煉焦中煤解離精煤的煉焦性能與煤巖學分析*

夏文成 王天威

(1.中國礦業(yè)大學化工學院，221116 江蘇徐州；2.天津美騰科技股份有限公司，300380 天津)

0 引 言

我國煤炭資源儲量豐富，煤種眾多，但煉焦用煤資源較為稀缺。為解決這一問題，以及促進我國煉焦煤資源可持續(xù)利用，提高稀缺煤種的回收率和利用率，從煉焦中煤中回收具有煉焦價值的精煤一直是選煤工作者的重點工作[1-3]。煤是由古代植物在一定地質(zhì)條件下，經(jīng)過煤化作用而形成的生物巖，由于成煤植物本身的差別及在成煤過程中所受的生物化學作用不同，煤在顯微鏡下具有不同的巖相組成[4]。不同煤巖組分的熱解[5]、氣化[6-7]、燃燒[8]、吸附[9]、加氫液化[10]和溶劑萃取[11]特性和孔結(jié)構(gòu)[12]都會有其獨特性。對于煉焦中煤高值利用而言，將其破碎、解離、分選，從中回收煉焦精煤是煉焦煤選煤廠提高精煤回收率的有效手段[13-14]。然而，研究者們僅考察了煉焦中煤解離精煤的灰分和產(chǎn)率指標，極少關(guān)注其煉焦的可行性。

本實驗以解離精煤和重介精煤的性質(zhì)對比為目的，研究了兩者煉焦的可行性差異，并從兩者顯微煤巖組分的差異解釋了其煉焦性能的差異，為煉焦中煤破碎解離再選精煤作為煉焦用煤的可行性提供新的視角。

1 實驗部分

1.1 實驗煤樣

山西呂梁聚德選煤廠的煤種為焦煤，其重介精煤產(chǎn)品的灰分要求在10.0%～10.5%。分別取該選煤廠的三產(chǎn)品重介旋流器重介精煤和重介中煤，重介精煤和重介中煤的粒度均為1 mm～50 mm。將1 mm～50 mm的重介精煤先用顎式破碎機(XPC-150×250，南昌健峰礦機制造有限公司制造)閉路破碎至13 mm以下后，再用對輥破碎機(XPZ-Φ200×125，南昌健峰礦機制造有限公司制造)閉路破碎至0.25 mm以下作為精煤煤樣。篩取3 mm～6 mm粒級的重介中煤，分別使用1.6 g/cm3和1.8 g/cm3密度的有機溶劑根據(jù)GB/T 478-2008《煤炭浮沉實驗方法》進行大浮沉實驗，最終選用3 mm～6 mm粒級中的1.6 g/cm3～1.8 g/cm3密度級的重選中間產(chǎn)品，使用棒磨機閉路磨礦至0.25 mm以下作為中煤煤樣。

按照GB/T 478-2008《煤炭浮沉試驗方法》將研磨后的中煤分離，采用苯、四氯化碳和三溴甲烷3種有機溶劑，分別配制成1.30 g/cm3，1.40 g/cm3，1.50 g/cm3，1.60 g/cm3和1.80 g/cm3密度的重液，然后采用礦用離心沉淀機對試樣進行分離(轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，離心時間為10 min，離心管規(guī)格為4 mL×250 mL)。稱取4份樣品，每份20 g。浮沉完成后，對各密度級的浮沉樣品進行過濾、烘干、稱重、制樣、燒灰。小浮沉實驗結(jié)果如圖1所示。由圖1可以看出，當浮物累計灰分為10%時，浮物累計產(chǎn)率為30.77%，此時的分離密度為1.52 g/cm3。因此，試驗過程中直接配制1.52 g/cm3的有機重液，然后對研磨后的中煤進行浮沉分離，浮沉分離后的浮物經(jīng)過濾、烘干后作為解離精煤煤樣。

圖1 浮物累計產(chǎn)率和灰分曲線

1.2 工業(yè)分析與元素分析

按照GB/T 212-2001《煤的工業(yè)分析方法》和GB/T 31391-2015《煤的元素分析》分別測定中煤、重介精煤和解離精煤的水分、灰分、揮發(fā)分、固定碳、硫分、碳、氫、氧、氮等元素含量。

1.3 煉焦性能測定

膠質(zhì)層指數(shù)和黏結(jié)指數(shù)是判定煤種和評價煤炭煉焦可行性的重要指標。按照GB/T 479-2000《煙煤膠質(zhì)層指數(shù)測定方法》和GB/T 5447-2014《煙煤黏結(jié)指數(shù)測定方法》，分別測定重介精煤和解離精煤的膠質(zhì)層最大厚度Y、最終收縮度X和黏結(jié)指數(shù)G。

1.4 顯微煤巖類型測試

將中煤、重介精煤和解離精煤分別用酒精清洗、烘干后制備成光片，對光片進行酒精洗滌，清除光片表面灰塵等吸附物，待光片自然晾干后，將其粘在樣品托上進行測試。實驗使用德國DMRXP-MPV-SP顯微光度計，將光片置于光學顯微鏡油浸物鏡下，使視域亮度適中，成像清晰。從試樣的一端開始，按0.5 mm步長沿固定方向移動，并鑒定位于十字絲交點下的顯微組分或礦物，計入相應計數(shù)鍵中。當一行統(tǒng)計結(jié)束后，以0.5 mm的行距沿固定方向移動一步，繼續(xù)另一行的統(tǒng)計，直到測點布滿全片為止。當遇膠結(jié)物時，顯微組分中的細胞空腔、空洞、裂隙及無法辨認的微小顆粒作無效點，不予統(tǒng)計[15]。

2 結(jié)果與討論

2.1 工業(yè)分析和元素分析

中煤、重介精煤和解離精煤的工業(yè)分析和元素分析結(jié)果見表1。由表1可以看出，中煤的灰分為33.68%，表明中煤含有大量的有機組分，可能滿足破碎解離再選的條件。中煤的硫分為1.82%，解離精煤的硫分為1.38%，低于重介精煤的硫分，表明中煤的硫分主要以無機硫的形態(tài)分布在礦物組分中，中煤經(jīng)過破碎解離后，其硫分會隨著有機組分和礦物組分的分離而自行富集在礦物組分中，這是解離精煤硫分低于重介精煤硫分的主要原因。

表1 中煤和重介精煤及解離精煤的工業(yè)分析和元素分析

在工業(yè)生產(chǎn)實際中，研究者們主要關(guān)注通過不同的解離方法實現(xiàn)中煤有機組分和無機組分的深度解離與分離，在滿足灰分指標的條件下盡可能地提高精煤的回收率，從而提升選煤廠的經(jīng)濟效益。由表1還可以看出，重介精煤和解離精煤的灰分分別為10.03%和10.01%，灰分相近，并且兩者的工業(yè)分析和元素分析結(jié)果基本一致。從工業(yè)分析和元素分析的角度，兩者的性質(zhì)幾乎沒有差異。從煉焦煤選煤廠精煤產(chǎn)品的用途上講，其精煤產(chǎn)品主要作為原料用于生產(chǎn)焦炭，但是從中煤產(chǎn)物中回收的解離精煤，其煉焦性能卻不受重視。本研究后續(xù)主要關(guān)注重介精煤和解離精煤的煉焦性能和煤巖學差異。

2.2 煉焦性能

表2所示為重介精煤和解離精煤的膠質(zhì)層指數(shù)和黏結(jié)指數(shù)。根據(jù)GB/T 5751-2009《中國煤炭分類》判別標準，指標滿足w(Vdaf)>20.0%～28.0%，G>65，Y≤25.0的煤種為焦煤，表1和表2表明山西呂梁聚德選煤廠入選煤種為焦煤。解離精煤的揮發(fā)分略低于重介精煤的揮發(fā)分，然而其膠質(zhì)層指數(shù)和黏結(jié)指數(shù)指標顯著低于重介精煤的相應指標。解離中煤無法在煙煤的分類范疇中找到其對應的煤種，所以解離精煤并不符合煉焦煤的指標需求。從煉焦中煤中回收了一定量的解離精煤，雖然增加了精煤產(chǎn)品的產(chǎn)率，但同時降低了精煤產(chǎn)品的質(zhì)量。因此，在考察解離精煤的灰分指標的同時，更應該注重考察解離精煤的煉焦性能指標。

表2 重介精煤和解離精煤的膠質(zhì)層指數(shù)和黏結(jié)指數(shù)

2.3 煤巖組分

表3所示為中煤、重介精煤和解離精煤的煤巖組分和礦物組分。由表3可知，不同煤樣有機質(zhì)的煤巖亞顯微組分有很大的差異。中煤有機質(zhì)中的主要亞顯微組分為結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體2、基質(zhì)鏡質(zhì)體和半絲質(zhì)體，含量分別為24.1%，20.9%和23.1%；重介精煤有機質(zhì)中的主要亞顯微組分為基質(zhì)鏡質(zhì)體、碎屑鏡質(zhì)體和半絲質(zhì)體，含量分別為40.3%，29.4%和16.4%；解離精煤有機質(zhì)中的主要亞顯微組分為基質(zhì)鏡質(zhì)體和半絲質(zhì)體，含量分別為44.8%和23.8%。與重介精煤相比，解離精煤的鏡質(zhì)組含量降低16.0%，惰質(zhì)組含量增加17.7%。解離精煤鏡質(zhì)組含量降低主要是因為碎屑鏡質(zhì)體的減少，惰質(zhì)組含量增加主要是因為半絲質(zhì)體和碎屑惰質(zhì)體的增加。圖2所示為中煤的礦物組分照片。由圖2可以看出，中煤的礦物嵌布粒度、嵌布形狀和嵌布方式非常復雜，方解石和黃鐵礦填充在黏土礦物的裂隙中，黏土浸染基質(zhì)鏡，這些礦物間很難通過簡單破碎進行解離[15-18]。

不同的煤巖組分源于不同成煤物質(zhì)間不同的生物化學作用，其中鏡質(zhì)組主要由植物的木質(zhì)纖維組織經(jīng)凝膠化作用轉(zhuǎn)化而成，惰質(zhì)組由植物遺體經(jīng)絲炭化作用轉(zhuǎn)化而成[10]，不同的顯微組分具有不同的物理化學特性[4]，所以解離精煤和重介精煤煤巖組分的差異決定了其煉焦性能的差異。

表3 中煤和重介精煤及解離精煤的煤巖組分和礦物組分

圖2 中煤的礦物組分照片

3 結(jié) 論

1)解離精煤和重介精煤的工業(yè)分析和元素分析各項指標相近，但兩者煉焦性能存在巨大差異。根據(jù)解離精煤的揮發(fā)分、膠質(zhì)層指數(shù)和黏結(jié)指數(shù)指標可以判定解離精煤的煤種為焦煤，然而無法在煙煤的分類范疇中找到解離精煤對應的煤種。

2)解離精煤和重介精煤的鏡質(zhì)組含量分別為57.1%和73.1%，惰質(zhì)組含量分別為38.1%和20.4%，與重介精煤相比，解離精煤的鏡質(zhì)組含量降低16.0%，惰質(zhì)組含量增加17.7%。解離精煤和重介精煤煤巖組分差異是導致兩種精煤膠質(zhì)層指數(shù)和黏結(jié)指數(shù)差異顯著的主要原因。