油團(tuán)聚法制備超低灰煤的研究進(jìn)展

柴社居，李桂春

(黑龍江科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022)

油團(tuán)聚法制備超低灰煤的研究進(jìn)展

柴社居，李桂春

(黑龍江科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022)

介紹了油團(tuán)聚法制備超低灰煤的工藝方法，闡述了煤的結(jié)構(gòu)特性和表面性質(zhì)，煤的粒徑，團(tuán)聚油的性質(zhì)、種類及用量，攪拌時(shí)間與攪拌速度等因素對(duì)團(tuán)聚效果的影響，并對(duì)油團(tuán)聚法制備超低灰煤的發(fā)展趨勢與未來前景進(jìn)行了論述。

油團(tuán)聚；超低灰煤；油團(tuán)-浮選法；油團(tuán)-篩分法；團(tuán)聚油；攪拌

我國是煤炭消費(fèi)大國，在一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中，煤炭消費(fèi)占到了70%[1]。但是，煤炭在加工利用過程中，產(chǎn)生了許多污染物，導(dǎo)致環(huán)境污染嚴(yán)重，究其原因主要是由于煤炭的灰分、硫分等含量普遍較高而造成的。為了減少污染，節(jié)省能源，應(yīng)盡可能采取潔凈煤技術(shù)。另外，中國石油儲(chǔ)量貧乏，當(dāng)前的主要措施是儲(chǔ)油、節(jié)油、代油，故擴(kuò)大煤基燃料代油的開發(fā)是合乎國情的。其中，油團(tuán)聚法制備的超低灰煤，可將其制成超低灰水煤漿，在燃?xì)廨啓C(jī)以及柴油機(jī)中代替柴油進(jìn)行燃燒，才減少國內(nèi)石油的用量。

油團(tuán)聚法是一種重要的煤炭脫灰技術(shù)。用油團(tuán)聚法制備超低灰煤，既可減少環(huán)境污染，節(jié)約能源，又可以利用該方法所制得的超低灰煤制備水煤漿等，提高煤的利用率，以煤代油，減輕國內(nèi)石油儲(chǔ)量的貧乏程度。由此可見，用油團(tuán)聚法制備超低灰煤具有很好的應(yīng)用前景。

1 油團(tuán)聚工藝方法

油團(tuán)聚脫灰法是依據(jù)礦物與煤表面疏水性的差異，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)分選的一種選煤方法[2]。具體是在磨細(xì)的煤漿中加入團(tuán)聚油，對(duì)煤漿進(jìn)行攪拌，團(tuán)聚油將疏水的煤粒潤濕，與此同時(shí)微細(xì)粒煤之間進(jìn)行相互碰撞，并被團(tuán)聚油“團(tuán)”成非常小的煤粒聚團(tuán)物，而親水的礦物質(zhì)則分散在水中，這樣就把煤粒聚團(tuán)物與礦物質(zhì)很好地分離出來，從而達(dá)到分選的目的[3]。

現(xiàn)階段，油團(tuán)聚工藝方法主要有兩種：一種是油團(tuán)-浮選法，另一種油團(tuán)-篩分法(OTP法)。兩種方法主要原理都是利用煤中的有機(jī)質(zhì)與無機(jī)礦物親水性的不同，進(jìn)而把它們分離開[4]。

1.1 油團(tuán)-浮選法

油團(tuán)-浮選法主要工藝流程是：首先，采用顎式破碎機(jī)將煤破碎至3 mm左右，再用球磨機(jī)將煤磨至1 mm以下，制成濃度為30%左右的微細(xì)粒煤漿；然后，用瓷球磨濕磨到所需的粒度，再稀釋到一定的濃度，在加入團(tuán)聚油的同時(shí)，也加入調(diào)整劑進(jìn)行調(diào)整，通過高速攪拌，形成疏水的團(tuán)聚物；之后再通過浮選等一系列的方法把煤粒團(tuán)聚物和其他的礦物質(zhì)分開。該方法與OTP法相比，可以大幅度地降低油團(tuán)聚過程中的用油量，并且此法得到的產(chǎn)物機(jī)械夾帶低，水分也較低。

1.2 油團(tuán)-篩分法

油團(tuán)-篩分法(OTP法)工藝流程為：將粒度小于10 cm的煤破碎到一定程度(<200 μm)，制成一定濃度和密度的微細(xì)粒煤漿，再將其平均粒徑磨到7 μm左右，稀釋成濃度為15%的煤漿；之后，加入團(tuán)聚油，一同送到混合器中，經(jīng)強(qiáng)烈攪拌，煤粒在團(tuán)聚油的作用下形成了具有一定粒度及強(qiáng)度的聚團(tuán)物，親水的礦物質(zhì)則分散于水中；最后，經(jīng)過脫水與篩分，得到最終產(chǎn)物，并回收其中的團(tuán)聚劑。篩下水經(jīng)過一系列的澄清處理以后還可繼續(xù)使用。

2 油團(tuán)聚法制備超低灰煤的影響因素

2.1 煤的結(jié)構(gòu)特性和表面性質(zhì)

Murata等[5]探討了煤表面的碳氧型氧對(duì)油團(tuán)聚技術(shù)的影響，研究發(fā)現(xiàn)：如果煤的表面含有大量的碳氧型氧，則煤粒很難直接發(fā)生油團(tuán)聚。郭崇濤等[6]對(duì)鐵法、阜新和大同煤分別使用大港重油在70 ℃、pH值為5 ～6的條件下進(jìn)行油團(tuán)聚，發(fā)現(xiàn)大同煤的脫灰效率高于鐵法與阜新煤，但其可燃質(zhì)回收率略低于阜新煤。Timpe等[7]以褐煤為試驗(yàn)煤樣，發(fā)現(xiàn)如果先將褐煤用熱水干燥處理，則可以改善其油團(tuán)聚的性能。Markus Zcw Shi等[8]在探討年輕煤油團(tuán)聚脫灰過程中，先將年輕煤用油酸鈉等試劑進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)這樣可以使年輕煤的油團(tuán)聚性能得到進(jìn)一步的改善。楊巧文等[9]在探究煤的結(jié)構(gòu)特性對(duì)制備超低灰精煤的影響過程中，對(duì)不同的煤種進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)如果煤表面的含氧量較多，則煤粒不出現(xiàn)團(tuán)聚，應(yīng)先加入一些調(diào)整劑，使煤的表面性質(zhì)發(fā)生一定變化改善其性質(zhì)后，煤粒才可能出現(xiàn)團(tuán)聚行為。Tuncay Uslu等[10]將超聲乳化前后的煤分別進(jìn)行了油團(tuán)聚實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)乳化后煤的灰分和硫分的去除率明顯優(yōu)于前者；并觀察了乳化后煤顆粒的破碎、形成的裂隙以及孔隙等，發(fā)現(xiàn)超聲對(duì)煤的破碎作用導(dǎo)致其粒度減小和表面裂縫，去除了煤表面的氧化層，產(chǎn)生了孔隙，當(dāng)碳含量增大時(shí)，煤中氧含量減少；同時(shí)，煤表面和氧化層中的黏土和其他脈石礦物也減少，有利于油團(tuán)聚的進(jìn)行。

可見，在制備超低灰煤的過程中，煤的結(jié)構(gòu)特性和表面性質(zhì)極為重要，選擇何種煤以及煤表面性質(zhì)的處理，是油團(tuán)聚制備超低灰煤的前提與基礎(chǔ)。不同性質(zhì)的煤對(duì)應(yīng)的最佳團(tuán)聚油種類、用量及所添加的藥劑等都不同，直接影響油團(tuán)聚的工藝條件，因此在制備之前一定要選擇性質(zhì)適宜的煤，這樣有利于超低灰煤的制備。

2.2 煤的粒徑

Gandolfi等[11-12]研制了一種新的設(shè)備，它能同時(shí)進(jìn)行油團(tuán)聚與研磨的操作，可脫掉煤中2/3的灰分，脫灰效果比一般設(shè)備好。郭崇濤等人[6]將煤在球磨機(jī)中分別研磨不同時(shí)間后，對(duì)粒徑不同的煤用大港重油進(jìn)行油團(tuán)聚脫灰試驗(yàn)，結(jié)果表明：隨著研磨時(shí)間不斷增加，脫灰效率也不斷地提高，但可燃質(zhì)回收率會(huì)有所下降。楊巧文等[13]用十種不同的煤進(jìn)行油團(tuán)聚脫灰研究，發(fā)現(xiàn)煤的脫灰效果不但與礦物質(zhì)在煤中的分布情況和存在形式有關(guān)，而且還與煤的粒徑有關(guān)，煤粒粒徑越小，礦物質(zhì)就越容易與煤中有機(jī)質(zhì)發(fā)生分離。李蒙俊等[14]在利用湖南白沙煙煤制備超低灰煤過程中，探討了煤的粒徑對(duì)油團(tuán)聚脫灰的影響，發(fā)現(xiàn)煤的表面性質(zhì)隨煤的粒徑的減小而不斷變化，且對(duì)分離過程的影響很大；但是，煤的粒徑不能過小，否則磨煤時(shí)間長，磨機(jī)功耗和所需成本就會(huì)增多。Ercan Sahinoglu等[15]利用阿爾特溫-土耳其煤種探討了不同用油量條件下不同粒徑對(duì)可燃體回收率、灰分和硫分去除率的影響，發(fā)現(xiàn)隨著煤的粒徑和用油量的增大，團(tuán)聚物粒徑明顯增大。Ercan Sahinoglu等[16]在探討篩分粒度對(duì)粉煤團(tuán)聚影響的過程中，研究了團(tuán)聚物性能與篩分粒度的關(guān)系以及最佳團(tuán)聚條件，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)團(tuán)聚物顆粒尺寸介于給料粒度與略高于給料粒度之間。

綜上可見，磨煤所需時(shí)間和產(chǎn)物的灰分有一個(gè)相對(duì)平衡點(diǎn)，既要使煤粒粒徑足夠小、夾帶的鐵質(zhì)較少，又要使磨機(jī)的功耗較少，這個(gè)平衡點(diǎn)將隨著產(chǎn)品質(zhì)量的不同而變化。

2.3 團(tuán)聚油的性質(zhì)、種類及用量

2.3.1 團(tuán)聚油的性質(zhì)

Capes及其合作者[17]認(rèn)為，團(tuán)聚油密度是油團(tuán)聚制備超低灰煤過程中的一個(gè)重要因素。當(dāng)油密度過高時(shí)，所添加的油不能分散成油滴，煤的表面就難以充分潤濕，也就很難使煤充分團(tuán)聚起來；相反，如果油密度過低，其粘度也會(huì)變低，不能形成穩(wěn)定的團(tuán)聚物。Ignasiak等[18]用少量煤油和柴油對(duì)重油密度進(jìn)行調(diào)節(jié)，然后用其團(tuán)聚次煙煤，發(fā)現(xiàn)可以使煤中灰分降低一半。Blaschke[19]在用烴含量較高的柴油作為團(tuán)聚劑團(tuán)聚變質(zhì)程度不同的煤的過程中，發(fā)現(xiàn)煤粒表面親水性較大時(shí)，脫灰的效率反而降低。Timpe等[7]在探討不同油對(duì)脫灰效率影響的過程中，發(fā)現(xiàn)如果使用輕油作為團(tuán)聚油，則煤粒只能形成一些乳膠體系，不能形成分散的團(tuán)聚物；但如果用石油苯、對(duì)二甲苯調(diào)節(jié)重油密度時(shí)，團(tuán)聚時(shí)間減少，脫灰效果明顯。

2.3.2 團(tuán)聚油的種類

楊巧文等[13]根據(jù)現(xiàn)有的團(tuán)聚劑，結(jié)合所用煤種變質(zhì)程度的高低，選用了價(jià)格便宜、選擇性強(qiáng)、易回收的戊己烷作為團(tuán)聚劑，探討了團(tuán)聚劑用量對(duì)油團(tuán)聚深度脫灰的影響。付曉恒等[20]在研究用油團(tuán)聚方法降低煉焦精煤的灰分和硫分的過程中，將煤焦油進(jìn)行乳化，然后用它分選重選中煤，發(fā)現(xiàn)可分選出灰分較低的煤，團(tuán)聚物中的焦油還能回收，同時(shí)此法脫硫的效果也非常好。G.H.V.C. Chary等[21]使用植物油對(duì)印度煙煤進(jìn)行油團(tuán)聚試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)粉煤回收率較高。Kim van Netten等[22]在粉煤的油團(tuán)聚動(dòng)力學(xué)研究中，采用油包水乳濁液作為非混相結(jié)合液取代了傳統(tǒng)的純油方法，團(tuán)聚時(shí)間減少了2倍，團(tuán)聚劑用量減少了5倍。

2.3.3 團(tuán)聚油的用量

劉文新等[23]對(duì)油團(tuán)聚法脫灰進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)將家庭食用后的廢油以及煤炭液化中性油作為團(tuán)聚油，當(dāng)油的添加量超過20%時(shí)，絕大部分的煤可以進(jìn)行回收，脫灰效率可達(dá)到了20% 左右。楊巧文等[24]對(duì)油團(tuán)聚過程中煤粒聚團(tuán)的形態(tài)進(jìn)行了探討，通過不同的用油量，探討了油的用量對(duì)聚團(tuán)粒度分布的影響，研究結(jié)果表明：隨著油用量增加，聚團(tuán)的平均粒度增大，精煤灰分也降低；但用油量不能太大，否則選擇性變差，導(dǎo)致產(chǎn)品灰分升高，同時(shí)成本也會(huì)較高。

2.4 攪拌時(shí)間與攪拌速度

美國新墨西哥能源研究院通過一系列的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)油團(tuán)聚時(shí)間為5～8 min時(shí)，煤的脫灰效率最高；反之，長時(shí)間的攪拌會(huì)將已形成的微團(tuán)聚物破碎，降低了煤的可燃質(zhì)回收率。楊巧文等[24]研究了攪拌時(shí)間對(duì)油團(tuán)聚的影響，發(fā)現(xiàn)增大煤漿攪拌時(shí)間，聚團(tuán)形態(tài)會(huì)發(fā)生很大變化，聚團(tuán)的平均粒度也會(huì)不斷變大，精煤灰分隨之減小。Pawlak等[18]在研究油團(tuán)聚動(dòng)力學(xué)時(shí)，發(fā)現(xiàn)加快攪拌速度，有利于油和煤的充分接觸，脫灰效率會(huì)不斷升高。Timpe等[7]經(jīng)過實(shí)驗(yàn)也總結(jié)出了相似的結(jié)果：在油團(tuán)聚過程中，攪拌的速度較大，脫灰的效果就會(huì)較明顯。但攪拌強(qiáng)度過大時(shí)，會(huì)對(duì)已經(jīng)形成的微團(tuán)聚物造成一定程度的破壞，反而降低了煤的可燃質(zhì)回收率。

由以上文獻(xiàn)分析可得，對(duì)于不同的油團(tuán)聚工藝，如果團(tuán)聚時(shí)間過短，則形成的是絮凝塊，其絮團(tuán)內(nèi)部含較多的水分，使得煤與礦物質(zhì)不能有效分離；相反，時(shí)間過長就會(huì)大大降低煤的可燃質(zhì)回收率。因此，要想更好地提高煤的油團(tuán)聚脫灰效率，就必須合理地選擇油團(tuán)聚時(shí)間和攪拌速度。

2.5 其他因素

2.5.1 用水量、濃度以及煤漿的密度

李蒙俊等[14]在探討油團(tuán)聚技術(shù)制備超低灰煤的影響因素的過程中，通過改變粉碎時(shí)的水量發(fā)現(xiàn)，若添加的水量較少，礦漿則太稠，大大降低了脫灰效率；反之，礦漿又太稀，這樣脫灰效率也不高。楊巧文等[13]在研究煤深度脫灰過程的主要影響因素時(shí)，發(fā)現(xiàn)若礦漿濃度低，精煤灰分明顯降低，但煤漿濃度不宜太低，否則其處理量小、生產(chǎn)率低。郭崇濤等人[6]用大港重油對(duì)不同煤漿密度的鐵法煤進(jìn)行團(tuán)聚試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)煤漿密度不能太低，太低會(huì)限制油團(tuán)聚過程中煤粒與油滴之間的充分接觸，使得混合時(shí)間較長，同時(shí)煤漿密度太低時(shí)還需處理大量的循環(huán)水。

2.5.2 煤漿pH值和添加劑

Labuschagne等[25]通過大量實(shí)驗(yàn)研究了煤漿pH值、油團(tuán)聚時(shí)間和添加劑用量三者之間的關(guān)聯(lián)方程式，發(fā)現(xiàn)煤漿pH值對(duì)煤的表面性質(zhì)影響很大。日本專家研究表明：當(dāng)煤漿pH值為7時(shí)，煤的脫灰效率可達(dá)到65%以上，若將煤漿pH值調(diào)到10.5左右，可使煤和灰進(jìn)一步分離。Satish Kumar等[26]用田口實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法對(duì)東南部煤田的煤樣進(jìn)行了油團(tuán)聚的優(yōu)化研究，使用均值方法進(jìn)行優(yōu)化，并用多元線性回歸方差分析的方法，確定了各工藝參數(shù)對(duì)結(jié)果的影響程度：pH值>攪拌速度>油用量>時(shí)間>溫度，發(fā)現(xiàn)pH值對(duì)油團(tuán)聚的影響至關(guān)重要。

尚洪山等[27]在進(jìn)行煤的油團(tuán)聚分選過程中，添加了一種特殊的胺類分散劑，結(jié)果得到灰分低于1%的超低灰煤。李睿華用W1作為分散劑、煤油作為橋連油、醚醇作為起泡劑對(duì)唐山選煤廠的煤泥進(jìn)行油團(tuán)聚脫灰，可以把灰分為24.22%的煤泥灰分降為12.58%[28]。吳燕等[29]用一些改性劑對(duì)超低灰分無煙煤的超細(xì)粉碎的影響進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)這些改性劑提高了無煙煤超細(xì)粉碎效率。朱昆陽等[30]在制備細(xì)粒超低灰煤的過程中，以MJ復(fù)合藥劑作浮選藥劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)，其脫灰效果明顯。

綜上所述，用油團(tuán)聚脫灰法制備超低灰煤的影響因素很多，其中最為重要的因素有：煤的結(jié)構(gòu)特性和表面性質(zhì)、煤的粒徑、團(tuán)聚劑(油)的種類及用量、添加劑；其次是攪拌時(shí)間和速度、煤漿pH值、攪拌強(qiáng)度；而用水量、濃度以及煤漿的密度等對(duì)油團(tuán)聚的影響相對(duì)前者較??；同時(shí)，煤的結(jié)構(gòu)特性和表面性質(zhì)直接影響后續(xù)團(tuán)聚劑及添加劑的選擇與使用。因此，在油團(tuán)聚過程中，應(yīng)選擇適宜的煤種，合理利用添加劑，選擇合適的團(tuán)聚劑，以在達(dá)到降灰目的、滿足制備超低灰分煤的基礎(chǔ)上，盡量減少團(tuán)聚油的用量，提高團(tuán)聚油的利用率。

3 發(fā)展趨勢及展望

3.1 發(fā)展趨勢

(1)制備超低灰煤產(chǎn)品既可以使我國煤炭利用高效發(fā)展，還可以解決我國煤炭灰分普遍偏高的問題，滿足高質(zhì)量煤炭產(chǎn)品及以煤代油的需要。同時(shí)，油團(tuán)聚法制備超低灰煤的工藝簡單、成本低、易操作、分選效果好，其工業(yè)化應(yīng)用更為廣泛，故大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)超低灰煤，是國內(nèi)外科技工作者努力和探索的方向，也是高效、清潔利用煤炭資源的發(fā)展趨勢。

(2)在用油團(tuán)聚法制備超低灰煤的過程中，除了煤炭自身性質(zhì)對(duì)其影響非常明顯外，所用團(tuán)聚劑的種類不同，則脫灰效果也明顯不同，目前團(tuán)聚劑聯(lián)合使用的情況較多。為了更有效地制備超低灰煤，減少團(tuán)聚劑的消耗，提高回收率，對(duì)團(tuán)聚劑聯(lián)合使用及新型團(tuán)聚劑的探索是非常必要的。

(3)在油團(tuán)聚法制備超低灰煤過程中，對(duì)設(shè)備(破碎、磨礦)的要求嚴(yán)格，同時(shí)油耗量也較高。雖然目前已經(jīng)有一些效果(破碎、磨礦等效果)較好的設(shè)備研發(fā)出來，但研發(fā)性能更好、油耗量更少、更為經(jīng)濟(jì)有效的設(shè)備也是油團(tuán)聚技術(shù)的發(fā)展趨勢。

3.2 展望

(1)當(dāng)采用OTP法時(shí)，篩網(wǎng)尺寸大小對(duì)效果影響明顯，故可對(duì)所得團(tuán)聚物進(jìn)行各粒度級(jí)的研究，找出各參數(shù)間的關(guān)系及變化規(guī)律，進(jìn)而確定最佳篩分尺寸。

(2)在制備超低灰煤的過程中，油耗高制約了油團(tuán)聚的工業(yè)發(fā)展，因此需針對(duì)不同的煤種，合理選擇團(tuán)聚油和添加劑的種類及添加量等，找出各因素間的最佳用量，解決油耗高的問題。

(3)已有研究對(duì)煤的其他表面性質(zhì)(煤?？紫?、表面氧化層等)對(duì)油團(tuán)聚脫灰效率的影響研究較少，因此應(yīng)加強(qiáng)這方面的研究，以更深入地了解油團(tuán)聚機(jī)理與規(guī)律。

(4)在乳化條件下，油團(tuán)聚效果比非乳化要好，但目前聯(lián)合使用團(tuán)聚油情況下的乳化尚無研究，因此今后可在此方面進(jìn)行探索，以了解不同團(tuán)聚油聯(lián)合使用再乳化條件下的團(tuán)聚效果和耗油量等。

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Progress of the study on preparation of ultralow-ash coal by oil agglomeration

CHAI She-ju, LI Gui-chun

(College of Mining Engineering, Heilongjiang University of Science and Technology, Harbin 150022, China)

Following an introduction to the preparation of ultralow-ash coal by oil agglomeration, the paper elaborates on the effect on oil agglomeration produced by a number of factors, such as structural characteristics, surface property and size of coal, nature, type and dosage of binding oil, and mixing time and speed, as well as the tread and perspective of this technology.

oil agglomeration; ultralow-ash coal; bulk-oil flotation method; bulk-oil screening method; OTP method; mixing

1001-3571(2016)04-0083-05

TD94

A

2016-05-18

10.16447/j.cnki.cpt.2016.04.023

柴社居(1991— )，男，甘肅省平?jīng)鍪腥耍T士研究生，從事煤炭分選方面的研究。

E-mail: 1595943084@qq.com Tel：18903601614

柴社居，李桂春. 油團(tuán)聚法制備超低灰煤的研究進(jìn)展[J]. 選煤技術(shù)，2016(4):83-87.