煤炭除灰技術(shù)的相關(guān)研究與分析

于永強(qiáng)

（開灤林西礦業(yè)有限公司，河北 唐山 063700）

0 引言

我國地大物博，物產(chǎn)風(fēng)俗，具有豐富的煤炭儲(chǔ)量，但是具有較高成分的灰分，經(jīng)多年持續(xù)的開采后，煤炭質(zhì)量不斷下降。研究顯示，1994年國內(nèi)高品動(dòng)力煤的平均灰分僅為19%，2004年時(shí)增加至23%的高度，而到2014年已經(jīng)高達(dá)28%。逐漸增加的煤炭灰分也會(huì)增加煤炭運(yùn)輸?shù)膲毫?，?dǎo)致巨大的倉儲(chǔ)和運(yùn)輸浪費(fèi)，并不利于煤炭資源的有效利用。隨著行業(yè)的需要，煤炭除灰技術(shù)水平也逐漸提升，現(xiàn)階段的煤炭除灰技術(shù)分為傳統(tǒng)除灰技術(shù)和精制除灰技術(shù)，其中傳統(tǒng)除灰技術(shù)是目前的主流工藝，有效提高了煤炭的品質(zhì)和煤炭的有效率利用率[1]。精制除灰技術(shù)是傳統(tǒng)物理除灰技術(shù)基礎(chǔ)上的優(yōu)化和提升，可提高煤炭附加值，生產(chǎn)清潔燃料和煤炭材料。

1 煤炭灰分的概述

通常，煤炭的灰分可以分成內(nèi)在和外在灰分兩種。其中，內(nèi)在灰分主要來自成煤的過程之中，包括成煤植物所具有的原生礦物，約占1%-2%的比重，以及煤炭形成過程中進(jìn)入至煤層的次生礦物，約占10%以下，難以采用傳統(tǒng)除灰方式去除灰分，需采用精制除灰技術(shù)處理。而外在灰分主要形成于煤炭的開采過程，以及加工過程中混合而來的礦物，比如頂板、底板的矸石，占有 5%-10%的較高比重，有的含量較高的甚至占10%-20%，均可采用傳統(tǒng)煤炭除灰方式將灰分去除。煤炭質(zhì)量的高低通常由灰分含量的多少而決定，且不同質(zhì)量的煤炭具有不同的用途[2]。

2 傳統(tǒng)煤炭除灰技術(shù)及其應(yīng)用

2.1 傳統(tǒng)煤炭除灰技術(shù)

傳統(tǒng)煤炭除灰技術(shù)主要有跳汰選煤法、浮選法、重介法、風(fēng)力選煤、干擾床和搖床等。其中跳汰選煤法是利用煤層上下運(yùn)動(dòng)的液體，進(jìn)行收縮、膨脹的交替，按照自上而下的順序增加密度，進(jìn)行煤炭的分選。重介法是利用矸石、煤炭的中間密度水平的懸浮液或重液作煤炭的分選。浮選法是利用礦物質(zhì)和煤炭表面的不同物理差異和化學(xué)性質(zhì)的差異，及其不同程度的潤濕性，在氣液固三相中進(jìn)行煤炭的分選，這種方式主要使用與細(xì)小顆粒煤炭的篩選。這種方式彌補(bǔ)重介法和跳汰選煤法的不足，對于二者選煤抵效或無效的情況，可以采用這種方式進(jìn)行煤炭開采中全粒級(jí)分選。近年來，上述三種選煤方法在市場中的應(yīng)用情況發(fā)生較大轉(zhuǎn)變，跳汰選煤法在2005年時(shí)的應(yīng)用比例高達(dá)56%，而在2016年時(shí)已經(jīng)下降至11%的水平。然而，浮選法和重介法在2016年時(shí)已經(jīng)達(dá)到25%和61%的比例[3]。

跳汰選煤法、重介法和浮選法煤炭分選技術(shù)已經(jīng)十分成熟，但是在實(shí)施中需要配合建設(shè)煤泥水處理系統(tǒng)，不符合北方煤炭大省的自然條件。風(fēng)力選煤的煤炭干選方法無需用水，并且可利用自然條件的優(yōu)勢減低投資成本，適合水資源短缺、天氣寒冷的地區(qū)。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展以及大數(shù)據(jù)的支撐，煤炭智能干選系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，通過智能技術(shù)對矸石、煤的識(shí)別和區(qū)分，利用壓縮空氣進(jìn)行精確的噴吹篩選，并初步應(yīng)用于煤炭的分選之中。

2.2 除灰產(chǎn)品的應(yīng)用

傳統(tǒng)煤炭除灰技術(shù)通常智能除去煤炭的外灰，生產(chǎn)出一些煉焦煤或動(dòng)力煤產(chǎn)品，主要應(yīng)用于高爐煉鋼或燃燒發(fā)電。利用傳統(tǒng)煤炭除灰技術(shù)可以生產(chǎn)出大量的以鋁硅為主要成分的煤矸石，通常開采1噸的額密探，就會(huì)產(chǎn)生0.2噸的煤矸石。這些產(chǎn)品主要應(yīng)用于鋪路或礦井回填施工之中，或者作為建筑材料、鍋爐供熱或發(fā)電的燃料等。此外，從煤矸石中進(jìn)行再次提取，獲得高嶺土也具有重要價(jià)值。北方煤炭屬于高嶺土，是目前我國重要的高齡土資源[4]。高爐煉鋼和燃煤發(fā)電的產(chǎn)物——爐渣和粉煤灰，擁有與煤矸石十分相似的成分，其應(yīng)用也與煤矸石類似。近幾年來，對于內(nèi)蒙古等地區(qū)的高鋁粉煤灰進(jìn)行進(jìn)一步的技術(shù)開發(fā)，獲得粉煤提鋁技術(shù)、副產(chǎn)分子篩技術(shù)、超白玻璃技術(shù)等。此外，粉煤灰、煤矸石和高爐煉鋼殘?jiān)伎梢詰?yīng)用于農(nóng)業(yè)肥料的植被，成為農(nóng)作物生長亟需的硅肥產(chǎn)品。

3 煤炭精制除灰技術(shù)及其應(yīng)用

3.1 物理法除灰

物理除灰技術(shù)通常憑借超細(xì)粉碎技術(shù)，在煤炭破碎后分離出其中含有的次生礦物質(zhì)顆粒。在利用非極性油獲取煤炭顆粒，實(shí)現(xiàn)煤炭中的礦物質(zhì)分離和灰分的去除。或者是利用礦物質(zhì)與煤炭的不同電性質(zhì)進(jìn)行除灰和分選?；蛘呤褂酶牧几∵x柱來獲取較低灰分的煤炭。

其中，電選煤炭除灰技術(shù)可以分成感應(yīng)靜電、電暈靜電和摩擦靜電三種分選方式前兩者會(huì)引起超細(xì)顆粒團(tuán)聚，難以實(shí)現(xiàn)灰分與煤炭顆粒的有效脫離。通過柴油的添加來改變煤炭顆粒表面性質(zhì)來實(shí)現(xiàn)灰分的分離。摩擦靜電分選方式能夠獲得灰分低于2%的低灰煤。

浮選柱是對傳統(tǒng)浮選技術(shù)的改良，主要應(yīng)用于處理煤泥的灰分和雜質(zhì)?？梢岳脷馀菸⒓?xì)化技術(shù)浮選細(xì)顆粒煤炭。目前，市面上具有種類繁多的浮選柱，其中溶氣式浮選柱和旋流靜態(tài)微泡浮選柱，可在粒度低于200 目＞90% 時(shí)，進(jìn)行特定煤種的灰分去除，進(jìn)而制備灰分低于2%，甚至是低于1%的低灰煤[5]。

3.2 化學(xué)法除灰

煤炭化學(xué)除灰技術(shù)即利用藥劑與煤炭中的礦物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，可以去除煤炭中的次生礦物以及部分原生礦物，可以獲得灰分成分極低的超純煤。化學(xué)法無需完全分離灰分和煤炭顆粒，可以具有一定的顆粒度。對于紙杯一些需要一定原料粒度的煤基炭材料，采用化學(xué)法除灰技術(shù)更能體現(xiàn)它的優(yōu)勢所在。

常用的化學(xué)除灰法有常規(guī)酸堿法、氫氟酸法、化學(xué)煤法、熔融堿瀝濾法。其中化學(xué)煤法為有機(jī)化學(xué)法，剩余三種為無機(jī)化學(xué)法。常規(guī)酸堿法是依靠煤炭中礦物質(zhì)與堿液發(fā)生化學(xué)分反應(yīng)生成的酸溶性產(chǎn)物再與酸發(fā)生反應(yīng)，隨之進(jìn)入液相，通過過濾和洗滌程序與煤炭中的有機(jī)質(zhì)相脫離。這種煤炭除灰方式在環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益方面具有明顯優(yōu)勢。氫氟酸法通常能夠獲得最優(yōu)的技術(shù)指標(biāo)，能夠?qū)⒋蠖鄶?shù)煤中的礦物灰分有效脫出對各種類型的煤炭均適用。但是，氫氟酸具有一定毒性，在環(huán)境保護(hù)和人體健康層面具有負(fù)性作用，對廠房建筑、設(shè)備機(jī)械等均具有腐蝕性。也給其應(yīng)用和推廣造成一定阻礙。熔融堿瀝濾法是將熔融高溫狀態(tài)的堿，與煤中的礦物質(zhì)發(fā)生充分的化學(xué)反應(yīng)，脫離灰分的的效果十分明顯，但同時(shí)也會(huì)對煤炭原有的有機(jī)結(jié)構(gòu)造成一定破壞?；瘜W(xué)煤是利用酚油與堿液作溶劑，經(jīng)過高壓、高溫發(fā)生溶解，將煤炭中的有機(jī)質(zhì)破壞，加氫，過濾，再反溶劑甲醇，從熱溶解的有機(jī)物中將化學(xué)煤沉淀而出，再通過一系列的過濾、分離和干燥處理，得到最終的化學(xué)煤產(chǎn)品。這種方法從根本上破壞了煤炭結(jié)構(gòu)[6]。

4 煤炭除灰技術(shù)的發(fā)展前景

4.1 傳統(tǒng)煤炭除灰技術(shù)的發(fā)展前景

盡管目前我國的煤炭入選率已高達(dá)75%，但是國外一些先進(jìn)國家相比，仍存在較大差距。跳汰法所需較大的循環(huán)用水，且對難選煤種的分選效率較低，近些年來逐漸呈現(xiàn)被重介法取代的趨勢。浮選法是傳統(tǒng)煤炭除灰技術(shù)水平和質(zhì)量最高的，但是操作成本高，并且主要用分選高價(jià)值焦煤的分，應(yīng)用范圍相對狹窄?？梢姡亟榉?、浮選法會(huì)成為未來傳統(tǒng)煤炭除灰的主流技術(shù)，并會(huì)隨著技術(shù)的進(jìn)步逐漸提高分選水平，持續(xù)進(jìn)行自動(dòng)化與大型化的推進(jìn)。干法選煤在北方缺水地區(qū)具有明顯的應(yīng)用優(yōu)勢，但是受到含水量以及分選粒度上下限的制約，阻礙了其大規(guī)模應(yīng)用。目前，智能化選煤技術(shù)可對煤炭和矸石進(jìn)行有效識(shí)別，較大程度上突破了干法選煤技術(shù)對煤炭含水量的硬性要求，但是可應(yīng)用的煤炭分選范圍仍然有限，需要進(jìn)一步拓展，以增加在現(xiàn)實(shí)操作中的實(shí)用性。

4.2 精制煤炭除灰技術(shù)發(fā)展前景

就目前煤炭除灰技術(shù)的發(fā)展形勢而言，煤炭化學(xué)法除灰的應(yīng)用潛力巨大，是煤基炭材料的關(guān)鍵技術(shù)?，F(xiàn)階段，市場上應(yīng)用的化學(xué)法精制除灰工藝均存在比較苛刻的制備條件，在工業(yè)實(shí)現(xiàn)中具有較大難度。并且，在灰分脫離過程中，煤炭中礦物質(zhì)灰分與化學(xué)藥劑之間的強(qiáng)烈反應(yīng)會(huì)消耗大量藥劑，并生成巨大的含有灰分的酸堿廢液。

5 結(jié)語

針對目前面臨的化學(xué)法除灰技術(shù)難點(diǎn)，濕法冶金原理有效的突破了這些工藝的種種限制，溫和高效的化學(xué)除灰技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，實(shí)現(xiàn)了灰分的有效處理以及資源的優(yōu)化利用，并能夠?qū)崿F(xiàn)化學(xué)藥劑的再利用。這一技術(shù)的應(yīng)用極大血漿了化學(xué)藥劑的用量，增強(qiáng)煤炭灰分的脫離能力。并且，藥劑與灰分之間的化學(xué)反應(yīng)相對溫和，可在條件較為寬泛，能夠在常壓、低溫環(huán)境下分離灰分，且除灰后的煤炭純度高，灰分含量在0.1%-0.3%的范圍內(nèi)，除灰效率高。此外，對于廢液中殘存的二氧化硅，也制定了資源的優(yōu)化利用方案。針對煤炭除灰后產(chǎn)生的廢液進(jìn)行聯(lián)合提鋁，提取率高達(dá)80%以上。