选择性聚团法制备超净煤的机理研究.pdf

第3 2 卷第6 期 2 0 0 3 年1 1 月 中国矿业大学学报 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y V o l - 3 2N o ．6 N o v ．2 0 0 3 文章编号] 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 3 0 60 6 5 5 0 4 选择性聚团法制备超净煤的机理研究 杨巧文，武立俊，支献华，王祖讷 中国矿业大学化学与环境工程学院，北京1 0 0 0 8 3 摘要研究了选择性聚团法深度脱灰机理．通过改变用油量和搅拌时间，观察了聚团形态，结果表 明随着油用量和搅拌时间的增加，聚团的平均粒度逐渐增大，精煤的灰分降低．随着p H 值的增 大，电位的绝对值变大，分散体系越稳定．分散荆的加入使电位的绝对值变大，分散剂的加量 以1k g ／t 为好． 关键词选择性聚团；深度脱友；疏水；℃电位 中图分类号T D9 2 3 ．8文献标识码A 煤与矿物不同，煤粒不是晶体结构．它的表面 也不是均一的，而是由各种各样不规则的有机化合 物组成．在煤的结构中，存在着大量的多环芳香族 的成分，这些多环芳香核之间又是由烷烃环和脂肪 链所形成的氧化物中的氢键互相联系的．芳香核的 化学性质不活泼，与极性水分子间的作用很弱，具 有很强的疏水性．但是，煤极容易氧化，氧化的结果 是由苯核或苯核侧链氧化而生成酚基、羰基、羧基、 羟基和醌基等官能团．由于这些官能团是极性基， 具有很强的亲水性．因此，煤粒表面的疏水性与其 氧化程度密切相关． 尽管煤粒总会存在着不同程度的氧化，但大多 数煤的表面具有很强的疏水性．在煤泥的浮选中， 只需添加少量非极性油，就可获得很高的回收率． 煤粒的这种特性，为煤微粒的天然疏水聚团提供了 坚实的基础． 超净煤的制备方法主要有三种，分别为化学脱 灰法o ’2 ] 、油团聚脱灰法和选择性聚团法．在普通浮 选时，煤的粒度范围是5 0 0 ～7 5 ”m ，若粒度小于 7 5p m ，浮选指标变差，煤粒全部上浮，失去选择 性．油团聚口3 和选择性聚团的入料煤的粒度要小于 t Ob , m ．普通浮选时，由于煤的粒度粗，比表面小， 耗药量少，为1 ～2k g ／t ．而油团聚的耗药量较大， 因为煤的粒度细，比表面太，而且团聚剂为短链烃 类化合物⋯，捕收能力差，选择性好，但是耗药量 大．而选择性聚团所用的煤的粒度与油团聚相同。 但工艺不同，用选择性聚团法脱灰时，首先用少量 油将细粒煤团聚，而后用特殊的方法将精煤分选出 来． 1非极性油强化疏水絮凝的机理 煤微粒具有天然疏水性”] ，若在煤中加入非极 性油，会强化煤粒的疏水性．非极性油强化疏水聚 团的机理由两方面组成1 非极性油珠与疏水颗 粒发生粘附，然后在它表面适度展开，使颗粒表面 的疏水性得到进一步增强，从而使颗粒悬浮体的疏 水聚团行为获得强化．2 非极性油在两个疏水颗 粒间形成油桥，把它们紧密地连接在一起．从而大 大地提高了聚团抗碎裂的能力，使聚团能稳定地存 在和继续生长． 只要固体颗粒具有一定的疏水性，那么在水溶 液中的非极性油珠与固体颗粒就可以发生粘着．非 极性油珠与疏水颗粒在水中通过机械搅拌作用能 互相接近到某一距离范围之内时，受到疏水作用力 和范德华作用力的吸引作用，非极性油珠疏水颗粒 互相接触、粘着．一旦实现稳定的粘着，非极性油珠 就会在疏水颗粒表面适度展开．展开的程度与颗粒 表面的疏水性密切相关，颗粒表面的润湿接触角越 大，则非极性油珠在颗粒表面展开的面积越大．但 是，在实际情况下，非极性油珠不可能在颗粒表面 完全铺展和形成包裹颗粒的油膜． 克勒生描绘了非极性油珠在颗粒表面展开的 收藕日期2 0 0 3 0 4 2 2 基金项目．国家“九五”科技攻关项目 9 5 2 1 5 0 1 0 4 5 作者简介杨- t 张 1 9 6 3 一 ，女，浙江省台州市人，中国矿业大学副教授，工学博士，从事矿物加工方面的研究． 万方数据 中国矿业大学学报 第3 2 卷 情况．当煤粒表面的润湿接触角比较小时，非极性 油珠站立，与煤粒表面的接触面积比较小；而当煤 粒表面的润湿接触角比较大时，非极性油珠平躺 下，稍作展开，与煤粒表面的接触面积比较大；若煤 粒表面存在着许多孔洞和凹凸不平，则在向体系中 添加非极性油珠以后，由于毛细管等因素的作用 下，非极性油充填煤粒表面的毛细孔、裂隙等区域， 取代原来存在其中的水或空气．而煤粒表面的平滑 区域也粘附着非极性油珠．因此，就表面存在着很 多孔洞、裂隙的煤粒而言，在非极性加入之后，其表 面将大部分被非极性油所覆盖． 覆盖了非极性油的疏水颗粒表面将显示非极 性油的疏水特性．由于非极性油具有非常强的疏水 性，因此与非极性油发生粘着的那部分疏水颗粒表 面的疏水性获得显著的增强． 粘附了非极性油的疏水颗粒，在疏水作用的强 烈吸引和高机械能量输入的作用下，聚集在一起， 形成聚团．此时，非极性油被挤压而去充填固体颗 粒问接触点附近的空隙，形成非极性油桥，把两个 疏水颗粒连接在一起．当这两个颗粒受到外界作用 力的拉伸作用时，油桥就显示出保护聚团不致破裂 的能力．它可以被拉伸至一较长距离而不断开，使 颗粒继续聚集在一起．如果没有油桥的作用，则只 要把两颗粒稍微拉开，则聚团就被破坏了． 微粒在搅拌槽中产生疏水聚团的过程中，其聚 团的形成与破裂同时存在于体系中．体系中聚团生 成的趋势越大，则疏水聚团的程度越强；反之若体 系中聚团破裂的趋势越大，则疏水聚团的程度就越 弱．因此，增强了聚团抗碎裂的能力，就可以输入更 高的机械能量，加速颗粒问的碰撞，赋予颗粒更大 的能量超过能垒，聚团就能继续长大，聚团程度就 得到增强．增强了聚团的抗拉伸破裂能力，也就强 化了疏水聚团． 下面首先研究煤粒形成聚团过程中，分散剂和 p H 值对煤水界面℃电位的影响．而后研究搅拌时 间和油的用量对聚团尺寸的影响及对精煤灰分的 影响． 2 实验部分 2 ．1p H 值和分散剂对煤表面f 电位的影响 2 ．1 ．1 p H 值和分散剂对J M 精煤表面电位的 影响 通常溶液的p H 值和分散剂对℃电位的影响 较大“3 ，所以我们通过调节溶液的p H 值和添加分 散剂使溶液中颗粒的℃电位发生变化，若≮电位的 绝对值越大，则颗粒的分散越好，使颗粒的分选效 果变好．表1 为p H 值和分散剂对J M 精煤表面t 电位的影响．从表1 看出，随着p H 值的增大，在无 分散剂的情况下，≮电位从5 ．1m V 降到 5 2 ．9m V ．加入分散剂后，℃电位迅速下降，分别 降为3 6 ．9 m V 和5 2 ．8m V ．随着分散剂从 1k g ／t 增大到2k g ／t ，℃电位变化不明显；若将分散 剂的量增大到4k g ／t ，℃电位的值在p H 小于8 ．3 时上升，p H 大于8 ．3 时略有下降．说明分散剂的加 入量姓1k g ／t 较合适．在p H 1 1 ．3 时，℃电位的数 值没有大的变化． 表1p H 值和分散剂对J M 精煤表面f 电位的影响 T a b l e1E f f e c to fp Ha n dd i s p e r s e ro nt h ef p o t e n t i a lo fJ Mc l e a nc o a l m V 2 ．1 ．2p H 值和分散剂对J z 原煤泥表面电位的 影响 表2 为p H 值和分散剂对J z 原煤泥表面电 位的影响．从表2 看出，随着p H 值的增大，煤水界 面的℃电位下降，从9 ．o m V 降到4 9 ．5 m V ．加 入分散剂后，℃电位下降明显，从4 3 ．2m v 降到 5 1 ．4m V ．≮电位的绝对值变大，使煤浆中矿物质 分散的较好，使精煤的分选变得容易，减少r 煤浆 中矿物质的吸附和在精煤中的夹杂．总之加入分散 剂并调整p H 值会使精煤灰分下降明显，提高脱灰 率，但有时会降低精煤的收率，因为分散剂的加入， 会消耗部分油的用量． 裹2p H 值和分散剂对J z 原煤泥表面f 电位的影响 T a b l e2E f f e c to fp Ha n dd i s p e r s e ro nt h ef p o t e n t i a lo fJ Zr a ws l i m e m V 无分散剂一9 ．o ⋯3 063 453 9 ．84 554 95 分散剂2k g ／t 一4 3 ．2 5 2 ．3 5 6 ．2 - - 5 2 ．1 5 41 - - 5 ] 4 2 ．1 ．3p H 值和分散剂对D Q 尾煤表面℃电位的 影响 表3 为p H 值和分散剂对D Q 尾煤表面℃电 位的影响．从表3 看出，加人分散剂后，煤水界面的 ≮电位的绝对值变大；随着p H 值的增大，℃电位的 数值从一1 ．8 m V 变到5 1 ．1 m V ．因此增大p H 值 和加入分散剂，可使煤水界面的t 电位的绝对值 变大，有利于矿浆颗粒的分散，有利于降低精煤灰 万方数据 第6 期杨巧文等选择性聚团法制备超净煤的机理研究 分，提高精煤的脱灰率．但要消耗部分药剂，使药剂 的用量增大， 表3p H 值和分散剂对D Q 尾煤表面f 电位的影响 T a b l e3E f f e c to fp Ha n dd i s p e r s e rO Ht h ef p o t e n t l a l o fD Qt a i l i n g m V 无分散剂⋯18 3 11 ⋯2 343 9 ．1 ⋯3 655 11 分散剂2k g ／t 一4 12 4 21 4 3 ．14 5 ．t - - 5 335 2l 2 ．2 油的用量和搅拌时间对聚团粒度分布的影响 2 ．2 ．1油的用量对聚团粒度分布的影响 表4 为油的用量对聚团粒度分布的影响．从表 4 看出，随着油用量的增大，聚团逐渐长大，粒度从 2 5 ．6 - I ”m 增大到6 3 ．4 4 “m ，精煤的灰分在w 油 为0 ．3 0 ％时最低为0 ．6 1 ％，w A 。 为13 ．6 3 ％柚 为8 1 ．6 3 ％．若油用量增大，聚团粒度变大，但精煤 灰分上升，原因可能是由于油的用量过大，选择性 降低，使部分矿物质混入精煤，导致机械夹杂增多， 精煤灰分升高． 表4 油的用量对聚团粒度分布的影响 w A t 4 ％ T a b l edE f f e c to fo i la m o u n to nt h ed i s t r i b u t i o no f p a r t i c l es i z ef o rf l o c c u l a t e w A t 一4 ％ “ 汕 ／％w A j ／蛎n ／％w A t ／％7 t ／％平均粒度／p m 2 ．2 ．2 搅拌时间对聚团粒度分布的影响 表5 为搅拌时间对聚团粒度分布的影响．从表 5 可以看出，随着搅拌时间的延长，聚团的粒度变 大，从8 ．17p ．m 变大到9 6 ．9 6 , u m ，w A ， 从0 ．7 5 ％ 降到0 ．5 4 ％．说明聚团的粒度大，对脱灰有好处． 因此．在进行选择性聚团深度脱灰过程中，应增加 搅拌时间，使聚团长大，才能降低精煤灰分． 表5 搅拌时间对聚团平均粒度的影响 甜 A t 4 ％ T a b l e5E f f e c to fs t i r r i n gt i m e ∞t h e a v e r a g ep a r t i c l e s i z ef o rf l o c c d i a t e w A 1 一4 ％ 搅拌时间／r a i n51 02 02 53 0 w A j ／％ O ．7 506 9n6 10 ．5 40 ．6 0 平均粒度／m8 ．1 71 2 ．1 53 2 3 l9 6 ．9 61 5 ．2 5 表6 为搅拌时间对聚团粒度分布的影响．从表 6 看出，随着搅拌时间的延长，聚团的平均粒度逐 渐增大，从1 0r a i n 的8 ．0 2p m 增大到2 5r a i n 的 6 6 ．0 4p m ．若再延长搅拌时问，聚团的粒度变小． 精煤灰分的变化趋势是逐渐减小，在搅拌时间为 2 5m i n 时，“ A ， 最低为0 ．9 5 ％．说明聚团粒度大， 精煤灰分低；若聚团粒度小，精煤的灰分高．原因是 由于聚团长大，聚团中夹杂的矿物质少，聚团的含 水少，聚团的灰分低． 表6 搅拌时间对聚团平均粒度的影响 w A t 一1 0 ％ T a b l e6E f f e c to fs t i r r i n gt i m eO Ht h ea v e r a g e p a r t i c l es i z eo ff l o c c u l a t e ～ A t 一1 0 ％ 搅拌时间／r a i n1 0152 02 53 0 w A j ／蹦 1 ．2 3 1 ．0 1 0 ．9 7 og5 10 5 平均粒度／I 肌8 ．0 2 1 4 1 24 4 ．3 16 6 ．0 42 9 ．7 5 2 ．2 ．3 油的用量对聚团形态的影响 图1 为w A 。 一4 ％在油用量不同时的聚团形 态，W 油 分别为0 ．1 5 ％，0 ．3 0 ％，0 ．4 5 ％，0 ．6 0 ％． 采用O l y m p u sB H 一2 型透光显微镜，日本生产，放 大倍数1 2 0 倍． 图1 a 是Ⅻ 油 为0 ．15 ％时的颗粒聚集形态， 颗粒较小．随着加油量的增加，聚团颗粒变大．当 w 油 为0 ．6 0 ％时，聚团颗粒较大．当w 油 为 0 ．3 0 ％时，w A ． 最低为0 ．6 1 ％，说明加油量应当 适量．加油量太少，聚团松散，夹带的灰分高．加油 量大，聚团太大，聚团夹带的灰分也多，影响降灰， 图1 不同油量的聚团形态 F i g ．1 F l o c c u l a t ep a t t e r n sw i t hd i f f e r e n tu s a g eo fo i l 非极性油的加入，使微细颗粒的疏水聚团行为 获得r 显著的增强，这当然包括聚团的粒度和结构 的变化．当非极性油的用量为零时，聚团较小，且为 枝链结构．若非极性油用量较低时，聚团得到强化， 聚团粒度增大．此时的聚团，一部分为松散的枝链 结构，另一部分的枝链开始闭合，这种聚团的结构 被称为悬摆结构．在悬摆结构中，非极性油主要在 颗粒与颗粒之间的接触处形成油环．随着非极性油 万方数据 中国矿业大学学报 第3 2 卷 用量的进一步增加，聚团粒度也相应增大．此时非 极性油除了分布在颗粒的接触处外，还去充填聚团 中的空隙．但由于非极性油的用量较少，仍有许多 空隙未被充填，这种聚团的结构叫做纤维结构．它 比悬摆结构的聚团要严实一一些．随着非极性油用量 的继续增大，聚团中的颗粒问的空隙全部被非极性 油所充填，聚团的粒度急剧增大，聚团的强度达到 峰值，聚团的外形逐渐变为球形，成为一种致密的 球状聚团，这种聚团的结构为毛细结构． 2 ．2 ．4 搅拌时间对聚团形态的影响 随着搅拌时间的延长，聚团形态从松散的枝链 结构转变为悬摆结构或纤维结构．聚团的形态见图 2 a ～d ．图2 是w A ， 为4 ％不同搅拌时间时的聚 团形态．放大倍数1 2 0 倍． 图2 不同搅拌时间时的聚团形态 F i gZF ] o c c u l a t ep a t t e r n sf o rd i f f e r e n ts t i r r i n gl i m e 从图2 观察得出聚团大部分是片状，形态包 括树枝结构和悬摆结构，此外还有少量离散的颗粒 单独存在．随着搅拌时间的延长，聚团逐渐增大，精 煤灰分逐步降低．原因是由于搅拌时间增加，聚团 中水分降低，夹带的灰分降低，而使精煤灰分降低． 过大，≮电位的绝对值变化不明显． 3 油的用量增大，聚团的平均粒度增大，精煤 灰分在w 油 为0 ．3 0 ％时最低；搅拌时间延长，聚 团的平均粒度增大，精煤的灰分下降，但搅拌时间 太长，聚团会破碎． 3 结论 参考文献 1 煤微粒具有天然疏水性，若在煤中加入非 极性油，会强化煤粒的疏水性．非极性油强化疏水 聚团的机理由两方面组成a ．非极性油珠与疏水 颗粒发生粘附，然后在它表面适度展开，使颗粒表 面的疏水性得到进一步增强，从而使颗粒悬浮体的 疏水聚团行为获得强化．b ．非极性油在两个疏水 颗粒问形成油桥，把它们紧密地连接在一起．从而 大大地提高丁聚团抗碎裂的能力，使聚团能稳定地 存在和继续生长． 2 煤浆中p H 值和分散剂显著影响煤粒与水 界面的≮电位数值，p H 值越大，≮电位的绝对值变 得越大，煤浆中颗粒的分散就越好．加人分散剂可 使电位的绝对值变大，明显改善煤浆中煤粒和矿 物颗粒的分散情况．但加人量以1k g ／t 为好，加量 I - 1 ]石致敏，杨巧文．精细水煤浆制备方法的研究口] ．中 国矿业学院学报，1 9 8 8 ，1 7 f 4 I - 1 0 ． E 2 ] 戴和武，陈文敏，姜英，等．超纯煤的研制及其特性 研究[ A ] ．中国煤炭综合利用开发公司和中国煤炭 加工利用协会编．煤擞加工利用论文集[ c ] ，北京 煤炭工业出版社，1 9 9 0 ．1 1 51 1 9 ． [ 3 ] 杨巧文．油团脱灰工艺的研究[ D ] ．北京中国矿业 大学化学与环境工程学院，1 9 9 1 ． [ 4 ]杨巧文．煤的结构特性对制备超低灰精煤的影响 [ J ] ．煤炭与综合利用，1 9 9 5 2 1 72 0 ． E s ] 宋少先．疏水絮凝理论与分选工艺[ M ] ．北京煤炭 工业出版社，1 9 9 4 ．1 2 1 1 2 8 ． [ 6 ] 杨巧文．选择性聚团深度脱灰工艺及其应用研究 [ D ] ．北京中国矿业大学化学与环境工程学院， 1 9 9 8 ． 下转第6 6 3 页 万方数据 第6 期解京选煤质对电厂原煤制备系统的影响因素分析6 6 3 E 4 ] 朱德庆，邱冠周，陈跃明，等．热电厂燃煤输送过程中 的粘结特性研究E J 3 ．煤炭科学技术，19 9 9 ，2 7 8 3 0 3 2 [ 5 ] 李寻。刘顺．选煤厂设计[ M ] ．北京煤炭工业出 版社．1 9 9 5 [ 6 ] [ 7 ] 布令得利 英 ．粘土矿物的晶体构造与伦琴射线鉴定 法[ M ] ．北京科学出版社，1 9 5 9 ． 彭琪瑞．中国粘土矿物研究[ M j ．北京科学出版社， 1 9 6 3 ． A n a l y s i so fE f f e c tF a c t o r so fR a wC o a lC h a r a c t e r i s t i c s o nC o a lP r e p a r i n gS y s t e mi nP o w e rP l a n t X I EJ i n g x u a n s c h o o lo fC h e m i c a lE n g i n e e r i n ga n dT e c h n o l o g y ，C U M T ，X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a A b s t r a c t A i m i n ga tt h ep r o b l e mo fb l o c k i n ga n db i n d i n gi nr a wc o a lp r e p a r i n gs y s t e mo fp o w e rp l a n t ，t h e s i z ed i s t r i b u t i o n ．m o i s t u r ec o n t e n ta n dm i n e r a lc o m p o n e n t so fc o a ls a m p l e sw e r ed e t e r m i n e d ，a n dt h ec r i t i c a l a n g l ea tw h i c hc o a lp a r t i c l e sb e g i nt om o v e a tas l o p ew a st e s t e d ．T h ee f f e c to fa b o v ef a c t o r so nc o a lp r e p a r i n g s y s t e mw a sr e s e a r c h e d ．T h er e s u l ti n d i c a t e st h a ti fah i g hc o n t e n to fc l a ym i n e r a l se x i s t si nc o a l ，t h es i z e g r a d u a t i o nc o m p o s i t i o na n dm o i s t u r ec o n t e n to fc o a ] w i l la f f e c ts i g n i f i c a n t l yt h er a wc o a lc o n v e ya n df e e d s y s t e ma n dc auset h eb l o c k i n ga n db l i n d i n g ． K e yw o r d s r a wc o a lp r e p a r i n gs y s t e m ；s i z e ；m o i s t u r e ；m i n e r a l ；c r i t i c a lb l o c k i n ga n g l e 责任编辑李成俊 上接第6 5 8 页 R e s e a r c ho nP r i n c i p l eo fP r e p a r a t i o no fU l t r a C l e a nC o a l w i t hS e l e c t i v eO i lA g g l o m e r a t i o n Y A N GQ i a o w e n ，W UL i j u n ．Z H IX i a n h u a ，W A N GZ un a S c h o do fC h e m i c a la n dE n v i r o n m e n t a lE n g i n e e r i n g ，C U M T ，B e i j i n g1 0 0 0 8 3 ，C h i n a A b s t r a c tT h ep r i n c i p l eo fs e l e c t i v eo i Ia g g l o m e r a t i o nw a ss t u d i e dd u r i n gp r e p a r i n gu l t r a c l e a nc o a l ．B y c h a n g i n gt h eo i la m o u n ta n dt h es t i r r i n gt i m e ，t h ef l o c c u l a t ep a t t e r n sw e r eo b s e r v e d ．T h ee x p e r i m e n t ss h o w t h a tt h em o r et h eo i la m o u n ta n dt h el o n g e rt h es t i r r i n gt i m e ，t h eb i g g e rt h ep a r t i c l es i z eo fc o a lf l o c c u l a t ea n d t h el o w e rt h ea s ho fc l e a nc o a l ．A l o n gw i t ht h ei n c r e a s i n go fp Hv a l u e ，t h ea b s o l u t ev a l u eo f p o t e n t i a l b e c a m eg r e a t e r ，t h ed i s p e r s i v es y s t e mw a sm o r es t a b l e ．W h e nt h ed i s p e r s e rw a sa d d e d ，t h ea b s o l u t ev a l u eo f Ep o t e n t i a lb e c a m eg r e a t e r ，t h es u i t a b l ea m o u n to fd i s p e r s e rw a s1k g ／t ． K e yw o r d s s e l e c t i v eo i la g g l o m e r a t i o n ；d e e pc l e a n i n g ；h y d r o p h o b i c ；℃p o t e n t i a l 责任编辑陈其泰 万方数据