不同揮發分煤的浮選理論與實踐

2019-11-09 09:57:45 来源: 十堰信息港

不同挥发分煤的浮选理论与实践

摘 要 依据分子结构理论,从煤表面的有机分子组成和疏水性间的关系分析了煤的理论可浮性通过利用不同煤阶煤的基本分子结构单元的量子化学计算结果及煤的电泳实测数据说明了煤表面的负电性 并根据不同极性基团的表面活性剂与煤表面作用的Zeta电位和红外光谱数据讨论了它们的吸附性质讨论了依据上述理论研制的煤浮选促进剂在煤浮选时的作用机理关键词 细粒煤浮选促进剂 理论可浮性 作用机理    1 不同挥发分煤的表面疏水性与理论可浮性  众所周知,煤的有机结构是由交连的高聚物形成的,即缩合的多环芳烃和脂肪侧链(亚甲基、环烷 )及官能团,诸如羟基、羧基(-COOH) 、羰基 (C=O)、胺基(-NH2)和硫醇(-SR)等构成随煤阶的增加,芳烃的环数逐步增多,而官能团逐渐减少,这是煤表面疏水性和理论可浮性相应变化的基本原因其中决定煤表面疏水性的有机因素如下所述  (1)缩合的芳烃环主要呈现疏水性,其较小的亲水性主要是由于SP2碳原子电负性的诱导效应和离域效应引起的极性造成的应用量子化学对不同煤阶煤的聚合物单元的计算,说明电子密度在聚合芳烃中是不均匀的,并且负电位是主要的  (2) 甲基、亚甲基、聚亚甲基、硫醇支链均呈现较强的疏水性  (3) 含氧、含氮官能团是亲水的,因而降低了煤的理论可浮性表1示出了具有不同挥发分煤的含氧官能团的含量(非烃氢)可见,随着烟煤中挥发分的减少,含氧官能团的总数也在减少,芳烃含量增加;脂肪烃侧链的含量在焦、肥煤时,至瘦煤开始减少,无烟煤显着降低,理论可浮性相应的增高而后稍有降低,其变化规律与计算可浮性大致相同

表1 不同挥发分煤样的官能团含量及计算可浮性

煤样

煤种

非烃氢

芳烃

-CH3

-CH2

计算可浮性

平顶山

17.94

3.434

7.882

6.822

9.4422

马兰

7.368

4.914

10.760

9.497

10.5989

西曲

6.772

5.426

8.215

7.627

10.1349

太原

5.607

6.020

7.293

6.889

10.4285

阳泉

无烟

2.457

6.894

4.011

4.426

8.5764

无烟煤是结合更为紧密的、缩合程度更高的稠环芳烃,比烟煤具有更少的脂肪链,无烟煤的结晶度已经接近石墨,它包含平行的芳烃链的堆积如果这些聚合体延平面延伸的距离约为3.6 ,其空隙部分由晶体所包围,由于交链和结晶区常常被视为微孔,故这类微孔已经成为标志无烟煤的主要孔隙量随着脂肪烃的减少和微孔量的增加,无烟煤表面的疏水性将减少而矿物质和水分可看作是交链的聚合物中的充填物,它也降低煤表面的疏水性从以上的分析,使得对不同煤阶煤的表面疏水性和理论可浮性有了一个合理的解释   2 表面活性剂在煤表面的作用机理  (1)表面活性剂对煤的捕收能力应用真空浮选方法对3种不同极性的表面活性剂进行了浮选试验,可以说明它们的捕收能力,结果如图1所示  可以看出非离子表面活性剂的浮选效果 阴离子表面活性剂的浮选效果较好,而阳离子型表面活性剂的效果差

图1 3种表面活性剂真空浮选的的结果1FCA(非离子型);2OT(阳离子型);3DSS(阴离子型)

(2) 煤-水界面的静电特性变化:① Zeta电位3种不同的表面活性剂在煤表面吸附后,其Zeta电位与pH值的关系如图2所示

图2 不同pH值下煤粒吸附3种表面活性剂的Zeta电位变化1RNH+3,0.2 g/L;2R′O(RO)H,0.2 g/L;3RCOORSO-3,0.2 g/L

可以看到煤表面吸附阳离子型表面活性剂后,其表面的正电位增加,这说明这种药剂在煤表面发生静电吸附阴离子型表面活性剂吸附于煤表面后,增加了煤表面的负电位的值,这说明阴离子表面活性剂在煤表面的吸附只依赖于P型氢链非离子型表面活性剂吸附于煤表面后,使煤表面的pzc零电点向碱性增加的方向移动当煤表面没有表面活性剂吸附时其pHpzc=3.5,吸附了非离子表面活剂以后,其pHpzc=5.5以上说明,在非离子表面活性剂与煤表面发生了特性吸附②红外光谱分析在煤表面吸附表面活性剂之后,其红外光谱发生了变化从表2可以看出,3种不同表面活性剂有不同性质的吸附

表2 煤及不同表面活性剂的红外光谱吸收峰

药剂

KOH

K1700

K1600

Kal

Karo

煤表面

0.3494

0.4129

0.5494

0.3624

0.0538

RNH+3

1.3114

0.3398

0.4937

0.3766

0.0531

R′COORSO-3

0.2237

0.3126

0.4878

0.4558

0.0519

R′O(RO)H

0.2005

0.2801

0.4106

0.6067

0.0039

Kal代表脂肪族链的吸附,Kal值的增加意味着在所有发生的吸附中R′O(RO)H是效果的KOH、K1700和K1600分别代表羟基、羰基伸缩振动的变化,KOH、K1600、K1700值的明显减少,说明这些表面活性剂吸附后,抑制了煤表面羟基、羰基这类含氧官能团的伸缩振动的自由度,其中R′O(RO)H吸附强,R′O(RO)H次之,而RNH+3是弱的羟基和羧基的特性键向波数ΔV降低的方向移动见表3

表3 表面活性剂不同官能团的ΔV变化

官能团

ΔV/cm-1

-OH

171

-COO

117

-NR+3

无变化

ΔV是吸收键波数中变化明显的量,它主要依赖于原子间的距离和电负性ΔV的变化说明非离子型、阴离子型表面活性剂通过氢键吸附于煤表面的含氧官能团上但由于构成氢键的氧原子和氢原子距离的不同,其构成的氢键的强度也不同Karo值在R′O(RO)H发生吸附后明显降低,说明在煤表面的芳烃结构上向外的垂直变形振动受到了限制它说明R′O(RO)H的质子部分和煤表面芳烃构架上的π电子发生了相互作用这种作用主要是共价键性质,故被称为π型氢键,它与常见的P型氢键是不同的由此可见,非离子型表面活性剂比阴离子型表面活性剂在煤表面吸附更强一些阳离子表面活性剂在煤表面的吸附,增加了煤表面的正电位这是因为煤表面的负电荷与阳离子的正电荷发生作用,而其中的正电荷是主要的,负电荷被掩盖,因此称为静电吸附阴离子表面活性剂将增加煤表面负电位的值,这意味着阴离子活性剂是通过P型氢键和静电吸引(与煤表面的少数正电位作用)而吸附于煤表面的  非离子表面活性剂在煤表面的吸附导致煤表面的pzc向碱性增加方向移动,这说明在煤表面发生了特性吸附三种表面活性剂吸附后自由能的变化如表4所示

表4 三种表面活性剂在煤表面吸附自由能的计算

表面活性剂

半胶团的自由能/kJ. mol-1

极性基的吸附自由能/kJ. mol-1

吸附自由能计算式ΔG

RNH+3

43.1

2.9

ΔGCH2+ΔGelec

RCOORSO-3

61.9

21.8

ΔGP-hyd+ΔGCH2+ΔGelec

R′O(RO)H

88.7

60.2

ΔGn-hyd+ΔGP-hyd+ΔGCH2+ΔGelec

3种不同极性的表面活性剂与煤有机质作用机理的模型如图3所示

图3 3种表面活性剂在煤粒表面有机结构上的作用机理

根据以上理论,开发了MF系列选煤浮选促进剂,它是一种含有表面活性剂的油类捕收剂,其中表面活性剂的极性端吸附于煤表面的亲水基团上,并以烃链覆盖煤表面的亲水部分,使煤表面的疏水面积扩大,终使得精煤浮出率提高,而总药剂耗量得到降低  3 浮选剂的实际应用  对一批不同挥发分的煤在实验室进行了浮选试验,结果发现,在相同条件下,MF浮选剂耗量大幅度降低,其结果如表5所示  可见命名为MF的新型浮选促进剂将针对各种细粒煤的实际浮选性生产不同型号的产品,在通过工业性试验和试用后即由药剂制造厂正式生产这是继MB、MC和FJ之后的第四代科研成果

表5 浮选促进剂对不同挥发分煤的实验室浮选结果

选煤厂

平顶山

马兰

西曲

太原

药剂耗量/g.t-1 (干煤)

900

400

380

600

浮选入料灰分/%

13.92

13.24

15.63

11.06

精煤产率/%

89.06

91.80

87.31

94.59

精煤灰分/%

9.82

8.95

10.00

7.51

尾煤产率/%

10.94

8.20

12.69

5.41

尾煤灰分/%

47.32

51.32

54.41

74.16

浮选促进剂的初步工业性试验结果如表 6所示

表6 新型系列浮选剂的工业性单机试验结果比较

选煤厂名称

平顶山

马 兰

西 曲

太 原

精煤灰分/%

9.77

9.20

8.15

9.42

尾煤灰分/%

63.23~74.16

44.00

26.52

60.24

入料浓度/%

14.09~12.66

11.22

10.84

11.62

药剂耗量 /g.t-1

1.1

0.83

0.4

0.6

精煤灰分/%

9.48

9.54

7.97

8.04

尾煤灰分/%

61.29

34.22

21.82

54.96

入料浓度/%

13.68

11.22

10.84

11.62

药剂耗量/g.t-1

2.20

1.20

1.20

1.72

注:药剂耗量为干煤泥的药剂耗量  4 结  论  (1)煤的表面疏水性和理论可浮性可用分子理论进行正确的解释,认为煤表面含氧官能团和孔隙率是影响煤表面疏水性和理论可浮性的主要因素  (2)运用分子理论讨论了不同极性的表面活性剂及浮选促进剂在煤表面的作用机理,认为在煤的亲水性表面上,非离子型表面活性剂能够发生特性吸附,并以其长烃链覆盖了亲水部分,从而提高了整个煤粒的疏水面积  (3)实验室和初步工业试验均证明,不同挥发分含量的煤的浮选性不同,药剂消耗量不同   (4)新型浮选促进剂在节约油耗50%的情况下,仍能得到比现用浮选剂更好的效果  作者简介 郭梦熊 1929年生,教授,1956年毕业于原东北工学院,一直从事矿物加工工程专业的教学和科研工作,获省部级奖多项,主持国家863高科技攻关项目一项,在有关杂志上发表论文50余篇地址:北京市海淀区,邮码:100083作者单位:郭梦熊 霍卫东 安 征(中国矿业大学(北京校区)肖泽俊(平顶山煤业(集团)有限公司田庄选煤厂)汪潜峰(山西省煤管局西曲选煤厂)戴 政(山西省煤管局马兰选煤厂)崔玉宝 张学军(山西省煤管局太原选煤厂)

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