半焦浮選脫灰原理及研究現狀

袁金沙

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

我國的能源結構特殊，以煤炭為主要的能源物質，這種特殊的能源結構，也就決定了我國成為世界上最大的煤炭使用國地位，同時也是世界上最大的煤炭生產國[1]。2015年我國在一次性能源消費中，煤炭的使用量占63.3%，其中75%的煤炭處理后直接燃燒。并且面對我國化石能源結構特點—富煤、少油和少天然氣，以及我國火力發電的剛性需求和投資少見效快等優點，可以預測中長期發展過程中，煤炭的主導地位是不會改變的。煤炭不僅對我國國民經濟的發展具有長足作用，它同時還是我國重要的戰略性資源，地位極其重要[2]。

半焦是褐煤、低變質煤在較低溫度(700℃)下反應得到的炭質還原劑產物，如果半焦干餾分解反應溫度繼續升高到1000℃左右，半焦會經過高溫進行進一步的分解，殘留的炭質部分通過脫出揮發分不斷向內收縮，形成焦炭[3]。半焦是煤炭進行了一定的熱解反應，結構上具有酥松多孔的特點，但是半焦含有較高的灰分，影響其經濟價值和使用范圍，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，所以需要對半焦進行處理脫灰，來增加它的附加值和拓寬它的使用范圍。

我國的半焦實際產量和實際生產力對比起來，具有相當大的不對等性，我國半焦生產力很大，但是實際需求卻相對低，半焦生產開工率較低，導致半焦生產量遠低于生產力。比如陜西榆林，2014年半焦生產能力已達4000萬t，但實際年半焦產量僅有2200萬t[4]。企業的半焦實際生產量不足是以下原因造成的：半焦產業的規模化不夠完善，上下游鏈條出現對接不完整，同時由于工藝技術的限制，容易出現污染環境和浪費資源的致命弱點；半焦不像活性炭，利用途徑已經相當完善，它相對來說使用途徑有限，這樣就決定了它的利潤被大幅度削弱，提高了銷售的成本和難度，對于半焦企業的存活及發展帶來了巨大的挑戰。

半焦浮選是根據半焦顆粒被水潤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，親水性的灰分留在了水中，所謂的潤濕性，就是指材料和水之間的親和力大小。通過對浮選研究可知，對水親和性大的灰分，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，從而達到降低半焦灰分的目的[5]。

泡沫浮選在現代浮選領域占據著重要的位置，本實驗主要就是通過半焦和灰分不同的潤濕性，在氣液界面有不同的富集效果來對它們進行分離。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行分離[6]。

1 潤濕性和接觸角

1.1 潤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。在半焦顆粒潤濕、浸沒的過程中，表面自由能發生著很大的變化，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，會經過如圖1四個階段。

這四個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。

如果物質具有強烈的親水性，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公式，這樣就能將它分離開來；如果物質具有強烈的親油性，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)，這樣子的物質就會漂浮在水面上，對于浮選來說是最好的條件；如果物質能夠滿足(2)而不能滿足(3)的表面自由能條件，它雖然會在水下面沉積一部分，但是表面仍然漂浮這一部分不會完全沉下去，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 接觸角與潤濕性的關系

接觸角θ是用來度量潤濕性的。液體通常情況下處于平衡狀態，是因為內部各分子的相互作用，各種引力斥力相互抵消，表現出了整體的平衡狀態。但是相對于內部分子，表層分子處在一種不平衡的狀態，因為氣體不受引力的作用，表層分子受到的向內部的引力就達不到平衡，從而導致表面分子向下擠壓來縮小面積，這樣就形成了表面張力。因為這種引力的存在，內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部分子擁有更高的能量，這種能量就是表面自由能[7]。

當浮選物在水中和泡沫表面進行接觸，氣、液、固三相達到平衡時，接觸角就是三相潤濕周邊上任一點做氣液界面的切線，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各界面所受的張力決定，當各界面張力達到平衡時有

σsg=σsl+σglcosθ

(4)

式中θ—接觸角；

σgl—氣液表面張力；

σsg—固氣表面張力；

σsl—固夜表面張力；

cosθ—潤濕性指標。

因為接觸角是用來度量潤濕性的，而物質表面的疏水性和親水性又是由潤濕性來直接反映他們的強弱的，物質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的可浮性。

2 絮凝原理

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

圖3 顆粒的分散、凝聚和絮凝狀態

Fig.3 Particle dispersion, coagulation and flocculation

物質顆粒表面存在這一定量的電荷，存在的這些電荷對捕收劑的作用會產生一定的影響，同時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，這樣就會改變物質顆粒在水中的分布狀態，可以達到是物質產生分散或者凝聚的效果。分散是指浮選物質顆粒在水分子的撞擊下，再加上其表面相同的電荷產生的相互排斥的力，這樣就會在水中長時間的懸浮并且不分層。凝聚就是由于浮選物質在表面的異種電荷產生的作用力下，逐漸的靠近并且最終聚集成大顆粒的團狀物。所謂的選擇性聚團就是在電荷異性相吸的原理上，使得我們想要團聚的物質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。另一方面，如果不是選擇性聚團的絮凝，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分的表面性質，利于浮選的進行，同時選擇性聚團可以使需要浮選的物質聚集在一起，增加了浮選的效率，提高了浮選的效果[8]。

3 小結

在巨大的社會背景下研究提高半焦品質的方法，通過浮選脫灰來改善半焦的品質，對于半焦產業鏈的優化具有明顯的作用，同時可以增加半焦產業的整體收益，提高企業的整體效益。同時，合理的半焦優化工藝可以促進半焦產業的發展，可以推動半焦產業鏈下部分工作的開展進行，可以擴大就業，減緩社會壓力，提高財政收入，有著重要的現實意義[9]。