煤制油選煤廠煤顯微組分遷移規律

2020-12-21 10:39:08朱子祺

潔凈煤技術 2020年6期

朱子祺

(國家能源集團神東洗選中心，陜西榆林 719315)

0 引言

我國的能源結構具有“富煤、貧油、少氣”特點，近年來我國原油對外依存度一直在60%以上。發展煤制油產業可有效緩解因富煤缺油給我國能源安全帶來的挑戰，對保障國家能源安全具有重要的戰略意義[1]。高品質原料煤是保障煤有效轉化的基礎，研究表明，原料煤的鏡質組含量每提高10個百分點，油收率可提高4個百分點。因此煤巖富集是學者們研究的熱點[2]。

由于煤巖富集對于原料內灰要求高，因此關于煤巖技術研究大多采用寧夏無煙煤和神東低階煤。神東低階煤具有氫含量高、反應活性高、內灰低等特點，是直接液化用煤的良好原料。陳洪博等[3]從動力學角度探討了不同煤顯微組分加氫液化性能及轉化規律，研究認為神東煤鏡質組和殼質組的轉化速率為惰質組的2.6倍。神東低階煤惰質組含量較高，文獻[4]通過研究神東低階煤鏡質組富集，得到神東礦區低階煤煤巖組分賦存規律及解離特征、重選、浮選及電選方法。

作為首批工業化實施的直接液化工程，神華煤制油公司的原煤來自補連塔2-2煤，煤制油選煤廠采用重介旋流器分選工藝生產灰分<5%的煤制油用原料煤。為提高煤制油轉化率，神東洗選中心探索通過工藝升級生產高品質煤制油用原料煤，而了解煤制油選煤廠生產過程鏡質組遷移規律是進一步提高煤制油原料煤品質的基礎。現有研究主要集中在原煤的性質與富集方法[5]，對于選煤生產過程中煤巖組分的遷移情況鮮見系統研究。本文主要對煤制油選煤廠原料煤的鏡質組、惰質組分布遷移進行系統分析，為實際生產過程優化提供了理論數據依據與指導。

1 原料煤基本性質

1.1 煤質分析

在原煤倉下采取代表性原煤樣品，對神華煤制油選煤廠原煤進行煤質分析，見表1。

表1 煤的工業分析與元素分析

從表1可以看出：① 煤制油原煤為不黏煤，灰分為9.61%，屬于低灰煤；② H/C比為0.84，根據國標GB/T 23810—2009 《直接液化用原料煤技術條件》要求，直接液化原料煤的H/C比應大于0.75，可知煤制油選煤廠生產的產品屬于良好的煤制油原料。

1.2 原煤及精煤表觀形貌

取煤制油原煤中代表性煤塊，煤層呈瀝青光澤，在鏡煤條帶呈弱玻璃光澤，階梯狀斷口，貝殼狀斷口，在鏡煤條帶中，內生、外生裂隙發育，層狀構造，半堅硬型，各煤層裂隙中均填充有黃鐵礦、方解石脈，含菱鐵礦鮞狀結核，燃燒試驗為劇燃，殘灰灰白色，粉狀[6]。將大顆粒煤塊破碎至1 mm，并進行顯微煤巖組分結構分析。煤制油選煤廠原煤、精煤顯微組分形貌如圖1所示。

圖1 煤制油選煤廠原煤和精煤顯微組分形貌

由圖1(a)可以看出，原煤粒度較大，鏡質組嵌布粒度較粗，但部分鏡質組和惰質組未完全分離，部分惰質組仍嵌布在鏡質組中，大塊的鏡質組與大塊的惰質組緊密相連，需進一步破碎使鏡質組與惰質組完全解離，但解離不僅增加了工藝復雜程度，也增加了生產成本，因此需結合原煤的鏡質組密度分布及煤制油工藝要求，確定適宜的分選上限[7]。由圖1(b)可以看出，精煤粒度較小，鏡質組和惰質組解離程度較原煤高，大部分惰質組與鏡質組分離，但仍有部分緊密嵌布，因此，進一步提高鏡質組含量需經破碎、磨礦，使惰質組與鏡質組全部解離[8]。

1.3 紅外光譜分析

采用紅外光譜法對原煤的官能團結構進行研究，通過比對推斷煤樣特定煤化程度的結構特性[9]。煤樣紅外光譜圖如圖2所示，圖譜分析時扣除了背景和水蒸氣的影響。由圖2可知，原料煤在3 500、3 100 cm-1及其附近出現游離的—OH吸收峰和分子內締合的—OH吸收峰，此處的—OH以游離水和結合水的形式存在。在3 420 cm-1及其附近的譜峰來源于一般羥基位置，說明羥基以多聚締合態存在，煤分子結構中含有大量氫鍵，導致該締合結構的產生[10]。

圖2 煤制油選煤廠原煤紅外光譜

1 780 cm-1及其附近出現羰基吸收峰；1 000 cm-1處的吸收峰由煤中灰分引起；700～900 cm-1處主要為多種取代芳烴的面外彎曲振動(稱為芳香帶)，該譜帶吸收峰的吸收強度相對較小，可推斷煤中的芳香核較少。原料煤表面存在較多的含氧基團，氫含量較高，芳香核聚合程度低，這也是低階煤的典型特征，氫含量高、芳香核數量少，有利于原料煤加氫轉化，但表面含氧基團含量高，影響原煤的浮選性能，結合組分嵌布情況分析，要進一步提高精煤鏡質組含量必須進一步實現煤巖解離，而解離后若采用浮選，則成本較高，可見神東煤制油選煤廠的原料性質決定了目前情況下重選為核心分選方法的現狀[11]。

2 原料煤密度組成及組分分布

2.1 自然級浮沉及組分分布

根據GB/T 478—2008要求，分別取一定量的50～25、25～13、13～6、6.0～0.5 mm粒級樣品(由于本研究樣品是毛煤經準備車間處理后的原煤，因此不存在>50 mm 粒級)，進行不同粒級1.3、1.4、1.5、1.6、1.8 kg/L密度級的浮沉試驗，各粒度級、各密度級樣品進行制樣分析其組分分布，結果見表2和圖3。

表2 原料煤浮沉試驗結果及組分分布

圖3 鏡質組、惰質組分布

1)不同粒度級的密度組成以<1.3、1.3～1.4 kg/L為主，合計產率達83%以上，主導密度級為1.3～1.4 kg/L，產率在45%～71%，說明煤制油原料煤雜質含量少，有機質含量高。

2)<1.3 kg/L密度計產率隨粒度的降低逐漸由50～25 mm的27.05%增至6.0～0.5 mm的44.24%，灰分也相應降低，由4.31%降至1.87%，說明原料煤粒度越細，解離程度越高，低密度組分釋放產率多且雜質大量脫除。

3)各粒度級不同密度級鏡質組含量均隨密度的增大而降低，說明鏡質組主要集中在低密度級，提高鏡質組含量的有效途徑是對原料煤按密度分選。由于灰分和鏡質組含量具有相關關系，因此通過系統研究建立灰分與鏡質組含量的關系[12]。

4)生產鏡質組含量70%以上的高品質煤制油原料煤需要低密度分選環境，但低密度臨近密度物含量均超過40%，屬于極難選煤，且<1.3 kg/L產率相對較低，因此需要進行破碎，降低分選上限。綜上，高品質煤制油原料煤需降低分選上限，同時實現低密度高精度分選。

5)煤制油原料煤不同自然級鏡質組的密度分布規律表明，隨密度增加，各粒度級的鏡質組含量先顯著降低，隨后在1.5 kg/L后降幅減緩，而惰質組含量先快速增加，在1.5 kg/L后小幅降低。

2.2 破碎級浮沉及組分分布

分別取一定量的50～25、25～13、13～6、6.0～0.5 mm 粒級樣品，進行不同粒級1.3、1.4、1.5、1.6、1.8 kg/L 密度級的浮沉試驗，各粒度級、各密度級樣品進行制樣分析其組分分布，結果見表3和圖4，分析可知：

表3 破碎級浮沉試驗結果及組分分布

圖4 鏡質組、惰質組分布

1)不同粒度級的密度組成以<1.3、1.3～1.4 kg/L為主，產率達84%以上，主導密度級為1.3～1.4 kg/L，產率在52%～64%，說明煤制油原料煤雜質含量少，有機質含量高。

2)50～0.5 mm范圍內，隨著粒度減小，灰分逐漸降低，說明原煤中有機質較脆，破碎過程中易向細粒度級富集；惰質組含量逐漸降低，說明惰質組機械強度相對較高，破碎過程中更易保留在粗顆粒中；鏡質組含量呈逐漸升高趨勢。隨粒度降低,<1.3 kg/L產率由50～25 mm的29.61%增至6.0～0.5 mm的32.27%，灰分也相應降低,由3.49%降至2.49%，說明原料煤粒度越細，解離程度越高，低密度組分釋放產率多，且雜質大量脫除。

3)隨著密度增大，各粒度級鏡質組含量均先快速降低后緩慢降低，說明鏡質組主要集中在低密度級，提高鏡質組含量的有效途徑是對原料煤按密度分選。煤巖學分析表明，有機顯微組分中一般鏡質組密度較低，殼質組密度略低于鏡質組，惰質組密度較高，而無機礦物密度最高[13]。因此隨著分選密度降低，首先脫除的是后生礦物為主的無機礦物；灰分降至后生礦物消失時，即外灰排除后，有機顯微組分含量隨著灰分的進一步降低迅速增加，因此鏡質組含量隨密度的變化趨勢為：隨著密度降低，鏡質組含量線性升高，分選密度降至分選內灰所需密度以下時，鏡質組含量迅速升高[14]。

4)生產鏡質組含量70%以上的高品質煤制油原料煤需低密度分選環境，但低密度臨近密度物含量均超過40%，屬于極難選煤，且<1.3 kg/L產率相對較低，因此需要進行破碎降低分選上限。綜上，高品質煤制油原料煤需降低分選上限，同時實現低密度高精度分選。

5)煤制油原料煤不同破碎級鏡質組的密度分布規律表明，隨著密度增加，各粒度級鏡質組含量先顯著降低，在1.5 kg/L后降幅減緩；惰質組含量先快速提升，1.5 kg/L后小幅降低。

3 生產過程組分分布規律

在生產穩定運行情況下，取煤制油選煤廠關鍵生產節點代表性樣品，對煤樣進行縮分、制樣灰分、組分組成分析，結果見表4和圖5。

圖5 煤制油選煤廠流程樣組分分布

表4 煤制油選煤廠流程取樣

1)神東礦區重介原煤灰分為9.45%，鏡質組含量為58.11%，惰質組含量為37.52%；精煤灰分為5.09%、5.40%，鏡質組含量為63.09%、62.42%，惰質組含量為35.31%、35.97%。說明經重介分選后，鏡質組含量提高15個百分點，灰分降低4個百分點，雖鏡質組含量顯著提高，但要升至70%以上需二次精選。

2)隨著流程走向，篩分對于組分含量的變化影響不大，而分選對于組分含量的變化影響顯著。

3)粗煤泥中鏡質組含量為57.09%～59.09%，而細煤泥鏡質組含量為45.45%，說明粗煤泥中有一定量的鏡質組需回收，應加強對粗煤泥中鏡質組資源的回收利用，擴大煤制油原料的來源。

圖6為鏡質組和惰質組的遷移情況，可以看出，鏡質組中，88%進入重介精煤，7%進入粗煤泥產品，5%進入細煤泥產品。由于細煤泥回收難度極大，而粗煤泥技術成熟，因此粗煤泥回收鏡質組是可行的；惰質組中，59%進入重介精煤中，25%進入矸石，7%進入粗煤泥產品，9%進入細煤泥產品。說明現有分選工藝對惰質組與鏡質組的高效分離有待提高，如需提高分離效果，應提高選擇性和降低分選密度[15]。