大柳塔選煤廠入選原煤硫分分布規(guī)律研究

王 偉

(神東煤炭集團公司，陜西 榆林 719315)

0 引 言

SO2被公認為當前3種主要大氣污染物之一。2018年我國SO2排放量為1 651.6萬t，是目前急需解決的空氣污染問題之一[1-3]。神東煤炭基地是國家規(guī)劃建設的14個大型煤炭基地之一[4]，其所屬的神東礦區(qū)原煤產量占全國的6%左右，對保障國家能源安全起重要作用。隨著開采規(guī)模的擴大，開采深度增加，原煤硫分不斷增高，硫分逐漸成為影響神東礦區(qū)商品煤質量的不利因素[5-6]。廣泛深入研究煤中硫的賦存形式及分布規(guī)律，對開發(fā)新的脫硫方法及煤的合理加工利用有重要的現(xiàn)實意義，因此煤中硫及其分布特點的研究受到關注[7-9]。陳鵬[10]指出中國煤中硫含量變化甚大，從最低含硫量0.2%到最高8%以上均有，從地域分布看，硫含量有自北往南、自東向西增加的趨勢。劉英杰等[11]研究指出西北地區(qū)為我國低硫煤分布區(qū)域，通常全硫含量在0.50%以下，硫分主要來自成煤原始植物中的蛋白質，多以有機硫為主，硫鐵礦硫次之，硫酸鹽硫最低。王偉[12]指出神東礦區(qū)商品煤以特低硫煤(全硫含量小于0.5%)為主，占比為88%。朱子祺等[13]指出大柳塔礦原煤全硫含量按粒度分布不均勻，全硫中以黃鐵礦硫為主，占比70%以上。隨著近幾年神東礦區(qū)開采規(guī)模的不斷擴大，一些含硫高煤層，尤其是過煤層接續(xù)處存在較多高硫煤，這對分選加工及商品煤質量造成了一定壓力，因此系統(tǒng)分析入選原煤硫分隨粒度、密度及嵌布狀況的變化規(guī)律對于制定適宜的分選參數(shù)和合理的分選工藝十分必要。基于此本文選取了神東礦區(qū)主力礦井之一的大柳塔選煤廠入選原煤進行煤質分析，了解硫分的組成情況、隨粒度、密度的賦存情況及嵌布結構特征，將硫分分布與實際生產相結合，以期為后續(xù)選煤廠工藝完善與調節(jié)提供基礎支撐。

1 試驗內容與方法

1.1 試驗原料

原料取自大柳塔煤礦選煤廠原煤倉。大柳塔選煤廠位于神府東勝礦區(qū)中部，是一座特大型群礦型選煤廠，生產能力為34.00 Mt/a。大柳塔煤礦是神東礦區(qū)的主力礦井，具有代表性，根據GB/T 214—2007《煤中全硫的測定》、GB/T 31391—2015《煤的元素分析的規(guī)定》，對入選原煤進行工業(yè)分析、元素分析，結果見表1。

表1 大柳塔選煤廠入選原煤工業(yè)分析和元素分析

由表1可知，大柳塔礦原煤全硫含量為0.79%，屬于長焰煤，中灰、低硫煤，原煤品質較好。原煤硫含量與商品煤要求接近，必須通過分選穩(wěn)定產品質量。

1.2 試驗內容

1)原煤硫分粒度分布

將采取的原煤晾曬烘干后，混勻縮分成2份，一份備用，一份用于分析原煤的粒度組成。按照GB/T 477—2008《煤炭篩分試驗方法》分別進行原煤的自然級大篩分、自然級小篩分及破碎級篩分試驗。將各粒級樣品分為3份：一份用于指標分析，一份備用，一份進行浮沉試驗。全硫、形態(tài)硫指標按照GB/T 215—2003《煤中各種形態(tài)硫的測定方法》進行。

2)原煤硫分密度分布

對1)所得各粒級樣品進行浮沉試驗。浮沉試驗參照GB/T 478—2008《煤炭浮沉試驗方法》進行，對樣品進行系統(tǒng)分析，得到各粒度級和密度級的產率與灰分、全硫、形態(tài)硫含量。為了直觀顯示硫分在整個原煤中的分布規(guī)律，計算了各粒級不同密度級原煤的硫分分布率，以考察原煤中全硫在不同粒級、不同密度級物料中的分布情況。硫分分布率計算公式[14]為

(1)

式中，ηij為第i個粒度級j個密度級全硫分布率，%；γij為第i個粒度級j個密度級物料的產率，%；cij為第i個粒度級j個密度級物料中的硫含量，%；n為粒度級個數(shù)；m為浮沉級個數(shù)。

3)原煤硫分嵌布結構分析

采用手選方式取得了典型含硫礦物的塊狀原煤，對樣品進行切片、磨拋、拋光制作。利用Quanta250*掃描電子顯微鏡在低真空模式下采用800倍的放大倍數(shù)以及加速電壓25.0 kV觀察含硫礦物樣品表面微觀形貌。并采用Quantax 400-10型能量色散譜儀分析元素組成，了解含硫礦物的賦存狀態(tài)直觀觀察含硫礦物的存在形式與嵌布狀態(tài)，判斷原煤脫硫的尺度與難度。

2 試驗結果與分析

2.1 全硫粒度分布規(guī)律

原煤自然級大篩分結果如圖1所示。由圖1可知，原煤粒度組成分布向粗粒級集中，塊煤比例高，>13 mm粒級的塊原煤占比達到52.13%，說明原煤煤質較硬，采煤過程中不易粉碎。隨原煤粒度的降低，樣品灰分逐漸升高，由21.32%增加到32.28%，進一步說明原煤中有機質硬度較大，矸石較脆，在綜采過程中矸石更多向細顆粒富集。<0.5 mm部分產率為9.15%，灰分為32.28%，存在一定程度的泥化現(xiàn)象。

圖1 大柳塔選煤廠入選原煤自然級大篩分結果

隨粒度減小，各粒級硫分呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，尤其>50 mm和<0.5 mm粒級硫分分別達到了0.95%、0.70%，硫分含量明顯高于其他粒級，說明硫分向粗細顆粒集中，分選過程要特別注意塊煤和細煤泥的脫硫效果。特別是原煤自然級>50 mm硫分高，而其含量占比達到27.31%。大柳塔選煤廠采用了塊煤淺槽、跳汰+末煤重介旋流器的主體工藝，生產過程中原煤中>50 mm部分未破碎直接進入分選環(huán)節(jié)，這部分塊煤硫分若以無機硫為主，則會隨精煤進入商品煤，造成商品煤硫分升高，因此不能采用分級分選，需根據后續(xù)形態(tài)硫分析結果進一步分析。若粗粒級中硫分以無機硫為主，應考慮采用降低入選下限，在物料進入分選環(huán)節(jié)前進行破碎解離，保證脫除其他無機礦物的同時，降低精煤中硫分。

鑒于此，將大柳塔原煤>50 mm部分破碎至<50 mm，并分析破碎后硫分的粒度組成情況，結果如圖2所示。

圖2 大柳塔選煤廠入選原煤破碎級粒度組成

由圖2可知，破碎級物料主導粒級為50～25 mm，占比達到61.67%，硫分為0.96%，這與先前分析的神東礦區(qū)原煤抗碎強度較高有關，破碎后原煤保持自身粒度的能力較強，破碎產生細泥含量低，含量不足2%，不增加煤泥水系統(tǒng)處理增加。破碎后各粒級硫分隨粒級降低而波動升高，尤其是6～0.5、<0.5 mm粒級硫分含量超過1%，經過破碎后由于矸石部分較脆易向細顆粒部分富集，造成細粒級硫分含量升高。說明破碎后含硫礦物實現(xiàn)了一定程度的解離，但解離程度還需結合浮沉結果分析。

2.2 全硫密度分布規(guī)律

原煤綜合級浮沉試驗結果如圖3所示，神東礦區(qū)原煤屬于優(yōu)質動力煤，原煤中矸石以頂?shù)装蹇梢婍窞橹?，且煤層較厚，內灰低[15-16]。大柳塔選煤廠入選原煤主導密度級為<1.4 g/cm3，產率為75.15%，灰分為5.67%，硫分為0.34%，一般認為<1.4 g/cm3原煤中灰分主要由同生礦物轉化而成，也稱為內灰，因此大柳塔選煤廠原煤內灰較低、同生礦物含量較低。當分選密度為<1.5 g/cm3時，精煤產率81.66%。原煤中間密度級1.5～1.8 g/cm3含量極低，產率為3.76%，灰分為27.74%，因此沒有必要生產中煤，原煤只需排除矸石就能達到產品要求。>1.8 g/cm3灰分為78.08%，矸石較純，連生體較少。隨著浮沉密度增大，原煤硫分含量先緩慢增加，當浮沉密度超過1.6 g/cm3后，全硫含量迅速增加。這可能是由于煤中含硫組分以無機礦物為主且整體解離情況較好，因此在低密度級原煤中無機礦物含量較低，且隨密度升高，增幅不大，而高密度級中無機礦物含量迅速增加，造成硫分快速增大。因此實際生產過程中需盡可能降低精煤的帶矸率，保證精煤不受矸石污染。

圖3 大柳塔選煤廠入選原煤各密度級分布

各粒級浮沉結果如圖4所示。由圖4可知，隨浮沉密度升高，各粒級物料硫分均逐漸升高。浮沉密度1.3～1.8 g/cm3，浮沉密度相同時，粗顆粒硫分整體高于細粒級，而在>1.8 g/cm3，浮沉密度相同時，除了>50 mm粒級外，粗顆粒硫分低于細粒級，說明隨著粒級上限降低，含硫礦物的解離程度逐漸增高，更多的含硫無機礦物向高密度物料集中，因此細顆粒原煤的低密度級硫分更低，高密度級硫分高于粗顆粒。而>50 mm粒級主要是由于全硫含量較高，造成其各密度級的硫分都高于其他粒級。

圖4 大柳塔選煤廠入選原煤各粒度級密度組成

原煤中硫分在不同粒度級各密度級物料中的分布情況如圖5所示。由圖5可知，隨著浮沉密度升高，不同粒級的硫分分布率均呈現(xiàn)先升高后降低再升高的趨勢，中間密度級硫分分布率極低，主要分布在>1.8 g/cm3和<1.4 g/cm3密度級，且在高密度級中分布最高。中間密度級硫分分布率低主要是由于其產率很低，高密度級產率雖然不高，但硫分較高，造成硫分分布率升高，說明原煤中以無機硫為主。整體看來，200～50 mm低密度級硫分分布率和6.0～0.5 mm 高密度級硫分分布率明顯高于其他粒級，分別達到了27.88%、33.87%，因此實際生產過程中應特別注意粗粒級的解離效果和細粒級的排矸效果。

圖5 大柳塔選煤廠入選原煤硫分在不同粒級各密度級分布

2.3 形態(tài)硫分布規(guī)律

根據前文分析基本判定大柳塔選煤廠入選原煤中硫分以無機硫為主要存在形式，但具體含量以及不同密度級物料的全硫組成還需結合形態(tài)硫測試結果分析。將原煤各粒度進行采樣、分析，形態(tài)硫分布結果如圖6所示，可知原煤中含硫組分以黃鐵礦硫為主，占比超過60%、有機硫和硫酸鹽硫含量相近。黃鐵礦硫含量隨粒度變小呈先增大后減少趨勢，說明原煤中粗顆粒硫分含量相對較高，且以黃鐵礦硫為主，如非產品結構需要，不出塊煤的選煤廠應盡可能降低分選上限，將原煤中粗粒級部分進行破碎解離，有利于實現(xiàn)含硫礦物的解離分選。有機硫、硫酸鹽硫與之相反。

圖6 大柳塔選煤廠入選原煤各粒級形態(tài)硫分布

原煤各密度形態(tài)硫分布結果如圖7所示，可知隨著密度級的增加，黃鐵礦硫、硫酸鹽硫含量逐漸增加，有機硫含量逐漸降低，說明低密度中硫分以有機硫為主，高密度級中硫分以黃鐵礦硫為主，這與煉焦煤及其他文獻研究結果類似[14]，由于有機硫無有效方法大規(guī)模脫除，因此選煤廠應該盡可能將原煤中黃鐵礦硫解離，降低低密度級物料中黃鐵礦含量。

圖7 大柳塔選煤廠入選原煤各密度級形態(tài)硫分布

2.4 含硫礦物嵌布

原煤中含硫組分主要是黃鐵礦硫，脫除黃鐵礦硫是選煤廠保證原煤質量的重點。為了解原煤中含硫礦物的賦存狀態(tài)，對手選代表性塊狀樣品切片進行掃描電鏡及與能譜測試分析，結果如圖8所示。由圖8(a)可知，硫酸鹽主要存在形式為石膏，呈粒狀嵌布在煤樣中；有機硫均勻分布在碳元素周圍，脫除難度大。由圖8(b)可知，黃鐵礦硫主要呈細脈狀分布，充填在煤中裂隙狀之間，屬于后生礦物，嵌布粒度在0.1 mm左右。由圖8(c)可知，團塊狀黃鐵礦晶粒表面均一光潔，形態(tài)完整，這類黃鐵礦也屬于后生礦物[7]。

圖8 大柳塔選煤廠入選原煤電鏡掃描與能譜分析

3 結 論

1)大柳塔選煤廠入選原煤屬中灰、低硫煤。隨粒度減小，各硫分呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，細粒級和粗粒級硫分含量明顯高于其他粒級，硫分向粗細顆粒集中，且粗粒級原煤中硫分以黃鐵礦硫為主，因此分選工藝的制定需考慮進一步降低分選上限，并加強細煤泥的提質效果。

2)浮沉密度在1.3～1.8 g/cm3時，同密度條件下，粗顆粒硫分高于細粒級；而在>1.8 g/cm3，粗顆粒硫分低于細粒級，說明隨著粒級上限的降低，含硫礦物的解離程度逐漸增高，更多的含硫無機礦物向高密度物料集中。

3)隨著浮沉密度的增加，硫分分布率均呈現(xiàn)先升高后降低再升高的趨勢，中間密度級硫分分布率極低，主要分布在>1.8 g/cm3密度級和<1.4 g/cm3密度級。整體看來，200～50 mm低密度級硫分分布率和6.0～0.5 mm高密度級硫分分布率明顯高于其他粒級，實際生產中應特別注意粗粒級的解離效果和細粒級的排矸效果。

4)含硫組分以黃鐵礦硫為主，占比超過60%，有機硫和硫酸鹽硫含量相近。隨著浮沉密度的升高，黃鐵礦硫、硫酸鹽硫含量逐漸增加，有機硫含量逐漸降低。硫酸鹽的主要為石膏，呈粒狀嵌布；黃鐵礦硫呈細脈狀、粒狀分布，嵌布粒度0.1 mm左右，易于破碎解離。