我國典型特低灰煤深度脫灰影響因素

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(1.煤炭科學技術研究院有限公司 煤化工分院，北京 100013;2.中國礦業大學(北京) 化學與環境工程學院，北京 100083;3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013)

0 引 言

超純煤是一種高附加值/高能量密度的煤炭產品，在代油(油水煤漿)、制備高檔活性炭、炭黑、精密鑄造、IGCC等技術中優勢明顯[1-2]。為了減少泵、活塞、噴嘴及渦輪片的磨損和排渣困難，均要求使用超純超，如精細水煤漿要求煤灰分<1%;內燃機燃料要求煤灰分<0.5%甚至<0.1%[3]。近年來，國內外在制備超純煤方面開展了大量研究，形成了化學凈化和物理分離兩大類技術。盡管煤中礦物可選性主要取決于分布狀態，與其含量無必然聯系，但為保證產品品質和理想收率，上述分離方法均要求原料煤灰分盡可能低[4]。我國煤炭成煤環境多樣、地質背景復雜，煤中灰分普遍較高，集中在15%～25%，小于10%的特低灰煤占資源總量15%[5]。針對特低灰煤的煤質與分選特性，許多學者進行了相關研究。王婕[6]研究不同煤種分選影響因素，認為影響產率的顯著指標為含氧官能團和接觸角，影響灰分的顯著指標有變質程度、解離度和表面電位。王紹清等[7]分析典型特殊煤種利用途徑后認為太西煤是生產超純煤的優質原料。粒度是影響超純煤制備的主要因素之一，為獲得特低灰一般要求分選前進行超細粉碎。付曉恒等[8]認為只有煤粒度粉碎到<10 μm時，無機礦物才能得到較充分的解離，黏土礦物含量小的煤可分選出超凈煤。另外，煤的超細粉碎方式也會影響超純煤的分選效果[2]。但目前針對灰分<5.00%的優質特低煤資源煤質特征認識不足，其不同分選方法效果研究較少，本文在分析我國優質特低灰煤(<5.00%)分布及煤質特性的基礎上，選擇太西無煙煤、新疆南露天礦煤和神東煤等典型特低灰煤進行不同方法的脫灰評價，并對分選降灰的影響因素進行分析比較，有利于指導超純煤原料及其分選技術的優選和評價。

1 試 驗

1.1 煤質數據來源

GB/T 15224.1—2010《煤炭質量分級 第1部分:灰分》定義灰分<10.00%的煤為特低灰煤，本文定義灰分<5.00%的特低灰煤為優質特低灰煤。根據《中國煤種資源數據庫》檢索結果，獲得我國不同區域特低灰煤的灰分、揮發分、發熱量和可磨指數等煤質指標數據。

1.2 煤樣及煤質分析

采集了太西無煙煤、榆林神東煤和新疆南露天礦煤等不同變質程度的典型優質特低灰煤樣品。根據國家標準進行了工業分析、元素分析、全硫、發熱量、哈氏可磨性指數、真密度和煤灰成分等分析，結果見表1、表2。

表1工業分析和元素分析
Table1Proximateandultimateanalysisofcoalsamples

樣品工業分析/%MadAdVdafFCd元素分析/%CdafHdafNdafOdafSt,dQgr,d/(MJ·kg-1)哈氏可磨性指數HIG真密度/(g·cm-3)太西無煙煤2.192.608.2789.3593.923.530.951.320.2735.43511.41 南露天礦煤9.783.3831.3066.3878.173.511.0616.770.4729.071011.51 神東煤4.134.3836.1363.8776.945.360.9216.730.7532.05581.38

表2 煤灰成分分析Table 2 Ash composition of coal samples%

1.3 浮沉脫灰試驗

原料煤破碎至<6 mm，篩分出0.5～6.0 mm粒級。采用氯化鋅配制密度1.30 g/cm3比重液對上述粒級樣品進行浮沉試驗，經多次熱水清洗并收集上浮物，在80 ℃下干燥4 h待用。具體操作方法見GB/T 478—2008《煤炭浮沉試驗方法》。

1.4 煤粉浮沉-離心脫灰試驗

原料煤粉碎至<0.2 mm，采用苯和四氯化碳配制成密度1.30和1.40 g/cm3比重液對上述樣品進行離心-浮沉(液固比5∶1、轉速3 000 r/min、時間10 min)，過濾并收集上浮物，在80 ℃條件下干燥4 h待用。

1.5 化學脫灰試驗

試驗樣品(原煤及部分手選煤巖組分富集樣)破碎至粒度<0.2 mm，稱取20 g置于300 mL聚四氟乙烯瓶中，加入200 mL脫灰溶液(按蒸餾水∶37% HCl∶40% HF=50∶30∶20配制)，90 ℃水浴加熱4 h，過濾的同時用熱水充分洗滌，直至AgNO3檢測濾液無沉淀。樣品在80 ℃下干燥4 h待用。

2 結果與討論

2.1 優質特低灰煤資源分布

我國優質特低灰煤主要分布于西北—華北區域，包括山西、陜西、內蒙古、寧夏、新疆等。山西呂梁、大同、朔州以煉焦煤～弱黏煤為主;陜西府谷、神木，內蒙古鄂爾多斯、東勝以及新疆烏魯木齊、哈密等地以長焰煤為主;寧夏石嘴山為無煙煤，靈武地區為煙煤。

2.2 優質特低灰煤分選相關的煤質特性

干燥無灰基揮發分與煤變質程度呈現較好的負相關性。因此，干燥無灰基揮發分與灰分、發熱量和哈氏可磨性指數等關系可反映我國不同變質程度的優質特低灰煤質量現狀。優質特低灰煤灰分與揮發分的關系如圖1所示。由圖1可知，除太西無煙煤、呂梁焦煤等少數樣品，我國優質特低灰煤資源主要集中于中低變質程度區間。

圖1 優質特低灰煤灰分與揮發分的關系Fig.1 Relationship between ash and volatile matter in ultra-low ash coal

超純煤灰分小于1.00%甚至0.10%，Qgr,d與其原料煤Qgr,daf基本相等，因此選用原料煤Qgr,daf作為比較基準。優質特低灰煤Qgr,daf與揮發分的關系如圖2所示。由圖2可知，除太西無煙煤、呂梁焦煤、大同弱黏煤發熱量較高，接近或超過35 MJ/kg。其他優質特低灰煤由于變質程度較低，具有較低的發熱量。值得注意的是呂梁焦煤、大同弱黏煤具黏結性，不宜作動力用超純煤的原料。典型優質特低灰煤發熱量從低到高分別為:南露天礦煤 <神東煤 <太西無煙煤。神東煤變質程度與南露天礦煤相當，但其鏡質組和氫含量顯著高于南露天礦煤，具有更高的發熱量。

圖2 優質特低灰煤發熱量與揮發分的關系Fig.2 Relationship between calorific value and volatile matter in ultra-low ash coal

制備超純煤的第1步是通過粉碎實現礦物充分解離，哈氏可磨性指數高的煤在消耗同等能源情況下，磨煤細粒度煤占比更高，有利于包裹礦物的解離。優質特低灰煤哈氏可磨性指數與揮發分的關系如圖3所示。由圖3可知，我國優質特低煤資源除呂梁焦煤、新疆富惰質組煤等極易磨煤外，大部分優質特低灰煤哈氏可磨性指數集中于較難～中等可磨煤。煤可磨性與變質程度有關。一般而言，焦煤和肥煤具有較高的哈氏可磨性指數，易細磨;無煙煤和褐煤哈氏可磨性指數較低，不易細磨[9]。呂梁焦煤哈氏可磨性指數顯著高于太西無煙煤和低階煙煤。煤哈氏可磨性指數還與煤巖顯微組分有關[10]，惰質組哈氏可磨性指數高于鏡質組和殼質組。南露天礦煤屬于長焰煤，但其哈氏可磨性指數與呂梁焦煤相當，原因是其主要煤巖顯微組分為惰質組，占比80%以上。典型優質特低灰煤資源哈氏可磨性指數從低到高為:太西無煙煤<神東煤<南露天礦煤。

圖3 優質特低灰煤哈氏可磨性指數與揮發分的關系Fig.3 Relationship between grindability index and volatile matter in ultra-low ash coal

除灰分、發熱量和哈氏可磨性指數外，優質特低灰煤分選制備超純煤還需考慮真密度、顯微組分、黏結指數和煤灰成分等影響分選或影響超純煤產品利用的煤質指標。

2.3 優質特低灰煤可選性

2.3.1 原煤灰分對浮煤灰分的影響

煤的可選性受變質程度、煤巖顯微類型、密度、礦物特性及其分布等影響，煤中呈浸染狀、細分散狀或充填于植物胞腔中的礦物是煤可選性優劣的關鍵。浮煤與原煤灰分關系可較好地反映原煤礦物脫除的難易程度，即煤可選性的優劣[11]。<1.30 g/cm3浮煤灰分與原煤灰分關系如圖4所示。圖4中樣品坐標點與對角線之間的垂線距離反映其降灰難易程度，距對角線距離越遠的煤具有更好的浮沉降灰效果。

圖4 <1.30 g/cm3浮煤灰分與原煤灰分的關系Fig.4 Relationship between flotation coal(below 1.30 g/cm3) and raw coal ash

煤中礦物可選性優劣不在于礦物含量，主要取決于煤中礦物分布狀態及其破碎解離效果。由圖4可知，部分灰分較高的原煤經浮沉后，浮煤灰分顯著降低，具有較好的可選性，如神東煤。典型優質特低灰煤可選性從高到低為:神東煤>太西無煙煤>南露天礦煤。

2.3.2 顆粒變化對浮煤灰分的影響

通過粉碎使煤中有機質與無機礦物質充分解離是超純煤制備的必要前提條件[4]。破碎粒度越細，礦物解離越充分，分選獲得的浮煤灰分越低。太西無煙煤、南露天礦煤和神東煤分選浮煤灰分隨粒度的變化如圖5所示，相應浮煤收率及其降灰比例見表3。

圖5 分選浮煤灰分隨粒度的變化Fig.5 Change of flotation coal ash with particle size

由圖5和表3可知，太西無煙煤和神東煤破碎至<0.2 mm細煤粉時，浮煤灰分降低明顯，且收率較高，<6 mm浮煤收率分別為50.71%和40.53%;<0.2 mm細煤粉浮煤收率分別為42.54%和35.28%。而南露天礦煤在2種粒度下浮煤收率均較低，且灰分降低不如太西無煙煤和神東煤顯著。太西無煙煤、南露天礦煤和神東煤在<0.2 mm浮沉浮煤灰分較原煤分別降低60.00%、45.86%和70.09%。

表3浮煤收率及其降灰比例
Table3Yieldandashreductionratioofflotationcoal

樣品收率/%<6 mm浮煤<0.2 mm細煤粉浮煤較原煤降灰比例/%<6 mm浮煤<0.2 mm細煤粉浮煤太西無煙煤50.7142.5442.3160.00南露天礦煤10.455.0415.6845.86神東煤40.5335.2862.7970.09

2.3.3 化學脫灰效果

相較于浮選脫灰和水熱處理脫灰[12]，化學脫灰是一種更為深度的脫灰方法，可脫除大部分包裹狀、細分散及浸染狀礦物[13-14]。采用HCl和HF混合溶液對太西無煙煤、南露天礦煤和神東煤進行化學脫灰試驗。同時為了比較煤巖顯微組分對化學脫灰程度的影響，對手選神東煤(SD-R)的富鏡質組煤(SD-V)和富惰質組煤(SD-I)進行化學脫灰。化學脫灰煤灰分與原煤灰分的關系如圖6所示。

圖6 化學脫灰煤灰分與原煤灰分的關系Fig.6 Relationship between ash of chemical deashing coal and raw coal

由圖6可知，化學脫灰可顯著降低太西無煙煤、南露天礦煤和神東煤的灰分，特別是太西無煙煤由原煤灰分2.60%降低至0.48%。化學脫灰煤灰分由低到高為:太西無煙煤<神東煤<南露天礦煤，南露天礦煤礦物主要以包裹狀和浸染狀為主，浮選脫灰和化學脫灰效果均不及其他2種煤。手選的神東煤富鏡質組煤和富惰質組灰分均低于原煤，化學脫灰后的灰分順序為:SD-I

3 結 論

1)我國灰分<5.00%的優質特低灰煤分布在山西、陜西、內蒙古、寧夏、新疆等西北—華北區域，煤種包括長焰煤、不黏煤、弱黏煤、煉焦煤和無煙煤等，主要集中于中低變質程度煤。呂梁焦煤和大同弱黏煤發熱量較高的特低灰煤因其具有較高黏結性，不宜作動力用超純煤的原料。哈氏可磨性指數主要受變質程度、煤巖顯微組分等影響。除呂梁焦煤和新疆富惰質組煤的哈氏可磨性指數較高，屬極易磨煤外，其他低灰煤集中于較難～中等可磨煤。

2)相較于惰質組含量較高的南露天礦煤，太西無煙煤和神東煤破碎至<6 mm和<0.2 mm細煤粉時，浮煤灰分降低明顯，且收率較高。太西無煙煤、南露天礦煤和神東煤<0.2 mm浮沉浮煤較原煤灰分分別降低60.00%、45.86%和70.09%。

3)化學脫灰煤灰分由低到高為:太西無煙煤 <神東煤 <南露天礦煤，太西無煙煤由原煤灰分2.60%降低至0.48%。神東原煤及其手選富鏡質組煤和富惰質組煤經化學脫灰后的灰分順序為:SD-I