高灰細(xì)粒煤泥正交優(yōu)化浮選實(shí)驗(yàn)

申世鈺 ，李帥 ，王懷法 ,2，祁占海

（1.太原理工大學(xué)，礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 30024；2.礦物加工科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100000；3.中鈺泰德煤炭有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

隨著機(jī)械化采煤程度的提高和礦井開采的不斷深入，高灰細(xì)泥也隨之增加，精煤灰分高、尾煤灰分低、粗粒精煤損失大等已經(jīng)成為許多選煤廠浮選過程的共性問題[1-3]。

于躍先等[4]通過對(duì)細(xì)泥夾帶機(jī)理的研究發(fā)現(xiàn)：影響高灰細(xì)泥夾帶的主要因素為細(xì)泥粒度、起泡劑用量和礦漿濃度。宋云霞等[5]研究表明：一次浮選的精煤灰分高，產(chǎn)率低，尾煤灰分低，很難滿足生產(chǎn)要求。Taki Güler 等[6]發(fā)現(xiàn)，粒徑越細(xì)，夾帶程度越高，同時(shí)還受起泡劑類型的影響。Sripriya R 和Oats W J 等研究表明，細(xì)泥礦物的存在降低了煤的可燃體回收率并影響精煤灰分[7-8]。張曉鵬[9]認(rèn)為在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中，應(yīng)針對(duì)煤質(zhì)的變化情況，調(diào)整合適的油比、充氣量和攪拌速度，減少高灰細(xì)泥對(duì)浮選精煤的污染。

異質(zhì)細(xì)泥遇水易泥化成微米級(jí)礦物黏附于氣泡與煤粒表面形成細(xì)泥罩蓋，由此引起了煤泥浮選的一系列問題[10-11]。提高精煤質(zhì)量和可燃體回收率是當(dāng)前提高浮選效率的關(guān)鍵所在，本論文將以內(nèi)蒙古鄂爾多斯市凱達(dá)礦的難浮煤泥為研究對(duì)象，在正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了精煤再選工藝優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。

1 煤樣性質(zhì)與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 煤樣性質(zhì)分析

（1）煤樣礦物組成分析

本實(shí)驗(yàn)選取的煤樣來自內(nèi)蒙古鄂爾多斯市凱達(dá)礦，采用X 射線衍射儀SmartLab 在Cu 靶、管電壓40 kV、管電流40 mA、衍射角度為2～45°的衍射條件下進(jìn)行了全巖礦物分析，XRD 和結(jié)果見圖1 和表1。

表1 煤樣礦物組成分析結(jié)果/%Table 1 Timed-release analysis results of coal sample

圖1 煤樣XRDFig.1 X-ray diffraction pattern of coal sample

由圖1 和表1 可知，煤樣中脈石礦物主要為石英和由高嶺石、伊利石、蒙脫石組成的粘土礦物。其中石英的含量最大，意味著精煤與脈石礦物間存在著較大斥力，通過選擇合適的工藝可有效實(shí)現(xiàn)分離；粘土礦物的含量為40.4%，這會(huì)導(dǎo)致該煤樣在浮選過程中容易泥化。

（2）煤樣篩分分析

對(duì)煤樣進(jìn)行篩分分析，結(jié)果見表2。

表2 煤樣篩分分析Table 2 Coal sample screening analysis

由表2 可知，-0.045 mm 粒級(jí)的產(chǎn)率和灰分分別達(dá)到了59.43%、61.42%，說明該煤樣為高灰細(xì)粒煤。其余各粒級(jí)的產(chǎn)率相差不大，在9.12%～11.37%之間。+0.125 mm 粒級(jí)的灰分明顯較低，為4.28%，這說明煤泥中的粗顆粒需要最大程度地實(shí)現(xiàn)回收。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器和藥劑

（1）實(shí)驗(yàn)儀器。XFD-1 型單槽浮選機(jī)（1 L），主軸轉(zhuǎn)速0～2600 r/min，刮板轉(zhuǎn)速為0～30 r/min；

（2）實(shí)驗(yàn)藥劑。本次研究實(shí)驗(yàn)藥劑為：FDJ（一種新型非極性烴類捕收劑）+Q1（一種新型醇類起泡劑）。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

（1）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[12]。它是在實(shí)驗(yàn)因素的全部水平組合中，挑選出部分具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。

（2）浮選實(shí)驗(yàn)嚴(yán)格按照GB/T 4757-2013《煤粉（泥）實(shí)驗(yàn)室單元浮選實(shí)驗(yàn)方法》要求執(zhí)行，以可燃體回收率和浮選完善指標(biāo)作為浮選效果的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)GB/T 34164-2017《選煤廠浮選工藝效果評(píng)定方法》中的可燃體回收率計(jì)算公式為：

其中，ε為浮選精煤可燃體回收率/%；Ay為浮選入料灰分/%；Aj為浮選精煤灰分/%；γj為浮選精煤實(shí)際產(chǎn)率/%。

浮選完善指標(biāo)的計(jì)算公式為：

其中，ηWf為浮選完善指標(biāo)/%；γj為浮選精煤實(shí)際產(chǎn)率/%；Ay為浮選入料灰分/%；Aj為浮選精煤灰分/%。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 煤泥浮選正交實(shí)驗(yàn)研究

影響煤泥浮選效果的主要因素有浮選礦漿濃度、捕收劑用量、起泡劑用量、充氣量、葉輪轉(zhuǎn)速等，為了考查這些因素及其水平，在前期單因素探索實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，采用L9(34)正交實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究。其中礦漿濃度固定為60 g/L，其他的因素水平安排見表3，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4、5。

表3 因素水平Table 3 Factor level table

表4 正交實(shí)驗(yàn)安排及分析Table 4 Orthogonal test arrangement and analysis

結(jié)合表4 和圖2，分析各個(gè)因素對(duì)指標(biāo)的影響情況：

圖2 各指標(biāo)隨因素水平的變化Fig.2 Changes of various indicators with factor levels

（1）各因素影響的主次順序?yàn)椋浩鹋輨┯昧?捕收劑用量>葉輪轉(zhuǎn)速>充氣量。

（2）起泡劑用量D 對(duì)各指標(biāo)的影響。由表4可知，對(duì)可燃體回收率和浮選完善指標(biāo)來說，起泡劑用量的極差都是最大的，即起泡劑用量是最大的影響因素，從圖2 可以看出，明顯取值800較好。

（3）充氣量B 對(duì)各指標(biāo)的影響。由表4 可知，對(duì)于兩個(gè)指標(biāo)來說，充氣量的極差都是最小的，即為影響最小的因素；從圖2 可以看出，充氣量取值0.175 較好。

（4）捕收劑用量C 對(duì)各指標(biāo)的影響。由表4可知，對(duì)于兩個(gè)指標(biāo)來說，捕收劑用量的極差都是第二大的，即次要影響的因素；從圖2 可以看出，捕收劑用量取值1600 較好。

（5）葉輪轉(zhuǎn)速A 對(duì)各指標(biāo)的影響。由表4 可知，對(duì)于兩個(gè)指標(biāo)來說，轉(zhuǎn)速的極差都是第三大的，即第三影響的因素；從圖2 可以看出，對(duì)于可燃體回收率來說，取值2000 較好；但對(duì)于浮選完善指標(biāo)來說，取值1800 較好。

通過以上分析，得出較好的實(shí)驗(yàn)方案有兩組：A2B2C3D3和A3B2C3D3。而這兩組都不在正交實(shí)驗(yàn)的9 組實(shí)驗(yàn)安排中，因此需要補(bǔ)做，其結(jié)果見表4 和表5。經(jīng)比較得出較優(yōu)的方案為A2B2C3D3，即較佳條件為：葉輪轉(zhuǎn)速1800 r/min、充氣量0.175 m3/(m2/min)、捕收劑用量1600 g/t、起泡劑用量800 g/t。浮選結(jié)果為：精煤產(chǎn)率61.85%、灰分20.20%，尾煤產(chǎn)率38.15%、灰分76.81%。還可以看出，當(dāng)可燃體回收率和浮選完善指標(biāo)達(dá)極大時(shí)，精煤的灰分偏大，同時(shí)考慮到脈石礦物中石英的含量較大，此時(shí)對(duì)精煤進(jìn)行精選實(shí)驗(yàn)將非常有意義。

表5 正交實(shí)驗(yàn)各組結(jié)果Table 5 Orthogonal experimental results

2.2 “一粗一精”浮選實(shí)驗(yàn)研究

由圖3 可知，采用“一粗一精”浮選工藝流程對(duì)正交實(shí)驗(yàn)的較優(yōu)方案進(jìn)行進(jìn)一步研究，一段粗選加藥，二段精選不加藥；一段粗選提高回收率，二段精選確保精煤灰分和產(chǎn)率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 “一粗一精”浮選實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 6 Results of one roughing and one cleaning flotation test

圖3 “一粗一精”浮選工藝流程Fig.3 Process of one roughing and one cleaning flotation test

由表6 可知，A2B2C3D3方案經(jīng)過“一粗一精”工藝流程，可以得到產(chǎn)率49.41%、灰分8.70%的精煤和產(chǎn)率50.59%、灰分74.15%的尾煤，有效地降低高灰細(xì)泥對(duì)精煤浮選效果的影響。

3 結(jié)論

（1）煤樣的主導(dǎo)粒級(jí)為-0.045 mm，其產(chǎn)率和灰分分別為59.43%、61.42%。XRD 分析結(jié)果表明煤樣中脈石礦物以石英和粘土礦物為主。

（2）實(shí)驗(yàn)中各因素影響浮選結(jié)果的主次順序?yàn)椋浩鹋輨┯昧?捕收劑用量>葉輪轉(zhuǎn)速>充氣量；正交實(shí)驗(yàn)所得的較優(yōu)方案為A2B2C3D3，得到了產(chǎn)率61.85%、灰分20.20%的精煤和產(chǎn)率38.15%、灰分76.81%的尾煤。

（3）在起泡劑用量800 g/t、捕收劑用量1600 g/t、礦漿濃度60 g/L、葉輪轉(zhuǎn)速1800 r/min、充氣量0.175 m3/(m2/min)的條件下，通過“一粗一精”浮選工藝流程，得到了產(chǎn)率49.41%、灰分8.70%的精煤和產(chǎn)率50.59%、灰分74.15%的尾煤。“一粗一精”浮選工藝能有效地降低高灰細(xì)泥對(duì)該煤樣浮選的影響，確保了精煤灰分和產(chǎn)率。