吉郎德礦稀缺煤炭資源的開發(fā)利用研究

李久明

（中國中煤能源集團有限公司，北京 100120）

稀缺煤炭是指具有某種煤質(zhì)特征和重要經(jīng)濟價值、儲量相對較少的煤類。吉郎德煤礦主要開采和初加工原煤，產(chǎn)品具有特低灰、特低硫的稀缺特性。原煤經(jīng)過簡單加工后銷往周邊化工廠和下游貿(mào)易商，對資源的依賴性強，屬于典型的資源型企業(yè)。由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)單一，加工深度欠缺，企業(yè)抗風(fēng)險能力明顯不足，容易受到市場波動的影響。除此之外，煤炭開采位于產(chǎn)業(yè)鏈的最底端，難以有效發(fā)揮稀缺煤炭資源的潛在經(jīng)濟價值。因此，煤炭企業(yè)必須向橫向拓展產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和向縱向延伸產(chǎn)業(yè)鏈，提高資源的綜合利用率，增加產(chǎn)品經(jīng)濟附加值。

通過分析吉郎德礦原煤特點，以及煤制炭材料、冶煉和超純煤用原料煤技術(shù)現(xiàn)狀，提出了特低灰、特低硫煤生產(chǎn)活性炭，為稀缺煤炭資源的高附加值開發(fā)提供借鑒。

1 煤質(zhì)特征

吉郎德露天煤礦位于新疆巴里坤礦區(qū)，所產(chǎn)煤炭水分（Mad）2.72%，揮發(fā)分（Vdaf）37.89%，灰分（Ad）4.07%，屬長焰煤，煤質(zhì)特征為特低灰、特低硫、高揮發(fā)分、高發(fā)熱量，有弱結(jié)渣性，對CO2的反應(yīng)性較好，化驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 特低灰、特低硫煤的化驗數(shù)據(jù) 單位：%

根據(jù)《煤基活性炭用煤技術(shù)條件》（MT/T 1011-2006），活性炭用原料煤灰分應(yīng)小于5%，全硫小于0.5%，粘結(jié)指數(shù)小于18。活性炭產(chǎn)品中的灰分隨著原煤灰分而降低，灰分過高則用于造孔的有機碳含量減少，不利于孔結(jié)構(gòu)的形成，導(dǎo)致比表面積降低，影響吸附性能，同時降低活性炭產(chǎn)品的強度。但礦物質(zhì)中的鐵元素、鈣元素會催化活化反應(yīng)，促進炭化料的燒失和大孔、中孔的形成。吉郎德礦原煤灰分4.07%，達到了特低灰的標準，其中氧化鐵和氧化鈣占19.29%，是活化反應(yīng)的有利因素。揮發(fā)分是對煤進行分類的主要依據(jù)，揮發(fā)分越高，煤的變質(zhì)程度和石墨化程度越高，在炭化后形成微晶結(jié)構(gòu)，活化反應(yīng)性降低。孔結(jié)構(gòu)隨變質(zhì)程度的提高發(fā)生有規(guī)律的變化，低變質(zhì)程度的煤活化后主要形成中大孔，高變質(zhì)程度的煤活化后形成微孔。吉郎德礦原煤揮發(fā)分37.89%，為低變質(zhì)程度長焰煤，有利于制備中孔發(fā)達的活性炭，用于水處理、脫色、催化劑載體等領(lǐng)域。當生產(chǎn)催化劑載體用活性炭時，較低的硫分能夠提高活性炭和催化劑的質(zhì)量。冶煉用還原劑要求較低的灰分，灰分過高導(dǎo)致產(chǎn)品中雜質(zhì)含量升高，質(zhì)量降低；熔渣量增加，影響爐況和能耗，原料煤灰分4.07%滿足工業(yè)硅冶煉和電極材料的一般要求。

2 開發(fā)利用展望

2.1 生產(chǎn)煤基活性炭

活性炭是由含碳物質(zhì)經(jīng)特殊加工制得的人工炭材料，具有比表面積大、孔隙發(fā)達、吸附能力強、性能穩(wěn)定、可以再生重復(fù)利用的特點，在工業(yè)、城市水處理、氣體凈化、工業(yè)催化劑等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。以煤為原料生產(chǎn)的活性炭相比木材和果殼等其他物質(zhì)，具有原料來源廣泛、成本低廉的優(yōu)勢。

煤基活性炭在水處理和煙氣凈化領(lǐng)域的需求越來越多。采用定向制備、配煤調(diào)控孔結(jié)構(gòu)和深度降灰，能夠制備低灰、高比表面積活性炭。煤中過量的灰分不利于活性炭孔隙發(fā)育，灰分＜5%的特低灰是煤基活性炭的理想原材料，有利于控制灰分。部分煤企進行了特低灰煤制備活性炭的工業(yè)試驗，開發(fā)了高效生產(chǎn)設(shè)備。吳憲平等[1]選擇新疆12座礦井生產(chǎn)的灰分在2.73%～8.24%的原料煤，經(jīng)預(yù)氧化、炭化、活化試驗，制得了碘吸附值794～1034 m2/g的優(yōu)質(zhì)活性炭，表明各煤礦的原料煤全部可以生產(chǎn)活性炭，經(jīng)過配煤和優(yōu)化工藝參數(shù)，可生產(chǎn)更高品質(zhì)的活性炭產(chǎn)品。利用特低灰、特低硫煤生產(chǎn)活性炭對提高稀缺煤炭資源的附加值具有重要價值。

煤基活性炭的生產(chǎn)工藝包括原料煤破碎、磨粉、添加粘結(jié)劑壓制成型、干燥、炭化、活化，最后經(jīng)篩分獲得柱狀活性炭和粉狀活性炭，選用的設(shè)備包括雷蒙磨、對輥式成型機、外熱式預(yù)熱爐和炭化爐，多段耙式爐、多膛爐或斯列普爐用于炭化料的活化。趙榮善等[2]介紹了外熱式氧化爐和炭化爐的結(jié)構(gòu)及炭化工藝，灰分2.33%～2.7%的原料煤經(jīng)磨粉、壓塊后依次輸送進氧化爐、炭化爐、活化爐，其中氧化爐、炭化爐分6段分別控制溫度，以天然氣為原料進行加熱，活化后獲得1049～1055 m2/g活性炭。烏魯木齊周邊弱黏煤和不黏煤是生產(chǎn)活性炭的優(yōu)質(zhì)原料，與氣煤配煤炭化和活化，產(chǎn)品指標將更加優(yōu)良。陸曉東等[3]使用灰分2.2%的哈密煤和灰分5.93%的寬溝煤進行配比制備活性炭，250 ℃預(yù)氧化、530 ℃熱解炭化、920 ℃活化反應(yīng)，制得的活性炭碘吸附值達到1200～1320 mg/g，對水中TOC的去除率達到38%，性能優(yōu)于國外同類產(chǎn)品。

新疆地區(qū)弱黏煤和不黏煤比較適宜制備優(yōu)質(zhì)水處理用活性炭，與無煙煤配煤生產(chǎn)高耐壓強度、耐磨強度的活性焦，滿足當前化工企業(yè)煙氣脫硫脫硝需求，符合產(chǎn)業(yè)政策。特別是吉郎德礦特低灰、特低硫煤作為活性炭生產(chǎn)原料，有利于延長企業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈，簡化脫灰工藝流程，提高經(jīng)濟效益。

2.2 制備超純煤

超純煤技術(shù)是拓寬煤炭資源利用途徑，提高煤炭附加值的重要途徑。灰分低于2%的超純煤能夠用于水煤漿、高檔活性炭、超級電容器電極和碳納米材料等，具有重要的經(jīng)濟價值。超純煤制備方法包括化學(xué)法和物理法，由于化學(xué)法需要強酸或強堿與煤種的無機礦物質(zhì)反應(yīng)，達到深度脫灰的目的，對環(huán)境和設(shè)備損害較大，應(yīng)用受到限制；物理法是利用煤與礦物質(zhì)的沉降速度和電學(xué)性質(zhì)差異進行深加工的技術(shù)，對環(huán)境污染更少。

目前煤炭加工行業(yè)已經(jīng)實現(xiàn)了通過重介旋流和干擾床分選工藝生產(chǎn)灰分低于3%的超低灰無煙煤產(chǎn)品[4]。然而重介質(zhì)的使用會增加洗精煤中Fe元素的含量，不利于硅冶煉用原料煤的質(zhì)量控制。朱子祺等[5]使用神東礦區(qū)哈拉溝煤礦灰分5.24%的原料煤進行水力旋流試驗，結(jié)果表明錐段錐角120°、底流口直徑16 mm、給料壓力0.7 MPa，獲得了灰分2.42%的超低灰煤，F(xiàn)e含量更低，進一步提高了產(chǎn)品質(zhì)量，拓寬了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。

吉郎德礦原煤灰分4%，經(jīng)過深度洗選，產(chǎn)品回收率和質(zhì)量等級將進一步提高，生產(chǎn)超純煤有利于增加產(chǎn)品種類，根據(jù)市場需求靈活調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，達到經(jīng)濟效益最大化，促進企業(yè)向新型材料行業(yè)轉(zhuǎn)型升級，與此同時也對旋流器、TPS等分選設(shè)備提出更高要求。

2.3 電解鋁電極

電解鋁用電極材料以石油焦為骨料，添加煤瀝青為粘結(jié)劑，經(jīng)混捏、成型、焙燒制成。石油焦價格高，特低灰、特低硫煤替代石油焦制備陽極材料具有較高的經(jīng)濟價值。李發(fā)闖等人[6]提出了低灰煙煤和石油焦調(diào)整配比，煅燒制備電解鋁用陽極。

目前以低灰煤為原料制備電極材料，已經(jīng)能夠滿足電解鋁行業(yè)需求。特低灰煤作為炭材料原料煤，有利于煤炭高效利用，吉郎德礦現(xiàn)有選煤工藝需進一步優(yōu)化，保證產(chǎn)品質(zhì)量的均一性和穩(wěn)定性。

2.4 冶金還原劑

工業(yè)硅是硅石與碳質(zhì)還原劑在礦熱爐中發(fā)生氧化還原反應(yīng)，制備的基礎(chǔ)工業(yè)材料，廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體和化工等領(lǐng)域。工業(yè)硅的冶煉需要石油焦、木炭、煙煤等還原劑，原料要求低灰、固定碳和比電阻高、揮發(fā)分適中、化學(xué)反應(yīng)活性強、有一定的粒度和強度，木炭各項指標最優(yōu)，是生產(chǎn)優(yōu)級工業(yè)硅的最佳還原劑。實際生產(chǎn)中通常使用不同的還原劑并調(diào)整配比，穩(wěn)定爐況，降低電耗和生產(chǎn)成本。唐琳等[7]提出了冶煉硅用煙煤質(zhì)量指標，要求灰分＜4.5%，灰分中氧化鐵＜20%、氧化鋁＜20%、氧化鈣＜6%、SiO2介于25%～45%，SO2＜3%。灰分3.02%的新疆低灰煙煤和其他碳質(zhì)還原劑按一定比例配合，滿足工業(yè)硅冶煉的生產(chǎn)指標要求。

鄒學(xué)柏等[8]研究了不同木炭、石油焦、灰分2.72%煙煤配比，用于工業(yè)硅冶煉還原劑，結(jié)果表明生產(chǎn)出的硅達到了化學(xué)級，煙煤替代木炭方案技術(shù)可行，具有較高經(jīng)濟效益。段西京等[9]試驗了使用灰分4.5%的精煤全煤冶煉硅，結(jié)果表明爐況穩(wěn)定，電耗和生產(chǎn)成本降低，煙煤透氣性不如木炭，需添加木塊做疏松劑。畢紅興等[10]優(yōu)化了工業(yè)硅冶煉入爐原料質(zhì)量，指出為了控制還原劑燃燒損失，保證電極插入深度和氧化還原反應(yīng)，提高透氣性，通過合理搭配還原劑，減少鐵元素帶入。

吉郎德露天礦煤炭產(chǎn)品灰分和鐵含量較低，可直接用于金屬和硅冶煉生產(chǎn)。但隨著下游用戶對產(chǎn)品質(zhì)量的要求越來越高，煤炭開采企業(yè)需要開發(fā)應(yīng)用高效洗選工藝和設(shè)備，以提高產(chǎn)品質(zhì)量，保持灰分穩(wěn)定率在合理范圍。

3 結(jié)論

煤炭是國民經(jīng)濟發(fā)展所必需的基礎(chǔ)能源，尤其是其中的稀缺和特殊煤種，儲量有限，在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著特殊作用。新疆地區(qū)十四五規(guī)劃期間將布局煤炭煤電煤化工、新能源、新材料等產(chǎn)業(yè)，重點推動準東、哈密、吐魯番能源化工產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)建設(shè)。以特低灰、特低硫煤為原料發(fā)展煤基炭材料，可以進一步提高附加值，符合煤炭資源清潔高效利用的發(fā)展方向。

（1）新疆地區(qū)特低灰、特低硫煤是生產(chǎn)水處理用和煙氣凈化用活性炭的優(yōu)質(zhì)原料，同時也需要優(yōu)化無煙煤等配煤比例和工藝，保證產(chǎn)品質(zhì)量具備市場競爭力。

（2）為滿足日益增長的需求和產(chǎn)能限制，需要有生產(chǎn)能力1萬噸及以上、更加清潔高效的煤基活性炭生產(chǎn)設(shè)備。

（3）超純煤符合制備新型炭材料的需求，是拓寬產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的途徑之一，但對原煤的可磨性和分選設(shè)備要求較高。

（4）特低灰、特低硫煤是冶煉用還原劑的重要來源，煤炭市場企業(yè)需要優(yōu)化洗選加工工藝，保證質(zhì)量穩(wěn)定。