神東煤泥浮選精煤水煤漿添加劑實驗研究

張云飛

（國能神東煤炭集團有限責任公司，陜西 榆林 719300）

引 言

煤泥是煤炭開采和分選加工過程中產(chǎn)生的一種副產(chǎn)品，占原煤量的12%～18%[1]，具有熱值低、黏度大、易團聚等特點。神東煤炭集團所有選煤廠全入洗后煤泥產(chǎn)量大，約2 000萬t/a，其中僅布爾臺選煤廠煤泥產(chǎn)出量就達150萬t/a，現(xiàn)有處置方式是將煤泥摻到混煤里對外銷售，但會降低商品煤的發(fā)熱量，影響神東煤的市場競爭力。

浮選是處理細粒煤泥最有效的分選方法之一[2]。2017年，神東煤炭集團提出煤泥浮選脫灰降硫高質(zhì)化利用開發(fā)研究項目[3]，該項目以“布爾臺選煤廠原煤脫粉、煤泥浮選以及粗煤泥螺旋分選機分選改造工程”的擴建初步設計為藍本，建設了一條處理能力10萬t/a干煤泥的神東低階煤煤泥浮選工業(yè)示范生產(chǎn)線。布爾臺洗煤廠煤泥浮選出來的精煤中，粒度小于0.045 mm的精煤的質(zhì)量分數(shù)高達60%以上，且含水率高，具備低成本制備超細水煤漿的特點，可用作煤化工企業(yè)氣化水煤漿提濃原料，實現(xiàn)煤泥資源的綜合利用，同時解決煤泥對生產(chǎn)銷售的制約。但浮選精煤粒度細、表面含有大量含氧官能團、表面微孔多、親水性強[4-5]，導致其在制備水煤漿的過程中成漿濃度低、黏度大、添加劑消耗量大，而高效水煤漿添加劑的研究與開發(fā)一直是制約水煤漿產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸[6]，尤其是針對浮選精煤水煤漿添加劑的研究，更是鮮有報道。為此，本研究針對布爾臺浮選精煤的表面特性，以堿法造紙黑液為起始原料，通過化學改性制備出適合浮選精煤的水煤漿添加劑，采用多因素實驗設計方法分別考察了磺化反應條件和縮合反應條件對原煤水煤漿和浮選精煤水煤漿性能的影響，現(xiàn)介紹如下。

1 實 驗

1.1 實驗材料

實驗中所用的材料包括山東某造紙廠堿法黑液（純度40%）、對氨基苯磺酸鈉（改性劑、純度97%）、亞硫酸鈉（純度98%）、甲醛（純度37%）和氫氧化鈉（純度

99%）。

1.2 實驗裝置

水煤漿添加劑合成實驗裝置：四口燒瓶（500 mL）、溫度計（0～200℃）、球形冷凝管（300 mm）、滴液漏斗（100 mL）、電動攪拌裝置及油浴鍋。

水煤漿成漿實驗裝置：電動攪拌器（JJ-2型）、塑料燒杯（300 mL）、水煤漿黏度計（NXS-4C型）、電熱鼓風干燥箱（101A型）。

1.3 實驗方法

水煤漿添加劑的合成主要分為3步：（1）磺化：將計量好的堿法黑液充分攪拌，然后倒入四口燒瓶中，邊加熱邊加入亞硫酸鈉，繼續(xù)升溫并保持一定的反應時間。（2）縮合：磺化實驗完成后，開始滴加計量好的甲醛溶液，升至一定溫度并保持一定的反應時間。（3）中和：滴加氫氧化鈉水溶液，用試紙測定反應物料的pH值，當pH值在9～11時合成實驗完成，降溫出料備用。

水煤漿成漿：按照制漿濃度要求稱取150 g煤粉和相應的水、添加劑，在燒杯中攪拌成漿，然后測定水煤漿的濃度及表觀黏度。

2 結(jié)果與討論

為保證合成實驗結(jié)果具有可對比性，以布爾臺浮選精煤和布爾臺原煤為研究對象，在相同粒度分布、相同添加劑質(zhì)量分數(shù)（均為0.5%）條件下，考察不同添加劑合成條件對原煤和浮選精煤成漿性能的影響。

2.1 磺化反應條件對水煤漿性能的影響

影響磺化反應的主要因素包括堿法黑液與亞硫酸鈉的加入比例、磺化反應溫度和時間。通過多因素實驗設計方法分別考察了上述反應條件對原煤水煤漿和浮選精煤水煤漿性能的影響，結(jié)果見表1～表3。

表1 磺化反應原料配比對水煤漿性能的影響

表2 磺化反應溫度對水煤漿性能的影響

表3 磺化反應時間對水煤漿性能的影響

由表1～表3可知，堿法黑液與亞硫酸鈉的加入比例、磺化反應溫度和磺化反應時間等因素對其分散性有顯著影響。隨著加入比例的增加、反應溫度的升高和反應時間的延長，原煤水煤漿和浮選精煤水煤漿的定黏（1 200 mPa·s）最高成漿濃度先升高后降低。因此，可以確定最佳磺化反應條件為：堿法黑液與亞硫酸鈉的質(zhì)量比為1.0∶0.4，磺化反應溫度為90℃，磺化反應時間為3 h，此時原煤水煤漿和浮選精煤水煤漿的質(zhì)量分數(shù)均達到最高，分別為49.2%和48.3%。

2.2 縮合反應條件對水煤漿性能的影響

影響縮合反應的主要因素包括改性劑與甲醛的加入比例、縮合反應溫度和縮合反應時間。通過多因素實驗設計方法分別考察了上述反應條件對原煤水煤漿和浮選精煤水煤漿性能的影響，結(jié)果見表4～表6。由表4～表6可知：改性劑與甲醛的加入比例、縮合反應溫度對其分散性有顯著影響，隨著加入比例的增加和反應溫度的升高，原煤水煤漿和浮選精煤水煤漿的定黏（1 200 mPa·s）最高成漿濃度基本呈先升高后降低，這是由于改性劑和甲醛的加入比例、縮合反應溫度直接影響合成產(chǎn)物的縮合程度，進而影響其相對分子質(zhì)量和分散性能。此外，縮合反應時間對其性能影響不大，尤其是超過5 h后，水煤漿性能基本保持不變。因此，綜合考慮技術(shù)性和經(jīng)濟性，可以確定最佳縮合反應條件為：堿法黑液、改性劑、甲醛的質(zhì)量比為1.0∶0.1∶1.0，縮合反應溫度為100℃，縮合反應時間為5 h。

表4 縮合反應原料配比對水煤漿性能的影響

表5 縮合反應溫度對水煤漿性能的影響

由表1～表6還可知，在相同制漿條件下，布爾臺浮選精煤水煤漿成漿質(zhì)量分數(shù)比原煤水煤漿成漿質(zhì)量分數(shù)約低1個百分點，這是由于煤泥經(jīng)過浮選后，精煤表面吸附了大量的絮凝劑和捕收劑，從而影響水煤漿添加劑在煤粒表面的吸附效果。

3 結(jié) 論

根據(jù)布爾臺浮選精煤的表面性質(zhì)，采用堿法造紙黑液作為起始原料，通過磺化反應和縮合反應等化學合成手段生產(chǎn)浮選精煤水煤漿添加劑的路線是可行的。通過多因素實驗設計方法，考察磺化反應條件和縮合反應條件對布爾臺原煤水煤漿和浮選精煤水煤漿性能的影響，確定最佳合成條件為：堿法黑液、亞硫酸鈉、改性劑、甲醛的質(zhì)量比為1.0∶0.4∶0.1∶1.0，磺化反應溫度為90℃、磺化反應時間為3 h，縮合反應溫度為100℃、縮合反應時間為5 h。制漿時添加劑加入質(zhì)量分數(shù)為0.5%時，所制的布爾臺原煤水煤漿和浮選精煤水煤漿定黏最高質(zhì)量分數(shù)可分別達到49.2%與48.3%。在相同制漿條件下，布爾臺浮選精煤水煤漿成漿質(zhì)量分數(shù)比原煤水煤漿成漿質(zhì)量分數(shù)低約1個百分點。

表6 縮合反應時間對水煤漿性能的影響