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    低品質(zhì)煤及煤泥物料高效脫灰脫水提質(zhì)

    2022-07-27 04:23:02張錦龍樊有林閆光輝
    潔凈煤技術(shù) 2022年7期
    關(guān)鍵詞:煤泥原煤灰分

    張錦龍,樊有林,常 艇,楊 凡,閆光輝,3,張 博,3

    (1.國(guó)能包頭能源有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古 包頭 014000;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院,江蘇 徐州 221116;3.煤炭加工與高效潔凈利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)),江蘇 徐州 221116;)

    0 引 言

    2020年,全年能源消費(fèi)總量為49.8億t標(biāo)準(zhǔn)煤,其中,煤炭消費(fèi)占能源消費(fèi)總量的56.8%[1]。煤炭作為我國(guó)主體能源的格局短時(shí)間內(nèi)不會(huì)改變。煤炭為我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展做出巨大貢獻(xiàn)的同時(shí),也帶來(lái)了環(huán)境污染問(wèn)題,煤炭的清潔高效利用是實(shí)現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)的關(guān)鍵[2-3]。

    煤炭分選是實(shí)現(xiàn)煤炭清潔利用的主要方式[4]。目前,常用的煤炭分選方式主要有濕法分選和干法分選2種。常用的粗粒級(jí)煤炭濕法分選主要有重介淺槽分選、跳汰分選[5-7],但其不適用于易泥化煤炭的分選,且需配備煤泥水處理系統(tǒng);細(xì)粒煤濕法分選常采用重介旋流器分選和浮選[8-9],但均會(huì)增加產(chǎn)品水分,降低煤炭熱值。常用的干法分選主要有空氣重介干法分選和復(fù)合式干法分選[10-12],干法分選不會(huì)增加產(chǎn)品水分,但其對(duì)<6 mm煤炭分選精度較差,不適用于細(xì)粒煤炭的分選[13]。

    此外,隨著優(yōu)質(zhì)煤礦資源的漸趨萎縮、機(jī)械化采礦程度的提高和地質(zhì)條件的變化,煤炭分選過(guò)程中產(chǎn)生的末原煤含量增加,且易產(chǎn)生次生煤泥[14-15]。

    復(fù)合式干法分選機(jī)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用,青龍煤礦通過(guò)復(fù)合式干選機(jī),靈活調(diào)整產(chǎn)品規(guī)格,以20~50 mm小塊煤和50~80 mm大塊煤產(chǎn)品為主要利潤(rùn)來(lái)源,創(chuàng)造了較好的經(jīng)濟(jì)效益并達(dá)到了理想效果[16];尚莊煤業(yè)通過(guò)FGX-12型干選機(jī)對(duì)劣質(zhì)原煤粗加工,當(dāng)精煤熱值在17.6~19.7 MJ/kg時(shí),可獲得最佳經(jīng)濟(jì)效益[17];對(duì)黑山露天礦采用復(fù)合式主再選工藝試驗(yàn)后,13~0 mm精煤產(chǎn)品煤質(zhì)明顯提升[18]。

    石圪臺(tái)選煤廠通過(guò)煤泥干燥系統(tǒng),在900~1 100 ℃ 高溫?zé)煔庀?,干燥后煤泥水分降低?6.20%,發(fā)熱量提升了3.43 kJ,采取煤泥干燥手段可有效降低煤泥水分[19]。寶日希勒褐煤通過(guò)熱壓干燥提質(zhì)研究,探究給料量、干燥溫度等因素下的最佳脫水條件,最佳水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)5%~8%[20]。

    針對(duì)選煤廠分選過(guò)程中產(chǎn)生的低品質(zhì)煤(末煤和煤泥)含水量過(guò)高的問(wèn)題,筆者研究了低品質(zhì)煤(末煤和煤泥)的干燥過(guò)程,確定末煤和煤泥所需的溫度和干燥時(shí)間,為末煤和煤泥的工業(yè)干燥提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)參考。

    1 原煤性質(zhì)及工藝分析

    試驗(yàn)煤樣取自李家壕煤礦,原煤遇水易泥化,末煤分選過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量煤泥,增加煤泥水系統(tǒng)負(fù)荷,降低產(chǎn)品熱值,增加分選成本。根據(jù)GB/T 212—2008《煤的工業(yè)分析方法》,對(duì)煤泥及末煤進(jìn)行工業(yè)分析,測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

    表1 煤泥和末煤工業(yè)分析

    由表1可知,煤泥Ad為15.14%、St,d為0.60%,Qgr,d為25.13 MJ/kg,為低灰、低硫中高發(fā)熱量煤,末煤Ad為9.00%、St,d為0.69%,Qgr,d為27.08 MJ/kg,屬特低灰、低硫中高發(fā)熱量煤,具有較高的利用價(jià)值,但煤泥及末煤均具有較高水分,煤泥Mad為9.54%,Mt為45.00%,末煤Mad為10.97%,Mt為26.85%,過(guò)高的水分使得煤泥/末煤的實(shí)際發(fā)熱量較低,難以進(jìn)行后續(xù)的加工利用,因此脫水提質(zhì)是解決煤泥/末煤利用問(wèn)題的關(guān)鍵。

    采用水分測(cè)定儀,分析煤泥在不同條件下水分逸失規(guī)律,揭示煤泥干燥過(guò)程中水分遷移規(guī)律;通過(guò)熱重分析儀測(cè)量煤泥/末煤顆粒不同干燥階段的干燥速率,分析不同賦存形式水分的傳熱與傳質(zhì)形式,探索干燥過(guò)程中傳熱方式與水分逸出路徑,分析測(cè)試設(shè)備如圖1所示。

    圖1 測(cè)試分析儀器

    選煤廠分選工藝如圖2所示,原煤經(jīng)φ100 mm分級(jí)篩分級(jí)獲得>100 mm和<100 mm原煤,<100 mm 原煤給入φ6 mm弛張篩,分別獲得<6 mm和6~100 mm原煤,由于<6 mm煤炭分選效果不理想,將<6 mm原煤給入復(fù)合式干法分選機(jī),分別獲得精煤與矸石;>100 mm原煤破碎后與6~100 mm原煤共同給入重介淺槽分選機(jī),分別獲得精煤和矸石,分選介質(zhì)經(jīng)介質(zhì)系統(tǒng)和煤泥水處理系統(tǒng)處理獲得合格介質(zhì)、煤泥和循環(huán)水,維持系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

    圖2 選煤廠工藝流程

    選煤廠生產(chǎn)過(guò)程中,末原煤產(chǎn)率約占30%,塊煤分選后產(chǎn)生的次生煤泥量約占原煤總量的5%,即高含水低品質(zhì)煤約占原煤總量的35%,且高含水低品質(zhì)煤熱值較低,無(wú)法單獨(dú)銷售,亟需通過(guò)煤炭提質(zhì)來(lái)降低煤炭水分,增加經(jīng)濟(jì)效益。

    2 低品質(zhì)煤脫水提質(zhì)

    2.1 低品質(zhì)水分賦存及煤熱解特性

    對(duì)<6 mm末煤和煤泥進(jìn)行水分賦存狀態(tài)分析,將溫度設(shè)定為40 ℃,質(zhì)量及脫水率隨時(shí)間變化如圖3所示,隨干燥時(shí)間的增加,末煤和煤泥質(zhì)量逐漸降低,脫水率逐漸增加。干燥時(shí)間達(dá)30 h時(shí),末煤脫水率達(dá)17.38%,隨時(shí)間繼續(xù)增加,末煤脫水率基本維持穩(wěn)定,在36 h時(shí),脫水率為17.84%。干燥時(shí)間達(dá)36 h時(shí),煤泥脫水率達(dá)38.00%,隨時(shí)間繼續(xù)增加,煤泥脫水率基本維持穩(wěn)定,在42 h時(shí),脫水率為39.20%。表明在此末煤中,以外水賦存的水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17.84%,在煤泥中,表明煤泥以外水形式賦存質(zhì)量分?jǐn)?shù)為39.20%。

    圖3 不同干燥時(shí)間下樣品質(zhì)量及脫水率變化

    將干燥后的末煤、煤泥破碎至<3 mm,在105~110 ℃下干燥直至質(zhì)量維持恒定,干燥后末煤質(zhì)量降低了10.97%,干燥后煤泥質(zhì)量降低了9.54%,表明末煤和煤泥中以內(nèi)水賦存的水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.97% 和9.54%。

    對(duì)比末煤和煤泥水分賦存規(guī)律,煤泥外水含量高于末煤,兩者以內(nèi)水形式賦存的水分含量相似。在干燥過(guò)程中,末煤和煤泥的質(zhì)量降低速率均呈逐漸降低趨勢(shì),主要原因?yàn)椋好簶铀趾扛邥r(shí),較多的水分受熱量作用,失重率較大。此外,煤泥失重率較末煤大,與干燥過(guò)程中失重率逐漸降低相似,水分較低時(shí),受到干燥作用的水分相對(duì)較少,失重率較低。

    基于末煤和煤泥的水分賦存狀態(tài)及不同賦存方式的水分含量,影響干燥速率的因素為溫度,為確定末煤和煤泥中的物質(zhì)分解溫度,對(duì)末煤和煤泥樣品進(jìn)行熱重分析。

    為了準(zhǔn)確測(cè)量物質(zhì)的質(zhì)量變化及變化速率,將末煤破碎至<100目(150 μm),在105 ℃下進(jìn)行2 h干燥處理后進(jìn)行熱重分析,熱解溫度范圍為室溫~850 ℃,升溫速率為5 ℃/min,末煤的TG及DTG曲線如圖4所示,100 ℃和300 ℃下氣相色譜質(zhì)譜(GC-MS)曲線如圖5所示。

    圖4 末煤的TG及DTG曲線

    圖5 氣相色譜質(zhì)譜(GC-MS)

    由圖4可知,末煤的TG曲線逐漸降低,表明末煤中水分及大分子隨溫度升高逐漸熱解。根據(jù)TG曲線變化規(guī)律,末煤熱解過(guò)程(TG-DTG曲線)可分為3個(gè)階段,分別為室溫~101.9、101.9~305.7、305.7~850.0 ℃。

    第1階段(101.9 ℃前):隨溫度升高,末煤中水分蒸發(fā),末煤質(zhì)量逐漸降低,在75 ℃左右末煤質(zhì)量變化速率達(dá)到最大,煤中部分組分發(fā)生熱解,主要逸出物質(zhì)為十甲基環(huán)五硅氧烷、螺內(nèi)酯、丙脂等,末煤質(zhì)量逐漸降低,但末煤質(zhì)量降低較少,約7%,表明僅有少部分物質(zhì)發(fā)生熱解;第2階段(101.9~305.7 ℃):溫度升高,末煤質(zhì)量略降低,并未產(chǎn)生明顯變化,在200 ℃左右末煤質(zhì)量變化速率最小,質(zhì)譜結(jié)果表明逸出的物質(zhì)主要為蓖麻醇酸、烷基、癸酸甲酯等,在此溫度范圍內(nèi)末煤中大分子未發(fā)生明顯裂解;第3階段(305.7~850.0 ℃):溫度超過(guò)305.7 ℃后,末煤質(zhì)量迅速下降,末煤發(fā)生熱解,在450 ℃左右時(shí)熱解速率達(dá)到最大。

    與末煤分析方法相似,煤泥的TG及DTG曲線如圖6所示,100和300 ℃下氣相色譜質(zhì)譜(GC-MS)曲線如圖7所示。

    圖6 煤泥的TG及DTG曲線

    圖7 氣相色譜質(zhì)譜(GC-MS)

    由圖6可知,煤泥熱解過(guò)程(TG-DTG曲線)可分為3個(gè)階段。第1階段(101.9 ℃前):隨溫度升高,煤泥中水分蒸發(fā),煤泥質(zhì)量逐漸降低,在55 ℃左右煤泥質(zhì)量變化速率達(dá)到最大,煤中部分組分發(fā)生熱解,主要逸出物質(zhì)為八甲基環(huán)四氧硅烷、十甲基環(huán)五硅氧烷、十二甲基環(huán)六硅氧烷等,煤泥質(zhì)量逐漸降低,但煤泥質(zhì)量降低較少,約10%,表明僅有少部分物質(zhì)發(fā)生熱解;第2階段(101.9~305.7 ℃):溫度升高,煤泥質(zhì)量并未產(chǎn)生明顯變化,在200 ℃左右煤泥質(zhì)量變化速率達(dá)到最小,表明在此溫度范圍內(nèi)煤泥中大分子未發(fā)生明顯裂解,質(zhì)譜結(jié)果表明逸出的物質(zhì)主要為烷基、輪烯、環(huán)庚三烯、八甲基環(huán)四氧硅烷、十甲基環(huán)五硅氧烷、十二甲基環(huán)六硅氧烷、三甲基七硅氧烷;第3階段(305.7~850.0 ℃):溫度超過(guò)305.7 ℃ 后,煤泥質(zhì)量迅速下降,煤泥發(fā)生熱解,在459 ℃左右時(shí)煤泥熱解速率達(dá)到最大。

    根據(jù)不同溫度下物質(zhì)逸出規(guī)律判斷煤炭熱解特性,末煤與煤泥熱解結(jié)果相似,在105 ℃前主要為水分逸出階段,105~306 ℃時(shí),存在部分物質(zhì)熱解,但熱解物質(zhì)含量較低,其原始質(zhì)量未發(fā)生明顯變化,溫度超過(guò)306 ℃時(shí),大分子逐漸熱解,原始質(zhì)量逐漸降低,此時(shí)煤炭性質(zhì)發(fā)生改變,無(wú)法在該溫度下進(jìn)行干燥。

    2.2 低品質(zhì)煤脫水提質(zhì)

    采用紅外快速水分測(cè)定儀對(duì)末煤進(jìn)行干燥脫水研究,設(shè)定溫度為80、85、90、95、100、105、120、150及180℃,記錄不同溫度下末煤脫水率變化,如圖8(a)所示,不同溫度下末煤最大脫水率及達(dá)到最大脫水率所需的時(shí)間如圖8(b)所示。

    圖8 不同溫度下末煤干燥規(guī)律

    由圖8可知,末煤在80、85、90、95、100、105、120、150及180 ℃溫度下的最大脫水率分別為21.66%、23.41%、24.39%、24.76%、25.43%、26.85%、26.85%、26.85%、26.85%,達(dá)到最大脫水率的時(shí)間分別為55、45、40、40、40、40、40、40、40 min。隨溫度升高,末煤最大脫水率先增加后保持穩(wěn)定,達(dá)到最大脫水率所需的時(shí)間先減少后維持穩(wěn)定。溫度較低時(shí),脫水率較低。80 ℃時(shí),脫水率在55 min時(shí)達(dá)到最大21.66%,且不隨時(shí)間的增加繼續(xù)增加,表明80 ℃下無(wú)法使水分完全逸出,剩余水分與煤中其他分子相結(jié)合,在80 ℃溫度下無(wú)法分解。在105 ℃時(shí),末煤最大脫水率為26.85%,且脫水率不隨溫度和時(shí)間的增加而增加,表明此時(shí)末煤完全脫水。隨溫度繼續(xù)升高,達(dá)到最大脫水率所需時(shí)間不變,表明溫度達(dá)到105 ℃時(shí)末煤水分完全逸出臨界點(diǎn),繼續(xù)升高溫度未對(duì)末煤干燥過(guò)程產(chǎn)生影響。

    對(duì)煤泥進(jìn)行干燥試驗(yàn)研究,試驗(yàn)條件與末煤相同,不同溫度下煤泥脫水率變化如圖9(a)所示,不同溫度下煤泥最大脫水率及達(dá)到最大脫水率所需時(shí)間如圖9(b)所示。

    圖9 不同溫度下煤泥干燥規(guī)律

    由圖9可知,末煤在80、85、90、95、100、105、120、150及180 ℃時(shí)的最大脫水率分別為36.35%、41.56%、41.97%、42.50%、43.63%、45.00%、45.00%、45.00%、45.00%,達(dá)到最大脫水率的時(shí)間分別為125、100、95、80、75、70、70、70、70 min。隨溫度升高,煤泥最大脫水率先增加后保持穩(wěn)定,達(dá)到最大脫水率所需時(shí)間先減少后維持穩(wěn)定。溫度較低時(shí),脫水率較低,80 ℃時(shí),脫水率在125 min時(shí)達(dá)到最大36.35%,85 ℃時(shí),脫水率在100 min時(shí)達(dá)到最大41.56%,且不隨時(shí)間的繼續(xù)增加而增加,表明在低溫條件(80~100 ℃)下水分無(wú)法完全逸出,剩余水分與煤炭中其他分子結(jié)合,在80~100 ℃無(wú)法分解。105 ℃、70 min時(shí),煤泥最大脫水率為45.00%,且脫水率不隨溫度和時(shí)間的繼續(xù)增加而增加,表明此時(shí)煤泥完全脫水。隨溫度繼續(xù)升高,達(dá)到最大脫水率所需時(shí)間不變,表明105 ℃時(shí),已達(dá)到煤泥水分完全逸出臨界點(diǎn),繼續(xù)增加溫度未對(duì)煤泥干燥過(guò)程產(chǎn)生影響。

    與末煤相比,煤泥干燥所需時(shí)間較長(zhǎng),主要原因是煤泥含水率較高,實(shí)現(xiàn)水分的完全逸出所需時(shí)間較長(zhǎng)。對(duì)比圖8(b)和圖9(b),末煤和煤泥實(shí)現(xiàn)水分完全逸出的溫度均為105 ℃,時(shí)間分別為40和70 min,且脫水率不隨溫度和時(shí)間繼續(xù)變化,表明105 ℃為實(shí)現(xiàn)完全脫水的臨界溫度。溫度超過(guò)90 ℃ 時(shí),末煤達(dá)到最大脫水率所需時(shí)間均為40 min,末煤最大脫水率隨溫度的增加逐漸增加直至穩(wěn)定,表明存在水分子的逸出區(qū)間分別為90~95、95~100、100~105 ℃。105 ℃前,煤泥的最大脫水率和達(dá)到最大脫水率所需時(shí)間均在變化,主要原因?yàn)榕c末煤相比,煤泥水分較高,溫度升高對(duì)水分的逸出速率影響相對(duì)較大,隨時(shí)間呈降低趨勢(shì)。

    3 低品質(zhì)煤脫灰提質(zhì)

    除水分外,灰分是影響原煤熱值的又一重要因素,為改善選煤廠中低品質(zhì)煤熱值較低的問(wèn)題,對(duì)原煤中的細(xì)粒級(jí)煤炭進(jìn)行脫灰提質(zhì)研究,探究復(fù)合式干法分選技術(shù)對(duì)細(xì)粒級(jí)煤炭可能的有益效果,為選煤廠的工藝優(yōu)化提供參考。

    3.1 原煤性質(zhì)

    為了確定<6 mm原煤含量,對(duì)原煤進(jìn)行篩分分析,其粒度分布見(jiàn)表2。

    表2 原煤粒度組成

    原煤中主導(dǎo)粒級(jí)為100~>13 mm,產(chǎn)率為40.76%,6~>0.5 mm原煤質(zhì)量分?jǐn)?shù)為23.10%,灰分為21.32%。

    對(duì)6~>0.5 mm細(xì)粒級(jí)煤炭進(jìn)行浮沉試驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)表3。從表3可知煤樣中密度為>1.80 g/cm3組分產(chǎn)率為14.23%,此密度級(jí)為矸石。從浮沉密度級(jí)中可以看出<1.30 g/cm3時(shí)灰分最低為6.89%,灰分隨密度增大而增大,密度>1.80 g/cm3時(shí)達(dá)到最大值38.32%??芍ㄟ^(guò)重力分選能有效脫除煤中矸石,實(shí)現(xiàn)提質(zhì)降灰。

    表3 6~0.5 mm細(xì)粒煤浮沉試驗(yàn)結(jié)果

    3.2 復(fù)合式干法分選機(jī)分選試驗(yàn)

    復(fù)合式干法分選機(jī)是目前應(yīng)用較廣泛的一種干法分選設(shè)備,物料在分選過(guò)程中受振動(dòng)和氣流綜合作用,實(shí)現(xiàn)按密度分離。分選床體振幅、振動(dòng)頻率、氣速及安裝參數(shù)等條件會(huì)影響分選效果,其中振動(dòng)頻率與分選效果緊密相關(guān),是實(shí)際分選過(guò)程中調(diào)節(jié)最多的參數(shù)。因此通過(guò)試驗(yàn)探究了振動(dòng)頻率對(duì)6~>0.5 mm原煤分選效果的影響。

    試驗(yàn)過(guò)程中沿床面橫向從入料端至矸石端方向依次劃分為5段,分別對(duì)每一段物料進(jìn)行取樣稱重、化驗(yàn),得到各段分選產(chǎn)品的產(chǎn)率及灰分。試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示,隨振動(dòng)頻率f的增加,1、2段產(chǎn)率逐漸降低,第3段產(chǎn)率受振動(dòng)頻率影響不明顯,產(chǎn)率集中在23%左右;4、5段產(chǎn)率逐漸增加,振動(dòng)頻率f=38 Hz時(shí),第5段產(chǎn)率最高達(dá)15.67%。整體來(lái)看,隨頻率增加,不同位置產(chǎn)率變化趨勢(shì)不同,1、2段靠近入料端,隨振動(dòng)頻率增加,振動(dòng)能量逐漸增加,煤炭顆粒受到的振動(dòng)作用逐漸增強(qiáng),更多的煤炭顆粒運(yùn)動(dòng)至出料端,即4、5段。在不同頻率下,各段的灰分分布趨勢(shì)基本相同,越靠近矸石端灰分越高。隨振動(dòng)頻率增加各段灰分逐漸降低,精煤端物料產(chǎn)率逐漸降低,高灰分煤炭顆粒逐漸移至矸石端,使精煤端灰分逐漸降低,在矸石端,低頻率下的矸石物料灰分較高,隨頻率增加,灰分較低的矸石逐漸移至矸石端,使矸石端產(chǎn)率逐漸升高,灰分逐漸降低。振動(dòng)頻率為38 Hz時(shí),第1段灰分最低,為7.54%。綜合考慮煤炭灰分及產(chǎn)率,取前2段作為精煤產(chǎn)品,振動(dòng)頻率為36 Hz時(shí),精煤產(chǎn)率為45.48%,灰分為10.36%。

    圖10 不同頻率下不同段的產(chǎn)率和灰分

    4 結(jié) 論

    1)在末煤和煤泥中,以外水賦存的水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為17.84%和39.20%,以內(nèi)水賦存的水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為10.97%和9.54%。末煤和煤泥熱重分析表明,101 ℃前,煤中僅有少部分物質(zhì)熱解,表明水分干燥過(guò)程中,煤中其他物質(zhì)損失較小。溫度達(dá)到306 ℃時(shí),末煤和煤泥的大分子逐漸熱解,質(zhì)量逐漸降低。末煤和煤泥熱重分析的質(zhì)量變化規(guī)律一致,具有相同的熱解特性。

    2)隨溫度的增加,末煤和煤泥最大脫水率逐漸增加,達(dá)到最大脫水率所需時(shí)間逐漸減少。末煤和煤泥水分完全逸出的臨界溫度均為105 ℃。105 ℃、40 min時(shí),末煤達(dá)到最大脫水率26.85%,實(shí)現(xiàn)水分完全逸出。105 ℃、70 min時(shí),煤泥達(dá)到最大脫水率45.00%,實(shí)現(xiàn)水分完全逸出。

    3)隨著振動(dòng)頻率增加,復(fù)合式干法分選機(jī)前2段產(chǎn)率逐漸降低,第3段產(chǎn)率受振動(dòng)頻率影響不明顯,后2段產(chǎn)率逐漸增加。頻率增加使得各段產(chǎn)率分布逐漸趨于均勻,同時(shí)各段灰分逐漸降低,在振動(dòng)頻率為36 Hz時(shí),精煤灰分為10.36%,產(chǎn)率達(dá)到45.48%。

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