(yè)中。同時(shí)氣化細(xì)渣熱值一般在8.37 MJ/kg左右，低于鍋爐入料最低熱值14.64 MJ/kg的要求，因此也無(wú)法直接使用。目前氣化細(xì)渣的處理方法是摻雜在精煤中燃燒或者填埋，并沒(méi)有得到充分利用。

同煤廣發(fā)公司采用殼牌氣化工藝，每天可排出100 t以上的氣化細(xì)渣，其粒度小于200目、含水率約為60%且發(fā)熱量過(guò)低。目前，只能采用有償清理的方式進(jìn)行排放，這種處理方法一方面增大了企業(yè)的生產(chǎn)成本，另一方面造成了煤炭資源的浪費(fèi)與環(huán)境的污染。

本文先對(duì)同煤廣發(fā)公司氣化細(xì)渣的性質(zhì)進(jìn)行了全面的分析，然后分別采用浮選機(jī)和浮選柱對(duì)氣化細(xì)渣進(jìn)行分選體質(zhì)探索研究，以期提高氣化細(xì)渣的發(fā)熱量，為氣化細(xì)渣的二次回收利用提供理論指導(dǎo)。

1 氣化細(xì)渣性質(zhì)

試樣為同煤廣發(fā)公司殼牌氣化爐排出的氣化細(xì)渣，其工業(yè)分析和元素分析見(jiàn)表1。

表1 樣品的工業(yè)分析和元素分析 %

由表1可以看出，氣化細(xì)渣的干燥基灰分為50.71%，說(shuō)明其中仍有大量可回收的未燃碳，應(yīng)考慮其脫碳和未燃碳的回收利用，并且高灰分導(dǎo)致其干燥基高位發(fā)熱量?jī)H為16.59 MJ/kg。另外氣化細(xì)渣水分高，收到基低位發(fā)熱量?jī)H為6.93 MJ/kg，該氣化細(xì)渣的低熱值和高水分制約了其回收利用，必須通過(guò)分選排除灰渣、提高熱值后加以利用。

1.1 氣化細(xì)渣粒度分析

篩分試驗(yàn)按照《煤炭篩分試驗(yàn)方法》(GB/T 477-2008)進(jìn)行，其氣化細(xì)渣粒度組成見(jiàn)表2。

表2 氣化細(xì)渣粒度組成

由表2可以看出，該氣化細(xì)渣+0.125 mm含量為32.40%，灰分為20.29%，表明粗粒級(jí)中未燃碳含量較高；其中+0.5 mm粒級(jí)種夾雜大量肉眼可見(jiàn)礦物爐渣導(dǎo)致灰分偏高，除+0.5 mm粒級(jí)外，該樣品的灰分隨著粒度的減小而增大；氣化細(xì)渣的主導(dǎo)粒級(jí)為-0.045 mm，占本級(jí)產(chǎn)率的43.96%，灰分為72.52%。因此，對(duì)該氣化細(xì)渣分選提質(zhì)的難點(diǎn)在于對(duì)這部分細(xì)物料的有效分選。

1.2 表面形貌分析

采用掃描電鏡(SEM)高度聚焦的高能電子束對(duì)氣化細(xì)渣試樣進(jìn)行掃描，樣品掃描電鏡結(jié)果如圖1 所示。

由圖1可以看出，高溫作用后氣化細(xì)渣顆粒主要包含兩大類(lèi)，一類(lèi)是高溫轉(zhuǎn)化的玻璃微珠，微珠球形度高，表面相對(duì)光滑；另一類(lèi)是粒度較大的顆粒，其表面氧化嚴(yán)重，呈現(xiàn)出蜂窩狀孔洞且粗糙度大，部分內(nèi)部嵌布微珠。由于表面粗糙多孔且雜質(zhì)較多，在浮選過(guò)程中可能需要添加較多的浮選藥劑才能獲得比較理想的浮選指標(biāo)。

1.3 表面官能團(tuán)分析

采用布魯克VERTEX 80v傅里葉變換紅外光譜儀研究氣化細(xì)渣樣品表面官能團(tuán)的賦存情況，氣化細(xì)渣中官能團(tuán)賦存情況如圖2所示。

通過(guò)對(duì)樣品紅外光譜的特性分析和特征官能團(tuán)吸收頻率對(duì)比發(fā)現(xiàn)，樣品中除了包含煤中含有的大量C-C/C-H結(jié)構(gòu)外，該樣品中C-O-C/C-O的吸收峰強(qiáng)度最大，含量最多，其次是-OH。除此之外，樣品中還存在一些C=O，各種形式的C-X，其中X可能為N,S。這說(shuō)明經(jīng)過(guò)氣化爐高溫作用后，煤表面發(fā)生了較大的變化，生成了較多的C-O-C/C-O，但其表面仍以疏水的官能團(tuán)為主。

圖1 樣品掃描電鏡結(jié)果

圖2 氣化細(xì)渣中官能團(tuán)賦存情況

1.4 潤(rùn)濕熱分析

通過(guò)潤(rùn)濕熱的大小可判斷樣品潤(rùn)濕性，采用RM-C80微量熱儀對(duì)氣化細(xì)渣與水接觸浸濕的潤(rùn)濕熱進(jìn)行測(cè)定，氣化細(xì)渣潤(rùn)濕熱結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 氣化細(xì)渣潤(rùn)濕熱結(jié)果

由表3可以看出，氣化細(xì)渣與水在常溫條件下的潤(rùn)濕熱為1.181 J/g，可判定其表面為較疏水表面。因此，從該氣化細(xì)渣的表面性質(zhì)分析，采用浮選方法實(shí)現(xiàn)氣化細(xì)渣中未燃碳與灰渣的分離和提純具有可行性。

2 浮選提質(zhì)研究

2.1 浮選機(jī)分選提質(zhì)研究

采用XFD-1.5 L浮選機(jī)進(jìn)行氣化細(xì)渣的分選試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程參考《煤粉(泥)實(shí)驗(yàn)室單元浮選試驗(yàn)方法》(GB/T 4757-2001)，具體試驗(yàn)條件為：浮選礦漿濃度為60 g/L，葉輪轉(zhuǎn)速為1904 r/min，充氣量為0.25 m3/h，浮選機(jī)自動(dòng)刮泡，刮泡時(shí)間為3 min，選擇MIBC和仲辛醇作為起泡劑，煤油和柴油作為捕收劑。

2.1.1 捕收劑種類(lèi)試驗(yàn)

兩種捕收劑的用量對(duì)浮選精煤指標(biāo)的影響規(guī)律如圖3所示。

圖3 捕收劑種類(lèi)浮選試驗(yàn)結(jié)果

由圖3可以看出，隨著兩種捕收劑用量的增加，浮選精煤產(chǎn)率均呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，浮選精煤灰分先減小后略有增大。當(dāng)捕收劑用量大于11 kg/t時(shí)，兩種捕收劑下精煤灰分、產(chǎn)率變化均不明顯；當(dāng)捕收劑用量小于10 kg/t時(shí)，煤油作為捕收劑可以獲得較高的精煤產(chǎn)率和較低的精煤灰分；當(dāng)捕收劑用量大于10 kg/t時(shí)，與煤油相比，柴油作為捕收劑的浮選精煤灰分更低且產(chǎn)率相當(dāng)。綜合精煤灰分與產(chǎn)率指標(biāo)，柴油作為捕收劑時(shí)該氣化細(xì)渣的浮選指標(biāo)更佳。

2.1.2 起泡劑種類(lèi)試驗(yàn)

根據(jù)捕收劑種類(lèi)的試驗(yàn)結(jié)果，使用柴油作為捕收劑，選擇MIBC和仲辛醇為起泡劑，探索起泡劑用量對(duì)浮選精煤指標(biāo)的影響規(guī)律，起泡劑種類(lèi)浮選試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以看出，隨著起泡劑用量增加，浮選精煤產(chǎn)率均增加。MIBC作為起泡劑時(shí)，其用量對(duì)浮選精煤灰分影響不明顯，但精煤灰分均較高，介于28%～29%。使用仲辛醇作為起泡劑時(shí)，隨著其用量的增大，精煤灰分降低，但用量大于5.5 kg/t后，隨著其用量增大精煤灰分變化不明顯。對(duì)比兩種起泡劑的浮選精煤指標(biāo)，采用仲辛醇的浮選精煤灰分明顯低于MIBC的精煤灰分，雖然仲辛醇作為起泡劑時(shí)浮選精煤產(chǎn)率相較更低，但為獲得更高發(fā)熱量的產(chǎn)品，因此要求灰分更低，所以仲辛醇與柴油組合作為浮選藥劑是浮選精煤指標(biāo)優(yōu)于MIBC與柴油的浮選藥劑組合。

圖4 起泡劑種類(lèi)浮選試驗(yàn)結(jié)果

2.2 氣化細(xì)渣浮選正交試驗(yàn)

根據(jù)氣化細(xì)渣浮選藥劑種類(lèi)探索試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)浮選正交試驗(yàn)以探究捕收劑(柴油)、起泡劑(仲辛醇)和礦漿濃度對(duì)精煤灰分的影響顯著性，并探尋最優(yōu)的浮選機(jī)分選指標(biāo)。選取柴油用量為9 kg/t、12 kg/t和15 kg/t，仲辛醇用量為4.5 kg/t、6 kg/t和7.5 kg/t，礦漿濃度為40 g/L、50 g/L和60 g/L，充氣量為0.25 m3/h，浮選機(jī)葉輪轉(zhuǎn)數(shù)為1904 r/min?；诰夯曳值恼粩?shù)據(jù)分析見(jiàn)表4。

表4 基于精煤灰分的正交數(shù)據(jù)分析

由表4可以看出，在正交表的組合條件下，精煤灰分最低為24.25%，此時(shí)產(chǎn)率為58.05%，其干燥基高位發(fā)熱量(Qgr,d)為26.40 MJ/kg。此時(shí)柴油用量為9 kg/t，仲辛醇用量為4.5 kg/t，礦漿濃度為40 g/L。對(duì)各個(gè)因素分析可知，起泡劑用量的極差最大，為0.763%；其次是捕收劑用量，其極差為0.690%；礦漿濃度的極差最小，為0.614%。由此可知，仲辛醇用量對(duì)精煤灰分影響為顯著，柴油用量其次，礦漿濃度對(duì)精煤灰分影響最小。

2.3 浮選柱分選提質(zhì)研究

FCMC浮選柱是一種處理細(xì)物料具有優(yōu)勢(shì)的分選設(shè)備，實(shí)踐證明浮選柱在分離細(xì)煤泥分選方面具有很好的應(yīng)用效果。本文在實(shí)驗(yàn)室條件下研究了FCMC浮選柱對(duì)該氣化細(xì)渣的分選提質(zhì)效果，選取用量為9 kg/t的柴油為捕收劑，用量為4.5 kg/t的仲辛醇作為起泡劑，礦漿濃度為40 g/L。具體試驗(yàn)過(guò)程如下：將氣化細(xì)渣制成礦漿加入攪拌桶，同時(shí)加入捕收劑與起泡劑，礦漿攪拌5 min后通過(guò)入料蠕動(dòng)泵打入浮選柱體進(jìn)行分選，得到精煤和尾煤產(chǎn)品。

2.3.1 循環(huán)壓力試驗(yàn)

循環(huán)壓力是指浮選柱中礦循環(huán)泵的壓力。中礦漿通過(guò)中礦循環(huán)泵從浮選段中下部的中礦出口吸出，加壓后通過(guò)微泡發(fā)生器與氣泡充分混合，再?gòu)男鞫紊喜壳邢蚪o入。重產(chǎn)物經(jīng)旋流后從下部尾礦排出，輕產(chǎn)物則與氣泡粘附向上進(jìn)入泡沫層。固定泡沫層高度為15 cm進(jìn)行循環(huán)壓力探索試驗(yàn)，浮選柱循環(huán)壓力試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 浮選柱循環(huán)壓力試驗(yàn)結(jié)果

由圖5可以看出，隨著循環(huán)壓力的增加，精煤產(chǎn)率先增加后降低，循環(huán)壓力增加到0.14 MPa時(shí)，其精煤產(chǎn)率比循環(huán)壓力為0.12 MPa時(shí)稍有降低。精煤灰分隨著循環(huán)壓力的增加逐漸降低，在循環(huán)壓力為0.14 MPa時(shí)，精煤灰分最低，為23.75%。因此確定當(dāng)循環(huán)壓力為0.14 MPa時(shí)，分選效果較好。其原因在于隨著壓力的增高，氣泡發(fā)生器吸入的氣體越來(lái)越多，較多的氣泡會(huì)附帶更多的物料上浮成為精礦。當(dāng)壓力進(jìn)一步升高時(shí)，由于礦漿濃度不變，產(chǎn)率不會(huì)進(jìn)一步升高，但浮選柱旋流段的離心力得到進(jìn)一步增強(qiáng)，使得較重的礦物質(zhì)被更多的分離進(jìn)入尾礦當(dāng)中，這導(dǎo)致了在較高壓力下精礦灰分有所降低。

2.3.2 浮選柱浮選泡沫層高度試驗(yàn)

泡沫層高度與最終產(chǎn)品的灰分有著直接的關(guān)系，因此需要探究最佳的泡沫層高度。在實(shí)驗(yàn)室條件下泡沫層高度與充氣量及尾礦管高度有關(guān)，在循環(huán)壓力(充氣量)一定的條件下，可以通過(guò)改變尾礦管高度根據(jù)連通器原理改變泡沫層高度，以此控制泡沫產(chǎn)品灰分。固定循環(huán)壓力為0.14 MPa進(jìn)行泡沫層高度探索試驗(yàn)，浮選柱泡沫層高度試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 浮選柱泡沫層高度試驗(yàn)結(jié)果

由圖6可以看出，隨著泡沫層高度增加精煤產(chǎn)率和精煤灰分逐漸降低。浮選柱浮選精煤最低灰分為23.66%，精煤產(chǎn)率為54.91%，干燥基高位發(fā)熱量(Qgr,d)為27.21 MJ/kg。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因在于隨著泡沫層高度不斷增加，其二次精選效果逐漸提高，因此灰分減小。但由于二次精選過(guò)程中部分物料返回浮選段成為中礦再次循環(huán)，因此精煤產(chǎn)率呈降低趨勢(shì)。

2.4 浮選機(jī)與浮選柱分選效果對(duì)比

將浮選柱試驗(yàn)結(jié)果與浮選機(jī)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，其結(jié)果見(jiàn)表5。

由表5可以看出，與浮選機(jī)相比，浮選柱的精煤灰分降低0.44%，精煤產(chǎn)率提高2.64%。同時(shí)，尾煤灰分提高4.40%，浮選完善指標(biāo)增加3.45%，這說(shuō)明浮選柱在降低氣化細(xì)渣的浮選精煤灰和提高精煤產(chǎn)率具有一定的優(yōu)勢(shì)。主要原因是FCMC浮選柱特有的旋流段對(duì)中礦進(jìn)行二次掃選從而保證了回收率，提高了精礦產(chǎn)率，其次由于沒(méi)有機(jī)械攪拌裝置，取而代之的是相對(duì)靜態(tài)的捕集區(qū)，從而減小了機(jī)械攪拌對(duì)泡沫層的影響，因此可以得到更厚的泡沫層，在泡沫的濾析作用下，礦漿中高灰細(xì)泥被返回中礦段，精礦灰分降低。

表5 浮選柱和浮選機(jī)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

3 結(jié)論

(1)氣化細(xì)渣的工業(yè)分析以表明，該氣化細(xì)渣水分含量高，不易脫除導(dǎo)致了發(fā)熱量低難以回收利用。SEM結(jié)果表明其表面氧化嚴(yán)重，空隙較多是造成水分含量高的主要原因；FTIR以及潤(rùn)濕熱實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明氣化細(xì)渣雖然氧化嚴(yán)重但仍具有一定的疏水性。

(2)浮選機(jī)分選提質(zhì)研究結(jié)果表明，在柴油用量為9 kg/t、仲辛醇用量為4.5 kg/t以及礦漿濃度為40 g/L的條件下，可獲得灰分為24.25%、產(chǎn)率為58.05%、干燥基高位發(fā)熱量(Qgr,d)為26.40 MJ/kg的浮選精礦產(chǎn)品。

(3)浮選柱分選提質(zhì)研究結(jié)果表明，在柴油為9 kg/t, 仲辛醇為4.5 kg/t礦漿濃度為40 g/L的條件下，浮選柱浮選精礦最低灰分為23.66%、精煤產(chǎn)率為54.91%、干燥基高位發(fā)熱量(Qgr,d)為27.21 MJ/kg。

(4)對(duì)比浮選機(jī)和浮選柱的試驗(yàn)結(jié)果表明，浮選柱在降低產(chǎn)品灰分，提高浮選產(chǎn)率具有一定的優(yōu)勢(shì)。浮選柱浮選完善指標(biāo)比浮選機(jī)高出3.45%，說(shuō)明浮選柱對(duì)氣化細(xì)渣的提質(zhì)效果優(yōu)于浮選機(jī)。