寧東礦區(qū)洗選精煤煤巖組分分離研究

劉 朋

(神華寧夏煤業(yè)集團有限責(zé)任公司 選配煤中心，寧夏 銀川 750409)

近年來，隨著我國能源發(fā)展重心向西北轉(zhuǎn)移，西部如神東礦區(qū)、榆神礦區(qū)以及寧東礦區(qū)在能源供應(yīng)中的比例越來越大，該地區(qū)煤炭的利用也由原來的單一動力煤，向氣化、液化等多途徑利用發(fā)展。上述礦區(qū)的煤種大多以高揮發(fā)分的長焰煤、弱粘煤-不粘煤為主，惰質(zhì)組含量高達25%～70%，而惰質(zhì)組活性極低，對煉焦、氣化、液化等領(lǐng)域的應(yīng)用產(chǎn)生不利影響，而它卻是制備炭材料的優(yōu)秀原料[1]。相關(guān)煤直接液化試驗表明不粘煤-弱粘煤在脫除部分惰質(zhì)組后，液化轉(zhuǎn)化率可大幅提高[2]。因此，為拓展寧東礦區(qū)煤種的利用范圍，提高能源的利用效率，通過探討按煤巖組分分選的可能，將低活性的惰質(zhì)組分離，發(fā)揮煤巖各組分各自的特點，使得物盡其用，是今后選煤工業(yè)的研究方向之一。

煤巖組分的分選方法主要有手選、浮選法、浮沉法、浮沉離心法、重液密度梯度離心分離法以及磁選、靜電選等[3]。煤巖各組分真相對密度差異較小，其大致范圍如下：殼質(zhì)組1.22～1.27g/cm3，鏡質(zhì)組1.26～1.38g/cm3，1.38～1.40g/cm3密度級組分中同時含有鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組，1.40g/cm3以上高密度級組分中含有更多的惰質(zhì)組，不同煤種的煤巖組分的密度臨界值略有差異[4]。因此，選取易于實現(xiàn)的浮沉離心法按比重液密度為1.26g/cm3、1.29g/cm3、1.34g/cm3、1.38g/cm3進行浮沉離心分離，從而探討寧東礦區(qū)煤化工用煤按煤巖組分工業(yè)洗選分離的可行性，為煤炭資源能夠更加高效合理利用提供理論依據(jù)。

1 實 驗

1.1 實驗步驟與分析

取寧東礦區(qū)具有代表性的羊場灣煤礦配套的羊場灣洗煤廠生產(chǎn)的洗選精煤(主要供給煤化工基地氣化用煤，其鏡質(zhì)組含量占51.7%，惰質(zhì)組含量占41.4%)為實驗對象煤樣，以下簡稱原料煤(煤質(zhì)指標(biāo)見表1)，進行如下操作：

表1 原料煤及浮沉組分的工業(yè)分析及元素分析 %

1)煤樣經(jīng)破碎機-粉碎機磨礦至0.5mm以下，再在球磨機中磨礦。用篩孔直徑0.125mm、0.076mm、0.043mm的標(biāo)準(zhǔn)篩對磨礦產(chǎn)物進行濕法篩分，得到0.125～0.076mm，0.076～0.043mm和-0.043mm三個粒度級的煤樣(+0.125mm顆粒研磨后過篩直至全部透篩)，并在小于50℃溫度下烘干，裝入磨口瓶內(nèi)以防氧化。

2)稱取上述-0.125mm的三個粒度級的煤樣各20g，選用合適的離心罐依次加入1.26g/cm3、1.34g/cm3、1.38g/cm3三個密度級的氯化鋅比重液用玻璃棒充分?jǐn)嚢瑁屆簶颖幻芏纫航?，再加入同一級的密度液至離心管高度的2/3處，用攪拌機攪拌3～5min轉(zhuǎn)速300r/min，使煤顆粒充分離散在密度液中，然后再加入同級密度液，液面高度據(jù)離心罐口約5mm，并用離心棒輕攪混勻。

3)把對稱的3個離心罐分別放在托盤天平兩邊平衡質(zhì)量，然后置于離心機的對稱位置上，起動離心機，逐級平穩(wěn)升速，達到2400r/min后離心至少10min，待離心機停穩(wěn)后，取出離心罐。

4)分離離心罐中的浮、沉物時，先用玻璃棒沿離心罐壁輕輕撥動浮物，然后迅速地將離心罐中的浮物及密度液倒入同一燒杯內(nèi)，用洗瓶沖洗離心罐壁上粘著的浮物粒，切勿將沉物沖入燒杯。在布氏漏斗內(nèi)鋪上濾紙，以密度液潤濕，開動真空泵使其緊貼漏斗。將燒杯內(nèi)的浮物及密度液倒入布氏漏斗內(nèi)過濾，并回收密度液。取下布氏漏斗，將濾液上的煤樣用洗瓶沖洗至燒杯中，繼續(xù)用蒸餾水沖洗留在煤粒上的密度液，用布氏漏斗濾干。

5)將各粒度級煤樣依次分別加入1.26g/cm3、1.29g/cm3、1.34g/cm3、1.38g/cm3四個密度級(浮沉法離心分離)的氯化鋅比重液中，按第二步離心分離，干燥并計算其產(chǎn)率。

1.2 產(chǎn)物測定

運用顯微鏡下觀察統(tǒng)計法，研究鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組在不同破碎程度下的分布形態(tài)和解離規(guī)律，分析確定煤巖組分分選的最佳解離粒度，并與不同破碎程度下煤巖顯微組分的重力分選結(jié)果進行對比，為富惰質(zhì)組煤的高效利用提供技術(shù)指導(dǎo)[5]。測定各個組分的真相對密度，進行元素分析，工業(yè)分析和紅外光譜分析，闡明各組分的結(jié)構(gòu)特征，闡明各浮沉組分的顯微煤巖組分含量。

參照國標(biāo)《煤的顯微組分和礦物測定方法》(GB/T 8899—1998)進行單體解離度測定的樣品光片的制備，即首先將待測煤樣與蟲膠按照一定比例混合，采用熱膠法制備粉煤光片，經(jīng)粗磨、細(xì)磨及拋光等作業(yè)流程后，置于40℃的干燥箱內(nèi)干燥4h；然后將該光片置于偏光顯微鏡Leica DM4500P的油鏡下，白光入射，根據(jù)顯微組分的鏡下特征差異進行組分判定，并用數(shù)點法統(tǒng)計體積分?jǐn)?shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 粒度對各組分收率的影響

由于煤的結(jié)構(gòu)成分復(fù)雜，煤巖組分一般不以單體顆粒的形式出現(xiàn)，而采取磨礦解離的方法可使煤與礦物之間達到一定程度的解離，是提高煤巖組分解離度、實現(xiàn)煤炭合理利用的必要手段[6]。將制備好的0.125～0.076mm，0.076～0.043mm和-0.043mm三個粒度級的煤樣，分別用1.26g/cm3、1.29g/cm3、1.34g/cm3、1.38g/cm3四個密度級的氯化鋅重液依次進行浮沉法離心分離，其各密度級的收率如圖1所示。

圖1 不同粒度級煤各密度級的浮沉產(chǎn)率

由圖1可知，在1.29～1.34g/cm3密度級中，煤樣粒度較大的0.125～0.076mm粒度級的產(chǎn)物產(chǎn)率與另兩個粒度級相比產(chǎn)率高8.7%，在1.34～1.38g/cm3密度級中產(chǎn)物產(chǎn)率與另兩個粒度級相比低10%左右。1.34～1.38g/cm3密度級接近于鏡質(zhì)組與惰質(zhì)組的臨界密度，而惰質(zhì)組更容易富集在高密度級組分中，這說明較細(xì)的磨礦粒度有利于惰質(zhì)組的富集。對于低變質(zhì)程度的煙煤惰質(zhì)組質(zhì)脆、易碎，在破碎過程中較鏡質(zhì)組和殼質(zhì)組易碎裂成為細(xì)粒，這說明充分磨礦解離是提高顯微煤巖組分中惰質(zhì)組解離度的必要條件。

2.2 各浮沉組分的工業(yè)分析及元素分析

取-0.043mm粒度級通過浮沉法離心分離的各密度級產(chǎn)物(以下簡稱：離心產(chǎn)物)進行工業(yè)分析和元素分析，可反映不同顯微組分在元素組成和分子結(jié)構(gòu)方面的差異。通常在煤的顯微煤巖組分中碳含量應(yīng)以惰質(zhì)組最高，殼質(zhì)組其次，鏡質(zhì)組稍低于殼質(zhì)組[7]。由表1可知：分離出的各組分中1.26g/cm3～1.34g/cm3密度級的C和N含量最高，S含量最低；各組分的C元素含量由高至低排列：1.26～1.34g/cm3> 1.34～1.38g/cm3>-1.26g/cm3>+1.38g/cm3；這在一定程度上說明分離過程進行的不夠充分，在-1.26g/cm3、1.26g～1.34g/cm3和1.34g～1.38g/cm3密度級組分中含有一定量的惰質(zhì)組成分。

對于同一種煤的不同顯微組分而言，一般揮發(fā)分產(chǎn)率以殼質(zhì)組最高，鏡質(zhì)組其次，惰質(zhì)組最低[8]。從表中工業(yè)分析數(shù)據(jù)看出，各組分揮發(fā)分含量為1.26～1.34g/cm3>1.34～1.38g/cm3>-1.26g/cm3>+1.38g/cm3，與C含量的關(guān)系一致。這在一定程度上說明鏡質(zhì)組和殼質(zhì)組富集在-1.38g/cm3密度級的各產(chǎn)物中，+1.38g/cm3密度級中含量較少。

2.3 原料煤及浮沉離心各產(chǎn)物的煤巖分析

實驗對象原料煤及離心產(chǎn)物的顯微煤巖分析結(jié)果見表2。原料煤和各密度級顯微煤巖組分都主要是以鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組為主，區(qū)別在于煤巖組分相對于原料煤在各密度級中富集程度不同，其中原料煤的鏡質(zhì)組含量占51.7%，惰質(zhì)組含量占41.4%；通過浮沉法離心分離，-1.26g/cm3密度級惰質(zhì)組含量31.2%，殼質(zhì)組相對得到富集，含量由原料煤的0.6%升至6.1%；1.26～1.34g/cm3密度級惰質(zhì)組含量為32.3%，鏡質(zhì)組含量為64.6%，較原料煤的鏡質(zhì)組含量提高12.9%；1.34～1.38g/cm3密度級惰質(zhì)組含量為55.4%，鏡質(zhì)組含量和殼質(zhì)組含量都遠(yuǎn)低于其他密度級；+1.38g/cm3密度級惰質(zhì)組含量為63.9%，較原料煤的惰質(zhì)組含量提高22.5%；說明設(shè)定好分選密度可以將原料煤中惰質(zhì)組分富集到高密度產(chǎn)物中，達到分離活性組分和惰性組分的目的。

表2 原料煤及浮沉組分的顯微煤巖分析

3.4 原料煤及浮沉離心各產(chǎn)物紅外光譜分析

原料煤及離心產(chǎn)物的紅外光譜圖及特征吸收峰，如圖2所示，其特征峰強度見表3。

圖2 原料煤及各密度級組分的FTIR圖

波數(shù)/cm-1歸屬原料煤-1.26g/cm31.26～1.34g/cm31.34～ 1.38g/cm3+1.38g/cm33580～31002970～29202880～28001650～15801580～14001300～12001050～970860820752—OH,—NH,—NH2的伸縮振動—CH3,—CH2的伸縮振動—C—H(Al) 的伸縮振動C=C(Ar) 的伸縮振動,—OH,—COC=C(Ar) 的伸縮振動—CH3,—CH2C—O,Ar—O—Ar,R—O—R的伸縮振動—OH、C6H5OH的伸縮振動苯環(huán)的面外彎曲振動,單個氫原子苯環(huán)的面外彎曲振動,兩個氫原子苯環(huán)的面外彎曲振動,四個氫原子sssvssmwwwwvsmmvsmmmwwwvsssvssmwwmwmwwsssvsmmwvswwvsvsvsvswmm

注：vs—很強；s—強；m—中等；w—弱。

在FTIR譜圖中，-1.26g/cm3、1.26～1.34g/cm3和1.38g/cm3沉物均在3112～3570cm-1處與羥基、氨基振動吸收峰相符合；已有的研究表明鏡質(zhì)組及惰質(zhì)組在3112～3570cm-1都有一個大而寬的吸收峰，這是游離或多分子締合O—H或OH—N的伸縮振動吸收[9]。3570cm-1的峰是游離—OH或苯環(huán)π—OH締合羥基的振動吸收，3400cm-1是OH—O—H…特征吸收。N—H鍵伸縮振動在各組分3300cm-1的振動吸收峰也較強烈。2897～2999cm-1對應(yīng)脂肪烴CH3、CH2、CH的對稱與不對稱伸縮振動，各密度級組分在這個區(qū)域均出現(xiàn)強的肩峰吸收。1520～1682cm-1的強吸收，主要由氫鍵締合的羰基和有氧取代的芳烴骨架振動引起。惰質(zhì)組在1700cm-1的吸收峰提示芳香族酸酐的存在[10]，與圖2中1.34～1.38g/cm3和+1.38g/cm3沉物振動吸收峰相對應(yīng)。鏡質(zhì)組在1660cm-1歸因于醌或酮的羰基振動，與原料煤、-1.26g/cm3和1.26～1.34g/cm3振動吸收峰相對應(yīng)。1600cm-1是氧取代芳烴的C=C伸縮振動的特征峰。1.34～1.38g/cm3和1.38g/cm3沉物產(chǎn)物在1392～1520cm-1的CH3對稱振動和CH2剪切振動吸收峰及700～900cm-1苯環(huán)面外彎曲振動的吸收峰明顯強于原料煤和-1.26g/cm3和1.26 ～1.34g/cm3產(chǎn)物。

離心浮沉法分離的1.34 ～1.38g/cm3和+1.38g/cm3沉物的FTIR譜圖的特征吸收峰與惰質(zhì)組特征吸收峰相符。這說明離心浮沉法分離重產(chǎn)物惰質(zhì)組得到一定程度的富集，達到了分離脫除大部分惰質(zhì)組的目的。

4 結(jié) 論

本文應(yīng)用高惰質(zhì)組的羊場灣洗煤廠精煤產(chǎn)品經(jīng)過磨礦后各浮沉產(chǎn)物的產(chǎn)率的關(guān)系得出充分磨礦解離是提高惰質(zhì)組解離度的必要條件；分離產(chǎn)物的工業(yè)分析結(jié)果與已知各煤巖組分的C元素和揮發(fā)分關(guān)系對比發(fā)現(xiàn)，鏡質(zhì)組和殼質(zhì)組應(yīng)富集在-1.38g/cm3密度級的各產(chǎn)物中，說明惰質(zhì)組富集在+1.38g/cm3密度級中。離心浮沉法分離的1.34～1.38g/cm3產(chǎn)物和+1.38g/cm3沉物的FTIR譜圖的特征吸收峰與惰質(zhì)組特征吸收峰相符，說明惰質(zhì)組富集在離心浮沉法分離的重產(chǎn)物中。

將原料煤磨礦至-0.043mm，按1.34g/cm3和1.38g/cm3-密度級通過浮沉離心法能夠分選出惰質(zhì)組含量僅為32.23%和40.35%的產(chǎn)品及惰質(zhì)組含量達到57.31%和63.9%的產(chǎn)物，實現(xiàn)了一定程度上分離脫除惰質(zhì)組的目的，但實現(xiàn)工業(yè)級的煤巖組分分選存在如下問題：

1)使煤巖組分得到充分分離的前提是磨礦解離，工業(yè)級的磨礦除能耗高之外，煤炭磨碎后制約了產(chǎn)品的應(yīng)用范圍。

2)目前還沒有能夠大規(guī)模按1.34～1.38g/cm3密度級精確分選細(xì)粒級精煤的分選設(shè)備。

3)工業(yè)級煤巖組分分離的經(jīng)濟性限制了煤炭按煤巖組分分選的工業(yè)應(yīng)用。