煤炭化學(xué)脫灰過程中礦物元素遷移規(guī)律的研究

劉海燕，荊 波，李彩艷

(兗礦水煤漿氣化及煤化工國家工程研究中心有限公司，山東滕州 277527)

煤炭作為地球上儲量最豐富的化石燃料被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，煤中的灰分是限制其應(yīng)用的重要因素。化學(xué)脫灰法是目前比較常用的脫灰方法，通過酸堿與煤中的礦物質(zhì)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，生成可溶性的鹽，進(jìn)而脫除煤中的礦物質(zhì)。國內(nèi)眾多研究人員從20世紀(jì)80年代中期開始采用化學(xué)脫灰的方法進(jìn)行超潔凈煤的制備[1-3]，前期的研究人員對脫灰過程和脫灰機(jī)理進(jìn)行了研究，如劉宗炎分別對Auscoal工藝及Gravimelt工藝生產(chǎn)超潔凈煤的工藝技術(shù)、產(chǎn)品性質(zhì)及成本進(jìn)行了分析[4]，趙海銘通過單因素試驗(yàn)研究了影響中煤化學(xué)脫灰效果的幾個(gè)因素[5]。筆者通過化學(xué)脫灰法處理不同產(chǎn)地的煤粉，研究化學(xué)脫灰過程中礦物元素的遷移變化規(guī)律，從而指導(dǎo)煤脫灰在工業(yè)中的應(yīng)用。

1 試驗(yàn)部分

1.1 樣品制備

選取產(chǎn)地不同的煤種進(jìn)行研究，即分別選用山東煤A、內(nèi)蒙煤B和陜西煤C作為研究對象，采用化學(xué)脫灰的方法制備超潔凈煤。具體操作如下：將煤進(jìn)行破碎、篩分，確保粒徑在75 μm以下。稱取一定量的煤，與一定濃度的氫氧化鈉溶液混合，在高溫高壓反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)一定的時(shí)間。堿處理后的煤粉經(jīng)過濾獲得濾餅，對濾餅進(jìn)行2次酸洗后，再進(jìn)行2次水洗，即獲得超潔凈煤。按照GB/T 212—2008對原煤進(jìn)行工業(yè)分析。

1.2 樣品測試

采用德國布魯克的S8 TIGER型X射線熒光光譜儀(XRF)分析煤的高溫灰的成分；采用美國利曼Prodigy XP型電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀(ICP-AES)對化學(xué)脫灰過程中產(chǎn)生的濾液進(jìn)行分析；采用AMICS系統(tǒng)分析煤中的礦物成分，AMICS系統(tǒng)由電子掃描電鏡、能譜儀、AMICS軟件三部分組成。

2 結(jié)果與討論

2.1 工業(yè)分析

3種原煤基本煤質(zhì)的分析結(jié)果見表1。

表1 3種原煤的煤質(zhì)工業(yè)分析結(jié)果 %

由表1煤質(zhì)工業(yè)分析結(jié)果可知：3種不同產(chǎn)地煤的灰分不同，以A煤中的灰分最高，B煤中的灰分最低。

2.2 高溫灰成分

3種原煤高溫灰成分的分析結(jié)果見表2。

表2 3種原煤高溫灰成分的分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

通過表2可以看出：3種產(chǎn)地不同煤的高溫灰成分不同，A煤中硅鋁氧化物所占比例為75.2%，高于其他2種煤；B煤中的氧化鐵所占比例為34.18%，高于其他2種煤；C煤中的氧化硅和氧化鈣含量比較高。

2.3 礦物元素遷移規(guī)律的研究

對化學(xué)脫灰過程中產(chǎn)生的堿浸出液、2次酸洗液和2次水洗液進(jìn)行處理，處理后進(jìn)ICP-AES測試煤中主要礦物元素的含量。結(jié)合工業(yè)分析數(shù)據(jù)和XRF數(shù)據(jù)，對化學(xué)脫灰過程中離子的脫除率進(jìn)行計(jì)算，A煤、B煤、C煤在化學(xué)脫灰過程中主要礦物元素的脫除率分別見表3、表4、表5。

表3 A煤在化學(xué)脫灰過程中主要礦物元素的脫除率 %

通過表3可以看出：A煤在化學(xué)脫灰過程中，堿浸出過程僅能脫除少量的鋁和硅，主要是將高嶺石轉(zhuǎn)化為羥基方鈉石，在后續(xù)的酸洗過程中進(jìn)行脫除，礦物質(zhì)脫除的主要化學(xué)反應(yīng)在一次酸洗，因此大部分礦物元素脫除集中在一次酸洗后。

A煤在化學(xué)脫灰后的基本煤質(zhì)分析結(jié)果顯示：脫灰后干燥基灰分Ad為0.93%，干燥無灰基揮發(fā)分Vdaf為36.82%，空氣干燥基水分Mad為7.28%。根據(jù)礦物分析結(jié)果來看，未脫除的礦物質(zhì)主要以石英、黃鐵礦和金紅石等形式存在。這主要是因?yàn)榻鸺t石、石英等一些化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的礦物質(zhì)，在脫灰過程中不會發(fā)生變化。由于黃鐵礦在此反應(yīng)條件下反應(yīng)緩慢[6-9]，所以會造成黃鐵礦的殘留。

表4 B煤在化學(xué)脫灰過程中主要礦物元素的脫除率 %

通過表4可以看出：B煤在化學(xué)脫灰過程中，堿浸出過程僅能脫除少量的鋁和硅，主要的脫除還是集中在后續(xù)的酸洗過程。

B煤在化學(xué)脫灰后的基本煤質(zhì)分析結(jié)果顯示：脫灰后干燥基灰分Ad為0.75%，干燥無灰基揮發(fā)分Vdaf為34.02%，空氣干燥基水分Mad為2.05%。根據(jù)礦物分析結(jié)果來看，未脫除的礦物質(zhì)主要以石英、黃鐵礦和金紅石等形式存在。

表5 C煤化學(xué)脫灰過程中主要礦物元素的脫除率 %

通過表5可以看出：在化學(xué)脫灰過程中，C煤和前2種煤相似，主要礦物元素的脫除集中在一次酸洗后，經(jīng)過化學(xué)脫灰過程，大部分含鋁的礦物質(zhì)被脫除，剩余少量含鐵、鈣和鈦的礦物質(zhì)。

C煤在化學(xué)脫灰后的基本煤質(zhì)分析結(jié)果顯示：脫灰后干燥基灰分Ad為0.57%，干燥無灰基揮發(fā)分Vdaf為38.18%，空氣干燥基水分Mad為13.28%。根據(jù)礦物分析結(jié)果來看，未脫除的礦物質(zhì)主要以黃鐵礦、硫酸鈣和金紅石等形式存在。

3 結(jié)語

化學(xué)脫灰可以有效脫除煤中的礦物質(zhì)，通過研究發(fā)現(xiàn)，堿浸出過程主要脫除煤中部分含鋁、硅的礦物，煤中礦物質(zhì)的溶出脫除主要在酸洗工序中，主要礦物質(zhì)與硫酸反應(yīng)轉(zhuǎn)化成硫酸鹽和硅酸，在酸洗濾液中溶出脫除，而水洗工序主要脫除殘余的硫酸鹽類礦物。在化學(xué)脫灰過程中，消解過程雖然不能大量脫除礦物元素，但對高嶺石的轉(zhuǎn)變起到至關(guān)重要的作用，必須在制備過程中嚴(yán)格控制消解條件及酸洗條件，才能保證整個(gè)化學(xué)脫灰的脫除率。