WZBOGACANIE WĘGLA METODĄ FLOTACJI
Węgiel kamienny wydobywany jest na powierzchnię w postaci różnej wielkości ziaren
węgla oraz skały płonnej (kamienia, piasku, łupków). Aby mógł stanowić cenny produkt
handlowy musi być dostosowany do potrzeb użytkownika. Dostosowywanie takie odbywa się
w zakładach przeróbczych i polega na usuwaniu nieużytecznych składników (substancji
mineralnej) urobku. Wydobyty węgiel poddajemy procesom wzbogacania.
Zawartość substancji mineralnej w węglu wynosi od kilku do 30% mas. Substancja
mineralna jest niepożądana w technologii użytkowania węgla. Obniża jakość surowca, w
konsekwencji jakość produktu, powoduje korozję urządzeń oraz podwyższa koszty transportu.
W znacznej części wydobywane węgle energetyczne spełniają parametry gwarancyjne kotłów
i nie wymagają wzbogacania. Wzbogacone węgle energetyczne odznaczają się podwyższoną
wartością opałową oraz mniejszą emisją tlenków siarki. Węgle koksowe, przeznaczone do
produkcji koksu powinny charakteryzować się niską zawartością substancji mineralnej zatem
większość z nich jest wzbogacana. Zanieczyszczenia mineralne wpływają ujemnie na stan
plastyczny węgla a w konsekwencji obniżają wytrzymałość koksów. Zwartość popiołu w
węglu koksowym nie może przekraczać 9% mas. W Polsce funkcjonują obecnie 43 zakłady
przeróbcze umieszczone przy 41 kopalniach. Najbardziej rozpowszechnionymi technologiami
zbogacania jest wzbogacanie grawitacyjne, w tym separacja we wzbogacalnikach z cieczą
ciężką (wodne roztwory ZnCl2 lub CaCl2 lub mieszaniny CCl4 i toluenu lub CCl4 i
bromoformu) oraz wzbogacanie w osadzarkach wodnych. Do wzbogacania drobniejszych
klas węgla stosuje się wzbogacanie w hydrocyklonach (rys.1a), cyklonach (rys.1b) z cieczą
ciężką i wzbogacalnikach spiralnych. Najdrobniejsze klasy ziarnowe węgla wzbogacane są
we flotownikach (rys.2).
Rys.1. Hydrocyklon (a) i cyklon (b) stosowane w procesach wzbogacania węgla.
Rys 2. Przykłady flotowników a) z silnikiem elektrycznym, b) z mechanizmem
natryskowym.
Technologie wzbogacania oparte są na różnicy właściwości fizycznych i chemicznych
węgla i substancji mineralnej. Rozróżniamy:
· Wzbogacanie ręczne, w wyniku rozdrabniania węgla możliwe jest odłączenie substancji
mineralnej słabo związanej z częścią organiczną węgla (rys.3)
· Wzbogacanie grawitacyjne, wykorzystujące różnice w ciężarze właściwym. Składniki
mineralne mają gęstość na poziomie 2,6 g/cm3 a substancja węglowa 1,2-1,5 g/cm3.
· Flotacja, opierająca się na różnicy w zwilżalności przez wodę składników mineralnych i
węgla
· Wzbogacanie elektrostatyczne oparte na odmiennym zachowaniu się cząstek węgla i
zanieczyszczeń mineralnych w polu elektrostatycznym
· Wzbogacanie magnetyczne, jak wyżej ale w polu magnetycznym
· Aglomerację olejową wykorzystującą selektywną adsorpcję oleju na powierzchni
hydrofobowej węgla.
Większość stosowanych w praktyce procesów wzbogacania węgla obejmuje
wzbogacanie grawitacyjne mokre – w wodzie i cieczach ciężkich oraz wzbogacanie
grawitacyjne suche. Do wzbogacania w środowisku wodnym stosuje się najczęściej
osadzarki, w których woda poddawana jest pulsacji. Wzbogacanie w cieczach ciężkich jest
dużo efektywniejsze. Skuteczność procesów wzbogacania w cieczach ciężkich zwiększa się
przez stosowanie hydrocyklonów, w których zawiesinę węgla wprawia się w ruch wirowy.
Istotnymi czynnikami wpływającymi na możliwość obniżenia zawartości popiołu są:
- charakter zrostów mineralno-węglowych
- rozmieszczenie substancji mineralnej
- całkowita zawartość substancji mineralnej.
FLOTACJA WĘGLA
Termin flotacja obecnie używa się dla określenia flotacji pianowej. Wcześniej
rozróżniano również flotację olejową i powierzchniową. Proces flotacji pianowej składa się z
kilku operacji, a rozdział następuje w „mętach flotacyjnych”, które są mieszaniną drobno
zmielonej kopaliny i wody. Selektywny rozdział zachodzi dzięki wykorzystaniu różnych
właściwości fizykochemicznych powierzchni cząstek minerałów, głównie ich różnej
zwilżalności.
Podstawowe operacje flotacji pianowej to:
· Przygotowanie właściwego zagęszczenia rozdrobnionego minerału w wodzie.
Stężenie mętów flotacyjnych przyjmuje się w granicach 15-40% części stałych,
uziarnienie minerałów rudnych < 2-3 mm, najczęściej poniżej 1 mm.
· Dodanie do mętów flotacyjnych odpowiednich odczynników i mieszanie.
· Doprowadzenie do mętów flotacyjnych powietrza.
· Usunięcie z flotownika piany zawierającej flotujący minerał.
· Odwodnienie otrzymanych koncentratów.
Flotacja węgla jest procesem złożonym i uwarunkowanym licznymi zmiennymi do
których zaliczyć można:
· Charakterystyka powierzchni ziaren: -stopień metamorfizmu węgla
- ilość i rodzaj minerałów towarzyszących
- skład petrograficzny
- stopień utlenienia powierzchni ziaren
węglowych
- wielkość flotowanych ziaren
· Rodzaj i ilość dodawanych odczynników flotacyjnych
· Intensywność i sposób mieszania
· Rodzaj stosowanej komory flotacyjnej
· Stopień i sposób napowietrzania
· Gęstość mętów flotacyjnych
· Temperatura, pH roztworu.
Optymalne warunki prowadzenia procesu, określające koncentrację cząstek stałych w
nadawie, temperaturę i pH mętów flotacyjnych, wielkość flotowanych ziarn, ilość
doprowadzanego powietrza, rodzaj i dawkę odczynnika oraz sposób jego wprowadzania do
zawiesiny, intensywność mieszania, czas flotacji – powinny być dobierane dla każdego
flotowanego węgla.
Mechanizm rozdziału substancji mineralnej i ziarna węgla
Istotą procesu flotacji jest rozdział różniących się od siebie ciał stałych w wyniku
różnicy powinowactwa ich powierzchni do pęcherzyków powietrza oraz wody. Na rysunku 4
przedstawiono schemat rozdziału węgla i substancji mineralnej. Zasadniczą rolę przy
tworzeniu zespołu ziarno węgla-pęcherzyk powietrza odgrywa obniżenie energii hydratacji
powierzchni ziaren znajdujących się w wodzie.
Możliwość tworzenia się zespołu ziarno minerału-pęcherzyk powietrza, szybkość
przebiegu procesu, wielkość sił wiążących i trwałość istnienia zespołu zależą przede
wszystkim od hydratacji powierzchni ziaren minerałów (zwilżalności) oraz natury
wzajemnego oddziaływania minerałów z odczynnikami flotacyjnymi. Duży wpływ mają
również warunki zetknięcia się ziaren minerału z pęcherzykami powietrza. Natomiast
prawdopodobieństwo utrzymywania się ziaren węgla na pęcherzykach jest tym większe, im
bardziej hydrofobowa jest powierzchnia ziarna i im mniej intensywnie mieszane są męty.
Intensywne mieszanie powoduje powstanie sił odrywających.
Wpływ stopnia uwęglenia
Badania nad procesem flotacji węgli w całej skali uwęglania wykazały występowanie
charakterystycznej zależności flotowalności węgli od ich stopnia uwęglenia. Najwyższą
hydrofobowość naturalną, a tym samym największą zdolność flotacyjną posiadają węgle
zajmujące środkową pozycję w szeregu uwęglenia-węgle koksujące. Węgle nisko i
wysoko uwęglone flotują gorzej.
Słaba naturalna flotowalność węgli nisko uwęglonych wynika z dużej zwilżalności
(niska hydrofobowość) powierzchni ziaren węglowych. Na narożach skondensowanych
układów aromatycznych węgli nisko uwęglonych znajduje się duża ilość peryferyjnych grup
zawierających hydrofilne grupy tlenowe. Cząsteczki wody są łatwo przyciągane do ziarna
węglowego tworząc warstwę hydratacyjną utrudniając utworzenie kompleksu ziarno
węglowe-pęcherzyk powietrza. Wraz ze wzrostem stopnia uwęglenia zwiększa się
uporządkowanie elementów budujących organiczną substancję węglową, wzrasta zawartość
skondensowanych układów aromatycznych, maleje zawartość reaktywnych grup funkcyjnych
tlenu, siarki, azotu, połączeń mostkowych, układów alifatycznych i alicyklicznych. Powoduje
to wzrost hydrofobowości, przy czym największą hydrofobowością odznaczają się węgle
średnio uwęglone.
W węglach wysoko uwęglonych hydrofobowość ponownie obniża się z powodu
bardzo szybko postępującej kondensacji układów aromatycznych, która prowadzi do
przekształcenia pierścieni węglowodorowych w skondensowane pierścienie węglowe, a jak
pokazały badania największą hydrofobowością odznaczają się układy węglowodorowe.
Również powierzchnia właściwa, która zmienia się charakterystycznie w procesie
uwęglania, wpływa na podatność do flotacji. Przy większej powierzchni właściwej większa
jest sorpcja cząsteczek wody, a tym samym większa hydratacja. Ponadto, przy jednakowym
zużyciu odczynników flotacyjnym węgle nisko i wysoko uwęglone, ze względu na większą
powierzchnię właściwą, pochłoną większą ich ilość, co prowadzi do obniżenia flotowalności
węgli.
Wpływ rodzaju substancji mineralnej
Na niejednorodność powierzchni węgla w dużym stopniu wpływają domieszki
mineralne różniące się składem, stopniem rozproszenia i właściwościami fizycznymi. Od
składu domieszek i ich rozproszenia zależą w dużym stopniu warunki i efektywność
flotacyjnego wzbogacania węgla.
Substancję mineralną występującą w węglu dzieli się na: wewnętrzną – stanowiącą
integralną część węgla, dostarczoną wraz z materiałem roślinnym do substancji węglowej i
zewnętrzną, która dostała się do pokładu węgla już po zestaleniu się substancji organicznej,
naniesiona przez wodę, wiatr lub w inny sposób. Stosując wzbogacanie fizyczne można
usunąć tylko zewnętrzną substancję mineralną.
Dla procesu flotacji szczególne znaczenie mają: ilość i charakterystyka minerałów
ilastych i siarczkowych, a także obecność w skale płonnej związków rozpuszczalnych w
wodzie.
Minerały ilaste (iłołupki, glinokrzemiany, kaolin) łatwo rozmakają w wodzie tworząc
dużą ilość mułów bardzo pogarszających flotację. Często występują w postaci bardzo
zdyspergowanej.
Siarka występuje w węglu w postaci siarczku żelaza (piryt, markazyt), siarczanu
wapnia i siarki organicznej. Ze względu no ochronę środowiska bardzo ważnym
zagadnieniem jest odsiarczanie węgli w procesie flotacji. Flotacja jest mało efektywna w
usuwaniu pirytu z miałów węglowych, co wynika ze zbyt zmiennych właściwości
powierzchniowych pirytu, oraz fakt, że flotuje dobrze w tych samych warunkach co węgiel i
występuje w dość dużym rozproszeniu.
Wpływ utlenienia węgla
Węgle są podatne na wietrzenie w trakcie składowania, co prowadzi do zmian
właściwości fizycznych i chemicznych powierzchni ziaren. Podczas utleniania tlen jest
wiązany przez centra aktywne na powierzchni węgla, tworząc kompleksy węglowo-tlenowe,
które następnie przechodzą w związki nadtlenkowe i wodorotlenkowe, które z kolei
rozpadając się tworzą tlenowe grupy funkcyjne. Najtrudniej utleniają się węglowodory
aromatyczne nie posiadające bocznych podstawników. Najbardziej poddatne na utlenianie są
grupy funkcyjne zawierające tlen, azot i siarkę. Tworzące się hydrofilne grupy tlenowe
zmniejszają hydrofobowość powierzchni węgla, pogarszając tym samym jego flotowalność.
Po usunięciu z powierzchni węgla warstwy utlenionej flotacja ponownie się poprawia.
Wpływ wielkości ziarna
Wraz ze wzrostem wymiaru ziaren węgla wzrasta prawdopodobieństwo zderzenia się
ich z pęcherzykami powietrza i utworzenie kompleksu ale prawdopodobieństwo trwałego
połączenia maleje. Ziarna drobne mogą nie zetknąć się z pęcherzykiem powietrza w
strumieniu cieczy. Przy mniejszym wymiarze ziaren istnieje również większe
prawdopodobieństwo odsłonięcia zrostu minerału i jego usunięcie.
Odczynniki flotacyjne
Odczynniki odgrywają ważną rolę w procesie flotacji. Decydują o selektywności i
szybkości wzbogacania. Klasyfikację odczynników flotacyjnych można oprzeć na sposobie
ich działania lub na ich budowie chemicznej. W tabeli 2 przedstawiono rodzaje odczynników
i funkcje jakie pełnią. Podział odczynników według kryterium zastosowania jest umowny,
gdyż odczynniki niejednokrotnie wykazują działanie wielostronne, np.: kolektory mogą być
związkami pianotwórczymi.
W zależności od budowy chemicznej odczynniki flotacyjne dzieli się na :
- odczynniki polarne,
- odczynniki powierzchniowo-czynne,
...
DWito