1 前言
煤炭是我國的主要能源，占一次性能源消費(fèi)的74%。據(jù)1996年統(tǒng)計，煤炭產(chǎn)量達(dá)13億噸，已探明儲量為10200億噸，而石油儲量只有33億噸。從能源結(jié)構(gòu)上講，煤炭在可預(yù)見的將來仍是我國的主要能源，約占一次能源消費(fèi)的70-74%。燃煤是主要污染源，為了緩解環(huán)境壓力，提高能源工業(yè)經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)境效益，潔凈煤是主要戰(zhàn)略。為此我國提出了與發(fā)達(dá)國家不同的潔凈煤計劃。其特點(diǎn)有三：一是潔凈煤是貫穿從煤炭開采、加工、運(yùn)輸及利用的全過程的;二是發(fā)展適用于多種終端用戶的先進(jìn)實(shí)用技術(shù);三是發(fā)展與環(huán)境統(tǒng)一，社會環(huán)境效益與經(jīng)濟(jì)效益并重。
表面活性劑的應(yīng)用幾乎存在于煤炭開采、貯裝運(yùn)、加工利用的全過程中。由于煤炭工業(yè)比較落后，表面活性劑的開發(fā)利用在國內(nèi)遠(yuǎn)沒有受到足夠的重視。另外由于煤炭價格相對較低，也限制了表面活性劑應(yīng)用。隨著人們對生存環(huán)境要求的提高及國家潔凈煤計劃的實(shí)施，將有利于表面活性劑的開發(fā)和利用。
2 煤炭工業(yè)應(yīng)用表面活性劑概要?
表面活性劑由親油基和親水基兩部分組成，決定了其界面性質(zhì)的特殊性，尤其是在兩相或多相體系起重要作用。國內(nèi)外表面活性劑在煤炭工業(yè)中主要用在以下幾方面。表面活性劑在煤炭工業(yè)應(yīng)用比較廣泛，在煤炭工業(yè)上應(yīng)用表面活性劑應(yīng)考慮以下幾個因素。?
一、能降低煤炭開采和加工利用的成本或解決人們生存環(huán)境問題;?
二、能保障供給，對不同種類煤炭有廣泛的適用性;?
三、各種用途的表面活性劑不會對其它用途表面活性劑產(chǎn)生惡劣影響;?
四、煤炭附著表面活性劑在燃燒過程不產(chǎn)生有害物質(zhì)。?
下面分幾方面介紹表面活性劑的應(yīng)用現(xiàn)狀。?
3 在煤炭洗選工業(yè)的應(yīng)用
在煤炭洗選工業(yè)中，應(yīng)用表面活性劑主要是浮游選煤，浮選約占煤炭入洗量的15-25%。表面活性劑在選煤工業(yè)中用量最大，目前國內(nèi)每年用量約為6000噸左右，主要是一些起泡劑，還有少量的添加劑或促進(jìn)劑、脫水助劑以及乳化劑等。國外產(chǎn)煤大國，由于入洗比重大，煤炭可浮性好，表面活性劑的用量更大。
3.1 起泡劑
起泡劑是由極性基和非極性基組成的表面活性劑，絕大多數(shù)是非離子型的。現(xiàn)用仲辛醇、甲基異丁基甲醇、雜醇油、GF油、聚乙二醇、聚丙二醇等。表面活性劑在氣-水界面吸附能力大，而在煤炭表面不發(fā)生或很少發(fā)生吸附，多數(shù)能大大地降低表面張力，增大了空氣在煤漿中的彌散，改變氣泡在煤漿中的大小和運(yùn)動狀態(tài)，降低向礦漿中充氣攪拌的動力消耗，并能在礦漿面上形成浮選需要的泡沫層。
起泡劑對浮選工藝有較大的影響，選煤用起泡劑要求泡沫量多的同時，泡大小分布合理，韌性適中，粘度低，無刺激性氣味等。對毒性要求方面比發(fā)達(dá)國家要求低，藥劑在洗水中的殘留量對環(huán)境的影響幾乎沒有研究，而發(fā)達(dá)國家比較重視藥劑殘留量對環(huán)境的影響。
在我國選煤工業(yè)初期，用酚等做起泡劑，由于其毒性比較大，后來被2#浮選油(萜烯醇類)、黃油等化工副產(chǎn)品所取代。有相當(dāng)長一段時間用仲辛醇，仲辛醇來自于蓖麻油生產(chǎn)癸二酸的副產(chǎn)品。但仲辛醇從1990年起價格直線上升，到1993年基本上在選煤廠消聲匿跡了。
隨著石油化工工業(yè)的發(fā)展，在七十年代后期和八十年代初期，煤炭科學(xué)研究總院唐山分院相繼研制出了ZF浮選藥劑、190起泡劑和GF起泡劑，并得到了普遍推廣應(yīng)用。ZF浮選藥劑是由煤油在催化條件下氧化得到的產(chǎn)品。當(dāng)時煤油價格比較低，浮選效果尚可，在山東省、山西省和江蘇省等地應(yīng)用。后來由于煤油價格上漲，生產(chǎn)成本與浮選效果不相匹配，到1994年基本上停止生產(chǎn)。190和GF浮選油都是生產(chǎn)丁、辛醇的副產(chǎn)品經(jīng)提純得到的，亦屬于雜醇油類。目前GF是我國選煤廠主要用的起泡劑，年用量約為3000噸，其經(jīng)久不衰原因是價格低廉，盡管煤油和柴油價格上漲了幾倍，但GF油價格只上漲了不到70%。此外還有一些其它的起泡劑如JF，2#浮選油劑。
前蘇聯(lián)地區(qū)和我國的情況差不多，基本上都是研究化工產(chǎn)品的下腳料，經(jīng)加工處理用于煤炭的浮選，這樣可形成一種藥劑的低價位。而發(fā)達(dá)國家如美國、德國、英國等用的起泡劑多為甲基異丁基甲醇、松油醇和聚乙二醇和聚丙二醇等。在國際上比較有名氣的浮選藥劑公司有美國的道化學(xué)公司和氰胺公司，德國的Hoechst公司等。
國內(nèi)外除應(yīng)用起泡劑外，還廣泛使用復(fù)合藥劑。復(fù)合藥劑中起泡劑約占10-30%，也占有較大的量。復(fù)合藥劑除起泡劑外，還有浮選添加劑類的能在煤炭表面產(chǎn)生吸附表面活性劑，約占復(fù)合藥劑量的1-4%。國內(nèi)所用復(fù)合藥劑中，表面活性劑量也約占2500噸左右。
選煤是國家潔凈煤計劃首選項目，隨著對環(huán)保要求的提高，將努力加大煤炭的入洗比重，勢必加大起泡劑類和浮選添加劑類表面活性劑的用量。
3.2 浮選添加劑
浮選添加劑也是表面活性劑。能用于煤炭浮選添加劑的表面活性劑要求起泡性低，而且要能夠選擇性地吸附于煤粒表面，改善煤表面疏水性，又能降低油-水界面張力，提高油在水中的分散。以此降低浮選過程中煤油或柴油的消耗。盡管添加劑或促進(jìn)劑也降低油-水界面張力，但它不象起泡劑那樣在氣-水界面大量的吸附，如這種表面活性劑在水-氣界面上大量吸附，不僅影響氣泡的韌性，降低對煤的選擇性，而且惡化浮選精煤過濾。要求這種藥劑盡可能地吸附于煤的表面，改善其表面疏水性，加速油在煤表面的吸附，提高浮選效果。
九十年代初，我院相繼開發(fā)出OC浮選添加劑和浮選促進(jìn)劑。OC添加劑具有降低油-水界面張力和改善煤粒表面疏水性的雙重特性，主要是針對風(fēng)化煤和炭化程度低的煙煤，在捕收劑中加入4-5%量，可提高風(fēng)化煤浮選產(chǎn)率5-10%，降低油用量30-40%，選擇性高于煤油和柴油。該添加劑無毒無味，價格低廉，已在多座選煤廠應(yīng)用。浮選促進(jìn)劑則主要改善了起泡劑的性能，降低油-水界面張力，可以節(jié)油30%左右。
英國和美國在八十年代后期和九十年代也對浮選添加劑或促進(jìn)劑進(jìn)行了大量研究工作，有較多成果應(yīng)用于煤炭浮選，其使用效果低于國內(nèi)添加劑的效果，主要原因是我國煤炭多為難選煤，而英美等國煤炭易選，不需要太多的油(包括浮選添加劑或促進(jìn)劑)甚至不需要油來改善煤表面疏水性。
3.3 乳化劑
經(jīng)研究證明，在浮選過程中，油滴粒徑在10微米左右時，捕收效果最好，將捕收劑乳化，可以大大地降低油滴的粒徑，提高油的分散效果，從而降低藥劑用量。
黑龍江礦業(yè)學(xué)院在90年曾推出一種乳化劑，并在兩個選煤廠示范性推廣應(yīng)用，節(jié)油約25-30%。應(yīng)用時在廠外先將油乳化，后將乳化液泵送至浮選車間上面的儲罐中使用。但由于乳化劑比較粘，乳化時分散不是很好，經(jīng)常有乳化劑堵管現(xiàn)象，外加乳化液不穩(wěn)定，放置一段時間后分層，給浮選作業(yè)造成很大麻煩。最終未能推廣開。
我院用OC浮選添加劑與尼納爾配合使用做乳化劑，柴油乳化液相對比較穩(wěn)定，最多達(dá)25天，小浮選試驗(yàn)節(jié)油達(dá)70%以上。但在中試時，用膠體磨乳化，乳化條件與機(jī)械乳化機(jī)可能有一定的區(qū)別或是其它原因，形不成穩(wěn)定的乳液，離實(shí)際應(yīng)用仍有一定距離要走。形不成穩(wěn)定的乳液，在浮選車間儲罐中儲存時停留時間較長，應(yīng)用比較困難。但乳化后直接用，在技術(shù)上是成熟的，只是增加了生產(chǎn)環(huán)節(jié)，選煤廠一般不愿接受。所以乳化劑的應(yīng)用受到了限制。
3.4 脫水助劑
從七十年代始，美國和前蘇聯(lián)等地區(qū)開始研究脫水助劑。我院也在八十年代中期研制出新型1#脫水助劑，并廣泛應(yīng)用。?
助水助劑分為三類，一類是絮凝劑型，其作用原理是將浮選精煤絮凝，以減緩精煤礦漿中煤的分層速度，提高濾餅的滲透性和脫餅率。由于絮團(tuán)中包裹水分，絮凝劑很難大幅度降低濾餅水分，但可以提高過濾機(jī)處理量一倍以上。二類是表面活性劑，其作用原理是改善煤表面疏水性和降低水的表面張力，以提高脫水效果。第三類是金屬陽離子。其作用原理是中和煤表面負(fù)電荷，煤在等電點(diǎn)時的疏水性為最好，相應(yīng)地脫水效果也好。
表面活性劑型的脫水助劑在一些國家得到了應(yīng)用，主要強(qiáng)化離心機(jī)和過濾機(jī)脫水效果。國內(nèi)對表面活性劑型脫水助劑的研究也都很多，但由于價格昂貴，仍沒有應(yīng)用的價值。如我院和中國礦業(yè)大學(xué)都進(jìn)行了這方面的研究工作，水分降低2-4%之間，其用量達(dá)0.3-1.4kg/t干煤，仍需要尋找價格低廉的表面活性劑。
在國內(nèi)外用作脫水助劑的表面活性劑包括滲透劑OT、有機(jī)聚硅氧烷、聚氧化乙烯、烷基酚聚環(huán)氧乙烷和季銨鹽類表面活性劑等。這些表面活性劑用于煤炭脫水的適用性不是很強(qiáng)，對不同的煤炭種類要求不同的表面活性劑，也限制了應(yīng)用。
3.5 油團(tuán)聚選煤助劑?
油團(tuán)聚選煤和浮游選煤有明顯地不同。油團(tuán)選煤是在固液兩相完成作業(yè)，而浮游選煤是在固-液-氣三相中完成的，油團(tuán)選煤選擇性遠(yuǎn)遠(yuǎn)地高于浮游選煤。但油團(tuán)選煤油用量大，約為3-10%，生產(chǎn)成本較高。油團(tuán)選煤用助劑有兩類，一類偏重于改善煤疏水性，另一類偏重于乳化作用的。
油團(tuán)助劑的應(yīng)用，可以大大地簡化油團(tuán)聚選煤工藝，節(jié)約投資和降低成本、提高分選效果。油團(tuán)選煤是國內(nèi)外公認(rèn)的生產(chǎn)潔凈燃料的主要方法之一，在發(fā)達(dá)國家受到很大重視。如美國、加拿大、日本和澳大利亞等國相繼開發(fā)了多種油團(tuán)選煤工藝和設(shè)備。有的已達(dá)2t/h處理量的規(guī)模。在這些工藝中，普遍使用表面活性劑。
在八十年代中期，我院與日本三井造船株式會社合作開發(fā)MCOL技術(shù)，是油團(tuán)選煤工藝之一。在開發(fā)研究過程中，我院開發(fā)了S系列油團(tuán)助劑，其效果達(dá)到或超過了日本提供的F3303助劑。
油團(tuán)選煤成本盡管較高，但能生產(chǎn)出超低灰(1%以下)精煤，在發(fā)達(dá)國家仍有前景。而油團(tuán)選煤目前尚不適合我國的國情。
以上綜合分析了表面活性劑在國內(nèi)外煤炭工業(yè)應(yīng)用的現(xiàn)狀，從中不難看出，從煤炭開采、加工直至燃燒利用，幾乎每個環(huán)節(jié)都可以用表面活性劑。表面活性劑的應(yīng)用狀況與發(fā)達(dá)國家相比仍有較大差距，但隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展以及對環(huán)境要求的進(jìn)一步提高，將加快表面活性劑的應(yīng)用。同時也對科研工作者提出更高要求，努力研制價格低廉、效果好無毒無害的表面活性劑，以加快煤炭工業(yè)的發(fā)展。
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