煤炭除灰技術的相關研究與分析

于永強

（開灤林西礦業有限公司，河北 唐山 063700）

0 引言

我國地大物博，物產風俗，具有豐富的煤炭儲量，但是具有較高成分的灰分，經多年持續的開采后，煤炭質量不斷下降。研究顯示，1994年國內高品動力煤的平均灰分僅為19%，2004年時增加至23%的高度，而到2014年已經高達28%。逐漸增加的煤炭灰分也會增加煤炭運輸的壓力，導致巨大的倉儲和運輸浪費，并不利于煤炭資源的有效利用。隨著行業的需要，煤炭除灰技術水平也逐漸提升，現階段的煤炭除灰技術分為傳統除灰技術和精制除灰技術，其中傳統除灰技術是目前的主流工藝，有效提高了煤炭的品質和煤炭的有效率利用率[1]。精制除灰技術是傳統物理除灰技術基礎上的優化和提升，可提高煤炭附加值，生產清潔燃料和煤炭材料。

1 煤炭灰分的概述

通常，煤炭的灰分可以分成內在和外在灰分兩種。其中，內在灰分主要來自成煤的過程之中，包括成煤植物所具有的原生礦物，約占1%-2%的比重，以及煤炭形成過程中進入至煤層的次生礦物，約占10%以下，難以采用傳統除灰方式去除灰分，需采用精制除灰技術處理。而外在灰分主要形成于煤炭的開采過程，以及加工過程中混合而來的礦物，比如頂板、底板的矸石，占有 5%-10%的較高比重，有的含量較高的甚至占10%-20%，均可采用傳統煤炭除灰方式將灰分去除。煤炭質量的高低通常由灰分含量的多少而決定，且不同質量的煤炭具有不同的用途[2]。

2 傳統煤炭除灰技術及其應用

2.1 傳統煤炭除灰技術

傳統煤炭除灰技術主要有跳汰選煤法、浮選法、重介法、風力選煤、干擾床和搖床等。其中跳汰選煤法是利用煤層上下運動的液體，進行收縮、膨脹的交替，按照自上而下的順序增加密度，進行煤炭的分選。重介法是利用矸石、煤炭的中間密度水平的懸浮液或重液作煤炭的分選。浮選法是利用礦物質和煤炭表面的不同物理差異和化學性質的差異，及其不同程度的潤濕性，在氣液固三相中進行煤炭的分選，這種方式主要使用與細小顆粒煤炭的篩選。這種方式彌補重介法和跳汰選煤法的不足，對于二者選煤抵效或無效的情況，可以采用這種方式進行煤炭開采中全粒級分選。近年來，上述三種選煤方法在市場中的應用情況發生較大轉變，跳汰選煤法在2005年時的應用比例高達56%，而在2016年時已經下降至11%的水平。然而，浮選法和重介法在2016年時已經達到25%和61%的比例[3]。

跳汰選煤法、重介法和浮選法煤炭分選技術已經十分成熟，但是在實施中需要配合建設煤泥水處理系統，不符合北方煤炭大省的自然條件。風力選煤的煤炭干選方法無需用水，并且可利用自然條件的優勢減低投資成本，適合水資源短缺、天氣寒冷的地區。隨著人工智能技術的發展以及大數據的支撐，煤炭智能干選系統應運而生，通過智能技術對矸石、煤的識別和區分，利用壓縮空氣進行精確的噴吹篩選，并初步應用于煤炭的分選之中。

2.2 除灰產品的應用

傳統煤炭除灰技術通常智能除去煤炭的外灰，生產出一些煉焦煤或動力煤產品，主要應用于高爐煉鋼或燃燒發電。利用傳統煤炭除灰技術可以生產出大量的以鋁硅為主要成分的煤矸石，通常開采1噸的額密探，就會產生0.2噸的煤矸石。這些產品主要應用于鋪路或礦井回填施工之中，或者作為建筑材料、鍋爐供熱或發電的燃料等。此外，從煤矸石中進行再次提取，獲得高嶺土也具有重要價值。北方煤炭屬于高嶺土，是目前我國重要的高齡土資源[4]。高爐煉鋼和燃煤發電的產物——爐渣和粉煤灰，擁有與煤矸石十分相似的成分，其應用也與煤矸石類似。近幾年來，對于內蒙古等地區的高鋁粉煤灰進行進一步的技術開發，獲得粉煤提鋁技術、副產分子篩技術、超白玻璃技術等。此外，粉煤灰、煤矸石和高爐煉鋼殘渣都可以應用于農業肥料的植被，成為農作物生長亟需的硅肥產品。

3 煤炭精制除灰技術及其應用

3.1 物理法除灰

物理除灰技術通常憑借超細粉碎技術，在煤炭破碎后分離出其中含有的次生礦物質顆粒。在利用非極性油獲取煤炭顆粒，實現煤炭中的礦物質分離和灰分的去除。或者是利用礦物質與煤炭的不同電性質進行除灰和分選。或者使用改良浮選柱來獲取較低灰分的煤炭。

其中，電選煤炭除灰技術可以分成感應靜電、電暈靜電和摩擦靜電三種分選方式前兩者會引起超細顆粒團聚，難以實現灰分與煤炭顆粒的有效脫離。通過柴油的添加來改變煤炭顆粒表面性質來實現灰分的分離。摩擦靜電分選方式能夠獲得灰分低于2%的低灰煤。

浮選柱是對傳統浮選技術的改良，主要應用于處理煤泥的灰分和雜質。可以利用氣泡微細化技術浮選細顆粒煤炭。目前，市面上具有種類繁多的浮選柱，其中溶氣式浮選柱和旋流靜態微泡浮選柱，可在粒度低于200 目＞90% 時，進行特定煤種的灰分去除，進而制備灰分低于2%，甚至是低于1%的低灰煤[5]。

3.2 化學法除灰

煤炭化學除灰技術即利用藥劑與煤炭中的礦物質發生化學反應，可以去除煤炭中的次生礦物以及部分原生礦物，可以獲得灰分成分極低的超純煤。化學法無需完全分離灰分和煤炭顆粒，可以具有一定的顆粒度。對于紙杯一些需要一定原料粒度的煤基炭材料，采用化學法除灰技術更能體現它的優勢所在。

常用的化學除灰法有常規酸堿法、氫氟酸法、化學煤法、熔融堿瀝濾法。其中化學煤法為有機化學法，剩余三種為無機化學法。常規酸堿法是依靠煤炭中礦物質與堿液發生化學分反應生成的酸溶性產物再與酸發生反應，隨之進入液相，通過過濾和洗滌程序與煤炭中的有機質相脫離。這種煤炭除灰方式在環境效益和經濟效益方面具有明顯優勢。氫氟酸法通常能夠獲得最優的技術指標，能夠將大多數煤中的礦物灰分有效脫出對各種類型的煤炭均適用。但是，氫氟酸具有一定毒性，在環境保護和人體健康層面具有負性作用，對廠房建筑、設備機械等均具有腐蝕性。也給其應用和推廣造成一定阻礙。熔融堿瀝濾法是將熔融高溫狀態的堿，與煤中的礦物質發生充分的化學反應，脫離灰分的的效果十分明顯，但同時也會對煤炭原有的有機結構造成一定破壞。化學煤是利用酚油與堿液作溶劑，經過高壓、高溫發生溶解，將煤炭中的有機質破壞，加氫，過濾，再反溶劑甲醇，從熱溶解的有機物中將化學煤沉淀而出，再通過一系列的過濾、分離和干燥處理，得到最終的化學煤產品。這種方法從根本上破壞了煤炭結構[6]。

4 煤炭除灰技術的發展前景

4.1 傳統煤炭除灰技術的發展前景

盡管目前我國的煤炭入選率已高達75%，但是國外一些先進國家相比，仍存在較大差距。跳汰法所需較大的循環用水，且對難選煤種的分選效率較低，近些年來逐漸呈現被重介法取代的趨勢。浮選法是傳統煤炭除灰技術水平和質量最高的，但是操作成本高，并且主要用分選高價值焦煤的分，應用范圍相對狹窄。可見，重介法、浮選法會成為未來傳統煤炭除灰的主流技術，并會隨著技術的進步逐漸提高分選水平，持續進行自動化與大型化的推進。干法選煤在北方缺水地區具有明顯的應用優勢，但是受到含水量以及分選粒度上下限的制約，阻礙了其大規模應用。目前，智能化選煤技術可對煤炭和矸石進行有效識別，較大程度上突破了干法選煤技術對煤炭含水量的硬性要求，但是可應用的煤炭分選范圍仍然有限，需要進一步拓展，以增加在現實操作中的實用性。

4.2 精制煤炭除灰技術發展前景

就目前煤炭除灰技術的發展形勢而言，煤炭化學法除灰的應用潛力巨大，是煤基炭材料的關鍵技術。現階段，市場上應用的化學法精制除灰工藝均存在比較苛刻的制備條件，在工業實現中具有較大難度。并且，在灰分脫離過程中，煤炭中礦物質灰分與化學藥劑之間的強烈反應會消耗大量藥劑，并生成巨大的含有灰分的酸堿廢液。

5 結語

針對目前面臨的化學法除灰技術難點，濕法冶金原理有效的突破了這些工藝的種種限制，溫和高效的化學除灰技術應運而生，實現了灰分的有效處理以及資源的優化利用，并能夠實現化學藥劑的再利用。這一技術的應用極大血漿了化學藥劑的用量，增強煤炭灰分的脫離能力。并且，藥劑與灰分之間的化學反應相對溫和，可在條件較為寬泛，能夠在常壓、低溫環境下分離灰分，且除灰后的煤炭純度高，灰分含量在0.1%-0.3%的范圍內，除灰效率高。此外，對于廢液中殘存的二氧化硅，也制定了資源的優化利用方案。針對煤炭除灰后產生的廢液進行聯合提鋁，提取率高達80%以上。