浮選煤泥和榆林煤制備氣化水煤漿的研究

喬軍強

(國能神東煤炭集團有限責任公司，陜西榆林 719315)

煤泥具有粒度細、持水性強、灰分高、發(fā)熱量低、黏性大的特點，是煤炭加工洗選過程中產(chǎn)生的一種廢棄物，且隨著原煤入選率的增大，煤泥的產(chǎn)量也逐年增加[1-2]。由于煤泥水分高、內(nèi)聚力及黏性大，其干化后，遇風、遇雨時對生態(tài)環(huán)境影響很大[3-4]。神東公司煤泥產(chǎn)出量較大，僅布爾臺選煤廠煤泥產(chǎn)量約150萬t/a，所有選煤廠全入洗后煤泥產(chǎn)量約2 000萬t/a，現(xiàn)有處置方式是將煤泥摻到混煤里，一起對外銷售，摻混銷售影響商品煤發(fā)熱量、冬季易造成運輸車輛凍車，卸車困難，夏季風干后易揚塵污染環(huán)境，使用中易發(fā)生溜槽和落料口堵塞引起系統(tǒng)停產(chǎn)等突出問題，影響神東煤炭的市場競爭力[5]。因此，開發(fā)一種處理量大、成本低、資源利用率高的煤泥高效利用技術(shù)，提高煤泥附加值，變廢為寶，實現(xiàn)煤泥的清潔高效利用已成為選煤廠迫切需要解決的問題[6-7]。將煤泥制成水煤漿，有助于緩解煤泥對環(huán)境的污染和提高煤泥綜合利用價值，是煤泥利用的有效途徑之一[8-9]。神東布爾臺選煤廠煤泥浮選脫灰降硫系統(tǒng)浮選出的煤泥具有粒度細、含水率高和灰分低的特點(與化工煤指標相當)，是制備超細水煤漿，用作氣化水煤漿提濃的最優(yōu)原料，其中粒度細能節(jié)省研磨功耗，含水率高能節(jié)省制漿用水，免去煤泥脫水、干燥等高能耗環(huán)節(jié)，大幅降低煤泥利用的加工成本。目前，國內(nèi)多采用常規(guī)的單棒磨機或球磨機制漿工藝，將煤、水和添加劑按配比一次性加入單棒/球磨機內(nèi)研磨，制得成品煤漿，該工藝雖簡單但調(diào)節(jié)手段少，無法優(yōu)化煤漿粒度級配，煤漿粒度分布為單峰連續(xù)級配，堆積效率差，成漿質(zhì)量分數(shù)低[10-11]。分級研磨制漿工藝是煤科院國家水煤漿工程技術(shù)研究中心開發(fā)出第二代制漿工藝，該工藝將棒磨機和細磨機進行組合，通過細磨機制備出合格超細煤漿再返回到棒磨機中提濃，細漿的作用是在提高煤漿流動性和穩(wěn)定性的同時優(yōu)化煤漿顆粒的粒度級配，提高煤漿顆粒的堆積效率，進而提高煤漿質(zhì)量分數(shù)[12-13]。間斷級配制漿工藝是在分級研磨制漿工藝基礎(chǔ)上開發(fā)出的新一代制漿技術(shù)[14]，該技術(shù)主要是使煤漿中的粗顆粒尺寸盡可能大，煤漿中細顆粒煤粉能夠填充到粗顆粒構(gòu)成的空隙中，實現(xiàn)煤漿的高效緊密堆積，同時細顆粒又成為粗顆粒流動的載體，顯著改善煤漿流動狀態(tài)，實現(xiàn)煤漿粒度的雙峰間斷級配，與常規(guī)制漿工藝相比，煤漿質(zhì)量分數(shù)可提高6個百分點以上[15-16]。將神東煤泥浮選精煤用作氣化煤漿提濃原料，可大幅提高煤泥的附加值，實現(xiàn)煤泥資源化的綜合高效利用。

1 試驗部分

1.1 煤樣的選擇和煤質(zhì)分析

試驗用煤泥來自神東布爾臺選煤廠浮選后的精煤泥，試驗用煤樣為榆林煤，在收到原料后對其進行分析測試，分析數(shù)據(jù)見表1和表2。

表1 煤泥和榆林煤的工業(yè)分析和元素分析

表2 榆林煤的灰熔融性分析

由表1和表2可見：浮選后精煤泥雖全水含量很高但內(nèi)水含量較低，具有較低灰分、中高揮發(fā)分、硫含量較低、熱值高的特點；榆林煤屬于水分較低、低灰分、高揮發(fā)分、特低硫、高熱值、低流動溫灰的煤種，煤泥經(jīng)過浮選后灰分可降低至10%以下，工業(yè)分析數(shù)據(jù)與精煤相近，完全滿足煤化工企業(yè)氣化用煤需求。

1.2 主要試驗儀器

5E-JCA型顎式破碎機；XMB型棒磨機；MKJP-3型選擇性破磨機；QHJM-3型離心式動力超細磨；標準篩振篩機；梅特勒HB43快速水分測定儀；馬爾文MS3000超高速智能粒度分析儀；NXS-4CP型水煤漿專用黏度計。

1.3 粗、細煤粉的制備方法

1)常規(guī)制漿工藝。首先將試驗煤樣破碎到3 mm以下，再加至XMB型棒磨機中進行粗研磨，根據(jù)粒度要求選取不同磨礦時間用電動振篩機進行干法篩分，測出其粒度分布直到達到粒度要求為止，制備出合格的原料煤粉。

2)分級研磨制漿工藝粗、細煤粉的制備。將破碎后原料煤加至棒磨機中進行粗研磨，選取不同磨礦時間制備出粗粉；取出部分制備好的粗粉放入超細研磨機中進行細磨礦制備出合格的細粉。

3)間斷級配制漿工藝粗、細煤粉的制備。將破碎后原料煤用MKJP-3型選擇性破磨機通過改變對輥間隙制備出合格粒徑的粗粉，然后采用不同規(guī)格標準篩對粗煤粉進行篩分，將篩下物再放入超細研磨機中進行超細磨礦制備出合格的細粉。

1.4 制漿方法

采用干法制漿，首先將試驗煤樣經(jīng)不同設(shè)備制備出合格的煤粉，然后按設(shè)定質(zhì)量分數(shù)，將煤粉(包括粗粉和細粉)、水及添加劑放入到制漿容器中，用電動攪拌器進行攪拌制漿，然后對水煤漿產(chǎn)品進行分析檢測。

由于煤泥浮選后的精煤粒度較細，小于45 μm粒級物料含量(w)高達70%以上，可以不經(jīng)過破碎只經(jīng)過簡單的整形處理作為細粉使用，節(jié)省了研磨功耗。配煤制漿試驗是采用整形后的精煤泥來代替分級研磨工藝和間斷級配工藝里的細粉，根據(jù)設(shè)定的煤漿質(zhì)量分數(shù)將原料煤粗粉、精煤泥、水、添加劑進行充分攪拌調(diào)漿，然后對水煤漿產(chǎn)品進行分析檢測。

1.5 水煤漿性能的測定

水煤漿的質(zhì)量分數(shù)采用HB43型梅特勒快速水分測定儀測定；水煤漿的表觀黏度采用NXS-4C水煤漿黏度計測定。采用目測法測定水煤漿流動性，將煤漿流動性能分為：連續(xù)流動(A)、間斷流動(B)、不流動(C)，用“+”表示該等級中流動性較好者，用“-”表示該等級中流動性較差者。水煤漿的穩(wěn)定性采用插棒法測定，密閉靜置8 h后，采用插棒觀測水煤漿的沉淀情況，分為A、B、C、D四個等級，其中，A表示穩(wěn)定性最好，漿體保持其初始狀態(tài)，無析水，無沉淀產(chǎn)生；B表示穩(wěn)定性尚好或一般，存在少量析水或少許軟沉淀產(chǎn)生；C表示漿體穩(wěn)定性較差，有軟沉淀攪拌后可再生；D表示穩(wěn)定性最差，產(chǎn)生部分沉淀或全部硬沉淀。

2 結(jié)果與討論

2.1 浮選煤泥的粒度分布

考慮到浮選后的煤泥粒度較細，先采用馬爾文3000型激光粒度儀對煤泥試樣進行粒度分布測試，試驗結(jié)果見表3。

表3 粗煤泥研磨前的粒度分布

由表3可見：煤泥的粒徑較細，其平均粒徑為37.70 μm，75 μm以下的含量(w)為86.23%，符合超細水煤漿的粒度要求。但考慮到煤泥顆粒為不規(guī)則棱角形狀，會影響煤漿的表觀黏度和流動性，將粗煤泥經(jīng)過超細磨進行整形處理，使其顆粒由不規(guī)則棱角形狀變成規(guī)則球狀，整形后精煤泥的粒度分布結(jié)果見表4。

表4 整形研磨后精煤泥的粒度分布

由表4可見：浮選煤泥經(jīng)過超細研磨機整形研磨后，煤泥的粒度更細，其平均粒徑為25.70 μm，75 μm以下粒徑的含量(w)增至94.59%。

2.2 常規(guī)單磨機制漿工藝成漿性試驗

目前，我國氣化水煤漿的制漿工藝多為單磨機制漿工藝，原料煤、水和添加劑按一定比例加入磨機，經(jīng)磨機一次研磨即制得成品煤漿。該試驗中首先采用常規(guī)制漿工藝對榆林煤、粗煤泥、整形研磨后精煤泥進行成漿性試驗，添加劑為自主研發(fā)的煤科院CCRI系統(tǒng)，添加量統(tǒng)一為0.3%(干基/干粉)，試驗結(jié)果見表5。

表5 常規(guī)制漿工藝的試驗結(jié)果

由表5可見：隨著成漿質(zhì)量分數(shù)的逐漸提高，水煤漿表觀黏度增大，流動性明顯變差，由于煤泥的顆粒較細，煤漿流動性較好；常規(guī)制漿工藝下，采用單種煤制漿，榆林煤、粗煤泥和整形研磨后的精煤泥的最高質(zhì)量分數(shù)為60.53%，54.34%，55.33%。整形研磨后精煤泥成漿質(zhì)量分數(shù)高于整形前粗煤泥的制漿質(zhì)量分數(shù)，這是由于粗煤泥經(jīng)過超細研磨整形后，粒度形狀由不規(guī)則棱角形變成球形，煤漿的流動性和穩(wěn)定性較好；但由于粗煤泥和整形研磨后精煤泥的粒度均較小，未形成合理的粒度級配，單獨制漿質(zhì)量分數(shù)都較低，僅為55%左右。

鑒于常規(guī)制漿工藝下的成漿質(zhì)量分數(shù)較低，進一步研究了分級研磨制漿工藝和間斷級配制漿工藝下的成漿性試驗。

2.3 分級研磨制漿工藝成漿性試驗

合理的粒度級配是制備優(yōu)質(zhì)水煤漿的關(guān)鍵，優(yōu)化煤漿的粒度級配，煤漿中大小顆粒間相互填充，可以提高顆粒的堆積效率，提高煤漿質(zhì)量分數(shù)，改善煤漿的流動性和穩(wěn)定性。采用分級研磨制漿工藝對榆林煤進行成漿性試驗，通過初步試驗，確定出分級研磨制漿工藝的最佳粒度級配為粗粉與細粉質(zhì)量比為85∶15，添加劑用量統(tǒng)一為0.3%(干基/干粉)，試驗結(jié)果見表6。

表6 分級研磨工藝下的試驗結(jié)果

由表6可見：榆林煤采用分級研磨制漿工藝，在粗、細粉質(zhì)量比為85∶15，添加劑用量0.3%(干基/干粉)的條件下，最高成漿質(zhì)量分數(shù)為63.40%。與常規(guī)制漿工藝相比，成漿質(zhì)量分數(shù)可提高3個百分點。這是由于細顆粒的加入，在改善煤漿流動性和穩(wěn)定性的前提下，優(yōu)化了煤漿的粒度級配，提高了顆粒的堆積效率。

考慮到精煤泥的顆粒較細，如能用整形后的精煤泥代替分級研磨工藝里的細粉，既節(jié)省研磨功耗又能解決煤泥難處理的問題。采用分級研磨制漿工藝進行配煤制漿試驗，以整形研磨后精煤泥替代分級研磨工藝的細粉，精煤泥的添加比例為15%，添加劑用量為0.3%(干基/干粉)，試驗結(jié)果見表7。

表7 分級研磨工藝下的配煤制漿試驗結(jié)果

由表7可見：在分級研磨制漿工藝下，用整形研磨后精煤泥代替分級研磨制漿工藝中的細粉，在榆林煤與精煤泥的配比為85∶15，添加劑用量0.3%(干基/干粉)的條件下，配煤制漿最高成漿質(zhì)量分數(shù)為63.51%，與細粉制漿的質(zhì)量分數(shù)相當，完全可以采用整形研磨后精煤泥替代細煤粉。

2.4 間斷級配制漿工藝成漿性試驗

為進一步提高榆林煤的成漿質(zhì)量分數(shù)，采用間斷級配制漿工藝進行成漿性研究，該工藝是將粗粉的粒度盡可能大，細粉的顆粒足夠小，使得粗粉的最小粒徑和細粉的最大粒徑之間有間斷，保證細粉能夠完全填充到粗粉中，最大限度地提高填充效率，達到提高煤漿質(zhì)量分數(shù)的目的。采用間斷級配工藝，粗粉與細粉質(zhì)量為6∶4，添加劑質(zhì)量為干基煤質(zhì)量的0.3%，進行成漿性試驗，試驗結(jié)果見表8。

表8 間斷級配制漿工藝下的試驗結(jié)果

由表8可見：采用間斷級配制漿工藝，在粗細粉比例為6∶4條件下，榆林煤的最高成漿質(zhì)量分數(shù)為65.49%，成漿質(zhì)量分數(shù)與分級研磨工藝相比提高2個百分點；隨著細粉添加量的增大，煤漿流動性和穩(wěn)定性均逐漸增強，但表觀黏度較前兩種制漿工藝也有所增大，表明細粉在煤漿中起到了很好的潤滑與增黏作用。

采用間斷級配工藝，用整形研磨后精煤泥替代間斷級配工藝中的細粉，榆林煤與精煤泥質(zhì)量比為6∶4，添加劑用量為0.3%(干基/干粉)的條件下進行成漿性試驗，試驗結(jié)果見表9。

表9 間斷級配工藝下的配煤制漿試驗結(jié)果

由表9可見：采用間斷級配制漿工藝，采用整形研磨后精煤泥替代細粉，在榆林煤與精煤泥的質(zhì)量比為6∶4，添加劑用量0.3%(干基/干粉)的條件下，配煤制漿最高成漿質(zhì)量分數(shù)為65.55%，與細粉制漿的質(zhì)量分數(shù)相當，完全可以用精煤泥來代替細粉進行煤漿提濃。

3 結(jié)論

1)煤泥浮選精煤的灰分較低，熱值較高，粒徑較細，其平均粒徑為37.70 μm，75 μm以下的質(zhì)量分數(shù)為86.23%；研磨后精煤泥的平均粒徑為25.70 μm，75 μm以下的粒徑的質(zhì)量分數(shù)增至94.59%，是氣化煤漿的優(yōu)選原料煤。

2)采用常規(guī)制漿工藝，榆林煤、粗煤泥和整形研磨后的精煤泥的最高成漿質(zhì)量分數(shù)分別為60.53%，54.34%，55.33%，整形研磨后精煤泥成漿質(zhì)量分數(shù)高于粗煤泥；粗煤泥經(jīng)過超細研磨整形后，粒度形狀由不規(guī)則棱角形變成球形，煤漿的流動性和穩(wěn)定性變好。

3)在粗粉與細粉質(zhì)量比為85∶15的條件下，采用分級研磨制漿工藝，榆林煤最高成漿質(zhì)量分數(shù)為63.40%；在粗粉與細粉質(zhì)量比為6∶4的條件下，采用間斷級配制漿工藝，榆林煤的最高成漿質(zhì)量分數(shù)為65.49%，與常規(guī)制漿工藝相比，成漿質(zhì)量分數(shù)能提高5個百分點。

4)采用整形研磨后精煤泥代替細粉進行配煤制漿試驗，當榆林煤與精煤泥的質(zhì)量比為85∶15時，配煤制漿最高成漿質(zhì)量分數(shù)為63.51%，當榆林煤與精煤泥的質(zhì)量比為6∶4時，配煤制漿最高成漿質(zhì)量分數(shù)為65.55%。

5)煤泥浮選后精煤具有顆粒較小的特點，可替代煤漿提濃中的細粉，用作煤化工企業(yè)氣化水煤漿提濃原料，可較好地實現(xiàn)煤泥資源綜合利用。