Особенности флотационного обогащения барзасского сапромикситового угля

УДК 622:662.73

ОСОБЕННОСТИ ФЛОТАЦИОННОГО ОБОГАЩЕНИЯ БАРЗАССКОГО САПРОМИКСИТОВОГО УГЛЯ

Патраков Ю.Ф.1, Харлампенкова Ю.А.1, Семенова С.А.1, Клейн М.С.2

FEATURES OF FLOTATION ENRICHMENT OF BARZAS SAPROMIXITE COAL

Patrakov Yu.F.1, Kharlampenkovа J.A.1, Semenova S A.1, Klein M.S.2

Приведены результаты флотации барзасского сапромиксита в аппарате колоночного типа и лабораторной флотомашине. Показано, что обогащение во флотомашине с совместным использованием аполярного и гетерополярного реагентов имеет большую эффективность, чем пенная колонная флотация с использованием поверхностно-активных веществ.

Ключевые слова: барзасский сапромиксит, обогащение, флотация

The results of flotation of barzas sapromixite in the apparatus of column type and laboratory flotation machine. It is shown that the enrichment in the flotation machine utilizing both non-polar and heteropolar reagents is more efficient than a bubble column flotation using surfactants.

Key words: barzas sapromixite, enrichment, flotation

Наряду с каменными и бурыми углями в Кузбассе имеется уникальное месторождение девонских сапромикситовых углей (Барзасский угленосный район), общая длина полосы залегания которых составляет 80 км с подтвержденными запасами около 30 млн.т. Мощность угольных пластов варьирует от нескольких сантиметров до 9 м. Среди петрографических литотипов преобладает листоватая и плитчатая формы. Плитки состоят из тонких пластин, которые образованы из прилегающих друг к другу перепутанных лентовидных тел. При выветривании они отделяются и превращаются в так называемую "рогожку"[1]. Сапромикситы занимают промежуточное положение между сапропелитовыми и липтобиолитовыми углями и представляют собой продукты превращения биомассы первых кутикулоподобных растений - псилофитов [2].

Особенность этих углей как технологического сырья обусловлена относительно высоким содержанием водорода и наличием химических связей, способных легко деструктировать при различных физико-химических и термических воздействиях [3]. На основании результатов кинетических исследований и структурно-группового анализа высокомолекулярных продуктов неизотермического ожижения и озонирования барзасского угля была сконструирована «усредненная» модель фрагмента макромолекулы его органического вещества (ОВ) [4]. Полученная модельная структура фрагментов ОВ соответствует эмпирической формуле C727H790O36N2S4 и молекулярной массе 10260 г/моль. В молекуле присутствуют фрагменты, состоящие из двух - пяти конденсированных колец. По составу продуктов озонирования сделан вывод о пропорциональном вкладе в построение макромолекул

барзасского угля фрагментов алифатического и циклогидроароматического строения [5].

Специфика строения барзасских сапромикситов и возможность замещения ими традиционного угольного сырья до сих пор остаются дискуссионными, в связи с чем они не находят промышленного применения. В настоящее время, с появлением новых технологий обогащения и переработки твердых горючих ископаемых (ТГИ), эти угли стали представлять большой интерес как сырье для получения дорогостоящих углеводородных продуктов - алифатических карбоновых кислот, моторных масел и топлив, органических связующих, флотореагентов, стимуляторов роста растений и другой нефтезамещающей продукции.

Существующие в настоящее время процессы термохимической переработки (ожижение, полукоксование, газификация) ТГИ энерго- и ресурсозатраты, требуют применения высоких температур и давлений, поэтому требовательны к качеству перерабатываемого угольного сырья. Поскольку сапромикситовый уголь Барзасского месторождения имеет высокую зольность (19 до 73 %), то для дальнейшей переработки любым из названных методов он должен быть подвергнут обязательному обогащению.

Основными факторами, определяющими полноту извлечения угольных частиц и селективность флотации, являются научно-обоснованный выбор реагентов, технологических приемов и способов реализации процесса. Грамотное сочетание этих факторов позволяет не только получить удовлетворяющий технологическим требованиям концентрат, но и понизить себестоимость процесса флотации.

Цель работы: оценить эффективность флотационного обогащения барзасского сапромикситового угля с использованием различных методов обогащения и флотореагентов.

Исследуемый образец представлен плитчатой разновидностью, легко расщепляется на тонкие пластины, состоящие из малоизмененной кутикулы. Сапромиксит петрографичеки однороден и состоит главным образом из микрокомпонентов группы липтинита.

Для характеристики образца угля использовали следующие традиционные методы оценки (табл. 1):

- технический анализ (определение влаги аналитической (^а), содержания золы (А), выхода летучих веществ (Уёа!));

- петрографический анализ (определение показателя отражения витринита (Яо), содержания микрокомпонентов групп витринита (V), инертинита (/), липтинита (1));

- элементный состав (определение С, Н, N S, О-элементов);

- определение функционального состава О-групп (карбоксильных СООН-, карбонильных С=О-, гидроксильных ОН-групп).

Химико-технологическая характеристика образца барзасского угля

Таблица 1

Технический Петрографический Элементный Функциональный

анализ % анализ % состав, % на сИ состав, мг-экв/г

№ № Аб V 1 С Н О+И+Э СООН ОН СО

1,3 49,0 22,6 0,40 11 89 82,7 7,2 10,1 0,05 0,36 1,24

Обогащение образца барзасского угля (фракция < 0,2 мм) проводили двумя способами: в лабораторной флотационной машине с камерой объемом 1 л и флотационной колонне непрерывного действия (см. рисунок).

Принципиальная схема лабораторной флотационной колонны: 1 - компрессор, 2 - ротаметр, 3 - емкость питания, 4 - импеллер, 5 - носос питания, 6 - мешалка, 7 - пеносборник, 8 - пеногаситель, 9 - флотоколонна, 10 - аэратор, 11 - отстойник отходов, 12 - приемник концентрата, 13 - приемник отходов, 14 - сифон.

Машинную флотацию угля проводили при постоянной скорости вращения импеллера и степени аэрации пульпы. Уровень пульпы в камере флотомашины поддерживался постоянным.

Колонную флотацию осуществляли следующим способом. Пульпа из емкости (3) при непрерывном перемешивании (4) с помощью насоса (5) подавалась во флотоколонну (б = 30 мм) (9). В нижней части колонны собирались отходы (хвосты) флотации и поступали в хвостоприемник (13), а концентрат в виде пены из верхней

части колонны поступал в приемник для концентрата (12). Уровень пульпы и пены поддерживался сифоном, высота которого регулировалась подвижной рейкой (14).

В качестве реагентов использовали набор реагентов различного химического состава и принципа действия: углеводородный реагент на нефтяной основе (расход 1,5 кг/т) и вспениватель ОПСБ (расход 1 кг/т) для машинной флотации; пенообразователи экофол; ОП-7; ОП-7 и SA-72; экофол и SA-72 (расход 0,8 кг/т) для колонной флотации.

Результаты флотации оценивались по выходу концентрата Yк и отходов Yo, зольности концентрата Аёк и отходов Аёо и селективности процесса Ксел-

Ксел = ( А«о - А"к) / (100 - А"и),

где Аёо, Аёк и Аёи - зольность отходов, концентрата и исходного угля соответственно.

Результаты обогащения угля представлены в табл. 2.

Таблица 2

Реагент Концентрат Отходы Ксел

Ук, % Абк, % Ко, % А<0, %

Машинная флотация

Углеводородный реагент + ОПСБ 79,2 10,9 20,7 65,6 0,71

Колонная флотация

Экофол 35,9 10,9 62,2 41,2 0,42

Экофол и SA-72 30,8 16,1 67,3 47,2 0,43

ОП-7 19,0 21,6 78,6 25,4 0,05

ОП-7 и SA-72 11,3 28,3 85,0 34,6 0,09

Из результатов флотации барзасского сапромиксита (табл. 2) следует, что большей эффективностью обладает способ обогащения во флотационной машине с использованием углеводородного собирателя на нефтяной основе и вспенивателя ОПСБ, представляющего смесь монобутиловых эфиров пропиленгликоля. Коэффициент селективности процесса близок к единице, что свидетельствует о полноте отделения минеральных и органических компонентов угля.

Известно, что содержащиеся в ОПСБ эфиры способны в воде образовывать циклические структуры с подвижным гидроксилом, которые могут участвовать как в донорном, так и акцепторном взаимодействии с активными центрами угля и воздушного пузырька. Действие аполярных реагентов заключается главным образом в образовании в пульпе агрегатов за счет гидрофобной флокуляции [6]. Возможно, в данном случае большая эффективность флотации обусловлена эффектом совместного использования как аполярного реагента, имеющего сродство к «нефтеподобному» гидроароматическому органическому веществу барзасского сапромиксита [4, 5], так и реагента комплексного действия ОПСБ.

Обогащение во флотационной колонне с использованием пенообразователей (ПАВ) менее эффективно (табл. 2). В данном случае это может быть обусловлено как

особенностями гидродинамического, так и реагентного режимов. Среди использованных реагентов наилучшей селективностью обладал реагент комплексного действия Экофол. Можно полагать, что использование в качестве основных реагентов при колоночной флотации ПАВ, представляющих собой смесь гетерополярных соединений с различным строением и набором кислородсодержащих групп, в меньшей степени способствует их закреплению на сверхгидрофобной (атомное отношение Н/С=1,04; 0/C=0,07 [4, 5]) поверхности угольных частиц.

Таким образом, в данной работе установлена большая эффективность обогащения барзасского сапромиксита при проведении процесса во флотационной машине. Среди используемых реагентных режимов для флотации угля лучшие показатели имеют реагенты комплексного действия (н-р, Экофол) и совместное использование аполярных и гетерополярных реагентов.

Работа выполнена при частичном финансировании гранта РФФИ № 16-45420524 «Научное обоснование концепции комплексного освоения месторождений высокозольных твердых горючих ископаемых на принципах кластерного подхода (на примере месторождений сапропелитовых углей и горючих сланцев Кузбасса)».

Библиографический список

1. Фомин, А.Н. О природе барзассита // Горючие сланцы, 1990. Т. 7. № 1. С. 36.

2. Ергольская, З.В. Новые данные о происхождении барзасских углей // Химия твердого топлива, 1934. Т. 5. № 1. С.32.

3. Бодоев, Н.В. Сапропелитовые угли. Новосибирск: Наука, 1991. 120 с.

4. Patrakov, Yu.F., Kamianov, V.F., Fedyaeva, O.N. A structural model of the organic matter of Barzas liptobiolith coal // Fuel, 2005. V. 84. № 2-3. P. 189.

5. Семенова, С.А., Патраков, Ю.Ф. Особенности состава продуктов озонолитической деструкции органического вещества барзасского сапромикситового угля // Химия твердого топлива, 2009. № 2. С. 22-27.

6. Гришин, И.А., Князбаев, Ж.С. Основные направления совершенствования реагентных режимов флотации углей // Успехи современного естествознания, 2015. № 12. С. 87-90. Bibliograficheskiy spisok

1. Fomin, A.N. O prirode barzassita // Goryuchie slancy, 1990. T. 7. № 1. S. 36.

2. Ergol'skaya, Z.V. Novye dannye o proiskhozhdenii barzasskih uglej // Himiya tverdogo topliva, 1934. T. 5. № 1. S.32.

3. Bodoev, N.V. Sapropelitovye ugli. Novosibirsk: Nauka, 1991. 120 s.

4. Patrakov, Yu.F., Kamianov, V.F., Fedyaeva, O.N. A structural model of the organic matter of Barzas liptobiolith coal // Fuel, 2005. V. 84. № 2-3. P. 189.

5. Semenova, S.A., Patrakov, YU.F. Osobennosti sostava produktov ozonoliticheskoj destrukcii organicheskogo veshchestva barzasskogo sapromiksitovogo uglya // Himiya tverdogo topliva, 2009. № 2. S. 22-27.

6. Grishin, I.A., Knyazbaev, ZH.S. Osnovnye napravleniya sovershenstvovaniya reagentnyh rezhimov flotacii uglej // Uspekhi sovremennogo estestvoznaniya, 2015. № 12. S. 87-90.

Патраков Юрий Федорович - доктор химических наук, заведующий лабораторией научных основ технологий обогащения угля Федеральный исследовательский центр угля и

углехимии Сибирского отделения Российской академии наук (Институт угля СО РАН), г. Кемерово , E-mail: yupat@icc.kemsc.ru

Patrakov Yury - Doctor of Chemistry, Laboratory of scientific bases of technology of coal enrichment of coal. Federal research center of coal and coal chemistry, Siberian branch of the Russian Academy of Sciences (Institute of coal SB RAS), Kemerovo, E-mail: yupat@icc.kemsc.ru Харлампенкова Юлия Александровна - ведущий инженер лаборатории научных основ технологий обогащения угля. Федеральный исследовательский центр угля и углехимии Сибирского отделения Российской академии наук (Институт угля СО РАН), г. Кемерово. E-m^il: kon. julija@gmail.com

Kharlampenkovа Julia - Senior Engineer laboratory scientific foundations of the technology of coal enrichment of coal. Federal research center of coal and coal chemistry, Siberian branch of the Russian Academy of Sciences (Institute of coal SB RAS), Kemerovo. E-mail: kon. julija@gmail.com

Семенова Светлана Александровна - кандидат химических наук, доцент, Федеральный исследовательский центр угля и углехимии Сибирского отделения Российской академии наук (Институт угля СО РАН), г. Кемерово. E-mail: semlight@mail.ru

Semenova Svetlana - Candidate of Chemical Sciences ,associate Professor, Federal research center of coal and coal chemistry, Siberian branch of the Russian Academy of Sciences (Institute of coal SB RAS), Kemerovo. E-mail: semlight@mail.ru

Клейн Михаил Симхович - доктор технических наук, профессор, Кузбасский государственный технический университет им. Т.Ф. Горбачева, г. Кемерово. E-mail: m-klein@mail.ru

Klein Mikhail - Ph. D., Professor, Gorbachev Kuzbass State Technical University, Kemerovo E-mail: m-klein@mail.ru