疏水改性助濾精煤脫水試驗(yàn)研究

張節(jié)文，劉 億，楊曉鴻，劉春福

(1.淮北礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 臨渙選煤廠，安徽 淮北 235000；2.安徽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

2030年碳達(dá)峰和2060年碳中和目標(biāo)是我國(guó)的重大戰(zhàn)略決策[1]。煤炭清潔高效利用是煤炭行業(yè)在“十四五規(guī)劃”期間的主要任務(wù)，在此期間，原煤入選率將達(dá)85%以上。選煤是潔凈煤技術(shù)的源頭技術(shù)[2]，濕法選煤是我國(guó)煤炭分選的主要方式，然而濕法選煤易導(dǎo)致煤炭商品水分升高，發(fā)熱量降低，影響煤炭的銷售價(jià)格和運(yùn)輸成本[3-4]。

淮北礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司臨渙選煤廠是一座大型煉焦煤選煤廠，主要洗選臨渙、海孜、童亭、許疃等十余座礦井生產(chǎn)的原煤。該廠生產(chǎn)采用較成熟的原煤三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器分選、煤泥浮選、尾煤濃縮壓濾回收聯(lián)合生產(chǎn)工藝，可同時(shí)分選焦煤、1/3焦煤、肥煤、瘦煤等精煤品種，并實(shí)現(xiàn)了洗水閉路循環(huán)和零排放[5]。

精煤水分是煉焦煤選煤廠產(chǎn)品質(zhì)量控制的一項(xiàng)重要指標(biāo)[6]。受煤質(zhì)變化、采煤機(jī)械化及洗選加工設(shè)備等因素的制約，長(zhǎng)期以來(lái)，重介精煤、粗精煤泥、浮選精煤等各環(huán)節(jié)精煤水分的波動(dòng)均可造成綜合精煤水分偏高[7-8]，其中粗精煤泥和浮選精煤水分的高低直接影響總精煤產(chǎn)品的水分，因此解決粗精煤泥和浮選精煤難以脫水的問(wèn)題是降低總精煤水分的關(guān)鍵。文章對(duì)臨渙選煤廠的粗精煤泥和浮選精煤進(jìn)行了性質(zhì)分析及疏水改性研究，通過(guò)助濾-脫水試驗(yàn)，研究了不同疏水改性藥劑對(duì)于粗精煤泥和浮選精煤水分的影響，研究成果對(duì)于提高精煤產(chǎn)品質(zhì)量、改善運(yùn)輸情況、提高經(jīng)濟(jì)效益具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 試驗(yàn)

1.1 煤樣及藥劑

選取臨渙選煤廠生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的具有代表性的粗精煤泥、浮選精煤煤樣為研究對(duì)象，經(jīng)真空干燥箱烘干后備用。相關(guān)研究[9-10]表明，陽(yáng)離子型季銨鹽藥劑在煤泥表面疏水改性方面具有較為顯著的效果，因此試驗(yàn)采用的疏水改性藥劑為陽(yáng)離子型季銨鹽藥劑，分別為十二烷基三甲基氯化銨(1231)、十二胺(DDA)及十六烷基三甲基氯化銨(1631)。試驗(yàn)時(shí)將藥劑配制成相應(yīng)的水溶液使用，試驗(yàn)用水為去離子水。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 X-射線衍射分析

采用日本島津Labx XRD-6000 X射線衍射儀分析精煤樣品的礦物組分。測(cè)試條件為：Cu靶K輻射；X射線管電壓設(shè)為35 kV，X射線管電流設(shè)為30 mA；掃描角度為5°～80°，連續(xù)掃描速度為2°/min；采樣間隔為0.02°。

1.2.2 接觸角測(cè)定

采用美國(guó)科諾SL200B接觸角儀進(jìn)行樣品的接觸角測(cè)定。首先取0.60 ± 0.01 g左右干燥樣品在20 MPa壓強(qiáng)下壓成厚度約為2 mm薄片，在薄片的三個(gè)不同區(qū)域進(jìn)行接觸角測(cè)定，結(jié)果取平均值。

1.2.3 抽濾-離心脫水試驗(yàn)系統(tǒng)搭建

抽濾-離心脫水試驗(yàn)系統(tǒng)包括真空過(guò)濾試驗(yàn)系統(tǒng)和離心脫水試驗(yàn)系統(tǒng)。真空過(guò)濾裝置系統(tǒng)如圖1所示。

1—循環(huán)水式真空泵；2—抽濾軟管；3—錐形瓶；4—控壓閥門；5—100 mm布氏漏斗；6—緩沖玻璃管；7—抽濾量筒

離心脫水試驗(yàn)系統(tǒng)借助實(shí)驗(yàn)室離心機(jī)進(jìn)行離心脫水，通過(guò)改造離心機(jī)配套的離心管達(dá)到模擬選煤廠現(xiàn)場(chǎng)離心機(jī)脫水的效果，離心管改造示意圖如圖2所示。

圖2 離心管示意圖

1.2.4 抽濾-離心脫水試驗(yàn)步驟

抽濾環(huán)節(jié)：①根據(jù)圖1中真空過(guò)濾試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖，正確連接真空過(guò)濾裝置，根據(jù)布氏漏斗尺寸選擇相應(yīng)大小的圓形濾紙，潤(rùn)濕后放入布氏漏斗中，測(cè)試其密封性能良好后，通過(guò)控壓閥門將壓力控制在(4 ± 0.1)×104Pa；②做空白試驗(yàn)(不加藥劑)，待測(cè)礦樣經(jīng)攪拌均勻后，打開循環(huán)水式真空泵，將礦漿引流轉(zhuǎn)移到布氏漏斗中，同時(shí)用秒表開始計(jì)時(shí)，過(guò)濾以表面水抽干為終點(diǎn)。

離心脫水環(huán)節(jié)：①將過(guò)濾后的樣品放入改造后的離心管內(nèi)管；②模擬選煤廠離心機(jī)工作轉(zhuǎn)速。前期大量抽濾-離心脫水工作條件探索試驗(yàn)表明，測(cè)試樣品存在濾紙包裹時(shí)，在3 000 r/min的轉(zhuǎn)速條件下可取得較好的脫水效果，故設(shè)置離心機(jī)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min、離心時(shí)間為6 min。離心脫水試驗(yàn)完成后稱重、記錄。

精煤水分計(jì)算公式如下：

式中：Mt為精煤水分；m1為煤樣質(zhì)量；m2為濾紙的質(zhì)量；m3為單張濾紙的平均含水量；m總為離心后樣品總質(zhì)量。

2 結(jié)果與討論

2.1 精煤礦物組分分析

采用X-射線衍射方法(XRD)對(duì)總精煤的礦物組分進(jìn)行分析，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，精煤產(chǎn)品中存在一定量的雜質(zhì)，主要是蒙脫石((Na,Ca)0.33(Al, Mg)2[Si4O10](OH)2·nH2O)，高嶺石(Al2Si2O5(OH)4)和石英(SiO2)。黏土礦物、石英等親水性礦物的存在，可在一定程度上影響煤的脫水效果，最終影響精煤產(chǎn)品的水分。

圖3 總精煤XRD圖譜

2.2 煤樣表面接觸角分析

煤樣表面的接觸角可在一定程度上反映煤表面的氧化程度及親水性礦物賦存狀況。分別對(duì)總精煤、重介精煤、浮選精煤、粗精煤泥表面進(jìn)行了接觸角測(cè)試，結(jié)果如圖4所示。

圖4 煤樣表面接觸角測(cè)試結(jié)果

由圖4可知，總精煤、重介精煤、浮選精煤、粗精煤泥的接觸角分別為42.4°、53.5°、45.8°、52.8°。其中總精煤表面接觸角最小，親水性最強(qiáng)，應(yīng)為微細(xì)黏土礦物含量較高所致；重介精煤表面接觸角最大，表面疏水性最強(qiáng)。由于洗選過(guò)程中的表面氧化及黏土礦物賦存，會(huì)降低浮選精煤和粗精煤泥表面的疏水性，因此后續(xù)的疏水改性試驗(yàn)主要針對(duì)疏水性相對(duì)較差的粗精煤泥和浮選精煤。

2.3 精煤粒度組成分析

精煤粒度組成及泥化情況在一定程度上影響著精煤水分及灰分。按照GB/T 477—2008《煤炭篩分試驗(yàn)方法》的規(guī)定，對(duì)粗精煤泥和浮選精煤兩種精煤產(chǎn)品進(jìn)行小篩分試驗(yàn)，粒度組成分別見表1和表2。

表1 粗精煤泥粒度組成

表2 浮選精煤粒度組成

由表1可知，粗精煤泥的主導(dǎo)粒級(jí)為0.5～0.25 mm，且隨著粒度的變小，灰分逐漸增大。其中，0.25～0.125 mm粒級(jí)灰分達(dá)24.21%。由表2可知，對(duì)于浮選精煤，<0.045 mm粒級(jí)產(chǎn)率為34.55%，灰分為15.40%，高于浮選精煤的整體灰分，說(shuō)明煤泥水中含有大量的黏土礦物等細(xì)泥，精煤中的微細(xì)顆粒及其賦存的黏土類親水礦物是精煤灰分和水分降低的主要制約因素之一。

2.4 抽濾-離心脫水試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)疏水改性藥劑作用下的粗精煤泥和浮選精煤進(jìn)行了抽濾-離心脫水試驗(yàn)，考查藥劑種類及用量對(duì)精煤產(chǎn)品脫水效果的影響，結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同疏水改性藥劑對(duì)精煤產(chǎn)品抽濾-離心脫水效果的影響

由圖5(a)可知，三種疏水改性藥劑對(duì)粗精煤泥的抽濾-離心脫水效果均產(chǎn)生一定影響。與空白樣(水分為12.32%)相比，疏水改性藥劑的加入明顯降低了粗精煤泥產(chǎn)品的水分，其中1231藥劑作用效果最大，三種疏水改性藥劑的助濾作用效果依次為1631>DDA>1231，當(dāng)1631用量為150 g/t時(shí)，能夠有效降低粗精煤泥水分。

由圖5(b)可知，藥劑用量對(duì)疏水改性藥劑作用下的浮選精煤抽濾-離心脫水效果的影響較大。與空白樣(水分為9.72%)相比，當(dāng)1631、1231用量為150 g/t時(shí)脫水效果最佳，1231脫水效果次之，當(dāng)DDA用量為200 g/t時(shí)脫水效果較好。

疏水改性藥劑有助于脫水的原因是，藥劑分子與煤表面發(fā)生相互作用，其極性基團(tuán)與煤表面氧化區(qū)域或黏土賦存區(qū)域進(jìn)行吸附，使疏水基團(tuán)暴露在外面，增強(qiáng)了煤表面的整體疏水性，從而提高了脫水效果。但當(dāng)藥劑過(guò)量時(shí)，藥劑分子的烷基鏈會(huì)相互纏繞，使煤樣表面疏水性增強(qiáng)，形成疏水聚團(tuán)，聚團(tuán)相互擠壓形成的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)有網(wǎng)捕作用，反而會(huì)限制水分的濾出和脫除，該現(xiàn)象在其他研究中也得到了證實(shí)[10-12]。

鑒于對(duì)粗精煤泥和浮選精煤進(jìn)行表面疏水改性可取得一定的降水效果，因此采用上述改性藥劑對(duì)總精煤開展了疏水改性抽濾-離心脫水試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同疏水改性藥劑對(duì)總精煤抽濾-離心脫水效果的影響

由圖6可知，相對(duì)于空白試驗(yàn)結(jié)果(空白樣水分為8.57%)，三種疏水改性藥劑對(duì)總精煤均具有一定的脫水效果，其中1631和1231的作用效果相對(duì)穩(wěn)定；DDA的脫水效果隨藥劑用量波動(dòng)較大，當(dāng)其用量為100 g/t時(shí)助濾脫水效果較好。

3 結(jié)論

(1)粗精煤泥和浮選精煤中微細(xì)顆粒含量高，蒙脫石、高嶺石等黏土類礦物及石英等親水性礦物的賦存是導(dǎo)致精煤產(chǎn)品水分偏高的原因之一。

(2)因洗選過(guò)程中的表面氧化作用以及親水性礦物賦存，導(dǎo)致粗精煤泥和浮選精煤表面接觸角變小，表面疏水性降低，增加了精煤脫水的難度。

(3)疏水改性藥劑的加入有效降低了精煤產(chǎn)品的水分，三種疏水改性藥劑的助濾效果依次為1631>DDA>1231，且當(dāng)1631用量為150 g/t時(shí)，能夠顯著降低粗精煤泥水分。對(duì)于浮選精煤，當(dāng)1631、1231的用量為150 g/t時(shí)，脫水效果最佳。

(4)總精煤的疏水改性驗(yàn)證試驗(yàn)表明，疏水改性藥劑1631的作用效果穩(wěn)定，當(dāng)藥劑用量為150 g/t時(shí)的脫水效果最佳。