鈣離子對(duì)煤泥浮選效果的影響研究

盧憲路，溫 磊，周坤強(qiáng)，宛 鶴

(1.國(guó)能蒙西煤化工股份有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 016100；2.西安建筑科技大學(xué) 資源工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

浮選是依據(jù)礦物表面物理化學(xué)性質(zhì)的差異性，在固-液-氣三相界面分離礦物的一項(xiàng)科學(xué)技術(shù)[1-2]。水作為浮選過程不可缺少的介質(zhì)，對(duì)浮選效果具有極為顯著的影響[3-4]。在環(huán)境保護(hù)要求和水資源短缺的雙重壓力下，礦山廢水處理與回用已成為一種必然趨勢(shì)[5-6]。

內(nèi)蒙古棋盤井煤礦位于嚴(yán)重缺水的鄂爾多斯市鄂托克旗境內(nèi)，2021年產(chǎn)生礦井水約200萬m3。為了避免礦山廢水排放對(duì)環(huán)境的不良影響及干旱帶來的水資源短缺等問題，該礦山采用脫油+脫泥+曝氣+過濾+活性炭+RO反滲透等工藝處理礦井水，獲得濃鹽水和生活用水，其中：生活用水作為生活飲用水，符合GB 5749—2022《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》；濃鹽水則與濃縮機(jī)溢流混合后作為生產(chǎn)用水。由于濃鹽水中含有的鈣離子(460 mg/L)、鈉離子(829 mg/L)、硫酸根離子(176 mg/L)和氯離子(821 mg/L)濃度較高，因此導(dǎo)致生產(chǎn)用水中上述離子濃度也較高，其中鈣離子濃度為210 mg/L，鈉離子濃度為702 mg/L，硫酸根離子濃度為242 mg/L，氯離子濃度為621 mg/L。

長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐表明，含有大量鈣離子的生產(chǎn)用水有助于提高煤泥水的沉降效果，降低絮凝劑的用量，從而起到節(jié)約藥劑成本的作用[7-8]，但也會(huì)造成浮選精煤灰分時(shí)常超標(biāo)的問題[9]，嚴(yán)重影響了選煤廠的正常生產(chǎn)，并給公司造成了一定的經(jīng)濟(jì)損失。

針對(duì)浮選用水中鈣離子濃度過高影響煤泥浮選效果的問題，以棋盤井選煤廠浮選入料為研究對(duì)象，研究了鈣離子濃度對(duì)煤泥浮選效果的影響，并探索了多種鈣離子遮蔽劑改善煤泥浮選效果的可行性，以為解決高鈣浮選用水引起的浮選精煤灰分時(shí)常超標(biāo)的問題提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)煤樣為棋盤井選煤廠浮選入料(<0.5 mm)，其灰分為22.5%，水分為7.5%，揮發(fā)分為20.6%，固定碳為77.5%，其密度組成見表1，煤樣X射線衍射(XRD)分析結(jié)果如圖1所示，礦物組成見表2。試驗(yàn)用捕收劑和起泡劑分別為柴油和仲辛醇，來自棋盤井選煤廠，二者用量分別為150，75 g/t；氯化鈣、碳酸鈉、硅酸鈉和檸檬酸鈉均為分析純；浮選用水為去離子水和含鈣水。

表1 煤泥密度組成Table 1 Density composition of coal sample

表2 煤樣中礦物組成Table 2 Mineral composition results %

圖1 煤樣XRD分析結(jié)果Fig.1 Results of XRD analysis of coal sample

由圖1和表1結(jié)果可知，煤樣中礦物質(zhì)主要為高嶺土(17.5%)、石英(1.5%)和方解石(3.5%)。

1.2 試驗(yàn)流程

煤泥浮選試驗(yàn)流程如圖2所示。首先將煤樣加入1.0 L XFD 型單槽浮選機(jī)(煤漿濃度為120 g/L，主軸轉(zhuǎn)速為 1 700 r /min)，待煤樣分散后，依次加入鈣離子遮蔽劑、捕收劑和起泡劑，并分別攪拌2，2，1 min，充氣30 s后浮選2 min。

圖2 煤泥浮選試驗(yàn)流程Fig.2 Flowsheet of fine coal flotation process

2 結(jié)果與討論

2.1 鈣離子濃度對(duì)煤泥浮選效果的影響

為了獲得鈣離子濃度對(duì)煤泥浮選效果的影響規(guī)律，采用不同鈣離子濃度的浮選用水進(jìn)行了煤泥浮選試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，隨著浮選用水中鈣離子濃度的不斷升高，浮選精煤灰分、精煤產(chǎn)率和可燃體回收率呈不斷升高的趨勢(shì)，浮選完善指標(biāo)則呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)。當(dāng)浮選用水中鈣離子濃度為100 mg/L時(shí)，浮選效果最佳，此時(shí)浮選精煤灰分為10.60%，精煤產(chǎn)率為72.94%，可燃體回收率為83.49%，浮選完善指標(biāo)為48.17%。由此可見，在一定鈣離子濃度范圍內(nèi)，浮選用水中的鈣離子有助于煤泥浮選，但當(dāng)浮選用水中鈣離子濃度高于100 mg/L以后，將會(huì)引起浮選精煤灰分超標(biāo)。當(dāng)浮選用水中鈣離子濃度為210 mg/L時(shí)，浮選精煤灰分接近12%。

圖3 鈣離子濃度對(duì)煤泥浮選效果的影響Fig.3 Effect of Ca2+ concentration on fine coal flotation

2.2 煤泥浮選效果改善措施

為了改善浮選用水中鈣離子濃度過高對(duì)煤泥浮選產(chǎn)生的不利影響，研究了碳酸鈉、硅酸鈉、檸檬酸鈉三種鈣離子遮蔽劑對(duì)煤泥浮選的改善作用。試驗(yàn)選取鈣離子濃度為210 mg/L的浮選用水。

2.2.1 碳酸鈉對(duì)煤泥浮選效果的影響

碳酸鈉作為鈣離子遮蔽劑時(shí)，煤泥浮選試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 碳酸鈉對(duì)煤泥浮選效果的影響Fig.4 Effect of sodium carbonate on fine coal flotation

由圖4可知，隨著礦漿中碳酸鈉濃度的不斷升高，精煤灰分、產(chǎn)率、可燃體回收率和浮選完善指標(biāo)均呈下降趨勢(shì)。當(dāng)碳酸鈉濃度達(dá)到50 mg/L時(shí)，精煤灰分已經(jīng)低于11%，但精煤產(chǎn)率較低，為48%，可燃體回收率僅為54.86%。由此可見，碳酸鈉有助于降低浮選精煤灰分，但同樣也會(huì)造成精煤產(chǎn)率大幅度下降，并引起可燃體的流失。

2.2.2 硅酸鈉對(duì)煤泥浮選效果的影響

硅酸鈉作為鈣離子遮蔽劑時(shí)，煤泥浮選效果研究結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知：隨著礦漿中硅酸鈉濃度的不斷升高，精煤產(chǎn)率、可燃體回收率及浮選完善指標(biāo)均呈下降趨勢(shì)，但精煤灰分則呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。該結(jié)果表明，硅酸鈉的添加不但不能改善煤泥的浮選效果，還會(huì)引起浮選精煤產(chǎn)率的大幅度下降。

圖5 硅酸鈉對(duì)煤泥浮選效果的影響Fig.5 Effect of sodium silicate on fine coal flotation

2.2.3 檸檬酸鈉對(duì)煤泥浮選效果的影響

檸檬酸鈉作為鈣離子遮蔽劑時(shí)的煤泥浮選試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。由圖6可知：隨著礦漿中檸檬酸鈉濃度的不斷升高，精煤灰分、產(chǎn)率、可燃體回收率均呈下降趨勢(shì)，但浮選完善指標(biāo)則呈現(xiàn)先下降后升高的趨勢(shì)。當(dāng)檸檬酸鈉濃度高于50 mg/L時(shí)，浮選精煤灰分已經(jīng)能夠滿足棋盤井選煤廠浮精灰分(<11%)的要求，且精煤產(chǎn)率高于60%，可燃體回收率高于70%。由此可見，檸檬酸鈉有助于降低浮選精煤灰分，但也會(huì)造成精煤產(chǎn)率下降，并引起可燃體的流失。相比之下，檸檬酸鈉對(duì)煤泥浮選效果的改善作用好于碳酸鈉。

圖6 檸檬酸鈉對(duì)煤泥浮選效果的影響Fig.6 Effect of citric acid on fine coal flotation

3 結(jié)論

以棋盤井選煤廠浮選入料為研究對(duì)象，研究了鈣離子濃度對(duì)煤泥浮選效果的影響，并探索了三種鈣離子遮蔽劑改善煤泥浮選效果的可行性，主要得到以下結(jié)論：

(1)隨著浮選用水中鈣離子濃度的升高，浮選精煤灰分、產(chǎn)率和可燃體回收率呈不斷升高的趨勢(shì)，浮選完善指標(biāo)則呈先升后降的趨勢(shì)。當(dāng)浮選用水中鈣離子濃度為100 mg/L時(shí)，浮選效果最佳，此時(shí)浮選精煤灰分為10.6%，產(chǎn)率為72.94%，浮選完善指標(biāo)為48.17%。由此可見，當(dāng)鈣離子濃度在一定范圍內(nèi)，浮選用水中的鈣離子有助于煤泥浮選，當(dāng)浮選用水中鈣離子濃度高于100 mg/L以后，則會(huì)引起浮選精煤灰分超標(biāo)。

(2)當(dāng)浮選用水中鈣離子濃度過高時(shí)，硅酸鈉用作鈣離子遮蔽劑不能起到降低浮選精煤灰分的作用，而檸檬酸鈉和碳酸鈉用作鈣離子遮蔽劑則能夠?qū)崿F(xiàn)降低浮選精煤灰分的目的，且檸檬酸鈉的效果好于碳酸鈉。

(3)當(dāng)檸檬酸鈉的用量為50 mg/L時(shí)浮選效果最佳，此時(shí)浮選精煤灰分、產(chǎn)率、可燃體回收率分別為10.95%，63.91%，73.70%。