半焦浮選脫灰原理及研究現(xiàn)狀

袁金沙

(1.北京礦冶研究總院，北京 100160；2.北京當(dāng)升材料科技股份有限公司，北京 100160)

我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)特殊，以煤炭為主要的能源物質(zhì)，這種特殊的能源結(jié)構(gòu)，也就決定了我國(guó)成為世界上最大的煤炭使用國(guó)地位，同時(shí)也是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國(guó)[1]。2015年我國(guó)在一次性能源消費(fèi)中，煤炭的使用量占63.3%，其中75%的煤炭處理后直接燃燒。并且面對(duì)我國(guó)化石能源結(jié)構(gòu)特點(diǎn)—富煤、少油和少天然氣，以及我國(guó)火力發(fā)電的剛性需求和投資少見效快等優(yōu)點(diǎn)，可以預(yù)測(cè)中長(zhǎng)期發(fā)展過程中，煤炭的主導(dǎo)地位是不會(huì)改變的。煤炭不僅對(duì)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有長(zhǎng)足作用，它同時(shí)還是我國(guó)重要的戰(zhàn)略性資源，地位極其重要[2]。

半焦是褐煤、低變質(zhì)煤在較低溫度(700℃)下反應(yīng)得到的炭質(zhì)還原劑產(chǎn)物，如果半焦干餾分解反應(yīng)溫度繼續(xù)升高到1000℃左右，半焦會(huì)經(jīng)過高溫進(jìn)行進(jìn)一步的分解，殘留的炭質(zhì)部分通過脫出揮發(fā)分不斷向內(nèi)收縮，形成焦炭[3]。半焦是煤炭進(jìn)行了一定的熱解反應(yīng)，結(jié)構(gòu)上具有酥松多孔的特點(diǎn)，但是半焦含有較高的灰分，影響其經(jīng)濟(jì)價(jià)值和使用范圍，并且未處理過的原半焦，吸附能力和普通活性炭相比有較大的差別，所以需要對(duì)半焦進(jìn)行處理脫灰，來增加它的附加值和拓寬它的使用范圍。

我國(guó)的半焦實(shí)際產(chǎn)量和實(shí)際生產(chǎn)力對(duì)比起來，具有相當(dāng)大的不對(duì)等性，我國(guó)半焦生產(chǎn)力很大，但是實(shí)際需求卻相對(duì)低，半焦生產(chǎn)開工率較低，導(dǎo)致半焦生產(chǎn)量遠(yuǎn)低于生產(chǎn)力。比如陜西榆林，2014年半焦生產(chǎn)能力已達(dá)4000萬(wàn)t，但實(shí)際年半焦產(chǎn)量?jī)H有2200萬(wàn)t[4]。企業(yè)的半焦實(shí)際生產(chǎn)量不足是以下原因造成的：半焦產(chǎn)業(yè)的規(guī)?；粔蛲晟?，上下游鏈條出現(xiàn)對(duì)接不完整，同時(shí)由于工藝技術(shù)的限制，容易出現(xiàn)污染環(huán)境和浪費(fèi)資源的致命弱點(diǎn)；半焦不像活性炭，利用途徑已經(jīng)相當(dāng)完善，它相對(duì)來說使用途徑有限，這樣就決定了它的利潤(rùn)被大幅度削弱，提高了銷售的成本和難度，對(duì)于半焦企業(yè)的存活及發(fā)展帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

半焦浮選是根據(jù)半焦顆粒被水潤(rùn)濕性不同來分離半焦顆粒和灰分的一中過程，通過浮選，使疏水性的半焦顆粒在兩相界面上選擇性的富集，與此同時(shí)，親水性的灰分留在了水中，所謂的潤(rùn)濕性，就是指材料和水之間的親和力大小。通過對(duì)浮選研究可知，對(duì)水親和性大的灰分，具有很大的親水性，也就是說疏水性小，親油性也小，反過來，半焦顆粒就具有很大的疏水性，容易和油結(jié)合。在半焦浮選的過程中，使疏水性的半焦顆粒富集在氣液界面上，隨著刮泡過程被刮出，而親水性灰分留在了水中，從而達(dá)到降低半焦灰分的目的[5]。

泡沫浮選在現(xiàn)代浮選領(lǐng)域占據(jù)著重要的位置，本實(shí)驗(yàn)主要就是通過半焦和灰分不同的潤(rùn)濕性，在氣液界面有不同的富集效果來對(duì)它們進(jìn)行分離。親水性高的灰分不被泡沫夾帶，沉在水中；而疏水性強(qiáng)的半焦顆粒則被泡沫夾帶浮出水面，形成了含有較高半焦顆粒的泡沫層，從而可以將半焦顆粒和灰分進(jìn)行分離[6]。

1 潤(rùn)濕性和接觸角

1.1 潤(rùn)濕性影響浮選的原理

半焦泡沫浮選的重要特征是親水性的灰分被水潤(rùn)濕留在了水中，而疏水性的灰分則被氣泡夾帶至氣液界面。在半焦顆粒潤(rùn)濕、浸沒的過程中，表面自由能發(fā)生著很大的變化，而這種變化決定了半焦顆粒是浮出還是沉下。半焦顆粒從空氣中落入水中，會(huì)經(jīng)過如圖1四個(gè)階段。

這四個(gè)階段表面自由能的變化是：

(1)

(2)

(3)

式中 σsg：氣固界面自由能；

σsl：固液界面自由能；

σgl：氣液界面自由能。

如果物質(zhì)具有強(qiáng)烈的親水性，就能充分滿足公式(1)至(3)，就能沉在水中，所以通常希望灰分能滿足上面三個(gè)公式，這樣就能將它分離開來；如果物質(zhì)具有強(qiáng)烈的親油性，那么它在浸沒過程中表面自由能只滿足公式(1)，但是不能滿足公式(2)，這樣子的物質(zhì)就會(huì)漂浮在水面上，對(duì)于浮選來說是最好的條件；如果物質(zhì)能夠滿足(2)而不能滿足(3)的表面自由能條件，它雖然會(huì)在水下面沉積一部分，但是表面仍然漂浮這一部分不會(huì)完全沉下去，這樣的自由能條件仍然符合表層浮選的要求。所以公式(3)所代表的表面自由能就就是判斷固相是否下沉的最重要條件。

1.2 接觸角與潤(rùn)濕性的關(guān)系

接觸角θ是用來度量潤(rùn)濕性的。液體通常情況下處于平衡狀態(tài)，是因?yàn)閮?nèi)部各分子的相互作用，各種引力斥力相互抵消，表現(xiàn)出了整體的平衡狀態(tài)。但是相對(duì)于內(nèi)部分子，表層分子處在一種不平衡的狀態(tài)，因?yàn)闅怏w不受引力的作用，表層分子受到的向內(nèi)部的引力就達(dá)不到平衡，從而導(dǎo)致表面分子向下擠壓來縮小面積，這樣就形成了表面張力。因?yàn)檫@種引力的存在，內(nèi)部分子想要往外遷移，必須克服阻力做功，這樣表面分子就比內(nèi)部分子擁有更高的能量，這種能量就是表面自由能[7]。

當(dāng)浮選物在水中和泡沫表面進(jìn)行接觸，氣、液、固三相達(dá)到平衡時(shí)，接觸角就是三相潤(rùn)濕周邊上任一點(diǎn)做氣液界面的切線，與固液界面之間所形成的包括液相的夾角，如圖2。

圖2 接觸角

Fig.2 Contact angle

接觸角的大小由平衡點(diǎn)各界面所受的張力決定，當(dāng)各界面張力達(dá)到平衡時(shí)有

σsg=σsl+σglcosθ

(4)

式中θ—接觸角；

σgl—?dú)庖罕砻鎻埩Γ?/p>

σsg—固氣表面張力；

σsl—固夜表面張力；

cosθ—潤(rùn)濕性指標(biāo)。

因?yàn)榻佑|角是用來度量潤(rùn)濕性的，而物質(zhì)表面的疏水性和親水性又是由潤(rùn)濕性來直接反映他們的強(qiáng)弱的，物質(zhì)的可浮性又通過疏水性和親水性來決定，所以接觸角也可以間接地來反映物質(zhì)的可浮性。

2 絮凝原理

a-分散狀態(tài)；b-為凝聚粒子；c-為凝聚；d-為非極性烴鏈引起的團(tuán)聚；e-異極性捕收劑引起的團(tuán)聚；>f-無選擇性的異相絮凝；g-選擇絮凝；h-橋聯(lián)作用

圖3 顆粒的分散、凝聚和絮凝狀態(tài)

Fig.3 Particle dispersion, coagulation and flocculation

物質(zhì)顆粒表面存在這一定量的電荷，存在的這些電荷對(duì)捕收劑的作用會(huì)產(chǎn)生一定的影響，同時(shí)由于電荷本身具有同種和異種之分，就必然存在引力和斥力的作用，這樣就會(huì)改變物質(zhì)顆粒在水中的分布狀態(tài)，可以達(dá)到是物質(zhì)產(chǎn)生分散或者凝聚的效果。分散是指浮選物質(zhì)顆粒在水分子的撞擊下，再加上其表面相同的電荷產(chǎn)生的相互排斥的力，這樣就會(huì)在水中長(zhǎng)時(shí)間的懸浮并且不分層。凝聚就是由于浮選物質(zhì)在表面的異種電荷產(chǎn)生的作用力下，逐漸的靠近并且最終聚集成大顆粒的團(tuán)狀物。所謂的選擇性聚團(tuán)就是在電荷異性相吸的原理上，使得我們想要團(tuán)聚的物質(zhì)顆粒帶上相反的電荷，這樣在電荷吸引力的作用下相互聚集成團(tuán)。另一方面，如果不是選擇性聚團(tuán)的絮凝，我們稱之為全絮凝或者絮凝，如圖3。

通過絮凝可以使浮選顆粒變大，增加表面的疏水性，使得浮選物與灰分有著更加容易區(qū)分的表面性質(zhì)，利于浮選的進(jìn)行，同時(shí)選擇性聚團(tuán)可以使需要浮選的物質(zhì)聚集在一起，增加了浮選的效率，提高了浮選的效果[8]。

3 小結(jié)

在巨大的社會(huì)背景下研究提高半焦品質(zhì)的方法，通過浮選脫灰來改善半焦的品質(zhì)，對(duì)于半焦產(chǎn)業(yè)鏈的優(yōu)化具有明顯的作用，同時(shí)可以增加半焦產(chǎn)業(yè)的整體收益，提高企業(yè)的整體效益。同時(shí)，合理的半焦優(yōu)化工藝可以促進(jìn)半焦產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，可以推動(dòng)半焦產(chǎn)業(yè)鏈下部分工作的開展進(jìn)行，可以擴(kuò)大就業(yè)，減緩社會(huì)壓力，提高財(cái)政收入，有著重要的現(xiàn)實(shí)意義[9]。