喬軍強(qiáng)

(國(guó)能神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西榆林 719315)

煤泥具有粒度細(xì)、持水性強(qiáng)、灰分高、發(fā)熱量低、黏性大的特點(diǎn)，是煤炭加工洗選過程中產(chǎn)生的一種廢棄物，且隨著原煤入選率的增大，煤泥的產(chǎn)量也逐年增加[1-2]。由于煤泥水分高、內(nèi)聚力及黏性大，其干化后，遇風(fēng)、遇雨時(shí)對(duì)生態(tài)環(huán)境影響很大[3-4]。神東公司煤泥產(chǎn)出量較大，僅布爾臺(tái)選煤廠煤泥產(chǎn)量約150萬(wàn)t/a，所有選煤廠全入洗后煤泥產(chǎn)量約2 000萬(wàn)t/a，現(xiàn)有處置方式是將煤泥摻到混煤里，一起對(duì)外銷售，摻混銷售影響商品煤發(fā)熱量、冬季易造成運(yùn)輸車輛凍車，卸車?yán)щy，夏季風(fēng)干后易揚(yáng)塵污染環(huán)境，使用中易發(fā)生溜槽和落料口堵塞引起系統(tǒng)停產(chǎn)等突出問題，影響神東煤炭的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力[5]。因此，開發(fā)一種處理量大、成本低、資源利用率高的煤泥高效利用技術(shù)，提高煤泥附加值，變廢為寶，實(shí)現(xiàn)煤泥的清潔高效利用已成為選煤廠迫切需要解決的問題[6-7]。將煤泥制成水煤漿，有助于緩解煤泥對(duì)環(huán)境的污染和提高煤泥綜合利用價(jià)值，是煤泥利用的有效途徑之一[8-9]。神東布爾臺(tái)選煤廠煤泥浮選脫灰降硫系統(tǒng)浮選出的煤泥具有粒度細(xì)、含水率高和灰分低的特點(diǎn)(與化工煤指標(biāo)相當(dāng))，是制備超細(xì)水煤漿，用作氣化水煤漿提濃的最優(yōu)原料，其中粒度細(xì)能節(jié)省研磨功耗，含水率高能節(jié)省制漿用水，免去煤泥脫水、干燥等高能耗環(huán)節(jié)，大幅降低煤泥利用的加工成本。目前，國(guó)內(nèi)多采用常規(guī)的單棒磨機(jī)或球磨機(jī)制漿工藝，將煤、水和添加劑按配比一次性加入單棒/球磨機(jī)內(nèi)研磨，制得成品煤漿，該工藝雖簡(jiǎn)單但調(diào)節(jié)手段少，無法優(yōu)化煤漿粒度級(jí)配，煤漿粒度分布為單峰連續(xù)級(jí)配，堆積效率差，成漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)低[10-11]。分級(jí)研磨制漿工藝是煤科院國(guó)家水煤漿工程技術(shù)研究中心開發(fā)出第二代制漿工藝，該工藝將棒磨機(jī)和細(xì)磨機(jī)進(jìn)行組合，通過細(xì)磨機(jī)制備出合格超細(xì)煤漿再返回到棒磨機(jī)中提濃，細(xì)漿的作用是在提高煤漿流動(dòng)性和穩(wěn)定性的同時(shí)優(yōu)化煤漿顆粒的粒度級(jí)配，提高煤漿顆粒的堆積效率，進(jìn)而提高煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)[12-13]。間斷級(jí)配制漿工藝是在分級(jí)研磨制漿工藝基礎(chǔ)上開發(fā)出的新一代制漿技術(shù)[14]，該技術(shù)主要是使煤漿中的粗顆粒尺寸盡可能大，煤漿中細(xì)顆粒煤粉能夠填充到粗顆粒構(gòu)成的空隙中，實(shí)現(xiàn)煤漿的高效緊密堆積，同時(shí)細(xì)顆粒又成為粗顆粒流動(dòng)的載體，顯著改善煤漿流動(dòng)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)煤漿粒度的雙峰間斷級(jí)配，與常規(guī)制漿工藝相比，煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)可提高6個(gè)百分點(diǎn)以上[15-16]。將神東煤泥浮選精煤用作氣化煤漿提濃原料，可大幅提高煤泥的附加值，實(shí)現(xiàn)煤泥資源化的綜合高效利用。

1 試驗(yàn)部分

1.1 煤樣的選擇和煤質(zhì)分析

試驗(yàn)用煤泥來自神東布爾臺(tái)選煤廠浮選后的精煤泥，試驗(yàn)用煤樣為榆林煤，在收到原料后對(duì)其進(jìn)行分析測(cè)試，分析數(shù)據(jù)見表1和表2。

表1 煤泥和榆林煤的工業(yè)分析和元素分析

表2 榆林煤的灰熔融性分析

由表1和表2可見：浮選后精煤泥雖全水含量很高但內(nèi)水含量較低，具有較低灰分、中高揮發(fā)分、硫含量較低、熱值高的特點(diǎn)；榆林煤屬于水分較低、低灰分、高揮發(fā)分、特低硫、高熱值、低流動(dòng)溫灰的煤種，煤泥經(jīng)過浮選后灰分可降低至10%以下，工業(yè)分析數(shù)據(jù)與精煤相近，完全滿足煤化工企業(yè)氣化用煤需求。

1.2 主要試驗(yàn)儀器

5E-JCA型顎式破碎機(jī)；XMB型棒磨機(jī)；MKJP-3型選擇性破磨機(jī)；QHJM-3型離心式動(dòng)力超細(xì)磨；標(biāo)準(zhǔn)篩振篩機(jī)；梅特勒HB43快速水分測(cè)定儀；馬爾文MS3000超高速智能粒度分析儀；NXS-4CP型水煤漿專用黏度計(jì)。

1.3 粗、細(xì)煤粉的制備方法

1)常規(guī)制漿工藝。首先將試驗(yàn)煤樣破碎到3 mm以下，再加至XMB型棒磨機(jī)中進(jìn)行粗研磨，根據(jù)粒度要求選取不同磨礦時(shí)間用電動(dòng)振篩機(jī)進(jìn)行干法篩分，測(cè)出其粒度分布直到達(dá)到粒度要求為止，制備出合格的原料煤粉。

2)分級(jí)研磨制漿工藝粗、細(xì)煤粉的制備。將破碎后原料煤加至棒磨機(jī)中進(jìn)行粗研磨，選取不同磨礦時(shí)間制備出粗粉；取出部分制備好的粗粉放入超細(xì)研磨機(jī)中進(jìn)行細(xì)磨礦制備出合格的細(xì)粉。

3)間斷級(jí)配制漿工藝粗、細(xì)煤粉的制備。將破碎后原料煤用MKJP-3型選擇性破磨機(jī)通過改變對(duì)輥間隙制備出合格粒徑的粗粉，然后采用不同規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)篩對(duì)粗煤粉進(jìn)行篩分，將篩下物再放入超細(xì)研磨機(jī)中進(jìn)行超細(xì)磨礦制備出合格的細(xì)粉。

1.4 制漿方法

采用干法制漿，首先將試驗(yàn)煤樣經(jīng)不同設(shè)備制備出合格的煤粉，然后按設(shè)定質(zhì)量分?jǐn)?shù)，將煤粉(包括粗粉和細(xì)粉)、水及添加劑放入到制漿容器中，用電動(dòng)攪拌器進(jìn)行攪拌制漿，然后對(duì)水煤漿產(chǎn)品進(jìn)行分析檢測(cè)。

由于煤泥浮選后的精煤粒度較細(xì)，小于45 μm粒級(jí)物料含量(w)高達(dá)70%以上，可以不經(jīng)過破碎只經(jīng)過簡(jiǎn)單的整形處理作為細(xì)粉使用，節(jié)省了研磨功耗。配煤制漿試驗(yàn)是采用整形后的精煤泥來代替分級(jí)研磨工藝和間斷級(jí)配工藝?yán)锏募?xì)粉，根據(jù)設(shè)定的煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)將原料煤粗粉、精煤泥、水、添加劑進(jìn)行充分?jǐn)嚢枵{(diào)漿，然后對(duì)水煤漿產(chǎn)品進(jìn)行分析檢測(cè)。

1.5 水煤漿性能的測(cè)定

水煤漿的質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用HB43型梅特勒快速水分測(cè)定儀測(cè)定；水煤漿的表觀黏度采用NXS-4C水煤漿黏度計(jì)測(cè)定。采用目測(cè)法測(cè)定水煤漿流動(dòng)性，將煤漿流動(dòng)性能分為：連續(xù)流動(dòng)(A)、間斷流動(dòng)(B)、不流動(dòng)(C)，用“+”表示該等級(jí)中流動(dòng)性較好者，用“-”表示該等級(jí)中流動(dòng)性較差者。水煤漿的穩(wěn)定性采用插棒法測(cè)定，密閉靜置8 h后，采用插棒觀測(cè)水煤漿的沉淀情況，分為A、B、C、D四個(gè)等級(jí)，其中，A表示穩(wěn)定性最好，漿體保持其初始狀態(tài)，無析水，無沉淀產(chǎn)生；B表示穩(wěn)定性尚好或一般，存在少量析水或少許軟沉淀產(chǎn)生；C表示漿體穩(wěn)定性較差，有軟沉淀攪拌后可再生；D表示穩(wěn)定性最差，產(chǎn)生部分沉淀或全部硬沉淀。

2 結(jié)果與討論

2.1 浮選煤泥的粒度分布

考慮到浮選后的煤泥粒度較細(xì)，先采用馬爾文3000型激光粒度儀對(duì)煤泥試樣進(jìn)行粒度分布測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 粗煤泥研磨前的粒度分布

由表3可見：煤泥的粒徑較細(xì)，其平均粒徑為37.70 μm，75 μm以下的含量(w)為86.23%，符合超細(xì)水煤漿的粒度要求。但考慮到煤泥顆粒為不規(guī)則棱角形狀，會(huì)影響煤漿的表觀黏度和流動(dòng)性，將粗煤泥經(jīng)過超細(xì)磨進(jìn)行整形處理，使其顆粒由不規(guī)則棱角形狀變成規(guī)則球狀，整形后精煤泥的粒度分布結(jié)果見表4。

表4 整形研磨后精煤泥的粒度分布

由表4可見：浮選煤泥經(jīng)過超細(xì)研磨機(jī)整形研磨后，煤泥的粒度更細(xì)，其平均粒徑為25.70 μm，75 μm以下粒徑的含量(w)增至94.59%。

2.2 常規(guī)單磨機(jī)制漿工藝成漿性試驗(yàn)

目前，我國(guó)氣化水煤漿的制漿工藝多為單磨機(jī)制漿工藝，原料煤、水和添加劑按一定比例加入磨機(jī)，經(jīng)磨機(jī)一次研磨即制得成品煤漿。該試驗(yàn)中首先采用常規(guī)制漿工藝對(duì)榆林煤、粗煤泥、整形研磨后精煤泥進(jìn)行成漿性試驗(yàn)，添加劑為自主研發(fā)的煤科院CCRI系統(tǒng)，添加量統(tǒng)一為0.3%(干基/干粉)，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 常規(guī)制漿工藝的試驗(yàn)結(jié)果

由表5可見：隨著成漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)的逐漸提高，水煤漿表觀黏度增大，流動(dòng)性明顯變差，由于煤泥的顆粒較細(xì)，煤漿流動(dòng)性較好；常規(guī)制漿工藝下，采用單種煤制漿，榆林煤、粗煤泥和整形研磨后的精煤泥的最高質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60.53%，54.34%，55.33%。整形研磨后精煤泥成漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于整形前粗煤泥的制漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)，這是由于粗煤泥經(jīng)過超細(xì)研磨整形后，粒度形狀由不規(guī)則棱角形變成球形，煤漿的流動(dòng)性和穩(wěn)定性較好；但由于粗煤泥和整形研磨后精煤泥的粒度均較小，未形成合理的粒度級(jí)配，單獨(dú)制漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)都較低，僅為55%左右。

鑒于常規(guī)制漿工藝下的成漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，進(jìn)一步研究了分級(jí)研磨制漿工藝和間斷級(jí)配制漿工藝下的成漿性試驗(yàn)。

2.3 分級(jí)研磨制漿工藝成漿性試驗(yàn)

合理的粒度級(jí)配是制備優(yōu)質(zhì)水煤漿的關(guān)鍵，優(yōu)化煤漿的粒度級(jí)配，煤漿中大小顆粒間相互填充，可以提高顆粒的堆積效率，提高煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)，改善煤漿的流動(dòng)性和穩(wěn)定性。采用分級(jí)研磨制漿工藝對(duì)榆林煤進(jìn)行成漿性試驗(yàn)，通過初步試驗(yàn)，確定出分級(jí)研磨制漿工藝的最佳粒度級(jí)配為粗粉與細(xì)粉質(zhì)量比為85∶15，添加劑用量統(tǒng)一為0.3%(干基/干粉)，試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 分級(jí)研磨工藝下的試驗(yàn)結(jié)果

由表6可見：榆林煤采用分級(jí)研磨制漿工藝，在粗、細(xì)粉質(zhì)量比為85∶15，添加劑用量0.3%(干基/干粉)的條件下，最高成漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為63.40%。與常規(guī)制漿工藝相比，成漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)可提高3個(gè)百分點(diǎn)。這是由于細(xì)顆粒的加入，在改善煤漿流動(dòng)性和穩(wěn)定性的前提下，優(yōu)化了煤漿的粒度級(jí)配，提高了顆粒的堆積效率。

考慮到精煤泥的顆粒較細(xì)，如能用整形后的精煤泥代替分級(jí)研磨工藝?yán)锏募?xì)粉，既節(jié)省研磨功耗又能解決煤泥難處理的問題。采用分級(jí)研磨制漿工藝進(jìn)行配煤制漿試驗(yàn)，以整形研磨后精煤泥替代分級(jí)研磨工藝的細(xì)粉，精煤泥的添加比例為15%，添加劑用量為0.3%(干基/干粉)，試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 分級(jí)研磨工藝下的配煤制漿試驗(yàn)結(jié)果

由表7可見：在分級(jí)研磨制漿工藝下，用整形研磨后精煤泥代替分級(jí)研磨制漿工藝中的細(xì)粉，在榆林煤與精煤泥的配比為85∶15，添加劑用量0.3%(干基/干粉)的條件下，配煤制漿最高成漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為63.51%，與細(xì)粉制漿的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相當(dāng)，完全可以采用整形研磨后精煤泥替代細(xì)煤粉。

2.4 間斷級(jí)配制漿工藝成漿性試驗(yàn)

為進(jìn)一步提高榆林煤的成漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)，采用間斷級(jí)配制漿工藝進(jìn)行成漿性研究，該工藝是將粗粉的粒度盡可能大，細(xì)粉的顆粒足夠小，使得粗粉的最小粒徑和細(xì)粉的最大粒徑之間有間斷，保證細(xì)粉能夠完全填充到粗粉中，最大限度地提高填充效率，達(dá)到提高煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)的目的。采用間斷級(jí)配工藝，粗粉與細(xì)粉質(zhì)量為6∶4，添加劑質(zhì)量為干基煤質(zhì)量的0.3%，進(jìn)行成漿性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表8。

表8 間斷級(jí)配制漿工藝下的試驗(yàn)結(jié)果

由表8可見：采用間斷級(jí)配制漿工藝，在粗細(xì)粉比例為6∶4條件下，榆林煤的最高成漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65.49%，成漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)與分級(jí)研磨工藝相比提高2個(gè)百分點(diǎn)；隨著細(xì)粉添加量的增大，煤漿流動(dòng)性和穩(wěn)定性均逐漸增強(qiáng)，但表觀黏度較前兩種制漿工藝也有所增大，表明細(xì)粉在煤漿中起到了很好的潤(rùn)滑與增黏作用。

采用間斷級(jí)配工藝，用整形研磨后精煤泥替代間斷級(jí)配工藝中的細(xì)粉，榆林煤與精煤泥質(zhì)量比為6∶4，添加劑用量為0.3%(干基/干粉)的條件下進(jìn)行成漿性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表9。

表9 間斷級(jí)配工藝下的配煤制漿試驗(yàn)結(jié)果

由表9可見：采用間斷級(jí)配制漿工藝，采用整形研磨后精煤泥替代細(xì)粉，在榆林煤與精煤泥的質(zhì)量比為6∶4，添加劑用量0.3%(干基/干粉)的條件下，配煤制漿最高成漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65.55%，與細(xì)粉制漿的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相當(dāng)，完全可以用精煤泥來代替細(xì)粉進(jìn)行煤漿提濃。

3 結(jié)論

1)煤泥浮選精煤的灰分較低，熱值較高，粒徑較細(xì)，其平均粒徑為37.70 μm，75 μm以下的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為86.23%；研磨后精煤泥的平均粒徑為25.70 μm，75 μm以下的粒徑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增至94.59%，是氣化煤漿的優(yōu)選原料煤。

2)采用常規(guī)制漿工藝，榆林煤、粗煤泥和整形研磨后的精煤泥的最高成漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為60.53%，54.34%，55.33%，整形研磨后精煤泥成漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于粗煤泥；粗煤泥經(jīng)過超細(xì)研磨整形后，粒度形狀由不規(guī)則棱角形變成球形，煤漿的流動(dòng)性和穩(wěn)定性變好。

3)在粗粉與細(xì)粉質(zhì)量比為85∶15的條件下，采用分級(jí)研磨制漿工藝，榆林煤最高成漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為63.40%；在粗粉與細(xì)粉質(zhì)量比為6∶4的條件下，采用間斷級(jí)配制漿工藝，榆林煤的最高成漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65.49%，與常規(guī)制漿工藝相比，成漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)能提高5個(gè)百分點(diǎn)。

4)采用整形研磨后精煤泥代替細(xì)粉進(jìn)行配煤制漿試驗(yàn)，當(dāng)榆林煤與精煤泥的質(zhì)量比為85∶15時(shí)，配煤制漿最高成漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為63.51%，當(dāng)榆林煤與精煤泥的質(zhì)量比為6∶4時(shí)，配煤制漿最高成漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65.55%。

5)煤泥浮選后精煤具有顆粒較小的特點(diǎn)，可替代煤漿提濃中的細(xì)粉，用作煤化工企業(yè)氣化水煤漿提濃原料，可較好地實(shí)現(xiàn)煤泥資源綜合利用。