浮游選煤

浮游選煤是指在充氣的煤漿中，依據顆粒表面潤濕性分選煤泥。浮選是在固、 液、 氣三者相互接觸的界面上進行的。這三者稱為三相， 即固相、液相及氣相。所以， 討論浮選過程，就必須研究三相界面上所發生的表面現象。

基本介紹

• 中文名：浮游選煤
• 外文名：coal flotation
• 過程：一種物理化學
• 分選：煤和矸石顆粒表面性質
• 依據：潤濕性和礦化過程
• 影響因素：成分、變質程度、氧化程度等

概述

浮游選煤是一種物理化學過程，利用煤和矸石顆粒表面性質的不同而分選，煤粒的表面有疏水性質，而矸石的表面有親水性質。 疏水、親水一般用接觸角，表面的疏水性逐漸增加，水滴扁平、表面易為水濕潤到水滴呈團球狀、表面不易被水濕潤；如果以氣泡與物質表面接觸,得到相反的情況，水滴扁平的、氣泡呈圓球狀， 冶金備件水滴圓球狀的、氣泡扁平；說明親水 的物質疏氣，而疏水的物質又必親氣。

因此，由於疏水性質使煤粒容易浮向氣泡，親水性質又使得矸石粒不易為氣泡粘住。但是僅靠煤和矸石本身的表面性質不同還不能有效地進行分選，必須加一種藥劑以增強煤粒表面的 疏水性（捕集劑），冶金備件添加一種藥劑可以增加煤漿中氣泡的產生和分散（起泡劑），然後在，選 機中增強充氣，使煤粒粘在氣泡上浮起，而矸石粒留在水中，完成浮選的過程。

依據

對小於 0.5mm的細粒級煤泥最有效的分選方法是浮游選煤法。它是根據礦物表面性質的不同，即根據他們在水中對水、氣泡、藥劑的作用不同，通過浮選法高效分離出有用礦物和廢渣。煤泥浮選是依據煤和矸石表面潤濕性的差異進行分選的，其實質是疏水的煤粒粘附在氣泡上， 親水的矸石顆粒滯留在煤漿中，從而實現彼此分離。

浮選是在固、 液、 氣三者相互接觸的界面上進行的。這三者稱為三相， 即固相、液相及氣相。所以， 討論浮選過程，就必須研究三相界面上所發生的表面現象。有關表面現象的知識， 則是浮選原理的基礎。

礦物表面的潤濕現象

荷葉上的水滴呈球形是人所共見的自然現象， 這表明荷葉的表面是疏水的 （即親氣的） 。凡是表面疏水的固體顆粒， 在水中都能粘附在氣泡上。

疏水性和潤濕性互為反義詞。當三相接觸時， 液相在固相表面鋪展開， 排斥氣相而占據固相表面的現象稱為潤濕現象。

例如， 將水滴到石蠟表面，水滴成球形，這表明石蠟表面疏水性好，潤濕性差；而在玻璃表面水滴會自動鋪展開來，這表明玻璃潤濕現象，疏水性差， 潤濕性 （親水性） 好。將水滴到光亮的煤炭表面， 像石蠟一樣，水滴成球形；滴到矸石表面，像玻璃一樣，水滴會自動鋪展開。也就是說水與煤炭、水與矸石之間的相互作用也是不同的。

人們把易被水潤濕的表面 （如矸石表面） 稱為親水表面， 把不易被水潤濕的表面 （如煤炭表面） 稱為疏水表面， 相應的礦物分別稱為親水性礦物和疏水性礦物。

氣泡從煤的表面排開水層並與其粘附； 相反的是氣泡不能從矸石的表面排開水層實現粘附，仍保持球形。

煤的表面是疏水的， 而如果矸石顆粒中主要成分是已單體解離的矽酸鹽類、 碳酸鹽類和氧化物類的極性礦物， 那么它們的表面是親水的， 所以能夠以浮選的方法將其分離出去。但煤的表面性質是不均勻的， 某些部位也親水。所以， 為了擴大煤粒與矸石顆粒可浮性的差別， 在浮選過程中加入非極性油類捕收劑。這類捕收劑疏水性強， 能吸附在煤粒表面形成油膜， 增大其接觸角； 非極性油類不易吸附在矸石顆粒表面， 從而提高煤粒表面的疏水性，增強了煤粒與氣泡粘附的能力。

氣泡的礦化過程

浮選過程中， 礦粒有選擇性地附著在氣泡上的現象稱為氣泡的礦化。礦化氣泡的形成有三種形式：

1、 大泡形成的礦化氣泡因大氣泡的上浮運動， 在重力作用的影響下， 只有少量細煤泥聚集於大氣泡的尾部。在大泡表面也可能粘附高灰分的泥質。

2、群泡形成的礦化氣泡 。許許多多的微泡粘附在大粒度的煤粒上， 使其上浮。該礦化形式對粗粒浮選有重要意義。

3、氣絮團形成的礦化氣泡 。浮選過程中， 許多煤粒與氣泡相互粘附， 形成了煤粒、 氣泡、 小油滴的集合體， 即氣絮團， 達到了最大程度的礦化。在工業生產的浮選機中這三種形式形成的礦化氣泡都可能出現， 但以氣絮團形式為主。

煤粒與氣泡的接觸方式

煤粒與氣泡的碰撞附著

煤粒與氣泡的碰撞附著與浮選機中流體的流動狀態、 氣泡和顆粒的大小以及二者的相對運動軌跡等有關。粗粒與氣泡附著有碰撞、 水化層減薄、 水化層破裂和接觸周邊展開四個階段。

微細顆粒與氣泡的附著方式有兩種情況： 一是水化層破裂， 形成三相接觸周邊； 二是水化層不破裂， 只要煤粒與氣泡之間距離小到一定程度， 在一些複雜因素影響下， 也可以相互粘附。

按水力學對流態的劃分， 液流中渦流程度大的屬湍流狀態， 反之屬層流狀態。在絕大多數浮選機中尤其在攪拌混合區屬湍流狀態。湍流中顆粒和氣泡的運動方向不定， 顆粒和氣泡的碰撞可以發生在氣泡的各個部位， 同時， 湍流強度對顆粒和氣泡碰撞附著及礦化氣泡的浮產生較大的影響。顆粒和氣泡的碰撞機率除受湍流影響外， 還受煤漿濃度和氣泡數目的影響。若湍流強度大、 煤漿濃度高和氣泡數目多， 顆粒和氣泡的碰撞附著機率則提高。但湍流強度提高后， 顆粒從氣泡上的脫落率也增大。顆粒越粗， 表面親水性越強， 湍流的這種副作用越顯著， 因此， 湍流強度增加後， 顆粒上浮率並不一定提高。在工業條件下， 要保證粗粒的最大產率， 應選擇適宜的湍流強度。對細粒物料可採用稍高的湍流強度， 這不但對附著有利， 而且可以產生更多的小氣泡， 有利於提高微細顆粒的碰撞機率和浮選速度。

湍流中顆粒所受到的脫落力引起顆粒脫離氣泡的脫落力主要有顆粒在煤漿中所受的重力、 渦流引起的離心力、 流體的剪下力、 顆粒間的衝擊力和氣泡滑行過程中的慣性力，隨著湍流強度的增大， 脫落力也增大， 所以在湍流條件下， 浮起的最大顆粒尺寸僅為層流條件下的十分之一。

析出微泡與煤粒附著

近年來， 國內外的一些浮選機開發研製單位更著力於利用煤漿中析離出的空氣在煤粒表面形成微小氣泡來強化浮選過程。按照氣體在液體中的溶解度與壓強成正比的規律， 若

煤漿的壓強突然減小， 氣體的溶解度也隨之下降， 於是氣體在煤漿中呈過飽和狀態， 它們就以微泡形式析離出來。

微泡析出的過程

微泡析出取決於以下三個因素：

一是煤漿中初始的空氣溶解度；

二是煤漿降壓程度；

三是是否具有疏水性較強的固液界面。

試驗表明： 施加的壓強越大， 氣泡尺寸越小， 氣泡與液體接觸面積越大， 氣體溶解的速度就越快。這在浮選工藝中是不難實現的， 如在煤漿進入浮選機前， 預處理時加入起泡劑， 起泡劑：為表面活性物質， 能降低氣液界面表面張力， 可大大提高氣體在煤漿中的溶解速度。不添加起泡劑時， 隨著降壓幅度的增加， 微泡直徑增大。添加起泡劑後， 微泡直徑明顯減小， 而且數量大大增加。微泡有利於礦化。

再如噴射式浮選機利用對煤漿施加壓力的原理， 增加空氣的溶解度。壓力劇烈降低， 使溶於煤漿中的空氣以微泡形式析離出來。（在浮選機中的主要表現形在一些特殊結構的浮選機內， 如真空浮選機， 在煤漿表面抽氣造成負壓； 噴射式浮選機是將加壓煤漿噴入機槽， 使壓強突然降低。）在煤漿的旋渦運動中心， 壓力大為降低。機械攪拌式浮選機的葉輪葉片前方為高壓區， 其後則為低壓區， 葉輪甩出煤漿時， 引起壓力的波動。煤漿由浮選機底部向上流動時， 靜壓力逐漸降低。瞬間降壓幅度越大， 空氣的析出量就越大， 並以微泡形式析出。當煤漿壓力劇烈降低時， 氣體有選擇性地在疏水性強的顆粒表面析出大量微泡。據試驗觀察， 在疏水性良好的煤粒表面上有幾十個甚至數百個微泡， 而在親水性很強的石英表面就沒有發現微泡的存在。微泡容易在疏水性良好的固體表面析出的原因是： 固液界面是液體分子間的斷裂面 （即薄弱區） ， 在固體表面附近的極性水分子取向排列的有序性隨固體表面疏水性增高而降低。水分子與疏水性表面聯繫越弱， 水化層越薄， 由煤漿中析出的氣體分子就越容易滲透過水化層在固體表面形成微泡。研究還指出疏水性礦物表面的微孔、 裂紋和缺口被氣體分子充填， 即存在有 “氣體幼芽” ， 它們便成了微泡析出的核心。在試驗中還發現起泡劑對微泡大小是有影響的。

影響煤泥可浮性的主要因素

煤泥的可浮性是指通過浮選提高煤粉（泥）質量的難易程度。煤泥的自然屬性即它的物質組成和化學成分決定著煤泥可浮性的難易程度， 煤泥的其他物理性質也對煤泥的可浮性產生影響。

各種煤岩成分的浮選性質

從煤岩組成看， 煤通常可分為鏡煤、 亮煤、 暗煤和絲炭。這四種煤岩成分的非可燃體來源是不同的：

鏡煤、 亮煤的含灰物質來自於成煤原始植物的本身， 其灰分較低；

而暗煤、 絲炭的含灰物質來自於成煤過程中礦物雜質的混入， 其灰分高， 親水性強。鏡煤煤岩成分單一，表面平整， 含有大量性質不活潑的無結構基質， 孔隙數目少， 可浮性好； 亮煤的可浮性也較好； 暗煤的可浮性居中； 絲炭表面孔隙多， 親水性強， 可浮性最差。絲炭嚴重影響焦炭質量，而浮選能高效地按煤岩成分分選， 將絲炭排除在外。

煤泥的密度組成在一定程度上也反映出其可浮性的難易程度。因為低密度的煤泥中所富集的煤岩成分是疏水性好、 灰分低的鏡煤和亮煤。

煤粒密度的增加， 通常是由於礦物雜質含量增加， 因而其灰分也增加。隨著煤泥灰分含量增高， 接觸角減小。中間密度級的含量越高， 煤與礦物雜質單體解離程度就越差， 煤的可浮性也就越差。但要著重指出的是， 浮選是依據煤與礦物雜質之間潤濕性的差異而不是二者之間的密度差異進行分選的。因此對浮選入料的密度組成分析， 只能在一般情況下作大致的定性判斷。在有些場合， 煤泥的密度組成並不能確切地反映出煤泥的可浮性的難易。

煤的變質程度

按煤的變質程度把煤分為褐煤、 煙煤和無煙煤。隨著煤變質程度的加深， 性質不活潑的部分不斷增加， 即碳含量相對增加， 氫氧等官能團支鏈隨著煤分子排列的規則化增強而減少 即氫含量相對減少， 使煤的表面疏水性遞增， 煤的可浮性變好。中等變質程度的煤表面疏水性最高。煤的疏水性與煤的變質程度的關係如圖 所示。當煤變質程度進一步增高至無煙煤階段， 官能團支鏈顯著減少， 芳香核環縮合程度增高， 相應的煤核結構單元的尺寸減小， 而網面間距增大。因為煤核層面為疏水， 而網面的斷口為親水， 所以無煙煤的表面疏水性低於中等變質程度 （碳含量最大的煤即是中等變質程度的煤） 的煙煤。

不同變質程度的煤， 具有不同的孔隙度。變質程度低的煤具有較高的孔隙度， 中等變質程度的煤具有較小的孔隙度， 而變質程度高的煤孔隙度又增加。

孔隙度對煤的可浮性有很大影響。孔隙度高的煤具有高度的吸附能力。煤漿中的煤粒要與水、 浮選劑等接觸， 因為孔隙多使毛細現象顯著， 必然增強煤粒表面對水和浮選劑的吸附作用。由於潤濕現象和表面張力的作用， 直徑小於的毛細管內液柱升高的現象， 稱為毛細現象。毛細現象表明； 在一定溫度下， 毛細管越細， 液體對管壁潤濕性越好， 液體進入毛細管中就越多。孔隙吸水使得煤表面水化程度加強。這一現象還改變了煤粒與浮選劑的作用機理， 使之複雜化。煤粒表面孔隙多， 往往使浮選劑耗量增加， 選擇性下降。

煤表面的氧化程度

煤表面發生氧化後， 增加了煤表面的親水性， 使煤泥可浮性降低。煤易氧化， 而且在水中氧化比在空氣中氧化更為激烈， 因為水和煤中的含氧官能團產生氫鍵結合， 加劇氧化， 所以應儘量縮短煤粒在水中的浸泡時間。此外煤中的芳香烴側鏈與空氣中的氧也會發生氧化。如果芳香格線上存在含氧、 氮、 硫的官能團， 也能促使煤表面氧化。因此煤表面能團數量多少， 是決定煤是否易氧化的主要因素。煤的抗氧化能力隨變質程度的加深而增強。按各煤岩成分來說， 抗氧化能力由弱到強的順序為： 絲炭、 暗煤、 亮煤、 鏡煤。應避免在貯煤場長久堆放的煤炭和靠近地表煤層的風化煤入浮。

礦物雜質和嵌布特性

礦物雜質煤中礦物雜質分為粘土礦物、 氧化物和氫氧化物礦物、 硫化物礦物、 碳酸鹽礦物、 石膏和其他礦物。煤中礦物雜質的成分和特性與聚煤環境以及成煤後所經歷的各種地質作用及開採過程有關。煤中礦物雜質是煤的組成部分， 它們不僅影響煤的發熱量， 而且影響煤的表面化學性質。按礦物雜質對浮選效果產生的影響， 將它們簡單歸類如下。

1、易泥化的礦物雜質這類雜質主要是粘土物質， 包括高嶺土、 泥質頁岩、 粘土等， 在浮選過程中由於水浸和攪拌作用， 易產生泥化現象。所謂泥化就是礦物雜質遇水浸泡碎散成細微顆粒。大量的細泥物質吸附於煤粒表面， 使煤粒表面失去疏水性或部分失去疏水性。這種現象的危害性表現為一方面會阻止煤粒與氣泡的粘附， 造成煤粒損失於尾礦中， 另一方面會隨浮起的煤粒進入精煤， 對精煤造成污染。礦物雜質嚴重泥化時會使浮選過程受到干擾， 嚴重影響分選作業，

可以採用脫泥浮選、 降低煤漿濃度、 加強泡沫二次富集作用或精煤再選的措施來消除或減輕這類不利的影響。

硫化物由於燃煤導致嚴重的大氣污染， 煤炭脫硫已引起世界各國的普遍重視。已開發國家選煤的重點已轉向脫硫。鑒於疏對鋼鐵質量的嚴重危害性， 從煉焦精煤中脫硫早為人們所重視。

2、煤中疏分為有機硫和無機硫兩類。選煤工業目前無法脫除有機硫， 只能脫除無機硫硫鐵礦硫。與煤共生的硫鐵礦， 含有一定數量的有機物質， 所以比自然界的硫鐵礦要有更好的可浮性。用常規方法浮選時， 硫鐵礦必將污染精煤。尤其採用過量起泡劑時， 污染更為嚴重。加大充氣量和提高葉輪轉速， 也會促使硫鐵礦浮起。另外， 大部分硫鐵礦在浮選過程的最後階段浮起， 所以， 延長浮選時間也不利於煤的分選。為了在浮選中脫除無機硫， 必須採用經濟、 安全、 高效的抑制劑來抑制硫鐵礦物的浮起。

如我國進行的 抑制劑和聯苯雙酚的試驗研究， 均取得了一定的效果。

目前正在研究一種微生物表面處理後的浮選方法， 即利用具有一定親水性的細菌微生物， 如氧化硫桿菌或氧化亞鐵菌等， 對硫鐵礦物的選擇性吸附， 使硫鐵礦物表面親水性增強受到炭化程度影響的礦物雜質與煤共生的一些礦物雜質， 受到炭化程度的影響， 含有一定數量的有機物質， 因此具有一定的疏水性。這類物質主要有炭質頁岩、 油頁岩、 泥板岩等。由於它們具有疏水性， 在浮選過程中難免有一部分混入泡沫而污染精煤。其影響程度與它的解離程度、 炭化程度、 藥劑制度等有關。

3、可溶性礦物雜質，屬於此類礦物雜質的有硫酸鹽及其他鹽類， 其中包括石膏及其他可溶性鹽類。當它們的溶解度增大時， 煤漿中電解質的濃度也相應提高。電解質吸附於煤粒表面， 形成親水膜，降低煤粒的可浮性， 對浮選過程的各個階段都產生影響。所以應分析礦漿中電解質性質， 進行必要的調整， 以消除其影響。

4、 非極性礦物雜質，這類雜質有矽酸鹽、 碳酸鹽、 氯化物等， 其中包括方解石、 石英、 磁鐵礦、 長石、 白雲石、 霞石等。它們均屬非極性礦物， 不含有機物， 溶解度低， 在煤漿中不泥化， 表面親水， 沒有浮游能力， 易從尾礦中排出， 對浮選過程不產生有害影響。

5、嵌布特性

所謂嵌布是指礦物雜質在煤中的分布形態， 即是以多大尺寸分布的。當煤中極性雜質呈粗粒嵌布時， 易於與煤分離， 對煤的可浮性影響不大； 當煤中極性雜質呈微細粒嵌布時， 將降低煤的可浮性。

煤泥粒度組成

不同粒級的煤泥有不同的浮選速度， 它們的綜合作用也反映在煤泥的可浮性上， 所以粒度組成也是影響煤泥可浮性的主要因素之一。

總而言之， 影響煤泥可浮性的因素是多方面的， 所以不能只根據其中一項因素來進行判斷。煤泥可浮性等級：可浮性等級、極易浮、易浮、中等可浮、難浮、極難浮。

浮選劑

浮選劑的作用

煤泥浮選是利用煤和礦物雜質的表面物理化學性質的差異實現分選過程的。為強化分選效果， 浮選中添加了各種浮選劑， 浮選劑是為實現或促進浮選所套用的各種化學藥劑的總稱。

浮選劑的作用主要是提高煤粒表面疏水性和煤粒在氣泡上粘著的牢固度； 在礦漿中促使形成大量氣泡， 防止氣泡兼併和改善泡沫的穩定性， 使煤粒有選擇性地粘著氣泡而上浮；調節煤與礦物雜質的表面性質， 提高煤泥的浮選速度和選擇性。

在煤泥浮選中， 一般只使用兩種浮選劑， 一種是改善煤粒表面疏水性的捕收劑， 另一種是起泡劑。調整劑在煤泥浮選中使用不多， 但隨著市場對煤炭質量要求的進一步提高， 調整劑的使用可能會受到一定程度的重視。

浮選劑的分類

1、按作用分類

浮選劑按其作用可分為以下幾類：

（1） 捕收劑

捕收劑是指加入煤漿中提高煤粒表面的疏水性， 使其易於並牢固地和氣泡附著的浮選劑。在浮選中最常用的捕收劑為非極性烴類化合物， 如煤油、 輕柴油等。

（2） 起泡劑

起泡劑是指在浮選過程中用以控制氣泡大小、 維持氣泡穩定性的浮選劑。屬於這類浮選劑的是各種有機表面活性物質， 如脂肪醇。

（3） 調整劑

調整劑是指調整煤漿及礦物表面的性質， 提高某種浮選劑的效能或消除負作用的浮選劑。選煤用調整劑主要包括：

介質值調整劑— — —調整煤漿酸鹼度的浮選劑， 用以改變煤粒和礦物雜質表面的電性， 來提高浮選過程的選擇性。屬於這類浮選劑的有石灰、 硫酸等。

抑制劑— — —浮選過程中用於控制礦物雜質對分選的有害行為， 降低某種礦物表面疏水性， 使其不易浮起， 從而提高煤與礦物雜質分離的浮選劑。屬於這類浮選劑的有偏矽酸鈉六偏磷酸鈉和澱粉等。

（4）其他

其他還有用於增加非極性油類在煤漿中彌散度的乳化劑等。

必須指出， 上述浮選劑類別是按其基本作用區分的。事實上由於組成結構的影響， 通常都不會只起一種作用， 還兼有其他作用。某種浮選劑在一定條件下屬於這一類， 條件改變後可能屬於另一類。

2、按分子結構分類

浮選劑按其分子結構可分為以下幾類：

（1 ） 極性浮選劑

這類浮選劑的分子就整體而言是電中性的， 但具有兩個電極， 就像磁鐵棒具有兩個磁極一樣， 它們能吸引極性水分子， 具有親水性， 能溶解在水中， 如各種酸類、 鹼類、 鹽類。

（2 ） 非極性浮選劑

這類浮選劑的分子正電荷與負電荷的電重心是重合在一起的， 在水中不解離， 基本不能吸引極性水分子， 水化作用很小， 具有疏水性。它們以小油滴形態懸浮在水中， 如烴類化合物 （油類） 。

（3 ） 復極性浮選劑 （又稱雜極性浮選劑）

這類浮選劑的分子由兩部分組成， 即極性部分 （常稱極性基） 和非極性部分 （常稱非極性基） 。極性基具有親水性， 非極性基具有疏水性。如直鏈脂肪醇， 一端為非極性基碳氫烴鏈。

優點

工藝流程簡單、設備較少，粉碎過程也是混合過程，粉碎後不需要設定 混合設備；布置緊湊，操作方便，冶金備件沒有粉碎過的煤較易下料，故配煤盤操作容易；通過確定適 宜的粉碎細度，可在一定範圍內改善粒度分布，提高焦炭質量。