半焦浮选脱灰原理及研究现状

袁金沙

(1.北京矿冶研究总院，北京 100160；2.北京当升材料科技股份有限公司，北京 100160)

我国的能源结构特殊，以煤炭为主要的能源物质，这种特殊的能源结构，也就决定了我国成为世界上最大的煤炭使用国地位，同时也是世界上最大的煤炭生产国[1]。2015年我国在一次性能源消费中，煤炭的使用量占63.3%，其中75%的煤炭处理后直接燃烧。并且面对我国化石能源结构特点—富煤、少油和少天然气，以及我国火力发电的刚性需求和投资少见效快等优点，可以预测中长期发展过程中，煤炭的主导地位是不会改变的。煤炭不仅对我国国民经济的发展具有长足作用，它同时还是我国重要的战略性资源，地位极其重要[2]。

半焦是褐煤、低变质煤在较低温度(700℃)下反应得到的炭质还原剂产物，如果半焦干馏分解反应温度继续升高到1000℃左右，半焦会经过高温进行进一步的分解，残留的炭质部分通过脱出挥发分不断向内收缩，形成焦炭[3]。半焦是煤炭进行了一定的热解反应，结构上具有酥松多孔的特点，但是半焦含有较高的灰分，影响其经济价值和使用范围，并且未处理过的原半焦，吸附能力和普通活性炭相比有较大的差别，所以需要对半焦进行处理脱灰，来增加它的附加值和拓宽它的使用范围。

我国的半焦实际产量和实际生产力对比起来，具有相当大的不对等性，我国半焦生产力很大，但是实际需求却相对低，半焦生产开工率较低，导致半焦生产量远低于生产力。比如陕西榆林，2014年半焦生产能力已达4000万t，但实际年半焦产量仅有2200万t[4]。企业的半焦实际生产量不足是以下原因造成的：半焦产业的规模化不够完善，上下游链条出现对接不完整，同时由于工艺技术的限制，容易出现污染环境和浪费资源的致命弱点；半焦不像活性炭，利用途径已经相当完善，它相对来说使用途径有限，这样就决定了它的利润被大幅度削弱，提高了销售的成本和难度，对于半焦企业的存活及发展带来了巨大的挑战。

半焦浮选是根据半焦颗粒被水润湿性不同来分离半焦颗粒和灰分的一中过程，通过浮选，使疏水性的半焦颗粒在两相界面上选择性的富集，与此同时，亲水性的灰分留在了水中，所谓的润湿性，就是指材料和水之间的亲和力大小。通过对浮选研究可知，对水亲和性大的灰分，具有很大的亲水性，也就是说疏水性小，亲油性也小，反过来，半焦颗粒就具有很大的疏水性，容易和油结合。在半焦浮选的过程中，使疏水性的半焦颗粒富集在气液界面上，随着刮泡过程被刮出，而亲水性灰分留在了水中，从而达到降低半焦灰分的目的[5]。

泡沫浮选在现代浮选领域占据着重要的位置，本实验主要就是通过半焦和灰分不同的润湿性，在气液界面有不同的富集效果来对它们进行分离。亲水性高的灰分不被泡沫夹带，沉在水中；而疏水性强的半焦颗粒则被泡沫夹带浮出水面，形成了含有较高半焦颗粒的泡沫层，从而可以将半焦颗粒和灰分进行分离[6]。

1 润湿性和接触角

1.1 润湿性影响浮选的原理

半焦泡沫浮选的重要特征是亲水性的灰分被水润湿留在了水中，而疏水性的灰分则被气泡夹带至气液界面。在半焦颗粒润湿、浸没的过程中，表面自由能发生着很大的变化，而这种变化决定了半焦颗粒是浮出还是沉下。半焦颗粒从空气中落入水中，会经过如图1四个阶段。

这四个阶段表面自由能的变化是：

(1)

(2)

(3)

式中 σsg：气固界面自由能；

σsl：固液界面自由能；

σgl：气液界面自由能。

如果物质具有强烈的亲水性，就能充分满足公式(1)至(3)，就能沉在水中，所以通常希望灰分能满足上面三个公式，这样就能将它分离开来；如果物质具有强烈的亲油性，那么它在浸没过程中表面自由能只满足公式(1)，但是不能满足公式(2)，这样子的物质就会漂浮在水面上，对于浮选来说是最好的条件；如果物质能够满足(2)而不能满足(3)的表面自由能条件，它虽然会在水下面沉积一部分，但是表面仍然漂浮这一部分不会完全沉下去，这样的自由能条件仍然符合表层浮选的要求。所以公式(3)所代表的表面自由能就就是判断固相是否下沉的最重要条件。

1.2 接触角与润湿性的关系

接触角θ是用来度量润湿性的。液体通常情况下处于平衡状态，是因为内部各分子的相互作用，各种引力斥力相互抵消，表现出了整体的平衡状态。但是相对于内部分子，表层分子处在一种不平衡的状态，因为气体不受引力的作用，表层分子受到的向内部的引力就达不到平衡，从而导致表面分子向下挤压来缩小面积，这样就形成了表面张力。因为这种引力的存在，内部分子想要往外迁移，必须克服阻力做功，这样表面分子就比内部分子拥有更高的能量，这种能量就是表面自由能[7]。

当浮选物在水中和泡沫表面进行接触，气、液、固三相达到平衡时，接触角就是三相润湿周边上任一点做气液界面的切线，与固液界面之间所形成的包括液相的夹角，如图2。

图2 接触角

Fig.2 Contact angle

接触角的大小由平衡点各界面所受的张力决定，当各界面张力达到平衡时有

σsg=σsl+σglcosθ

(4)

式中θ—接触角；

σgl—气液表面张力；

σsg—固气表面张力；

σsl—固夜表面张力；

cosθ—润湿性指标。

因为接触角是用来度量润湿性的，而物质表面的疏水性和亲水性又是由润湿性来直接反映他们的强弱的，物质的可浮性又通过疏水性和亲水性来决定，所以接触角也可以间接地来反映物质的可浮性。

2 絮凝原理

a-分散状态；b-为凝聚粒子；c-为凝聚；d-为非极性烃链引起的团聚；e-异极性捕收剂引起的团聚；>f-无选择性的异相絮凝；g-选择絮凝；h-桥联作用

图3 颗粒的分散、凝聚和絮凝状态

Fig.3 Particle dispersion, coagulation and flocculation

物质颗粒表面存在这一定量的电荷，存在的这些电荷对捕收剂的作用会产生一定的影响，同时由于电荷本身具有同种和异种之分，就必然存在引力和斥力的作用，这样就会改变物质颗粒在水中的分布状态，可以达到是物质产生分散或者凝聚的效果。分散是指浮选物质颗粒在水分子的撞击下，再加上其表面相同的电荷产生的相互排斥的力，这样就会在水中长时间的悬浮并且不分层。凝聚就是由于浮选物质在表面的异种电荷产生的作用力下，逐渐的靠近并且最终聚集成大颗粒的团状物。所谓的选择性聚团就是在电荷异性相吸的原理上，使得我们想要团聚的物质颗粒带上相反的电荷，这样在电荷吸引力的作用下相互聚集成团。另一方面，如果不是选择性聚团的絮凝，我们称之为全絮凝或者絮凝，如图3。

通过絮凝可以使浮选颗粒变大，增加表面的疏水性，使得浮选物与灰分有着更加容易区分的表面性质，利于浮选的进行，同时选择性聚团可以使需要浮选的物质聚集在一起，增加了浮选的效率，提高了浮选的效果[8]。

3 小结

在巨大的社会背景下研究提高半焦品质的方法，通过浮选脱灰来改善半焦的品质，对于半焦产业链的优化具有明显的作用，同时可以增加半焦产业的整体收益，提高企业的整体效益。同时，合理的半焦优化工艺可以促进半焦产业的发展，可以推动半焦产业链下部分工作的开展进行，可以扩大就业，减缓社会压力，提高财政收入，有着重要的现实意义[9]。