原煤水分對干選效果的影響

王新華，夏云凱

(1.唐山市神州機械有限公司；2.河北省煤炭干法加工裝備工程技術研究中心，河北 唐山 063001)

1 不同種類的原煤水分分布特點

煤中水分按存在形態分為兩類，即游離水和結晶水。游離水是以物理狀態吸附在煤顆粒內部毛細管中，或附著在煤顆粒表面的水分；結晶水是以化合物方式同煤中礦物質結合的水。游離水在 100～110 ℃下經過1～2 h可蒸發掉，而結晶水通常要在200 ℃以上才能分解析出。煤的游離水分又分為外在水分和內在水分。外在水分是附著在煤顆粒表面的水分，很容易在常溫下的干燥空氣中蒸發。內在水分吸附在煤顆粒內部毛細孔中，需在100 ℃以上的溫度經過一定時間才能蒸發。

當煤顆粒內部毛細孔內吸附的水分達到飽和狀態時，煤的內在水分達到最高值，稱為最高內在水分。最高內在水分與煤的孔隙度有關，而煤的孔隙度又與煤的煤化程度有關，所以最高內在水分含量在相當程度上能表征煤的煤化程度，尤其能更好地區分低煤化程度煤。一般褐煤外水分大于15%，年輕褐煤的最高內在水分多在25%以上，少數的如云南彌勒褐煤最高內在水分達31%。最高內在水分小于2%的煙煤，幾乎都是強粘性和高發熱量的肥煤和主焦煤。無煙煤的孔隙度高于煙煤，所以其最高內在水分比煙煤有所增加[1～5]。

一般煤炭發熱量和水分及灰分的關系如下：

Q=Qmax-aMt-bAd

(1)

式中：Qmax——灰分和水分為零時煤炭最大低位發熱量，kcal/kg；

Q——煤炭低位發熱量，kcal/kg；

Mt——煤炭全水分，%；

Ad——煤炭干基灰分，%；

a——水分每增加1個百分點，煤炭熱值下降值，kcal/kg；

b——灰分每增加1個百分點，煤炭值下降值，kcal/kg。

濕法分選在降低精煤灰分的同時增加了精煤水分，灰水熱值效果相抵，水洗后精煤熱值提高不明顯，甚至下降。但值得注意的是，水分和灰分對精煤熱值的影響幅度因煤種而異。對低階煤來說，水分對熱值的影響遠大于灰分對熱值的影響。表1中灰分和水分對無煙煤原煤熱值的影響幾乎相等，但對低階煤如長焰煤或褐煤來說，水分的影響遠遠超過灰分對熱值的影響。由于低階煤水分對熱值影響較大，因此分選低階煤時，在增加精煤熱值方面采用干選工藝比水洗工藝更具有優勢。

表1 不同代表性煤樣中水分和灰分對原煤熱值的影響

2 原煤外水對干選的影響

煤炭洗選工程設計規范(GB 50539—2016)對干選機入料外水分的適宜值確定為小于7%，和實際生產數據偏離較大，該適宜值和煤炭品種密切相關。如陽煤五礦小于13 mm粒級無煙煤末煤的全水分小于5%，松散性良好，非常適宜干選(其原煤篩分分析結果見表2)。臨礦集團榆樹井原煤為褐煤，全水分約為22%，內水分約為5%，外水分已經接近17%，但實際生產中仍然可采用干法分選工藝(其煤質分析結果見表3)。

表2 陽煤五礦小于13 mm原煤篩分分析結果

表3 臨礦集團榆樹井80～0 mm原煤煤質分析結果

轉龍灣礦原煤主要為長焰煤，粘結性弱，主要作為動力和化工用煤。該廠實際生產經驗表明，為保證干選效果，原煤外水分不超過10%時分選效果良好；當外水分超過11.5%時，分選效果惡化；當外水分為15%時，干選無法進行(詳見表4)。因此干選機入料的外水分適宜值隨煤種變化而變化，原煤水分應該分為內水，孔隙內表外水和表外水。對孔隙度發達的煤種來說，毛細孔中的水分對干選沒有影響，真正對干選造成干擾和影響的是煤炭顆粒表面的水分，如何區別和定量測定煤炭顆粒表面水分和外水分尚待研究。

表4 轉龍灣礦不同入料水分上限時分選效果

3 矸石泥化對干選的影響

煤炭的泥化程度主要受矸石礦物組成、煤的變質程度與含水量的影響。如煤矸石的礦物組成為層狀硅酸鹽礦物(高嶺石、伊利石、蒙脫石、云母等)，這些礦物硬度都很小，易沿層間解理，造成矸石泥化。因此，若矸石中含有大量高嶺石等層狀硅酸鹽礦物，則其泥化程度會比較嚴重。石英為架狀氧化礦物，硅、氧原子通過共價鍵連接，結構十分穩定，因此，若矸石中石英含量較大，則其泥化程度較弱[6～8]。

對于易泥化煤，如果含水量較大，伴生矸石泥化后形成類似粘結劑的作用，會導致煤炭顆粒之間粘連，影響干選效果。另外，在易泥化煤干燥時，過多水分還會使煤產生裂紋，導致碎裂發生[9]。如河南郁山煤礦煤種為貧瘦煤，屬高硫動力煤，煤層較薄，含有矸石夾層，開采時帶有大量矸石且矸石易泥化，原煤低位發熱量為14.65～15.07 MJ/kg，全水分不足10%，硫分為3.3%(分析結果見表5)。該煤水分雖然不高，但由于易泥化矸石原煤粘連嚴重，難以直接干選。

表5 河南郁山礦小于50 mm粒級原煤篩分分析結果

黑龍江省雙陽礦原煤為1/3焦煤，塊煤矸石含量高且易泥化，其篩分分析結果見表6。該礦原煤顆粒外觀潮濕，泥團包裹煤塊，結團嚴重，易粘結。由于硅酸鹽質的易泥化矸石存在，即使末原煤全水較低(7%)，仍然難以直接干選。因此，原煤存在易泥化硅酸鹽矸石時，干選的適宜水分大幅下降。原煤水分對干選的影響，不但取決于外水大小，還取決于煤炭變質程度和伴生矸石泥化性質。

表6 龍煤集團雙鴨山雙陽煤礦小于30 mm粒級原煤篩分分析結果

4 干選前后煤炭產品水分的變化

干選過程中，一定數量的矸石被排除后，由于原煤中高密度矸石的水分一般較低，因而精煤產品水分相對原煤水分會有所增加。 同時由于風選過程中存在強烈空氣流和煤粒之間的對流現象，氣流會帶走一部分煤炭顆粒外在水分，所以煤炭分選前后水分總量也會有所下降。

煤炭干選后水分變化可用如下公式計算：

式中：M精——精煤產品全水分，%；

M原——原煤全水分，%；

M矸——矸石產品全水分，%；

γ精——精煤產率，%；

ΔM——氣流帶走水分，%，經驗值一般為0.2%～0.5%；

以同煤集團色連一礦原煤分選后水分變化為例，原煤水分為22.88%，排矸量為7.83%，矸石水分較低。選后精煤水分達到23.87%，比原煤水分增加了0.99%，詳見表7。

表7 25～0 mm混煤一次粗選產品計算平衡表

5 粒度對分選精煤產品水分的影響

濕法分選和干選工藝比較的一個重要參數是如何確定分選后精煤水分的變化值。按照煤炭洗選工程設計規范(GB50539-2016)，濕法分選后大于13 mm粒級塊煤脫水篩后產品外水分取值為8%～10%，13～0.5 mm末煤離心機脫水后產品外水分取值為6%～8%，詳見表8。

表8 不同粒度精煤產品機械脫水后水分含量

統計不同末煤和煤泥離心機脫水后的精煤產品外水分取值經驗數值如圖1所示。由圖中可見，粒度越細，精煤水分越高。當入料粒度大于5 mm時，精煤脫水后外水分取值為2%～3%；入料粒度為1～5 mm時，精煤脫水后外水分取值為4%～8%，入料粒度小于3 mm時，精煤脫水后外水分取值8%～12%。

圖1 入料粒徑對精煤產品外水分的影響

精煤水分Mf和煤粒直徑的經驗關系式為：

Mf=8.553d-0.489

(3)

式中：Mf——精煤外水，%；

d——煤粒直徑，mm。

由此可見，一定粒度原煤水洗后的精煤水分取決于精煤粒度分布，平均粒度越細，洗后水分增加值越高。

我國傳統動力煤選煤廠大多采用濕法分選工藝。許多長焰煤和褐煤選煤廠采用了塊煤部分入洗或全粒級水洗工藝，帶來了精煤產品水分過高的問題。如同煤集團色連一礦原煤為易泥化褐煤，可選性為易選。原選煤工藝設計為13 mm粒級以上塊煤采用重介質淺槽洗選，小于13 mm粒級末煤不洗直接摻入產品銷售。此工藝分選過程中存在原煤水分大、粘性大，13 mm粒級分級困難，進入淺槽的煤泥量大，精煤水分增加，熱值提升不明顯，精煤產率下降的現象。色連一礦現采用分選工藝流程為大于25 mm重介質淺槽分選，小于25 mm粒級末煤旁路不選，塊精煤破碎后混入末原煤作為混煤銷售。實際生產表明，采用此工藝流程后，塊精煤水分增加2%～3%，煤泥量增加約5%～10%。2018年該礦部分月份大于25 mm粒級重介質精煤質量統計見表9，混煤產品質量見表10。

表9 色連一礦易泥化褐煤重介質淺槽實際生產結果(2018年)

表10 色連一礦2018年度原煤及混煤煤質數據統計

由表10可以看到，水洗時，大于25 mm粒級原煤由于矸石含量的波動，全水分處在21.66%～23.69%范圍內。重介質淺槽分選密度穩定，波動小，產品不帶矸石，大于25 mm粒級塊精煤基本為小于1.5 g/cm3密度物，熱值18.83 MJ/kg左右。全年平均原煤熱值為16.06 MJ/k，混煤平均熱值為17.50 MJ/k。水洗后熱值提高約1.44 MJ/k，灰分下降8.26%，硫分基本不變。

同期大于25 mm粒級塊煤的干選試驗結果列于表11。由表中可見，干選精煤質量較為穩定，大于25 mm粒級干選精煤灰分接近重介質淺槽，但干選精煤和濕法分選后的精煤水分存在較大差異，干選精煤水分在24.5%左右，低于水洗塊精煤水分(28%)，雖然干選精煤灰分略高，但干選塊精煤熱值反而比重介質精煤的熱值高。

如將原煤破碎到小于80 mm，干選后的精煤水分相對原煤增加1個百分點，熱值相對原煤提高2.74 MJ/kg。干選結果列于表12。

表11 色連一礦易泥化褐煤干選中試結果(2018年)

表12 色連一礦易泥化小于80 mm粒級褐煤干選實際結果

調研發現，部分易泥化煤重介質選煤廠產品質量指標設計中，設計者對精煤產品水分的取值和實際生產數值有較大差異(見表13)。塊精煤和末精煤水分預測誤差分別在4%～8%和2%～8%范圍內，精煤水分設計值嚴重偏離實際生產數值。因此在分選孔隙發達、吸水性較強的長焰煤和低階煤時，按照煤炭洗選工程設計規范(GB50539-2016)中精煤脫水后產品外水參考值來取值，可能會給部分選煤廠設計帶來誤導。

對鄂爾多斯易泥化長焰煤干選和濕法分選工藝進行比對時，可參考表14取值。

表13 部分低階煤選煤廠產品水分調研

表14 不同分選工藝的精煤水分取值

6 粘濕煤炭雙干分選

為解決水分大、矸石易泥化的粘濕煤難以直接干選的問題，可采用雙干(干燥預處理去水+干選排矸)工藝進行分選提質。該種方案是將振動混流干燥設備與復合式干法分選機聯合裝配，協同作業，形成了煤炭雙干(干燥+干選)提質系統。振動混流干燥設備適用于各種密度、粒度不均的混合物料干燥，主要采用低溫大風量熱煙氣對粘濕物料進行干燥處理。振動混流干燥設備通過機械振動將濕物料分散疏松，使氣流均勻通過多層干燥床面，提高了物料與氣流的接觸面積和接觸時間；主機中的振動床可以多層布置，層高較低，大大提高了干燥器的容積產量。

河南郁山煤礦所產原煤為易泥化高灰、高硫煤，末煤含量大，其中小于6 mm粒級含量占總產量的60%以上，水分小于10%，但原煤粘連嚴重，難以直接干選。采用雙干系統將水分去除2%～3%后，原煤松散，粘性消失，干選效果良好，選后原煤硫分從3.21%降至1.82%，發熱量由16.78 MJ/kg提升至18.70 MJ/kg。詳見表15。

表15 郁山礦原煤干燥、干選提質效果

7 結 論

干選技術的發展主要是為了解決動力煤濕法難以分選或洗選效果不佳的問題，雖然干選具有不用水的優勢，但對適宜干選的原煤水分上限值和選后精煤水分的取值理論研究還不夠充分。在濕法分選和干選工藝比較論證過程中，必須對不同分選工藝的精煤水分做理論分析和準確估算，為選擇合理的分選工藝提供可靠的設計依據。精煤的水分取值應充分考慮不同選煤廠的煤種、伴生矸石泥化特性和精煤粒度。