浮选过程中煤中矿物质的迁徙规律

李 晶

（霍州煤电集团辛置煤矿，山西 霍州 031412）

煤炭在我国的生产和消费中占有足够大的比例。随着清洁能源的号召，煤炭洗选成为洁净煤技术的根本需求和源头技术[1]。其中，浮选可以高效地分离细粒煤，已成为广大学者和企业最常采用的方法之一。随着选煤技术的革新与进步，细粒煤的产量逐年增加，随之产生的尾煤数量也逐渐上升，尾煤产量的急剧增加成为目前我国最大的工业固体废弃物之一，增加了环境压力。传统对于尾煤的加工处理方法多采用混煤燃烧发电[2]，型煤技术[3]及建筑材料的制备[4]等，这就使得尾矿中富集的有价值的伴生矿物利用率降低[5,6]，无法满足废弃资源的高效、洁净利用，所带来的环境污染问题较严重。对于运输及销售不便利的地区，浮选后的尾煤直接废弃在露天敞口的环境中，有时也用作矿井采空区的回填材料，这都会对环境造成严重的污染及危害，浪费资源，侵占土地。因此，浮选尾煤的研究及处理越来越受到人们的重视。本文选择了三种不同变质程度的煤泥，对其原煤及浮选后尾煤中矿物质的种类及含量进行了测定，采用了K 值法求得了矿物质含量与尾煤含量的关系曲线，通过分步释放浮选法求得了矿物质的迁徙规律，为之后浮选尾煤的加工利用处理提供了应用依据。

1 实验部分

1.1 浮选试验

煤泥浮选试验所采用的是XFDII1.5L 浮选机，首先在搅拌桶中加入适量清水，选择转速1800r/min，然后依次加入试验煤样、捕收剂，矿浆均匀搅拌2min后，再加入起泡剂仲辛醇，搅拌10s。在此过程中产生的矿化气泡携带精煤颗粒不断上升，上升至泡沫层后由槽体边沿溢出，跌落至精矿管路收集精矿。不能被泡沫携带的尾矿进入浮选机底部，收集尾煤。上述试验用到的捕收剂为煤油（化学纯），起泡剂为仲辛醇（分析纯）。

1.2 XRD 分析

试验采用日本理学Mini Flex600 型X 射线衍射仪。试验设定条件为：Cu 靶Kα 辐射、光管电压40kV、电流15mA，定性分析扫描范围：5-85°，扫描速率8°/min，步长：0.02°；定量分析扫描范围：10-40°，扫描速率4°/min，步长：0.02°。最终结果分析依据国际衍射中心（ICDD）粉末衍射联合会（JCPDS）提供的各矿物的标准衍射数据。

1.3 K 值法

试验中矿物质的定量分析采用K 值法。以矿物质的纯物质作为参比物相，以α-Al2O3作为标定物，确定K 值及矿物质的量。具体计算公式如下：

混合物中，物相的衍射强度I 可表示为：

K 值法的基本公式由上式可得出：

式中：Ij为待测物相j 中的最强峰的峰强度；Ii为参比物（α-Al2O3）相i 的最强峰的峰强度；ωj为待测相j 在被测混合体中的百分含量；ωi为参比物i 在被测混合体中的百分含量；为待测物j 相对i 的参比强度。

在试验中，将待测物与α-Al2O3以1：1 的比例混合，根据上式（4）求得矿物质相对于标定物α-Al2O3的K 值；之后再将待测煤样加入标定物α-Al2O3中，据公式（3）求出其在待测物中的百分含量。

2 结果与讨论

2.1 不同变质程度原煤煤样组分分析

选择三种不同变质程度的长焰煤（Ⅰ）、1/3 焦煤（Ⅱ）和焦煤（Ⅲ）煤泥进行试验。通过XRD 探究了三种原煤煤样的矿物组成，其图谱如图1 所示：

图1 不同变质程度原煤XRD 分析

从图1 各原煤XRD 图谱分析可以看出，长焰煤原煤图谱中可以观察到高岭石、方解石和石英的特征峰，高岭石和方解石峰强度大明显，石英峰强度较弱，说明长焰煤中含有的矿物质主要为高岭石、方解石和少量的石英；1/3 焦煤原煤XRD 图谱中矿物质衍射峰数量多，且衍射的强度也较大，这说明1/3 焦煤含有的矿物质种类也较多，有高岭石、石英、勃姆石、方解石和黄铁矿；焦煤原煤的XRD 图谱分析中，矿物质峰数量较少，仅观察到了高岭石和石英的特征峰，且图谱中高岭石的峰强度较大而石英的峰强度微弱，基线波动也很明显。

观察上述三种原煤的XRD 图谱，可以发现，每种原煤中高岭石的主峰强度都相对较强，且峰型尖锐对称完整，强度大，这就证明，这三种原煤中高岭石的含量较大，且纯度较高。

2.2 煤泥分步释放浮选结果的XRD 分析

据文献报道[7]，依据正交试验得到三种试验煤样的最佳浮选条件。各煤样的最佳浮选条件见表1。

表1 各煤样最佳浮选条件

在各煤样最加浮选条件下进行分步释放浮选试验，并对浮选后的产物进行XRD 分析，结果如图3 所示。

从图2 可以看出，煤泥中含量较丰富的矿物质有高岭石、石英和方解石。即使在粗选后的产物6 中，也能明显观察到这三种矿物质的峰强度最高，经过一次精选，三种煤泥产物5 中石英和方解石的峰逐渐消失。这说明浮选后的石英和方解石随尾煤脱除，而高岭石的峰仍然存在，高岭石在各精煤产品中仍存在夹带，图3 中也明显看出，产物4 及后续产品中的灰分几乎全部由高岭石贡献，因此精煤灰分降低速率减缓。

图2 不同煤泥分步释放产物的XRD 分析

2.3 三种矿物质在浮选中的迁徙规律

通过K 值法对样品中矿物质的质量分数进行分析。结果见表2。

表2 煤样中矿物质XRD 分析结果

从表2 中数据可以看出，各煤泥的分步释放产物中，三种变质程度不同的煤样中，矿物质高岭石的含量随灰分的升高而增加，石英和方解石的含量随灰分的升高而降低，且灰分与矿物质的含量呈正相关的关系，与煤样的变质程度没有明显的相关性。由上表尾煤累计灰分量及各分步释放浮选产物中矿物质的含量，求得了三种试验煤样尾煤累计灰分与累计矿物质的质量分数。结果如表3 所示。

表3 尾煤累计灰分- 矿物质含量

通过表3 可以看出，三种不同变质程度的煤泥经浮选后，尾煤中矿物质的含量随灰分的升高而增加。由于高岭石在尾煤中的富集使其增量逐渐降低，同时，高岭石为尾煤灰分的升高做出了很大得贡献，这与变质程度无关。

将上述数据中高岭石百分含量绘制曲线，且拟合成数学关系，结果如图3 所示。从图3 可以看出，浮选尾煤的灰分与高岭石含量呈二次函数关系，且相关系数R 值均能满足大于0 接近1，相关程度较高。在变质程度发生变化时，均能满足随灰分的升高，高岭石含量增速减缓。因此，尾煤中高岭石的含量随灰分的累积而趋于平缓。这与上述XRD 分析结果相一致。

图3 不同变质程度尾煤累计灰分- 高岭石累计含量关系曲线

将尾煤灰分与石英含量拟合，得到图4。从上述试验可以看出，矿物质石英并非在每一步产品中都有富集，只在高灰分产品中分布明显。拟合结果显示，尾煤灰分与石英含量满足一次函数y=0.32x-1.3752，相关系数R 大于0 小于1，随着灰分增加，石英含量逐渐升高，但其变化范围不是很宽泛，相关性一般。即石英在煤泥浮选过程中对灰分变化不敏感。

图4 尾煤累计灰分- 石英累计含量关系曲线

同样，将尾煤灰分与方解石含量拟合在一个图中，拟合结果如图6 所示。方解石也只是富集于高灰分的产物中。拟合结果表明，尾煤灰分与方解石含量并不存在明显的数学关系，随灰分的增加，方解石的含量变化不明显，这就反应了方解石在浮选过程中不存在精煤夹带。

3 结 论

不同变质程度的煤进行浮选，分离出精煤后，不同灰分的尾煤中高岭石均有夹带，且随灰分的增加，高岭石含量逐渐增多，但其增加速率会越来越缓。石英和方解石只富集在高灰分产品中，随着灰分的增加，其含量并无明显的变化，拟合后的数据显示相关性不高。