气化灰渣浮选回收炭粉的实验研究

张智吉，魏上津，郝路路，张锡泽，覃思学，高 明，舒元锋，许泽胜，舒新前

( 1.中国矿业大学( 北京) 化学与环境工程学院，北京 100083；2.陕西有色榆林煤业有限公司，陕西 榆林 719099)

1 概 述

煤气化是煤炭清洁高效利用的重要途径之一。煤气化涉及复杂的热化学反应，本质上是煤在氧气不足的条件下进行的部分氧化过程，使煤中的有机质转化成H2、CO、CH4等可燃性气体[1]，而煤中的无机物经过一系列分解甚至熔融反应，冷却后形成以非晶态玻璃体为主的气化灰渣[2]。气化灰渣有不同的分类方法，按照粒度大小可以分为粗渣(CS)和细渣(FS)2种。粗渣是气化炉的排渣，细渣则由合成气除尘装置排出。以水煤浆气化为例，气化粗渣约占灰渣总量的75%～80%，气化细渣约占20%～25%[3]。受气化煤种、气化炉型、气化过程、气化效率、工艺条件等不同因素的影响，气化灰渣的组成和性质变化较大，相应的灰渣中残碳的含量也有较大区别。一般粗渣中残碳含量为5%～20%，而细渣中残碳含量较高，可高达30%以上[4]。目前，气化灰渣的处理和利用方式主要集中于堆存与填埋，尚未开展大规模的工业应用。关于气化灰渣的利用研究，则主要集中于建筑材料制备、土壤改良与水体恢复、残碳分选利用、制备催化剂载体和陶瓷材料、制备硅基材料等[5]。不同类型的气化灰渣，由于组成和性质不同，可以采取不同方式加以利用。制约煤气化渣利用的主要因素包括灰渣的矿物组成和化学组成以及残碳含量，即无机组分和有机组分的组成和含量差别。总的说来，灰渣中的矿物组分和残碳之间相互联系又互相制约，依次影响气化灰渣的利用方式和利用效果。例如，细渣中残碳含量较高，会在一定程度上妨碍渣和水泥或石灰之间的作用，因而不适合作为水泥或者混凝土的添加剂[6]。显然，十分有必要开展气化灰渣中碳灰分离和脱碳技术研究，有效实现气化灰渣的分质利用。

碳灰分离效果受煤气化灰渣矿相组成、化学组成、粒度分布、微观形貌等因素的影响，因而不同类型的气化渣需要采取不同的分选工艺，以便实现灰渣的碳灰高效分离。目前用于气化灰渣中碳灰分离的主要技术有分选法(如浮选、重选、电选等)和燃烧法2种[7]。浮选技术进行气化灰渣的碳灰分离，具有分选效率较高、工艺比较简单等特点，是极具潜力的碳灰分离或者气化灰渣脱碳方法。但是，会受到气化渣的粒度组成、矿浆性状和药剂制度等多种因素的影响。为了有效开展气化灰渣中碳灰分离和炭粉回收技术研究，选择鄂尔多斯某煤化工厂的气化粗渣，进行了浮选回收炭粉的实验研究。

2 气化粗渣基础性质分析

对于所选取的气化粗渣，参照煤的工业分析方法，进行了样品的工业分析，进一步采用筛分分析方法，进行了样品的粒度分析，见表1和图1。

图1 样品粒度及灰分分布

表1 样品工业分析及发热量

3 气化粗渣浮选回收炭粉实验

在进行样品工业分析和粒度分析的基础上，在实验室XFD型单槽浮选机上进行了气化粗渣浮选炭粉回收试验。捕收剂采用的是柴油，起泡剂采用的是仲辛醇，重点考察了样品的粒度组成、矿浆预处理、药剂制度等因素对粗渣浮选和炭回收效率的影响。

3.1 样品粒度对粗渣浮选回收炭粉效果的影响

首先，探索了样品粒度对于气化粗渣浮选回收率的影响。实验中，将所选的气化粗渣样品，缩分成4份，采用实验室小型高速粉碎机，控制破碎时间为30 s、120 s、300 s，研究破碎后灰渣的粒度组成，得到气化粗渣样品的粒度组成，如表2所示。

由表2中的结果可以看出，粗渣原样中大于0.5 mm的颗粒占24.45%，大颗粒占比较多。粉碎30 s、120 s、300 s后，样品的粒度明显减小。粉碎30 s后，样品中小于0.18 mm的颗粒占53.38%；粉碎120 s后，小于0.18 mm的颗粒占68.25%；粉碎300 s后，小于0.18 mm的颗粒占79.90%。

表2 不同磨矿时间气化粗渣的粒度组成特点

针对不同粉碎时间后的气化灰渣样品，进行了浮选回收炭粉试验，试验中捕收剂用量为5 kg/t，起泡剂用量为1 kg/t条件下，浮选机主轴转速为2 000 r/min，矿浆浓度为10%，刮泡时间为6 min，试验结果如表3所示。

浮选试验结果表明，粉碎时间为120 s时，样品的浮选效果最好，精矿产率最高，精矿灰分19.35%；粉碎时间为30 s，样品破碎不充分，浮选精矿的产率样较低；粉碎时间为300 s时，由于粉碎过度，小于0.074 mm的细颗粒物相对较多，在一定程度上影响了浮选效果，精矿回收率相对较低。因此，后续采用粉碎时间为120 s的样品进行浮选分离实验，结果见表3。

表3 不同粉碎时间条件下气化粗渣的浮选试验结果

3.2 矿浆制备方式对气化粗渣浮选脱碳效果的影响

确定了样品合适的磨矿粒度后，进一步探索矿浆制备方式对气化粗渣浮选回收炭粉的影响。主要探讨了常规制浆和添加分散剂并进行高速搅拌后，制得矿浆的浮选回收率的变化。常规制浆是将100 g气化粗渣加入浮选槽，添加1 000 mL水，搅拌3 min后进行浮选试验。笔者进行了对比实验，一种方式是按常规方式制浆，另一种方式先将100 g气化粗渣样品加入烧杯中，添加600 mL水，并按照1 kg/t的比例，加入六偏磷酸钠，利用DJIC-100电动搅拌器进行高速搅拌3 min，然后再把矿浆移入浮选槽，并冲洗烧杯添加水至1 000 mL，然后进行浮选。实验结果见表4。

表4 矿浆制备方式对气化粗渣浮选回收炭粉的影响

由试验结果可以看出，相对于常规制浆，加分散剂高速搅拌后，气化灰渣的浮选回收效果更好，精矿的回收率较高，灰分较低，尾矿的回收率较低，灰分更高。这说明，加入分散剂并进行高速搅拌后，可以有效实现灰渣中颗粒间的良好分散，相应地可以制得性能良好的矿浆，浮选时可以提高灰渣样品与浮选药剂的接触和相互作用，相应地改善浮选效果。

3.3 药剂制度对气化粗渣浮选回收炭粉的影响

进一步进行了浮选药剂制度对气化灰渣回收炭粉试验，试验中使用粉碎时间为120 s的粗渣样品，经过前面的矿浆处理，然后进行浮选回收试验。浮选过程中，捕收剂与起泡剂比例为5∶1，捕收剂用量分别使用4、5、6、7、8 kg，试验结果见图2。

图2 药剂添加量对气化渣浮选效果的影响

由图2看出，当捕收剂用量为6 kg时，炭粉浮选回收的效果最好，浮选精矿的回收率达到15.75%，精矿灰分14.67%，尾矿灰分84.37%。

4 结 语

在对鄂尔多斯气化灰渣进行基础性质研究的基础上，探索了样品粒度、制浆方式、浮选药剂用量、添加调整剂情况下，气化粗渣的浮选回收效果，得出以下几点结论：

(1)气化粗渣浮选过程中，样品粒度过大或者过小，都不利于浮选。当粒度在0.074～0.18 mm的颗粒占比约70%时，样品的浮选效果较好。

(2)加入分散剂高速搅拌制浆，可以使颗粒充分地分散，提高样品颗粒与浮选药剂间的接触和作用，相应提高浮选效果。

(3)当捕收剂用量为6 kg时，浮选精矿产率达到15.75%，精矿灰分为14.67%，尾矿灰分为84.37%，碳灰分离和炭粉回收效果较好。