降低浮選泡沫穩(wěn)定性的探索試驗(yàn)

郭建偉，蘇壯飛，李正明，張坤龍，湯義春，吳大為

(1.唐山國華科技國際工程有限公司，河北 唐山 063020;2. 北京國華科技集團(tuán)有限公司，北京 101300)

降低浮選泡沫穩(wěn)定性的探索試驗(yàn)

郭建偉1，蘇壯飛2，李正明1，張坤龍2，湯義春2，吳大為2

(1.唐山國華科技國際工程有限公司，河北 唐山 063020;2. 北京國華科技集團(tuán)有限公司，北京 101300)

針對(duì)浮選生產(chǎn)中浮選泡沫過于穩(wěn)定而困擾生產(chǎn)的問題，研究采用分步釋放浮選試驗(yàn)結(jié)果來判斷泡沫的穩(wěn)定性，以煤粒粘附百分比來定量分析判斷泡沫的穩(wěn)定性。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)煤油作為捕收劑時(shí)，浮選泡沫穩(wěn)定性小于輕柴油。林西選煤廠浮選入料的單元浮選試驗(yàn)表明：煤油、輕柴油或者兩者以不同比例摻混，其浮選效果無顯著性差別，從而為生產(chǎn)中降低浮選泡沫穩(wěn)定性提供了參考。

浮選；浮選泡沫；泡沫穩(wěn)定性；煤油；輕柴油

在浮游選煤過程中泡沫的穩(wěn)定性對(duì)于浮選生產(chǎn)至關(guān)重要。泡沫的穩(wěn)定性俗稱粘性，是指泡沫從產(chǎn)生至消失所經(jīng)歷的時(shí)間長短。時(shí)間短者泡沫發(fā)脆，穩(wěn)定性差，消泡性好；反之，時(shí)間長者泡沫發(fā)粘，穩(wěn)定性好，消泡性差。浮選泡沫穩(wěn)定性差不利于精煤顆粒的上浮，影響浮選精煤產(chǎn)率；但是，如果泡沫過于穩(wěn)定，也會(huì)給選煤生產(chǎn)造成諸多不良影響，如：泡沫穩(wěn)定性過大會(huì)使泡沫流動(dòng)性變差，在溜槽、管道中自流速度緩慢，易造成外溢，嚴(yán)重影響生產(chǎn)和工作環(huán)境；泡沫穩(wěn)定性過大則多數(shù)氣泡在相當(dāng)長時(shí)間內(nèi)不會(huì)自行破裂，在泡沫池三相泡沫中，氣體占大部分體積，在同樣高度下，輸送泵的給料靜壓變小以至不上料，也可造成大量泡沫外溢；此外，如果泡沫穩(wěn)定性過大，則浮選尾煤中攜帶的泡沫可導(dǎo)致濃縮機(jī)的表面形成厚厚的泡沫層，嚴(yán)重影響循環(huán)澄清水質(zhì)量，甚至造成一系列惡性循環(huán)。上述現(xiàn)象在我國選煤廠時(shí)有發(fā)生，只是困擾生產(chǎn)的程度不同而已[1-5]。

在選煤領(lǐng)域，有關(guān)浮選泡沫的穩(wěn)定性研究不多。但是，通過分析浮選過程，認(rèn)為造成浮選泡沫穩(wěn)定性過大的原因不外乎以下幾點(diǎn)：

(1)浮選煤泥粒度組成太細(xì)，氣泡上粘附大量泥質(zhì)后，比表面積劇增，致使泡沫不易破裂[10]。

(2)起泡劑添加量過大，氣泡表面吸附了過量的起泡劑分子，易產(chǎn)生大量堅(jiān)韌且壽命很長的氣泡。

(3)所使用的起泡劑化學(xué)結(jié)構(gòu)不理想。我國選煤廠常用的起泡劑是脂肪醇類的雜極性物質(zhì)，一端為羥基類極性基，另一端為碳?xì)?烴鏈非極性基。如果烴鏈的碳原子數(shù)過多，則碳鏈分子間的引力較強(qiáng)，從而在氣-液界面上互相締結(jié)，使得氣泡有過高的穩(wěn)定性。

除上述三點(diǎn)以外，還有一個(gè)人們不太提及而確實(shí)存在的原因，即非極性烴類油捕收劑性質(zhì)的影響[6]。文章將對(duì)此進(jìn)行了一些探索性試驗(yàn)研究。

1 泡沫穩(wěn)定性的判定

在浮游選煤中，為提高煤粒表面的疏水性，使氣泡能夠與煤粒牢固附著的浮選劑稱為捕收劑。我國煤泥浮選最常用的非極性油類捕收劑是輕柴油和煤油，但它們所產(chǎn)生的泡沫的穩(wěn)定性是不一樣的，消泡性能自然不同。

目前，我國尚無評(píng)價(jià)粘附煤粒的氣、液、固三相泡沫的消泡性能的標(biāo)準(zhǔn)。但是，從MT/T144—1997《選煤實(shí)驗(yàn)室分步釋放浮選試驗(yàn)方法》[7]中可以看出輕柴油和煤油的消泡性能的差別。分步釋放浮選試驗(yàn)就是通過一次粗選、多次精選的方法，將煤泥按照其在氣泡上粘附的牢固程度的不同而分離成若干組分。在每次精選過程中，只添加稀釋水，而不添加任何浮選劑，所以必然有煤粒從泡沫上脫落下來，因此粘附在精煤泡沫上的煤粒逐次減少。造成煤粒脫落的兩種可能是：一是煤粒在氣泡上的粘附強(qiáng)度；二是氣泡的穩(wěn)定性。氣泡的穩(wěn)定性差也就意味著它的脆性高，消泡性能好，壽命短。

表1為本次試驗(yàn)的幾組煤樣的粒度組成[8]。表2列出了根據(jù)三個(gè)煤樣分步釋放浮選試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算出的逐次精選的泡沫上所粘附的煤粒占粗選泡沫上粘附煤粒的百分?jǐn)?shù)。所使用的起泡劑為仲辛醇；捕收劑為0#輕柴油(當(dāng)?shù)夭少?與煤油(因采購地不同稱為煤油A、煤油B)。由表2繪制出逐次精選的泡沫上煤粒粘附百分比，如圖1所示。

表1 試驗(yàn)煤樣的粒度組成

表2 三個(gè)煤樣逐次精選的泡沫上煤粒粘附百分比

圖1 三個(gè)煤樣逐次精選的泡沫上煤粒粘附百分比

從表2、圖1可看出：

(1)即使采用同一種捕收劑(如輕柴油)，逐次精選的泡沫上煤粒粘附百分比變化情況也各不相同。從表2的數(shù)據(jù)來看，消泡性能可能與煤泥的粒度組成關(guān)系不大，但可能跟精煤泥的表面性質(zhì)有關(guān)。有關(guān)煤泥表面性質(zhì)與泡沫穩(wěn)定性的關(guān)系，有待于進(jìn)行深入地研究。

(2)不同種類的捕收劑(如輕柴油和煤油)，在同一煤樣逐次精選的泡沫上煤粒粘附百分比的變化情況存在顯著性差異。特別是三鑫煤樣，使用煤油時(shí)，第四次精選時(shí)，煤粒粘附百分比僅為4.00%，而使用輕柴油時(shí)煤粒粘附百分比高達(dá)77.81%。

從上述分步釋放浮選試驗(yàn)可以看出，使用煤油作為捕收劑，煤粒在氣泡上的粘附力較弱，泡沫的穩(wěn)定性較低。在工業(yè)生產(chǎn)中也可以明顯地觀察到，使用煤油時(shí)泡沫的消泡性能變好，濃縮機(jī)表面漂浮的泡沫量大大減少，泡沫泵輸送正常。

值得注意的是，實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)表明，當(dāng)藥劑用量比正常倍增時(shí)，煤油和輕柴油的泡沫穩(wěn)定性差異并不明顯。

表3列出了根據(jù)林西選煤廠浮選入料分步釋放浮選試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算出的逐次精選的泡沫上所粘附的煤粒占粗選泡沫上粘附煤粒的百分?jǐn)?shù)。該試驗(yàn)除進(jìn)行了0#輕柴油和煤油A對(duì)比外，還進(jìn)行了兩者不同摻混比例的對(duì)比試驗(yàn)。

表3 林西選煤廠浮選入料逐次精選的泡沫上煤粒粘附百分比

根據(jù)相似相溶原理，煤油和輕柴油兩者能夠以任意比例摻混。從表3和圖2可以看出：當(dāng)煤油摻混比例達(dá)到50%時(shí)，泡沫的穩(wěn)定性就會(huì)顯著降低。據(jù)初步了解，在市場上煤油的貨源較為緊缺，因此選煤廠可采用煤油與輕柴油相互摻混的方法來緩解浮選泡沫發(fā)粘而影響生產(chǎn)的問題。

輕柴油與煤油在泡沫穩(wěn)定性上的差別主要在于它們的烴類含碳量上(即分子量的大小)，盡管不同的文獻(xiàn)對(duì)輕柴油、煤油的碳原子數(shù)和分餾溫度的說法不太一致，但煤油的分餾溫度低、碳原子數(shù)少、分子量小卻是個(gè)不爭的事實(shí)。

在浮選過程中，氣泡礦化形式以氣絮團(tuán)[1]為主(圖3)，是煤粒、小油滴、小氣泡的集合體。所謂泡沫穩(wěn)定性好與不好實(shí)際上是指氣絮團(tuán)的消泡性好不好。煤粒依靠吸附在其表面的油膜與氣泡粘附，小油滴又將諸多礦化氣泡粘附在一起，這種粘附力的大小可能與非極性油類捕收劑的分子量有關(guān)，分子量大的捕收劑其本身的分子內(nèi)聚力(范德華力)大，所以在氣絮團(tuán)中小油滴粘附力大，泡沫穩(wěn)定。

圖2 林西選煤廠逐次精選的泡沫上煤粒粘附百分比Fig.2 Percentage of coal particles adhered onto froth after each time of beneficiation of the coal sample at Linxi Coal Preparation Plant calculated using timed-release analysis method

圖3 氣絮團(tuán)示意圖

2 輕柴油、煤油的浮選指標(biāo)

雖然輕柴油和煤油是我國選煤廠最為常用的捕收劑，但兩者的浮選效果鮮有在公開刊物中登載過。為此，筆者搜集了一些煤樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室對(duì)比試驗(yàn)，按GB/T4757—2013《煤粉(泥)實(shí)驗(yàn)室單元浮選試驗(yàn)方法》[9]進(jìn)行了單元試驗(yàn)。

2.1 起泡劑單位用量偏小時(shí)

表4所列的是起泡劑用量≤0.05 kg/t情況下三個(gè)煤樣在多組試驗(yàn)中的浮選指標(biāo)。圖4為根據(jù)表4數(shù)據(jù)繪制的輕柴油和煤油的配比與浮選完善指標(biāo)的關(guān)系圖。

表4 0#輕柴油和煤油A單元浮選試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖4 輕柴油、煤油配比與浮選完善指標(biāo)關(guān)系

由表4和圖4可以看出：

(1)從三組煤樣的對(duì)比試驗(yàn)看，無論是浮選入料還是原生煤泥，變化趨勢(shì)均是隨著0#輕柴油的配比減少(即煤油質(zhì)量百分比的增加)，浮選完善指標(biāo)也減小。圖4的左右兩端就是0#輕柴油和煤油A的對(duì)比試驗(yàn)，顯然兩者的浮選效果是有差別的。

(2)在0#輕柴油和煤油的摻混體中，當(dāng)煤油百分比為25%時(shí)，與0#輕柴油的浮選完善指標(biāo)的差異不大，在-0.05～0.46個(gè)百分點(diǎn)之間。

在起泡劑用量偏小時(shí)，在相同的捕收劑用量條件下，使用輕柴油的效果要好的原因可能是，輕柴油中含有某些具有起泡性能的成分，而在煤油中這種成分很少，從而導(dǎo)致這種現(xiàn)象產(chǎn)生。

2.2 起泡劑用量正常時(shí)

根據(jù)GB/T4757—2013《煤粉(泥)實(shí)驗(yàn)室單元浮選試驗(yàn)方法》規(guī)定：在浮選劑選擇性試驗(yàn)時(shí)，起泡劑用量范圍在0.05～0.2 kg/t之間。

表5列出的是林西浮選入料在起泡劑用量為0.1 kg/t情況下的試驗(yàn)結(jié)果。

表5 起泡劑用量為0.1 kg/t時(shí)0#輕柴油和煤油A單元浮選試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

從表5可以看出，無論是精煤產(chǎn)率、精煤灰分、尾煤灰分，還是浮選完善指標(biāo)，這四次試驗(yàn)的結(jié)果相差甚小，這些小差異也可看作是試驗(yàn)全過程的隨機(jī)誤差造成。因此可以認(rèn)為，對(duì)于林西選煤廠的浮選入料，在相同藥劑用量情況下，輕柴油和煤油的試驗(yàn)結(jié)果不存在顯著性差異。

但梗陽選煤廠浮選入料的實(shí)驗(yàn)室單元浮選試驗(yàn)的結(jié)果(表6)則出現(xiàn)另一種情況：該廠銷售精煤灰分≤9.70%，在浮選試驗(yàn)精煤灰分接近10%時(shí)，煤油和0#輕柴油的浮選完善指標(biāo)極為相近，而隨著捕收劑用量的增加，雖然輕柴油和煤油浮選完善指標(biāo)均有下降的趨勢(shì)，但是煤油的降幅更為顯著。

由于各廠的浮選入料性質(zhì)不同，要求的精煤灰分也有所差別，并且煤油、輕柴油來源也不一致，故迄今為止尚缺少充足的數(shù)據(jù)來判定兩者之中哪一個(gè)效果更好一些。在浮游選煤時(shí)，使用輕柴油或煤油作為捕收劑，它們的浮選效果如何，不僅在于碳鏈長短，而更在于烴類油中影響捕收作用的有效組分。

石油產(chǎn)品烴類油的組分見圖5。我國研究者的試驗(yàn)表明：油類的化學(xué)組分的捕收作用強(qiáng)弱次序?yàn)椋悍枷銦N>烯烴>異構(gòu)烷烴>環(huán)烷烴>正構(gòu)烷烴；重芳香烴(多環(huán))>輕芳香烴(單環(huán))[3]。

表6 梗陽選煤廠浮選入料單元浮選試驗(yàn)結(jié)果

圖5 石油產(chǎn)品烴類油的組分分類圖

選煤廠所需的輕柴油、煤油來自于當(dāng)?shù)氐氖凸?，作為燃料油而言，不言而喻地要求燃燒充分，必然以飽和烷烴為主，這和浮游選煤非極性油類捕收劑的要求并不一致。此外，石油產(chǎn)品中還可能含有少量的含氧、含氮的非烴類物質(zhì)，而這類物有助于浮選過程。由于原油產(chǎn)地不同，石油冶煉廠的加工工藝不同，各選煤廠使用的烴類捕收劑的性質(zhì)也不盡相同，并且我國的石油供應(yīng)60%依靠進(jìn)口，進(jìn)口石油來自亞洲、非洲、美洲多國，因此對(duì)輕柴油、煤油捕收性能進(jìn)行比較具有較多的不可預(yù)測(cè)性。

3 結(jié)語

筆者采用選煤實(shí)驗(yàn)室分步釋放浮選試驗(yàn)方法的試驗(yàn)結(jié)果，定量判斷和分析了泡沫消泡性能的優(yōu)劣。多次試驗(yàn)表明，對(duì)于降低泡沫穩(wěn)定性而言，煤油的效果要好于輕柴油。該研究為選煤生產(chǎn)實(shí)踐中降低浮選泡沫穩(wěn)定性提供了有益參考，但對(duì)于各選煤廠來說，具體操作時(shí)應(yīng)該先進(jìn)行一些必要的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)。

雖然輕柴油和煤油是我國浮游選煤生產(chǎn)中很常用的捕收劑，但關(guān)于二者浮選效果對(duì)比的報(bào)道卻鮮見于公開專業(yè)刊物上刊載。筆者對(duì)于輕柴油、煤油的浮選效果做了一些試驗(yàn)對(duì)比工作，但由于石油產(chǎn)品來源極廣，確切定論還有待于今后的繼續(xù)探索。

[1] 吳大為,閆銳敏.浮游選煤技術(shù)(修訂版)[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2014.

[2] 趙國璽,朱步瑤.表面活性劑作用原理[M].北京：中國輕工業(yè)出版社,2003.

[3] 單忠健，葉立貞.中國煤炭工業(yè)百科全書-加工利用：環(huán)保卷[M].北京：煤炭工業(yè)出版社,1999.

[4] 丁立親，等.浮選的理論和實(shí)踐[M].北京：煤炭工業(yè)出版社,1987.

[5] 王 琦, 習(xí)海玲, 左言軍.泡沫性能評(píng)價(jià)方法及穩(wěn)定性影響因素綜述[J].化學(xué)工業(yè)與工程技術(shù),2007(2).

[6] 韓來兵,付曉恒, 趙海銘,等.捕收劑和起泡劑對(duì)浮選精煤三相泡沫穩(wěn)定性的影響[J].選煤技術(shù),2015(2).

[7] MT/T 144—1997 分步釋放浮選試驗(yàn)方法[S].

[8] GB/T 477—2008 煤炭篩分試驗(yàn)方法[S].

[9] GB/T 4757—2013 煤粉(泥)實(shí)驗(yàn)室單元浮選試驗(yàn)方法[S].

[10] 王 里, 李秉軒, 師天華.浮選過程中的消泡研究[J].煤炭加工與綜合利用,2010(4).

Exploratory experiment on reduction of stability of flotation froth

GUO Jian-wei1, SU Zhuang-fei2, LI Zheng-ming1, ZHANG Kun-long2, TANG Yi-chun2, WU Da-wei2

(1. Tangshan Guohua Technology International Engineering Corp., Tangshan 063020, Hebei, China; 2. Beijing GUohua Technology (Group) Co., Ltd., Beijing 101300, China)

In order to tackle the problems encountered in flotation operation due to overstability of flotation froth, timed-release experiment is conducted to determine the stability of froth through quantitative analysis of the percentage of coal particles adhered onto froth. Result of experiment indicates that with the use of kerosene as collector, the froth stability is lower than in the case of using light diesel oil as collector. As evidenced by bath flotation test at Linxi Coal Preparation Plant, with the use of either kerosene or light diesel oil or a mixture of both in varying proportions, no distinct difference in flotation performance can be observed-a fact which may serve as a reference for reducing stability of froth in flotation operation.

flotation; flotation froth; froth stability; kerosene; light diesel oil

1001-3571(2016)04-0010-05

TD943

A

2015-11-30

10.16447/j.cnki.cpt.2016.04.003

郭建偉(1988—)，男，河北省唐山市人，助理工程師，從事煤質(zhì)化驗(yàn)及煤炭洗選加工相關(guān)試驗(yàn)檢測(cè)。

E—mail:gjw@ghkj.cn Tel: 0315—5913480

郭建偉，蘇壯飛，李正明，等. 降低浮選泡沫穩(wěn)定性的探索試驗(yàn)[J]. 選煤技術(shù),2016(4):10-14.