煤巖組分浮選工藝研究

中國(guó)的煤炭資源豐富，是世界上以煤炭為主要能源的國(guó)家之一。2012年中國(guó)煤炭產(chǎn)量達(dá)36.6億t,煤炭消費(fèi)始終占一次性能源的70%以上。據(jù)專家估計(jì),到21世紀(jì)中葉煤炭占一次性能源的比例也將維持在50%左右。另一方面,煤炭燃燒所帶來(lái)的環(huán)境污染越來(lái)越嚴(yán)重,發(fā)展?jié)崈裘杭夹g(shù)已經(jīng)十分重要。惰質(zhì)組含量較高會(huì)影響煤的加工利用性能。如導(dǎo)致煤的黏結(jié)性較差,難以較大比例地用于配煤煉焦。煤中鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組的含量對(duì)水煤漿成漿性和流變性的影響顯著,惰質(zhì)組分含量較高易造成煤的成漿性差,難于制得高濃度水煤漿;煤中的殼質(zhì)組和鏡質(zhì)組是煤加氫液化的有益組分,而惰性組則難以液化,所以惰質(zhì)組分含量較高,也是引起煤液化性能總體上變差、出油率變低的基本原因;此外,惰質(zhì)組分含量較高,還會(huì)導(dǎo)致煤的燃點(diǎn)較低,易于自燃。然而,惰質(zhì)組也有其較高的應(yīng)用價(jià)值,如富惰質(zhì)組分煤可作為制備碳素材料或燃料的優(yōu)質(zhì)原料。因此,有效進(jìn)行煤巖組分分選是促進(jìn)煤炭綜合、高效利用的有效途徑。前人研究比重法分離煤巖組分較多,根據(jù)物理性質(zhì)的差異,StachE相繼對(duì)其進(jìn)行了研究,隨后Kroger利用一系列比重不同的重液通過(guò)浮沉實(shí)驗(yàn)分離出了煤巖單組分;在其基礎(chǔ)上VanKrevelen利用密度不同對(duì)煤巖組分進(jìn)行了分離和富集。各單組分富集物的純度高達(dá)95%以上,從此奠定了煤巖組分的重液分離基礎(chǔ)。Dyrkacz在重液分離的基礎(chǔ)上開發(fā)了等密度梯度離心分離技術(shù)(DensityGradientCentrifugation,DGC)。與此同時(shí),Dyrkacz等還建成了較大規(guī)模的煤巖組分的分離和富集裝置(RockComponentsSeparationandFloat,CSF),之后又于1992年建成了連續(xù)流離心分離裝置(TheContinuousFlowCentrifugalSeparation,CFC)。比重法最大的缺點(diǎn)是處理量很小,只限于實(shí)驗(yàn)室研究,很難實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。根據(jù)化學(xué)性質(zhì)的差異,許多人將目光投向了基于組分間的表面性質(zhì)差異進(jìn)行組分分離與富集的浮選分離方法。目前浮選法分離煤巖組分的研究較少。本文討論了用浮選法分離富集煤巖組分的可能性。1測(cè)試1.1藥劑及元素分析原料:采自新疆烏魯木齊礦務(wù)局六道灣煤礦的新疆煤,屬于長(zhǎng)焰煤,用多層塑料袋密封包裝運(yùn)回。用圓盤粉碎機(jī)將新疆煤分別粉碎,通過(guò)篩分得到<200目的煤樣用于浮選試驗(yàn)。煤的工業(yè)分析和元素分析見表1。藥劑:舒新前等對(duì)神府長(zhǎng)焰煤煤巖組分進(jìn)行分選研究時(shí)發(fā)現(xiàn),加入陽(yáng)離子表面活性劑后,可以使煤巖組分的表面電位逐漸由負(fù)值變?yōu)檎?當(dāng)用量處于某個(gè)范圍時(shí),鏡質(zhì)組的表面電位表現(xiàn)為正值,惰質(zhì)組的表面電位表現(xiàn)為負(fù)值。此時(shí)陰離子捕收劑能較好地捕集鏡質(zhì)組。在pH值接近中性的條件下,起泡劑為雜醇,捕收劑為油酸,表面活性劑為十六烷基三甲基溴化銨,鏡質(zhì)組的富集率為51.24%。筆者在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步分析浮選法富集煤巖組分的工藝條件,采用油酸為捕收劑,聚乙二醇為起泡劑,十六烷基三甲基溴化銨為表面活性劑。1.2礦漿浮選試驗(yàn)設(shè)備:浮選槽、圓盤粉碎機(jī)、抽濾機(jī)、多功能真空過(guò)濾機(jī)、馬弗爐、分析天平、離心機(jī)、真空泵、恒溫箱、密度計(jì)、玻璃器皿等。方法:(1)浮選試驗(yàn):自來(lái)水,礦漿濃度66.7g/L,浮選時(shí)間10min,煤樣100g,浮選槽1.5L。(2)小浮沉實(shí)驗(yàn)根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T19092—2003進(jìn)行操作。1.3實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)1.3.1%是表達(dá)功率/cm3密度級(jí)分別為<1.25,1.25~1.35,1.35~1.45,>1.45g/cm3。通過(guò)小浮沉實(shí)驗(yàn)確定原煤中<1.35g/cm3密度級(jí)的含量,為浮選試驗(yàn)提供參考。1.3.2浮選捕收劑和效率礦漿pH值對(duì)煤巖組分的表面電位有影響,陰離子捕收劑在酸性極強(qiáng)的條件下,對(duì)鏡質(zhì)組有較強(qiáng)的捕收性能,但考慮到對(duì)浮選設(shè)備的腐蝕及操作帶來(lái)的不便,其很難適應(yīng)工業(yè)化的要求。因此浮選單因素實(shí)驗(yàn)分別對(duì)進(jìn)氣量、起泡劑用量、捕收劑用量、轉(zhuǎn)速、十六烷基三甲基溴化銨用量進(jìn)行研究。表2為各因素的取值。1.3.3浮物表面活性劑篩選為進(jìn)一步確定浮選法分離煤巖組分的最佳條件,在中性條件下進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)。選用正交表L16(45),選定進(jìn)氣量、起泡劑用量、捕收劑用量、轉(zhuǎn)速、表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨用量5個(gè)因素,浮物中密度級(jí)<1.35g/cm3的含量為檢測(cè)指標(biāo)。試驗(yàn)的因素和水平見表3。1.3.4煤巖富集實(shí)驗(yàn)結(jié)果趙偉研究發(fā)現(xiàn)各組分的密度為:對(duì)于顯微煤巖組分,惰質(zhì)組一般為1.39~1.52g/cm3,殼質(zhì)組為1.20~1.25g/cm3;對(duì)于宏觀煤巖學(xué),暗煤為1.30~1.37g/cm3,亮煤為1.27~1.29g/cm3、鏡煤為1.28~1.30g/cm3。綜合考慮相關(guān)因素,將<1.25g/cm3密度級(jí)組分劃歸殼質(zhì)組,1.25~1.35g/cm3密度級(jí)組分劃歸鏡質(zhì)組,1.35~1.45g/cm3密度級(jí)組分劃歸半絲質(zhì)體,>1.45g/cm3的密度級(jí)劃歸絲質(zhì)體和礦物質(zhì)。通過(guò)離心實(shí)驗(yàn)檢測(cè),即浮物中密度級(jí)<1.35g/cm3的含量來(lái)確定煤巖富集效果,該值越大,表示浮選分離煤巖組分效果越好。在此基礎(chǔ)上對(duì)最佳樣品做煤粉光片分析,進(jìn)一步分析浮物和沉物中煤巖組分的含量。2結(jié)果與討論2.1不同密度組含量的比較原煤的小浮沉試驗(yàn)結(jié)果見表4。由表4可知,原煤中<1.35g/cm3密度級(jí)的含量為36.03%,可認(rèn)為<200目的原煤中鏡質(zhì)組含量較少,惰質(zhì)組含量較高。2.2甲基溴化銨用量對(duì)浮物密度級(jí)的影響單因素試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示?？芍?浮選單因素進(jìn)氣量、起泡劑用量、捕收劑用量、轉(zhuǎn)速、十六烷基三甲基溴化銨用量分別為120L/h,0.1g/L,0.7g/L,1800r/min,0.18g/L時(shí),浮物中<1.35g/cm3密度級(jí)的含量最大,浮物中鏡質(zhì)組含量較高,浮選效果較好。2.3最佳配方的確定浮選法分離煤巖組分的正交試驗(yàn)結(jié)果見表5?？芍?極差Rc>Rd>Re>Rb>Ra,極差反映了各因素對(duì)指標(biāo)的影響大小,可以看出各因素對(duì)浮選效果的影響為捕收劑>轉(zhuǎn)速>表面活性劑>起泡劑>進(jìn)氣量。由于Ki反映了因素水平對(duì)i指標(biāo)的影響,由Ka2>Ka4>Ka1>Ka3可知,a因素的水平2最好。同樣由Kb2>Kb4>Kb3>Kb1,Kc3>Kc1>Kc2>Kc4,Kd1>Kd4>Kd2>Kd3,Ke4>Ke3>Ke2=Ke1。得到實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)的最佳因素組合是a2b2c3d1e4。即浮選最佳工藝為:進(jìn)氣量140L/h、起泡劑0.08g/L、捕收劑1.3g/L、轉(zhuǎn)速1800r/min、十六烷基三甲基溴化銨0.16g/L。2.4浮選實(shí)驗(yàn)結(jié)果由于上述最佳組合都不在正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)范圍內(nèi),筆者進(jìn)一步補(bǔ)做了最佳組合實(shí)驗(yàn),并與不加表面活性劑的浮選實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)條件:進(jìn)氣量140L/h,起泡劑0.08g/L,捕收劑1.3g/L,轉(zhuǎn)速1800r/min,十六烷基三甲基溴化銨0.16g/L。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表6,本工藝條件下浮選效果最好,浮物中<1.35g/cm3密度級(jí)的含量達(dá)到88.30%。對(duì)比發(fā)現(xiàn),添加十六烷基三甲基溴化銨浮選后浮物中<1.35g/cm3密度級(jí)的含量提高了18.95%。2.5沉物中中兩種質(zhì)體含量的對(duì)比煤巖組分在中國(guó)煤炭科工集團(tuán)西安研究院完成,鑒定結(jié)果見表7。浮物中鏡質(zhì)組以基質(zhì)鏡質(zhì)體為主,其次是結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體、團(tuán)塊鏡質(zhì)體及少量均質(zhì)鏡質(zhì)體,含量接近70%,比原煤中鏡質(zhì)組含量提高近34%;惰質(zhì)組以絲質(zhì)體為主,其次是半絲質(zhì)體及微量微粒體和菌類體;殼質(zhì)組主要為孢子體、角質(zhì)體、樹皮體。沉物中惰質(zhì)組以絲質(zhì)體、半絲質(zhì)體為主,少量微粒體、菌類體,含量接近85%,比原煤中惰質(zhì)組含量提高了近20%;殼質(zhì)組主要為孢子體、角質(zhì)體。碳酸鹽礦物主要為方解石和菱鐵礦,硫化物類礦物主要為黃鐵礦。3基三甲基溴化銨鹽析結(jié)果(1)采用浮選槽分離煤巖組分的最佳工藝條件:加入表面活性劑十六烷基三甲基溴化,進(jìn)氣量140L/h、起泡劑0.08g/L、捕收劑1.3g/L、轉(zhuǎn)速1800r/min、十六烷基三甲基溴化銨0.16g/L。(2)在最佳工藝條件下浮物產(chǎn)率為64.35%,浮物中<1.35g/cm3密度級(jí)的含量為88.30%,其中鏡質(zhì)組含量近70%,比原煤中鏡質(zhì)組含