西安交通大学王学斌教授：煤气化细渣浮选脱碳试验研究
煤气化工艺是现代煤化工的前段支柱产业，是煤炭清洁、高效利用的主要途径。气化细渣的碳灰分离是其资源化利用的关键。目前，浮选法是煤气化细渣碳灰分离的有效方法之一，根据残碳与灰成分的表面疏水特性差异而实现分离。
西安交通大学王学斌教授以榆林地区煤气化细渣为研究对象进行可浮性试验研究，主要探讨浮选工艺流程对气化细渣分选的影响，并通过样品测试分析浮选药剂消耗量大的原因，探究浮选法处理煤气化细渣的可行性。
摘要
煤气化细渣是煤炭气化过程中产生的固体废弃物，目前主要通过填埋方式处理，但由于其含碳量较高，仍具有一定的利用价值，碳灰分离是实现其减量化、资源化利用的关键。以榆林地区煤气化细渣为研究对象，采用浮选方法进行脱碳试验，在基本特性分析的基础上，研究不同浮选条件及工艺对分选效果的影响，当柴油用量14 kg/t、仲辛醇用量14 kg/t时，经一次分选，精矿产品灰分为37.88%，尾矿产品灰分为51.65%，可燃体回收率51.99%；采用一粗一精一扫浮选工艺流程，粗选柴油用量14 kg/t、扫选柴油用量7 kg/t时，可得精矿灰分18.87%、产率20.30%的产品，最终计算精矿产率为41.76%，灰分27.92%，可燃体回收率55.08%。通过一粗一精一扫浮选工艺流程，该煤气化细渣中的碳灰得到较好的分选分离，但整体浮选药剂消耗过高，且粗选过程细粒物料更易上浮成为精矿产品，扫选过程继续添加药剂后才能使粗颗粒物料有效上浮，导致出现扫选精矿比精选精矿灰分更低的现象。对该煤气化细渣样品进行表面形貌、孔隙结构、表面官能团分析以及小浮沉试验，表明样品比表面积大、孔隙结构发达，易吸附大量药剂，导致浮选药剂消耗过大，经济性差。
1 煤气化细渣性质
该煤气化细渣水分与挥发分较低，固定碳较高，为47.80%，具有潜在的利用价值；灰分为45.95%，可通过一定的分选方法实现碳灰分离。细渣样品的氧元素含量较高，为48.54%，氧化严重，表面疏水性较差，浮选较困难。
该气化细渣样品的主导粒度级为<0.045 mm，产率达36.93%，灰分为81.14%，远高于原矿样品的灰分45.50%，存在严重的高灰细泥特征，分选过程中该部分细泥易随气泡上浮，对精碳产品造成污染。另外，0.250～0.125 mm 粒度级物料含量也较多，且灰分相对较低，为浮选的适宜粒度级。>0.500 mm粒级物料产率较低，为1.03%，但若采用浮选柱进行分选，需适当控制入浮物料粒度级上限。
2 浮选脱灰试验研究
2.1 分步释放试验
图1 分步释放试验工艺流程
该煤气化细渣经分步释放1次粗选、2次精选工艺流程试验后得到精矿产品产率较低，因此不再继续进行精选试验，最终精矿产品产率为13.58%，灰分为25.47%，试验表明可通过浮选法实现气化细渣中碳灰的初步分离。粗选尾矿(尾矿1)产品灰分为53.18%，略高于原矿灰分，且产率较高，为64.38%，表明分离效率不高，还有进一步分选的可能。
2.2 药剂用量试验
图2 药剂用量探索试验曲线
采用一次粗选浮选流程，随着药剂用量增加，可燃体回收率随柴油用量增加而增大，最初精矿灰分变化不大，接近于原矿灰分，分选效果较差；柴油用量超过8 kg/t时，精矿灰分开始呈下降趋势；柴油用量14 kg/t、仲辛醇用量14 kg/t时，得到相对较好的分选结果，精矿灰分为37.88%，尾矿灰分为51.65%，可燃体回收率为51.99%，该煤气化细渣疏水性差，药剂耗量大，分选指标较差。
2.3 浮选工艺流程试验
图3 煤气化细渣深度分选工艺流程
该煤气化细渣经过一粗一精一扫工艺流程深度分选，精矿灰分得以进一步降低，可燃体回收率进一步提高。通过实践，与煤泥浮选特征不同，该煤气化细渣精选过程不加药剂，得到精选精矿产品与精选尾矿产品灰分相差较小，分选效果较差；扫选过程添加药剂后，可使精矿灰分有效降低，粗选过程柴油用量14 kg/t、仲辛醇用量14 kg/t，扫选过程柴油用量7 kg/t、仲辛醇用量7 kg/t时，可得产率20.30%、灰分18.87%的扫选精矿产品，最终计算精矿(精选精矿与扫选精矿合计)产率为41.76%，灰分27.92%，可燃体回收率55.08%，通过一粗一精一扫浮选工艺流程，该煤气化细渣中的碳灰得到较好的分离，但整体药剂消耗过高，经济性差。
图4 分选产品粒度分析
各分选产品粒度分布不均匀，精选精矿与精选尾矿产品粒度较细，d50分别为33.28 μm和70.79 μm，可知粗选过程中细粒物料更易上浮成为精矿产品，而大部分粗颗粒物料未发生有效矿化作用，停留在矿浆中成为尾矿产品。由于细粒物料可浮性较好，精选过程中物料不易进一步分离。扫选过程添加药剂后可使部分低灰粗颗粒精煤上浮，扫选精矿与扫选尾矿产品粒度较粗，d50分别为116.7 μm 和184.7 μm。对原矿样品进行筛分粒度分析可知，随粒级变小，各粒级产品灰分呈增大趋势，细粒易浮物料在粗选过程分离后，减少了细颗粒对扫选过程的影响，继续添加药剂后可得到低灰分的粗粒扫选精矿，因此出现扫选精矿比精选精矿灰分更低的现象。
3 浮选过程高药剂耗量原因
3.1 表面形貌
图5 煤气化细渣SEM分析
该煤气化细渣主要由表面相对光滑的圆形微珠与蜂窝状残碳组成。圆形微珠主要是由于气化过程中的高温环境使煤中矿物质熔融，在表面能作用下，表面发生收缩，激冷后，呈球状。蜂窝状残碳表面粗糙，粒度较圆形微珠大，且含有较多细小孔隙。浮选过程中，加入的浮选药剂易被残碳细小孔隙吸附，导致药剂耗量大，浮选困难。
3.2 孔隙结构
图6 煤气化细渣BET分析
该煤气化细渣比表面积为215.99 m2/g，孔容为0.262 5 cm3/g，孔径为4.954 7 nm，而一气化用原料煤的比表面积仅为3.86 m2/g，孔容为0.004 5 cm3/g，气化细渣比表面积大、孔隙发达，推断浮选药剂首先吸附到孔隙中，表面疏水性并未得到有效改变，因此，捕收剂用量添加不足时，精矿灰分随着药剂用量增加变化不大，只能通过继续加大药剂用量的方式来提高矿物表面疏水性，以实现残碳与灰成分的有效分离。
3.3 表面官能团
气化细渣原样在3 440 cm-1处吸附峰强度最大，分子结构中含有大量的缔合羟基—OH。在2 920、2 850 cm-1 处及附近出现亚甲基—CH2—特征吸收峰，在1 627 cm-1处吸附峰强度也较大，分子结构中含有较多的含氧官能团C=O，1 031 cm-1处为Si—O—Si 吸收峰。各分选产品灰分不同，由此所引起的Si—O—Si吸收峰强度相差较大，精选尾矿、扫选精矿中亚甲基—CH2—吸收峰增强，推断样品对柴油产生了吸附作用，而由于碳富集，扫选尾矿中该吸收峰强度减弱。精选精矿和精选尾矿在1 575 cm-1 处出现吸收峰，原样中此处无吸收峰，推断柴油中的芳烃在这2种产品中发生了吸附现象。红外光谱分析表明，该煤气化细渣表面含氧官能团多，疏水性差，浮选困难；在分选产品中出现药剂的特征吸收峰，表明浮选过程中发生吸附作用，导致药剂耗量过大。
图7 煤气化细渣FTIR分析
3.4 小浮沉试验
通过小浮沉试验可将煤泥分成不同密度级产品，而煤气化细渣>1.8 g/cm3密度级产物高达97.38%，其余密度级产品物料含量很少，通过小浮沉试验可知该煤气化细渣基本由“矸石”组成，这与实际不符。在小浮沉试验过程中，煤气化细渣均会吸附相应密度级的大量有机重液，导致整体密度变大，各密度级基本无浮物产品。同理，该物料浮选过程中会吸附大量浮选药剂，导致药剂耗量变大，浮选指标较差。
4 结 论
1）煤气化细渣样品固定碳较高，为47.80%，灰分为45.95%，可通过一定分选方法实现碳灰分离，氧含量较高，表面疏水性差。
2）采用一次粗选工艺流程，柴油用量14 kg/t、仲辛醇用量14 kg/t时，精矿产品灰分为37.88%，尾矿产品灰分为51.65%，可燃体回收率为51.99%；采用一粗一精一扫浮选工艺流程，粗选柴油用量14 kg/t、仲辛醇用量14 kg/t、扫选柴油用量7 kg/t、仲辛醇用量7 kg/t时，可得灰分18.87%、产率20.30% 的扫选精矿产品，最终计算精矿(精选精矿与扫选精矿合计)产率为41.76%，灰分27.92%，可燃体回收率55.08%，通过一粗一精一扫浮选工艺流程，该煤气化细渣中的碳灰得到较好分离，但整体药剂消耗太高，经济性差。
3）对煤气化细渣样品进行表面形貌、孔隙结构、表面官能团分析以及小浮沉试验，表明样品比表面积大、孔隙结构发达，易吸附大量药剂，导致浮选药剂消耗过大，分选困难。
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