难选煤泥脉石矿物自动分析及浮选分离

付小哲，姜效军，姜永良，李明明

(1.辽宁科技大学矿业工程学院，辽宁 鞍山 114051； 2.辽宁德巴斯实业有限公司，辽宁 葫芦岛 125100)

我国煤炭资源丰富，但焦煤占比偏低，属于稀缺资源[1]。目前国内外选煤普遍采用的是重介-TBS-浮选工艺，其中浮选为富集0.4 mm以下细粒煤泥的有效方法[2-3]。随着煤炭开采机械化程度的提高，入浮煤泥粒度变细，含泥量大，可浮性变差[4]，导致工业生产中精煤回收率偏低。崔广文等[5]、阮继政等[6]、XIE Weiwei[7]、ZHU Shuquan等[8]从优化药剂入手，将煤油或柴油乳化，乳化后的煤油或柴油用量减少，并且能提高精煤回收率1%～3%，但乳化剂成本高，精煤泡沫大不利于后续压滤工序。CHEN Songjiang等[9]在改善煤表面性质进行研究，用2-乙基己醇将煤样预处理12 h后，煤样表面接触角从74.9°增加到95.4°，提高了煤样可浮性。SOBHY A等[10]针对伊利诺伊州细粒煤，在实验室进行了探索，设计了水力空气纳米气泡浮选柱，在纳米气泡的存在下，150 μm以下煤的可燃体回收率提高5%～10%。但针对嵌布粒度特细难选焦煤煤泥，由于煤油分散性差选别效率低的问题研究较少，是目前需研究的紧迫问题。

针对太原某选煤厂难选煤泥，本文利用矿物自动分析系统(automatic mineral characterization system,AMCS)，对煤泥中全部脉石矿物的组成、粒度、嵌布情况进行分析，针对脉石矿物种类和性质，研制出添加了植物油的新捕收剂，提高了药剂在水中分散性，增强了药剂对难选煤泥的捕收能力。在实验室对新捕收剂和煤油的浮选效果进行对比试验，结果表明，在精煤灰分低于11%的前提下，新捕收剂可得到浮精回收率88.7%的优良指标，较煤油提高6.1%。在工业生产中，新捕收剂可得到浮精回收率78%，较煤油提高13%。

1 试 验

1.1 煤样与药剂

试验煤样取自太原市某选煤厂入浮煤泥，该试样为原煤经筛分，重介-TBS和旋流器分级后的0～0.4 mm细粒物料，灰分14.6%。该厂应用Φ4.8 m的浮选柱系统，现行捕收剂煤油用量为0.8 kg/t，起泡剂杂醇油用量为0.4 kg/t。对比试验捕收剂是由植物油和烃油按照重量比25∶75配制而成。植物油A主要成分为三羧酸甘油酯，植物油B主要成分为甾烯酸甘油酯和环庚基仲醇，二者均是农业副产物。烃油是石油炼制中副产物，沸程180～350 ℃。

1.2 仪器与设备

试验仪器为辽宁仪表研究所有限责任公司生产的LIRI显微成像分析系统，德国Zeiss公司生产的AMCS自动矿物分析系统。试验浮选设备为自制0.5 L(Φ80 mm×100 mm)浮选柱。

1.3 试验操作

1.3.1 LIRI显微成像操作

取0.5 g煤样与水配制成浓度1%的悬浮液，在超声波分散器中分散，用微量注射器抽取0.3 mL滴在载玻片上，选择10倍物镜，通过CCD(charge coup device)成像技术将显微镜图像拍摄，通过系统软件获取清晰图像以供分析。

1.3.2 AMCS制样

AMCS中的扫描电镜结合能谱扫描全部颗粒，利用背景灰度掩蔽煤颗粒图像，通过11万种矿物数据库分析得出全部脉石矿物的种类、元素组成、粒度分布等。

取5 g煤样，用环氧树脂进行胶结固化，胶固均匀后打磨抛光。将样品置于离子溅射仪中，在抛光面镀金膜，控制电流6～8 mA，抽真空至66.66 Pa，1 min后制样完成。

1.3.3 浮选柱操作

结合太原某选煤厂现场工艺与药剂制度，确定试验方案为矿浆浓度100 g/L，搅拌速度500 r/min，搅拌3 min后加入捕收剂，继续搅拌1 min加入起泡剂，15 s后开始充气、刮泡并收集泡沫产品，充气量0.12 m3/min，刮泡3 min。

2 结果与讨论

2.1 试样形貌分析

通过光学显微镜观察试样的微观形貌。图1是将试样放大10倍的显微图像。

由图1可知，煤颗粒与脉石矿物总体解离度较高，粒度较大的煤粒和脉石矿物基本处于解离状态。但还有部分连生体存在，同时细粒脉石和煤相互混杂，嵌布粒度细。

2.2 试样脉石矿物分析

经过环氧树脂胶固的煤颗粒灰度与环氧树脂基本一致，因此可掩蔽煤颗粒，以凸显煤泥中的脉石矿物。所得脉石矿物嵌布情况见图2。

如图2所示，试样中脉石矿物种类多，粒度细，分布均匀但不规律。同时还存在解离的大颗粒石英。试样脉石元素含量见表1。

物镜10倍，a-煤粒，b-连生体，c-脉石 图1 煤泥显微形貌

表1 试样脉石元素含量

元素名称OSiAlFeSCaK含量/%45.4424.438.768.337.872.610.88元素名称CHMgCrMnNa合计含量/%0.810.710.110.040.010.01100.0

由表1可知，试样脉石中共有13种元素，其中主要元素为O、Si、Al、Fe、S，次要元素为Ca、K、C、H、Mg，还有Cr、Mn、Na三种微量元素。

试样脉石矿物含量见表2。其中，表2归一化含量是由AMCS测定表示矿物在脉石中的含量，煤中含量表示矿物在试样中的含量，根据试样灰分14.6%求得。

由表2可知，试样中共有脉石矿物15种， 其中主要矿物为高岭土、石英、黄铁矿，这三种矿物占所有脉石矿物的76.60%，次要矿物是为沸石、方解石、伊利石、赤铁矿四种，还有八种含量低于0.1%的微量矿物。

图2 试样脉石矿物嵌布情况

表2 试样脉石矿物组成

矿物名称高岭土石英黄铁矿沸石方解石伊利石赤铁矿绿泥石铁白云石褐铁矿归一化含量/%33.9128.4214.276.686.024.541.280.420.40.31煤中含量/%4.954.152.080.980.880.660.190.060.060.05矿物名称刚玉钠长石白云石铬铁矿绿帘石小计未知及其他矿物合计归一化含量/%0.270.150.120.090.0896.983.02100煤中含量/%0.040.020.020.010.0114.160.4514.61

2.3 试样粒度分析

利用AMCS对煤样试样粒度分析数据表画图，见图3。

图3 试样粒度分析

如图3可知，试样粒度较细，0～424.26 μm占89.6%，其中主要集中在0～100 μm含量超过70%。另外由于前序流程旋流器跑粗，仍有10.4%大于700 μm的粗颗粒。

2.4 试样主要脉石矿物的粒度分析

相比石英，高岭土和黄铁矿是相对难除去的两种脉石矿物，用AMCS分析试样中高岭土和黄铁矿粒度，粒度分布情况见图4和图5。

图4 试样高岭土粒度分布

图5 试样黄铁矿粒度分布

高岭土作为试样中含量最多的脉石矿物，粒度分布主要集中在6.63～44.6 μm，占63.51%。黄铁矿的粒度主要集中在18.75～53.03 μm，占59.81%。

综合显微镜图像与AMCS对脉石形貌分析、种类分析和粒度分析可知，脉石矿物种类多，粒度细，细粒煤和细粒脉石之间相互混杂是造成该煤样难选的主要原因。

2.5 植物油捕收剂对浮选效果的影响

根据试样脉石矿物种类和含量，通过植物油的酯基和不饱和键提高极性进而提高捕收剂在水中分散性。新捕收剂是由植物油A或植物油B和烃油按照重量比25∶75配制而成。对比煤油和新捕收剂的分选效果，得到的数据见表3。

表3 捕收剂浮选效果对比试验

由表3可知，捕收剂A和捕收剂B在用量比煤油少0.4 kg/t的条件下，所得精煤回收率分别比煤油高6.36%和6.13%，但捕收剂A所得精煤灰分大于11%。综合而言，捕收剂B既保证了精煤灰分低于11%，又可以提高精煤回收率。

2.6 高岭土和黄铁矿在精煤中的粒度分析

利用AMCS分析捕收剂B所得精煤中高岭土和黄铁矿的粒度，数据见图6和图7。

图6 精煤高岭土粒度分布

图7 精煤黄铁矿粒度分布

由图6和图7可知，精煤中所含高岭土均为26.52 μm以下的细粒，所含黄铁矿均为15.77 μm以下的细粒。由图4和图5可知，试样中26.52 μm以上高岭土占全部高岭土的37.38%，试样中15.77 μm以上的黄铁矿占全部黄铁矿的81.18%，这部分粒度相对较粗的高岭土和黄铁矿全部进入尾煤，说明了新捕收剂B对已经解离的、粒度较大的高岭土和黄铁矿有很强的脱除能力。

3 结 论

1) 所选煤泥试样粒度较细，脉石矿物种类多达15种，其中高岭土、石英、黄铁矿合计含量77.60%。细小煤颗粒与细粒脉石矿物相互混杂，嵌布粒度细，这些造成精煤回收率低的主要原因。

2) 捕收剂B对于高岭土和黄铁矿有很强的脱除能力，与煤油对比，在精煤灰分不超过11%的前提下，即能提高浮精回收率6.1%，又能节约0.4 kg/t的药剂用量。

3) 植物油捕收剂主要原料为工业、农业副产物，安全环保。通过植物油的酯基和不饱和键提高了分子极性，增强了捕收剂在水中分散性，进而改善了浮选指标。