新型捕收剂强化低阶煤浮选效果的研究

吴荣菲，王蓬暘，宋章硕，卢美全

(中国矿业大学(北京)，北京 100083)

1 概 述

煤炭在国民经济中占有重要地位，我国的低阶煤储量丰富，占煤炭资源储量的50%以上。浮选是煤泥分选的主要手段，低阶煤变质程度较低，表面含氧官能团多，疏水性较差且孔隙多，药剂消耗大，严重影响低阶煤泥浮选效果[1-2]。非极性烃类油是目前常用的浮选捕收剂，但对低阶煤泥浮选效率较低[3]。因此，近年来，国内外许多学者开始研究能够提高煤泥浮选效果的高效、环保、经济的捕收剂。

Yakup等[4]采用3种药剂模式对褐煤进行浮选试验，发现加入乳化剂及表面活性剂后，浮选精煤可燃体回收率较高，灰分较低，浮选效果好。桂夏辉等[5-7]利用传统柴油和极性药剂复配浮选低阶煤，发现同等药剂消耗下，复配捕收剂可大幅提高浮选回收率与泡沫稳定性。朱书全等[8，9]利用新型乳化剂将柴油乳化处理得到的乳化油(O/W)，不仅可以促进柴油在矿浆中的分散，而且稳定性好，油耗少。谭金龙等[10]研究了极性烷醇酰胺6501对红柳低阶煤的浮选影响，发现适当的捕收剂用量可以有效回收低阶煤。Xing等[11]使用乳化后的柴油对不同变质程度的煤进行试验，发现乳化剂可以吸附煤表面含氧官能团，精煤产率提高1%～6%，降低了药耗。任聪等[12]用酯等活性物质与煤油混配作为捕收剂，对葫芦素低阶煤进行试验，发现复配捕收剂能显著降低药耗，促进药剂分散，得到较高的精煤产率及可燃体回收率。Renhe等[13]研制了一系列四氢糠酯用于低阶煤浮选，与普通捕收剂相比，在相近精煤灰分、精煤产率的条件下，四氢糠酯类药剂药耗更低。杨向丰等[14]通过添加引发剂的方式对煤油进行无催化氧化，发现氧化煤油中各可测分离组分的浮选性能从大到小依次为游离酸组分>极性非酸类组分>非极性烃类组分。Vamvuka、Agridiotis[15]使用煤油或表面活性剂作为捕收剂浮选褐煤时，发现煤油和十二胺联合使用时浮选效果最好。王市委等[16]通过低阶煤—油泡浮选试验发现，油泡表面的强疏水性可以提高低阶煤浮选回收率，降低药耗。Chander等[17]发现少量表面活性剂可以促进油滴在低级煤表面的吸附。郝孟等[18]进行了十二烷基醇聚氧乙烯醚(C12EO9)在煤及矸石表面吸附量、润湿热测定及捕收剂煤油在吸附C12EO9前后的样品表面的铺展性研究，结果表明，表面活性剂吸附增大了煤油与煤之间的作用程度，使其更容易在煤表面铺展，提高了煤油的使用效率。

上述低阶煤浮选药剂的研究表明，在非极性烃类油中加入表面活性剂或其它极性物质作低阶煤煤泥浮选捕收剂，可以显著提高煤泥浮选效果。笔者针对低阶煤浮选促进剂的浮选效果进行了研究，通过研究阳离子、阴离子以及非离子表面活性剂对低阶煤浮选的作用效果，找到更加高效、环保、经济的浮选药剂，提高低阶煤的浮选效率，实现煤炭资源的高效利用。

2 试 验

2.1 试验原料及性质分析

试验所用药剂有仲辛醇、柴油和新型捕收剂C-2。C-2是由酯类、SPAN和3号油配制而成，其中3号油是石油炼制过程中230～240 ℃的组分。

试验所用煤泥样品为内蒙古红星河煤泥样。变质程度为不粘煤。煤样的工业分析和元素分析结果见表1。

表1 煤样的工业分析和元素分析

由工业分析可知，煤样的内水较高，为 8.21%，灰分中等，为23.15%，挥发分偏高，为33.48%，可见该煤样内水偏高，挥发分属不粘煤的范围内，含氧量较高，为10.51%，硫含量很低，属低硫煤。

2.1.1 粒度分析

将红星河煤泥样用干燥箱烘干后，取200 g 用标准套筛进行小筛分试验，以确定煤泥的粒度组成及各粒级的灰分情况。小筛分试验选用国际标准套筛，筛分的方法严格按照国标 GB/T 477-2008《煤炭筛分试验方法》进行，筛分结果见表2。

从表2可以看出，该煤泥样品灰分为 21.65%，各粒级灰分随着粒度的减小呈现先减后增的趋势。其中主导粒级是小于0.074 mm粒级，其产率高达36.85%，灰分为28.14%，较煤样灰分高，说明存在一部分高灰细泥。0.125～0.074 mm粒级为第二主导粒级，产率为24.70%，此粒级灰分为15.03%。煤泥中小于0.074 mm级物料含量约占煤泥量的1/3，煤泥中微细粒含量较大，该粒级在浮选过程中随水流惯性大，容易于造成细泥夹带，从而导致精煤污染，细泥含量大同时也使药剂消耗量增加。

表2 小筛分试验结果

2.1.2 分步释放浮选试验

为了考察煤样的理论产率，进行了分步释放试验，试验结果如图1所示。

图1 分步释放浮选试验曲线

由图1知，精煤灰分为9.00%～10.50%时，精煤的理论产率为66.8%～70.1%。

2.1.3 X射线衍射物相分析

利用X射线衍射对煤样进行分析，得到XRD衍射图谱如图2所示。

图2 XRD衍射图谱

由图2可知，试样的矿物质主要为高岭土和石英，并含有一定量的斜绿泥石等其他矿物。其中高岭土为黏土矿物，黏土矿物容易在水中发生泥化，泥化后的细泥易覆盖在矿物表面，同时泥化后的高灰部分容易发生细泥夹带，导致精煤灰分上升，产品质量下降。并且细泥具有较大的表面积，导致药剂消耗增加。另一种主要成分为石英，其亲水性强，试样中含有较多的石英，使得矿物表面具有较强的亲水性，进而增加了未解离煤的分选难度。

2.2 试验方法及装置

按照GB/T 4757—2013《煤粉(泥)实验室单元浮选试验方法》进行煤泥浮选试验。浮选试验采用柴油和C-2分别作为捕收剂，起泡剂采用仲辛醇。浮选试验采用有效容积为1.0 L的XFD型充气单槽浮选机，浮选机主轴搅拌转速恒定为2 000 r/min，充气量为1.33 L/min。浮选效果评价指标采用可燃体回收率(η，%)，计算方法如下：

式中：Ay原煤灰分，%；γy原煤产率，%；Aj精煤灰分，%；γj精煤产率，%。

3 结果讨论

3.1 浮选试验

分别选用柴油和新型捕收剂C-2作为煤泥浮选捕收剂，仲辛醇为起泡剂，通过煤泥浮选试验对2种捕收剂的浮选效果进行分析。煤泥入料浓度为110 g/L，捕收剂用量分别为3.0 kg/t 、2.8 kg/t、2.6 kg/t、2.4 kg/t、2.2 kg/t，捕收剂与起泡剂的药剂用量比取2∶1，浮选试验结果如图3、图4所示。

图3 捕收剂用量对精煤灰分的影响

图4 捕收剂用量对可燃体回收率的影响

从浮选试验结果可以看出：精煤灰分与可燃体回收率随着捕收剂药剂用量的增加呈现出一定的规律性，其中，精煤灰分随着捕收剂用量的增加而降低，可燃体回收率随着捕收剂用量的增加而提高。当C-2用量为3 kg/t时，精煤产率最高，为69.34%，在精煤理论产率范围之内。在相同的药剂用量下，C-2浮选试验的精煤产率和可燃体回收率均比柴油浮选试验的高，而且精煤灰分也比柴油浮选试验的低1%～2%，这表示C-2对煤粒的选择性比柴油好。在相同的可燃体回收率条件下，C-2的用量远比柴油的少，降低了浮选药剂的消耗量，这说明C-2在煤浆中的分散效果比柴油好，若将其应用到工业生产中，将为工厂节省大量成本，创造巨大经济效益。

为了探究新型捕收剂C-2相较于柴油具有优良浮选效果的原因，以下将从红外光谱分析、X射线光电子能谱分析、润湿热分析和接触角分析4个方面探究C-2与煤样的作用机理。

3.2 红外光谱分析

试验采用傅里叶变换红外光谱仪分别对原煤、柴油为捕收剂的煤样以及药剂C=1为捕收剂的煤样进行了检测，得到红外光谱图，结果如图5所示。

由图5可知，原煤在波数3 400 cm-1处为-OH的特征吸收峰，2 843 cm-1处为脂肪烃-CH2和-CH的特征吸收峰，1 350～1 650 cm-1为芳香烃C=C、-CH3以及C=H的特征吸收峰。1 034 cm-1处为醚键C=O的特征吸收峰，为强吸收峰。534 cm-1处的峰为Si-O的特征吸收峰。

图5 煤样红外光谱

3.3 与原煤相比

在3 400 cm-1处的羟基吸收峰均减小，但C-2作用后的煤样峰值减小更为明显，说明药剂C-2可与煤中-OH官能团作用，使得煤中含氧官能团含量降低，增强了煤表面的亲水性，且作用效果比柴油更为明显。在1 034 cm-1处的醚键吸收峰减小，且药剂C-2的作用比柴油作用效果更显著，说明药剂C-2可与煤中的醚键相互作用，增强了煤表面的疏水性，提高了煤在浮选过程中的可浮性。润湿热分析试验所采用的煤样为红星河煤样，分别将其与柴油和C-2进行润湿热测试，结果如表3所示。

表3 润湿热测试结果

通过对比分析发现，煤样与柴油的润湿热为4.781 J/g，煤样与C-2的润湿热为-10.754 J/g，根据热力学第二定律，放热越多，越容易发生反应。C-2与煤颗粒润湿所释放出的热量大于柴油，因此捕收剂C-2更容易与煤样作用，可使油滴更好的在煤粒表面铺展，使得药剂C-2与煤颗粒的吸附强度和吸附稳定性均有所提高，从而提高煤粒的疏水性能，同时也降低了颗粒与气泡的脱附概率。

3.4 接触角分析

煤表面的疏水性可以通过接触角来表征，接触角越大，煤表面的疏水性越强，气泡更容易附着在煤颗粒表面，并且接触角的大小可以反映煤表面的润湿性和可浮性。本试验对原煤样、柴油处理后的煤样以及药剂C-2处理后的煤样进行接触角测试，结果如图6所示。其接触角对比如表4所示。从表4中可以看出，被柴油处理后的煤样表面接触角增大了16.8°，而被C-2处理后的煤样表面接触角增大了18.9°。说明药剂C-2的作用效果更加明显，显著提高了煤表面的疏水性，增加了煤表面的可浮性。

图6 煤样接触角测量

表4 煤样接触角对比

4 结 语

(1)新型捕收剂强化低阶煤浮选效果显著，在相同的药剂用量下，与柴油捕收剂相比，精煤产率提高约11%，精煤灰分降低约2%，可燃体回收率提高约15%。在相同灰分情况下，C-2用量比柴油减少约0.8 kg/t，可以大幅节约生产成本。

(2)经红外光谱及XPS分析，C-2作用后，使煤粒表面的含氧官能团减少，亲水基团少，从而提高煤粒的疏水性，更易与气泡相互附着，提高浮选效果。

(3)C-2药剂与煤粒润湿所释放的热量更大，说明C-2更易与煤粒相互作用，使药剂C-2与煤粒之间的吸附强度及吸附稳定性均有所提高，使煤粒在随颗粒上浮过程中不易脱落，有利于提高浮选效果。