钙离子对煤泥浮选效果的影响研究
时间：2023-04-08 20:20:05 来源：千叶帆 本文已影响人
卢宪路，温 磊，周坤强，宛 鹤
(1.国能蒙西煤化工股份有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 016100；
2.西安建筑科技大学 资源工程学院，陕西 西安 710055)
浮选是依据矿物表面物理化学性质的差异性，在固-液-气三相界面分离矿物的一项科学技术[1-2]。水作为浮选过程不可缺少的介质，对浮选效果具有极为显著的影响[3-4]。在环境保护要求和水资源短缺的双重压力下，矿山废水处理与回用已成为一种必然趋势[5-6]。
内蒙古棋盘井煤矿位于严重缺水的鄂尔多斯市鄂托克旗境内，2021年产生矿井水约200万m3。为了避免矿山废水排放对环境的不良影响及干旱带来的水资源短缺等问题，该矿山采用脱油+脱泥+曝气+过滤+活性炭+RO反渗透等工艺处理矿井水，获得浓盐水和生活用水，其中：生活用水作为生活饮用水，符合GB 5749—2022《生活饮用水卫生标准》；
浓盐水则与浓缩机溢流混合后作为生产用水。由于浓盐水中含有的钙离子(460 mg/L)、钠离子(829 mg/L)、硫酸根离子(176 mg/L)和氯离子(821 mg/L)浓度较高，因此导致生产用水中上述离子浓度也较高，其中钙离子浓度为210 mg/L，钠离子浓度为702 mg/L，硫酸根离子浓度为242 mg/L，氯离子浓度为621 mg/L。
长期的生产实践表明，含有大量钙离子的生产用水有助于提高煤泥水的沉降效果，降低絮凝剂的用量，从而起到节约药剂成本的作用[7-8]，但也会造成浮选精煤灰分时常超标的问题[9]，严重影响了选煤厂的正常生产，并给公司造成了一定的经济损失。
针对浮选用水中钙离子浓度过高影响煤泥浮选效果的问题，以棋盘井选煤厂浮选入料为研究对象，研究了钙离子浓度对煤泥浮选效果的影响，并探索了多种钙离子遮蔽剂改善煤泥浮选效果的可行性，以为解决高钙浮选用水引起的浮选精煤灰分时常超标的问题提供技术支撑。
1.1 试验原料
试验煤样为棋盘井选煤厂浮选入料(<0.5 mm)，其灰分为22.5%，水分为7.5%，挥发分为20.6%，固定碳为77.5%，其密度组成见表1，煤样X射线衍射(XRD)分析结果如图1所示，矿物组成见表2。试验用捕收剂和起泡剂分别为柴油和仲辛醇，来自棋盘井选煤厂，二者用量分别为150，75 g/t；
氯化钙、碳酸钠、硅酸钠和柠檬酸钠均为分析纯；
浮选用水为去离子水和含钙水。
表1 煤泥密度组成Table 1 Density composition of coal sample
表2 煤样中矿物组成Table 2 Mineral composition results %
图1 煤样XRD分析结果Fig.1 Results of XRD analysis of coal sample
由图1和表1结果可知，煤样中矿物质主要为高岭土(17.5%)、石英(1.5%)和方解石(3.5%)。
1.2 试验流程
煤泥浮选试验流程如图2所示。首先将煤样加入1.0 L XFD 型单槽浮选机(煤浆浓度为120 g/L，主轴转速为 1 700 r /min)，待煤样分散后，依次加入钙离子遮蔽剂、捕收剂和起泡剂，并分别搅拌2，2，1 min，充气30 s后浮选2 min。
图2 煤泥浮选试验流程Fig.2 Flowsheet of fine coal flotation process
2.1 钙离子浓度对煤泥浮选效果的影响
为了获得钙离子浓度对煤泥浮选效果的影响规律，采用不同钙离子浓度的浮选用水进行了煤泥浮选试验研究，试验结果如图3所示。
由图3可知，随着浮选用水中钙离子浓度的不断升高，浮选精煤灰分、精煤产率和可燃体回收率呈不断升高的趋势，浮选完善指标则呈现先升后降的趋势。当浮选用水中钙离子浓度为100 mg/L时，浮选效果最佳，此时浮选精煤灰分为10.60%，精煤产率为72.94%，可燃体回收率为83.49%，浮选完善指标为48.17%。由此可见，在一定钙离子浓度范围内，浮选用水中的钙离子有助于煤泥浮选，但当浮选用水中钙离子浓度高于100 mg/L以后，将会引起浮选精煤灰分超标。当浮选用水中钙离子浓度为210 mg/L时，浮选精煤灰分接近12%。
图3 钙离子浓度对煤泥浮选效果的影响Fig.3 Effect of Ca2+ concentration on fine coal flotation
2.2 煤泥浮选效果改善措施
为了改善浮选用水中钙离子浓度过高对煤泥浮选产生的不利影响，研究了碳酸钠、硅酸钠、柠檬酸钠三种钙离子遮蔽剂对煤泥浮选的改善作用。试验选取钙离子浓度为210 mg/L的浮选用水。
2.2.1 碳酸钠对煤泥浮选效果的影响
碳酸钠作为钙离子遮蔽剂时，煤泥浮选试验结果如图4所示。
图4 碳酸钠对煤泥浮选效果的影响Fig.4 Effect of sodium carbonate on fine coal flotation
由图4可知，随着矿浆中碳酸钠浓度的不断升高，精煤灰分、产率、可燃体回收率和浮选完善指标均呈下降趋势。当碳酸钠浓度达到50 mg/L时，精煤灰分已经低于11%，但精煤产率较低，为48%，可燃体回收率仅为54.86%。由此可见，碳酸钠有助于降低浮选精煤灰分，但同样也会造成精煤产率大幅度下降，并引起可燃体的流失。
2.2.2 硅酸钠对煤泥浮选效果的影响
硅酸钠作为钙离子遮蔽剂时，煤泥浮选效果研究结果如图5所示。
由图5可知：随着矿浆中硅酸钠浓度的不断升高，精煤产率、可燃体回收率及浮选完善指标均呈下降趋势，但精煤灰分则呈现增加的趋势。该结果表明，硅酸钠的添加不但不能改善煤泥的浮选效果，还会引起浮选精煤产率的大幅度下降。
图5 硅酸钠对煤泥浮选效果的影响Fig.5 Effect of sodium silicate on fine coal flotation
2.2.3 柠檬酸钠对煤泥浮选效果的影响
柠檬酸钠作为钙离子遮蔽剂时的煤泥浮选试验结果如图6所示。由图6可知：随着矿浆中柠檬酸钠浓度的不断升高，精煤灰分、产率、可燃体回收率均呈下降趋势，但浮选完善指标则呈现先下降后升高的趋势。当柠檬酸钠浓度高于50 mg/L时，浮选精煤灰分已经能够满足棋盘井选煤厂浮精灰分(<11%)的要求，且精煤产率高于60%，可燃体回收率高于70%。由此可见，柠檬酸钠有助于降低浮选精煤灰分，但也会造成精煤产率下降，并引起可燃体的流失。相比之下，柠檬酸钠对煤泥浮选效果的改善作用好于碳酸钠。
图6 柠檬酸钠对煤泥浮选效果的影响Fig.6 Effect of citric acid on fine coal flotation
以棋盘井选煤厂浮选入料为研究对象，研究了钙离子浓度对煤泥浮选效果的影响，并探索了三种钙离子遮蔽剂改善煤泥浮选效果的可行性，主要得到以下结论：
(1)随着浮选用水中钙离子浓度的升高，浮选精煤灰分、产率和可燃体回收率呈不断升高的趋势，浮选完善指标则呈先升后降的趋势。当浮选用水中钙离子浓度为100 mg/L时，浮选效果最佳，此时浮选精煤灰分为10.6%，产率为72.94%，浮选完善指标为48.17%。由此可见，当钙离子浓度在一定范围内，浮选用水中的钙离子有助于煤泥浮选，当浮选用水中钙离子浓度高于100 mg/L以后，则会引起浮选精煤灰分超标。
(2)当浮选用水中钙离子浓度过高时，硅酸钠用作钙离子遮蔽剂不能起到降低浮选精煤灰分的作用，而柠檬酸钠和碳酸钠用作钙离子遮蔽剂则能够实现降低浮选精煤灰分的目的，且柠檬酸钠的效果好于碳酸钠。
(3)当柠檬酸钠的用量为50 mg/L时浮选效果最佳，此时浮选精煤灰分、产率、可燃体回收率分别为10.95%，63.91%，73.70%。
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