长焰煤浮选精煤表面特性研究

郑云婷

(1.煤炭科学研究总院唐山研究院，河北 唐山 063012；2.河北省煤炭洗选工程技术研究中心，河北 唐山 063012)

煤炭是我国现阶段的主要能源之一。低阶煤是处于低变质阶段的煤，具有低灰、低硫、高挥发分等特点。由于低阶煤含氧官能团较多，疏水性差，常规的浮选技术尚不能很好地应用于低阶煤浮选，为此，国内外学者对此进行了大量的试验与研究，但目前低阶煤浮选仍停留在实验室研究阶段[1]。煤的表面性质受其表面含氧官能团的影响很大，分析含氧官能团的种类和分布特征是研究低阶煤表面性质的基础，也为增强低阶煤表面疏水性、研究低阶煤浮选药剂，进而实现低阶煤浮选提供了理论依据。

文章以长焰煤为研究对象，以其浮选前后的表面性质变化为研究点，通过基础浮选试验研究，采用先进的表面分析化验手段，对长焰煤的浮选行为进行了研究探索，为低阶煤浮选研究积累试验数据和提供理论依据。

1 煤样密度和粒度组成分析

1.1 煤样密度组成分析

长焰煤小浮沉试验结果见表1。

表1 长焰煤小浮沉试验结果Table 1 Bench-scale float-and-sink analysis of long-flame coal %

由表1可知：长焰煤煤样中<1.3 g/cm3密度级产率为34.80%；1.3～1.4 g/cm3密度级产率为40.87%，为主导密度级；>1.4 g/cm3高密度级产率为24.33%。其中<1.3 g/cm3密度级的灰分很低，为5.98%；>1.4 g/cm3高密度级灰分较低，仅为35.74%，说明煤与矸石存在共生，分选时很难得到矸石含量较高的尾煤。

1.2 煤样粒度组成分析

长焰煤粒度分析结果见表2。由表2可知，煤样不适合浮选的粗颗粒(>0.5 mm粒级)很少，产率仅为3.89%；>0.075 mm粒级产率、灰分分别为81.91%、16.16%，粗煤泥含量很高；主导粒级为0.25～0.5 mm，这部分煤粒质量较大，属于粗粒级，易入浮选尾煤中，降低精煤产率；而浮选效果最好的0.074～0.125 mm粒级产率仅为9.83%，产率较低，不利于浮选；<0.045 mm粒级为高灰细泥，易混入精煤中，煤样中这部分粒级的产率为11.80%，含量并不是很高，产率对浮选影响不大。

表2 长焰煤粒度分析结果Table 2 Size analysis of long-flame coal %

2 浮选速度试验

长焰煤是变质程度最低的一种烟煤，属于低阶煤。以长焰煤为研究对象，按表3设定的药剂制度、设备参数和矿浆条件进行浮选速度试验。浮选总时间为3 min，每隔0.5 min收集前两个精煤产品(精煤J1和精煤J2)，而后每隔1 min收集后两个精煤产品(精煤J3和精煤J4)。

表3 浮选速度试验条件

以精煤可燃体回收率[2]和精煤灰分作为试验的浮选评价指标。按照MT 259—1991《煤炭可浮性评定方法》[3]规定，精煤可燃体回收率的计算公式为:

式中：Ec为浮选精煤可燃体回收率，%；γc为浮选精煤产率，%；Ad,c为浮选精煤灰分，%；Ad,f为浮选原煤灰分，%。

浮选速度试验结果见表4。

表4 浮选速度试验结果Table 4 Flotation rate test result %

由表4可知，在浮选刮泡的0.5 min内浮出了精煤产量的54%，表明煤样的浮选速度较快；浮选初始刮泡1 min内，精煤J1灰分为11.99%，精煤J2灰分为12.44%，灰分变化较小；刮泡2 min后，精煤J3、J4灰分降低，分别为11.17%、9.87%；尾煤W灰分为23.29%，灰分较低。根据MT 259—1991《煤炭可浮性评定方法》，精煤可燃体回收率为62.56%，判定该煤泥可浮性为中等可浮。

3 化验分析

3.1 红外光谱分析

傅里叶红外光谱仪(FTIR)目前不仅已被广泛应用于研究煤的显微组分和煤岩中煤的化学结构，还能确定煤中有机质的成熟度，划分煤的类型等[4-5]。

对煤样进行红外光谱测试，得到的红外光谱图如图1所示。

图1 长焰煤浮选前后的红外光谱图

分析本次试验所检测煤样的红外光谱图，游离及分子内蒂合的羟基含量从大到小为：精煤J2>精煤J3>原煤>精煤J1>精煤J4。羰基结构含量从大到小为：精煤J3>原煤>精煤J2>精煤J1>精煤J4。可以看出，浮选初始0.5 min内得到的精煤J1和浮选后期得到的精煤J4含氧官能团较少，而浮选中期得到的精煤J2和J3含有的含氧官能团相对较多。

3.2 XPS分析

XPS是一种典型的表面分析手段，既可用于定性分析，能根据特征谱线的位置，直接判别谱图中的元素(除H、He元素)；也可进行定量分析，能根据光电子峰的面积得出原子的相对浓度，测定出其相对含量。

表5为煤样浮选前后表面元素的相对含量。图2为煤样浮选前后的C1s分峰拟合结果。表6为煤样浮选前后C元素在不同存在形态中的结合能[9-10]以及依据图2 的分峰结果计算出的相对含量。

表5 煤样表面元素相对含量Table 5 Relative contents of elements on surface of coal sample %

表6 煤样表面C1s的XPS分析

由表5可知，长焰煤通过浮选得到的精煤碳含量变高、氧含量变低，提高了可利用性。其中精煤J3碳含量最高，为81.51%；并且精煤J3氧含量最低，为17.34%。

3.3 Zeta电位分析

Zeta电位的数值代表胶态分散的稳定性，Zeta电位绝对值越高，胶体稳定性越好。Zeta电位分析是研究煤表面结构的一种重要的分析手段。

测定煤样表面的Zeta电位所用的仪器为美国布鲁克海文仪器公司的微电泳仪，取3次重复测定的平均值为测定结果。Zeta电位绝对值的测定结果如图3所示。

由图3中可以看出，原煤的电负性最强，Zeta电位的绝对值最高；精煤J3的Zeta电位绝对值最低。这说明浮选药剂的加入促进了煤粒对正电荷的吸附。有学者[15]认为气泡表面的电位为负电位，由于煤粒表面的电性向正电位移动，导致了煤粒与气泡间的静电力可能由斥力变为引力，进而有利于浮选过程的进行。

图2 煤样的C1s分峰拟合结果

图3 煤样的Zeta电位测定结果

煤样的Zeta电位由高到低为：J3>J1>J2>J4>原煤。结合表5表面元素的分析结果，C元素含量由高到低为：J3>J1>J2>J4>原煤，O元素含量由高到低为：原煤>J4>J2>J1>J3。由此可以推断出煤样Zeta电位大小与煤颗粒表面的C元素含量成正比，与煤粒表面的O元素含量呈负相关。

3.4 BET分析

BET法为测定比表面积的一种物理吸附方法，通过吸附质对多孔物质进行非选择性吸收来测定比表面积。

测试煤样比表面积所用的仪器为微粒学仪器有限公司生产的TriStar II 3020全自动比表面与孔隙分析仪。煤样的BET测定结果如图4所示。

由图4可以看出，与原煤相比，浮选后得到的四个精煤产品比表面积降低，并随着浮选时间的增加，煤样的比表面积变小。低阶煤表面能较高，使得脉石矿粒与有用矿粒之间的非选择性团聚增强，故长焰煤表面疏水性低，选择性差；低阶煤颗粒比表面积大会吸附更多的浮选药剂，使浮选成本增加。低阶煤经过浮选后得到的精煤比表面积变小，增强了煤的可利用性。

图4 煤样的BET测定结果Fig.4 Specific surface area values measured using BET method

4 结语

对浮选前后低阶煤表面的分析结果表明，与原煤相比，浮选后得到的精煤产品碳含量增加，氧含量降低，Zeta电位绝对值和比表面积变小。处理和利用细粒煤泥最有效的方法之一是浮选，而浮选药剂是浮选过程的重要环节。今后需从研究低阶煤的表面性质出发，探索浮选药剂与低阶煤表面性质之间的关系，配置复合高效型药剂，尽快解决低阶煤浮选中浮选效果差、药剂消耗量大的问题，使得低阶煤浮选从实验室研究走向工业化生产。