不同實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法在高灰分煤泥浮選優(yōu)化實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

（六盤水師范學(xué)院化學(xué)與材料工程學(xué)院，貴州 六盤水 553004）

高灰細(xì)粒煤泥浮選一直是選煤領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)與難題，選煤工作者在浮選工藝流程[1-4]、浮選藥劑[5-8]和分選設(shè)備[9-12]等方面進(jìn)行了大量的研究與實(shí)踐，并取得了諸多 研究成果與工程經(jīng)驗(yàn)。貴州某選煤廠煤泥含量大、灰分高，一直困擾浮選精煤質(zhì)量的提升。本文旨在前人有關(guān)高灰分煤泥浮選研究的基礎(chǔ)上，應(yīng)用不同實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法探索該選煤廠高灰煤泥浮選的最優(yōu)條件。

1 煤泥性質(zhì)

入浮煤泥的灰分、粒度與密度組成在很大程度上決定了浮選精煤的產(chǎn)率與灰分，故了解煤泥的灰分、粒度組成和密度組成至關(guān)重要。煤泥篩分，結(jié)果見表1。

表1 煤泥粒度組成Table 1 Coal particle size composition

由表1 可知，煤泥的主導(dǎo)粒級(jí)為-0.500+0.250 mm，產(chǎn)率為58.02%，灰分為52.35%，初步判斷適合浮選機(jī)浮選；-0.075 mm 粒級(jí)產(chǎn)率為21.50%，灰分為46.01%，產(chǎn)率較高，灰分較高，浮選過程應(yīng)注意避免過多細(xì)泥夾帶。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法

在煤泥浮選條件優(yōu)化實(shí)驗(yàn)中采用經(jīng)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)方法、多因素逐項(xiàng)實(shí)驗(yàn)方法和正交設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方法?？疾榱烁∵x礦漿固體濃度、捕收劑用量、起泡劑用量和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速四個(gè)因素對(duì)煤泥浮選的影響。

所謂“經(jīng)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)方法”就是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定因素的水平變化范圍，再使其各因素的變化步長(zhǎng)相等，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)各因素水平排序搭配來進(jìn)行有限個(gè)數(shù)實(shí)驗(yàn)。選取較好一組作為優(yōu)化條件。

多因素逐項(xiàng)實(shí)驗(yàn)方法也叫一次一因素法，先將多因素中其他因素設(shè)定在某一個(gè)特定水平上，然后就某一個(gè)因素進(jìn)行不同水平的條件實(shí)驗(yàn)，找出該因素的較優(yōu)水平[13]。再按此法找出每個(gè)因素的較優(yōu)水平。各因素較優(yōu)水平組合在一起就是較佳實(shí)驗(yàn)條件。

正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)法是利用正交表來安排與分析多因素實(shí)驗(yàn)的一種設(shè)計(jì)方法[13]。它是由實(shí)驗(yàn)因素的全部水平組合中，挑選出部分有代表性的水平組合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過對(duì)這部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析了解全面實(shí)驗(yàn)的情況，確定因素主次順序、較佳水平和較優(yōu)條件。

3 煤泥浮選實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 經(jīng)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)法

在經(jīng)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)中，煤漿固體濃度為(60、80、100、120、140 和160) g/L；捕收劑用量為(60、100、140、180、220 和260) g/t；起泡劑用量為(80、140、500、260、320 和380) g/t；葉輪轉(zhuǎn)速為(1400、1600、1800、2000、2200 和2400) r/min。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)較低的礦漿濃度應(yīng)該需要較低的捕收劑濃度、較低的起泡劑濃度和較低的轉(zhuǎn)速。而較高的礦漿濃度應(yīng)該需要較高的捕收劑濃度、較高的起泡劑濃度和較高的轉(zhuǎn)速。選擇合適水平搭配進(jìn)行浮選實(shí)驗(yàn)。其實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 經(jīng)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of experience test

從表2 試驗(yàn)結(jié)果可以看出，較優(yōu)浮選工藝條件為：捕收劑用量為60 g/t，起泡劑用量為80 g/t，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為1400 r/min，礦漿固體濃度為60 g/L。浮選結(jié)果為，精煤產(chǎn)率為19.92%，灰分為12.42%，浮選尾煤產(chǎn)率為80.08%，灰分為60.67%。精煤產(chǎn)率較低，而浮選尾煤灰分僅比計(jì)算入料灰分高9.61 個(gè)百分點(diǎn)。

在該實(shí)驗(yàn)中，由于經(jīng)驗(yàn)不足，因素水平選擇不當(dāng)，或4 個(gè)水平搭配不盡合理，獲得的優(yōu)化條件，并不是優(yōu)化條件。

3.2 多因素逐項(xiàng)實(shí)驗(yàn)法

根據(jù)初步經(jīng)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定多因素逐項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的4 個(gè)因素水平（見表3）。

表3 多因素逐項(xiàng)實(shí)驗(yàn)因素水平Table 3 Factors and levels of multi -factors test

在捕收劑用量實(shí)驗(yàn)中，捕收劑用量變化，而起泡劑用量、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和礦漿固體濃度固定，找出較佳捕收劑用量。在起泡劑用量實(shí)驗(yàn)中，起泡劑用量變化，而捕收劑用量、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和礦漿固體濃度固定，找出起泡劑較佳用量。依次對(duì)4 個(gè)因素的4 個(gè)水平進(jìn)行16 次實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 多因素逐項(xiàng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 4 Results of multi-factors test

浮選精煤產(chǎn)率與灰分隨捕收劑用量、起泡劑用量、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和礦漿濃度的變化趨勢(shì)見圖1～4。

圖1 浮選精煤產(chǎn)率與灰分隨捕收劑用量的變化趨勢(shì)Fig.1 Trend of flotation clean coal yield and ash content with the amount of collector

圖2 浮選精煤產(chǎn)率與灰分隨起泡劑用量的變化趨勢(shì)Fig.2 Trend of flotation clean coal yield and ash content with the amount of foaming agent

圖3 浮選精煤產(chǎn)率與灰分隨轉(zhuǎn)速的變化趨勢(shì)Fig.3 Trend of flotation clean coal yield and ash content with rotating speed

圖4 浮選精煤產(chǎn)率與灰分隨礦漿濃度的變化趨勢(shì)Fig.4 Trend of flotation clean coal yield and ash content with slurry concentration

由圖1 可知，精煤產(chǎn)率與灰分均隨捕收劑用量的增加，呈現(xiàn)先減后增再減的趨勢(shì)，這說明捕收劑的選擇性較差。由圖2 可知，隨著起泡劑用量的增加，精煤的產(chǎn)率與灰分均呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)；當(dāng)起泡劑用量由60 g/t 增加到80 g/t 時(shí)，精煤的產(chǎn)率與灰分均緩慢增長(zhǎng)；當(dāng)起泡劑用量由80 g/L 增加到100 g/t 時(shí)，精煤的產(chǎn)率與灰分均快速增長(zhǎng)；當(dāng)起泡劑用量超過100 g/L 后，浮選精煤的產(chǎn)率與灰分均又呈現(xiàn)緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì)。因此，根據(jù)對(duì)精煤灰分的實(shí)際需要，當(dāng)起泡劑用量在80 g/t 左右時(shí)，控制起泡劑的用量很關(guān)鍵。由圖3 可知，隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的增加，精煤灰分變化不大，精煤產(chǎn)率在1800 r/min 時(shí)產(chǎn)率最高。由圖4 可知，隨著礦漿濃度的增加，精煤的產(chǎn)率呈下降趨勢(shì)，而灰分稍增加，但增加不大。

由此可知較優(yōu)浮選工藝條件為：捕收劑用量60 g/t，起泡劑用量80 g/t，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速1800 r/min，礦漿固體濃度為60 g/L。浮選結(jié)果為：精煤產(chǎn)率為24.62%，灰分為11.57%，浮選尾煤產(chǎn)率為75.38%，灰分為61.68%。

3.3 正交實(shí)驗(yàn)法

根據(jù)多因素逐項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，確定煤泥浮選正交實(shí)驗(yàn)中4個(gè)因素的水平見表5，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表6。

表5 正交實(shí)驗(yàn)因素水平Table 5 Factors and levels of orthogonal test

表6 煤泥浮選正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 6 Results of orthogonal test for coal slime flotation

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，浮選精煤灰分差距較大，不適合根據(jù)可燃體回收率、浮選完善指標(biāo)和精煤產(chǎn)率等指標(biāo)評(píng)價(jià)浮選結(jié)果，故選用精煤灰分對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果見表7。

表7 煤泥浮選正交實(shí)驗(yàn)分析Table 7 Analysis of orthogonal test coal slime flotation

各因素的主次順序?yàn)槠鹋輨┯昧浚镜V漿濃度＞葉輪轉(zhuǎn)速＞捕收劑用量；較優(yōu)浮選條件為起泡劑用量90 g/t、捕收劑用量60 g/t、礦漿固體濃度80 g/L和葉輪轉(zhuǎn)速2000 r/min。獲得的浮選指標(biāo)為，浮選精煤產(chǎn)率為26.36%，灰分為12.46%，浮選尾煤產(chǎn)率為73.64%，灰分為63.82%。

4 結(jié) 論

（1）經(jīng)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)由于經(jīng)驗(yàn)不足未能找到煤泥浮選的較優(yōu)條件，而多因素逐項(xiàng)實(shí)驗(yàn)與正交實(shí)驗(yàn)均能獲得煤泥浮選的較優(yōu)條件。但是前者進(jìn)行了16次實(shí)驗(yàn)，后者只進(jìn)行了9 次實(shí)驗(yàn)，而且還確定了4個(gè)因素的主次關(guān)系。由此可知正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)在優(yōu)化浮選實(shí)驗(yàn)條件中具有一定的優(yōu)勢(shì)。

（2）煤泥浮選多因素逐項(xiàng)實(shí)驗(yàn)獲得的較優(yōu)浮選工藝條件為捕收劑用量60 g/t、起泡劑用量80 g/t、葉輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速1800 r/min、礦漿固體濃度60 g/L。浮選精煤產(chǎn)率24.62%、灰分11.57%，浮選尾煤產(chǎn)率75.38%、灰分61.68%。

（3）煤泥浮選正交實(shí)驗(yàn)獲得的較優(yōu)浮選條件為：起泡劑用量90 g/t、捕收劑用量60 g/t、礦漿固體濃度80 g/L、葉輪轉(zhuǎn)速2000 r/min。浮選精煤產(chǎn)率為26.36%，灰分為12.46%，浮選尾煤產(chǎn)率為73.64%，灰分為63.82%。各因素的主次順序?yàn)槠鹋輨┯昧浚镜V漿固體濃度＞葉輪轉(zhuǎn)速＞捕收劑用量。