張智吉，魏上津，郝路路，張錫澤，覃思學(xué)，高 明，舒元鋒，許澤勝，舒新前

( 1.中國礦業(yè)大學(xué)( 北京) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；2.陜西有色榆林煤業(yè)有限公司，陜西 榆林 719099)

1 概 述

煤氣化是煤炭清潔高效利用的重要途徑之一。煤氣化涉及復(fù)雜的熱化學(xué)反應(yīng)，本質(zhì)上是煤在氧氣不足的條件下進(jìn)行的部分氧化過程，使煤中的有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化成H2、CO、CH4等可燃性氣體[1]，而煤中的無機(jī)物經(jīng)過一系列分解甚至熔融反應(yīng)，冷卻后形成以非晶態(tài)玻璃體為主的氣化灰渣[2]。氣化灰渣有不同的分類方法，按照粒度大小可以分為粗渣(CS)和細(xì)渣(FS)2種。粗渣是氣化爐的排渣，細(xì)渣則由合成氣除塵裝置排出。以水煤漿氣化為例，氣化粗渣約占灰渣總量的75%～80%，氣化細(xì)渣約占20%～25%[3]。受氣化煤種、氣化爐型、氣化過程、氣化效率、工藝條件等不同因素的影響，氣化灰渣的組成和性質(zhì)變化較大，相應(yīng)的灰渣中殘?zhí)嫉暮恳灿休^大區(qū)別。一般粗渣中殘?zhí)己繛?%～20%，而細(xì)渣中殘?zhí)己枯^高，可高達(dá)30%以上[4]。目前，氣化灰渣的處理和利用方式主要集中于堆存與填埋，尚未開展大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用。關(guān)于氣化灰渣的利用研究，則主要集中于建筑材料制備、土壤改良與水體恢復(fù)、殘?zhí)挤诌x利用、制備催化劑載體和陶瓷材料、制備硅基材料等[5]。不同類型的氣化灰渣，由于組成和性質(zhì)不同，可以采取不同方式加以利用。制約煤氣化渣利用的主要因素包括灰渣的礦物組成和化學(xué)組成以及殘?zhí)己浚礋o機(jī)組分和有機(jī)組分的組成和含量差別。總的說來，灰渣中的礦物組分和殘?zhí)贾g相互聯(lián)系又互相制約，依次影響氣化灰渣的利用方式和利用效果。例如，細(xì)渣中殘?zhí)己枯^高，會(huì)在一定程度上妨礙渣和水泥或石灰之間的作用，因而不適合作為水泥或者混凝土的添加劑[6]。顯然，十分有必要開展氣化灰渣中碳灰分離和脫碳技術(shù)研究，有效實(shí)現(xiàn)氣化灰渣的分質(zhì)利用。

碳灰分離效果受煤氣化灰渣礦相組成、化學(xué)組成、粒度分布、微觀形貌等因素的影響，因而不同類型的氣化渣需要采取不同的分選工藝，以便實(shí)現(xiàn)灰渣的碳灰高效分離。目前用于氣化灰渣中碳灰分離的主要技術(shù)有分選法(如浮選、重選、電選等)和燃燒法2種[7]。浮選技術(shù)進(jìn)行氣化灰渣的碳灰分離，具有分選效率較高、工藝比較簡單等特點(diǎn)，是極具潛力的碳灰分離或者氣化灰渣脫碳方法。但是，會(huì)受到氣化渣的粒度組成、礦漿性狀和藥劑制度等多種因素的影響。為了有效開展氣化灰渣中碳灰分離和炭粉回收技術(shù)研究，選擇鄂爾多斯某煤化工廠的氣化粗渣，進(jìn)行了浮選回收炭粉的實(shí)驗(yàn)研究。

2 氣化粗渣基礎(chǔ)性質(zhì)分析

對(duì)于所選取的氣化粗渣，參照煤的工業(yè)分析方法，進(jìn)行了樣品的工業(yè)分析，進(jìn)一步采用篩分分析方法，進(jìn)行了樣品的粒度分析，見表1和圖1。

圖1 樣品粒度及灰分分布

表1 樣品工業(yè)分析及發(fā)熱量

3 氣化粗渣浮選回收炭粉實(shí)驗(yàn)

在進(jìn)行樣品工業(yè)分析和粒度分析的基礎(chǔ)上，在實(shí)驗(yàn)室XFD型單槽浮選機(jī)上進(jìn)行了氣化粗渣浮選炭粉回收試驗(yàn)。捕收劑采用的是柴油，起泡劑采用的是仲辛醇，重點(diǎn)考察了樣品的粒度組成、礦漿預(yù)處理、藥劑制度等因素對(duì)粗渣浮選和炭回收效率的影響。

3.1 樣品粒度對(duì)粗渣浮選回收炭粉效果的影響

首先，探索了樣品粒度對(duì)于氣化粗渣浮選回收率的影響。實(shí)驗(yàn)中，將所選的氣化粗渣樣品，縮分成4份，采用實(shí)驗(yàn)室小型高速粉碎機(jī)，控制破碎時(shí)間為30 s、120 s、300 s，研究破碎后灰渣的粒度組成，得到氣化粗渣樣品的粒度組成，如表2所示。

由表2中的結(jié)果可以看出，粗渣原樣中大于0.5 mm的顆粒占24.45%，大顆粒占比較多。粉碎30 s、120 s、300 s后，樣品的粒度明顯減小。粉碎30 s后，樣品中小于0.18 mm的顆粒占53.38%；粉碎120 s后，小于0.18 mm的顆粒占68.25%；粉碎300 s后，小于0.18 mm的顆粒占79.90%。

表2 不同磨礦時(shí)間氣化粗渣的粒度組成特點(diǎn)

針對(duì)不同粉碎時(shí)間后的氣化灰渣樣品，進(jìn)行了浮選回收炭粉試驗(yàn)，試驗(yàn)中捕收劑用量為5 kg/t，起泡劑用量為1 kg/t條件下，浮選機(jī)主軸轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，礦漿濃度為10%，刮泡時(shí)間為6 min，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

浮選試驗(yàn)結(jié)果表明，粉碎時(shí)間為120 s時(shí)，樣品的浮選效果最好，精礦產(chǎn)率最高，精礦灰分19.35%；粉碎時(shí)間為30 s，樣品破碎不充分，浮選精礦的產(chǎn)率樣較低；粉碎時(shí)間為300 s時(shí)，由于粉碎過度，小于0.074 mm的細(xì)顆粒物相對(duì)較多，在一定程度上影響了浮選效果，精礦回收率相對(duì)較低。因此，后續(xù)采用粉碎時(shí)間為120 s的樣品進(jìn)行浮選分離實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表3。

表3 不同粉碎時(shí)間條件下氣化粗渣的浮選試驗(yàn)結(jié)果

3.2 礦漿制備方式對(duì)氣化粗渣浮選脫碳效果的影響

確定了樣品合適的磨礦粒度后，進(jìn)一步探索礦漿制備方式對(duì)氣化粗渣浮選回收炭粉的影響。主要探討了常規(guī)制漿和添加分散劑并進(jìn)行高速攪拌后，制得礦漿的浮選回收率的變化。常規(guī)制漿是將100 g氣化粗渣加入浮選槽，添加1 000 mL水，攪拌3 min后進(jìn)行浮選試驗(yàn)。筆者進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，一種方式是按常規(guī)方式制漿，另一種方式先將100 g氣化粗渣樣品加入燒杯中，添加600 mL水，并按照1 kg/t的比例，加入六偏磷酸鈉，利用DJIC-100電動(dòng)攪拌器進(jìn)行高速攪拌3 min，然后再把礦漿移入浮選槽，并沖洗燒杯添加水至1 000 mL，然后進(jìn)行浮選。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 礦漿制備方式對(duì)氣化粗渣浮選回收炭粉的影響

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，相對(duì)于常規(guī)制漿，加分散劑高速攪拌后，氣化灰渣的浮選回收效果更好，精礦的回收率較高，灰分較低，尾礦的回收率較低，灰分更高。這說明，加入分散劑并進(jìn)行高速攪拌后，可以有效實(shí)現(xiàn)灰渣中顆粒間的良好分散，相應(yīng)地可以制得性能良好的礦漿，浮選時(shí)可以提高灰渣樣品與浮選藥劑的接觸和相互作用，相應(yīng)地改善浮選效果。

3.3 藥劑制度對(duì)氣化粗渣浮選回收炭粉的影響

進(jìn)一步進(jìn)行了浮選藥劑制度對(duì)氣化灰渣回收炭粉試驗(yàn)，試驗(yàn)中使用粉碎時(shí)間為120 s的粗渣樣品，經(jīng)過前面的礦漿處理，然后進(jìn)行浮選回收試驗(yàn)。浮選過程中，捕收劑與起泡劑比例為5∶1，捕收劑用量分別使用4、5、6、7、8 kg，試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 藥劑添加量對(duì)氣化渣浮選效果的影響

由圖2看出，當(dāng)捕收劑用量為6 kg時(shí)，炭粉浮選回收的效果最好，浮選精礦的回收率達(dá)到15.75%，精礦灰分14.67%，尾礦灰分84.37%。

4 結(jié) 語

在對(duì)鄂爾多斯氣化灰渣進(jìn)行基礎(chǔ)性質(zhì)研究的基礎(chǔ)上，探索了樣品粒度、制漿方式、浮選藥劑用量、添加調(diào)整劑情況下，氣化粗渣的浮選回收效果，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)氣化粗渣浮選過程中，樣品粒度過大或者過小，都不利于浮選。當(dāng)粒度在0.074～0.18 mm的顆粒占比約70%時(shí)，樣品的浮選效果較好。

(2)加入分散劑高速攪拌制漿，可以使顆粒充分地分散，提高樣品顆粒與浮選藥劑間的接觸和作用，相應(yīng)提高浮選效果。

(3)當(dāng)捕收劑用量為6 kg時(shí)，浮選精礦產(chǎn)率達(dá)到15.75%，精礦灰分為14.67%，尾礦灰分為84.37%，碳灰分離和炭粉回收效果較好。