煤制油選煤廠煤顯微組分遷移規(guī)律

朱 子 祺

(國家能源集團神東洗選中心，陜西 榆林 719315)

0 引 言

我國的能源結(jié)構(gòu)具有“富煤、貧油、少氣”特點，近年來我國原油對外依存度一直在60%以上。發(fā)展煤制油產(chǎn)業(yè)可有效緩解因富煤缺油給我國能源安全帶來的挑戰(zhàn)，對保障國家能源安全具有重要的戰(zhàn)略意義[1]。高品質(zhì)原料煤是保障煤有效轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)，研究表明，原料煤的鏡質(zhì)組含量每提高10個百分點，油收率可提高4個百分點。因此煤巖富集是學者們研究的熱點[2]。

由于煤巖富集對于原料內(nèi)灰要求高，因此關(guān)于煤巖技術(shù)研究大多采用寧夏無煙煤和神東低階煤。神東低階煤具有氫含量高、反應活性高、內(nèi)灰低等特點，是直接液化用煤的良好原料。陳洪博等[3]從動力學角度探討了不同煤顯微組分加氫液化性能及轉(zhuǎn)化規(guī)律，研究認為神東煤鏡質(zhì)組和殼質(zhì)組的轉(zhuǎn)化速率為惰質(zhì)組的2.6倍。神東低階煤惰質(zhì)組含量較高，文獻[4]通過研究神東低階煤鏡質(zhì)組富集，得到神東礦區(qū)低階煤煤巖組分賦存規(guī)律及解離特征、重選、浮選及電選方法。

作為首批工業(yè)化實施的直接液化工程，神華煤制油公司的原煤來自補連塔2-2煤，煤制油選煤廠采用重介旋流器分選工藝生產(chǎn)灰分<5%的煤制油用原料煤。為提高煤制油轉(zhuǎn)化率，神東洗選中心探索通過工藝升級生產(chǎn)高品質(zhì)煤制油用原料煤，而了解煤制油選煤廠生產(chǎn)過程鏡質(zhì)組遷移規(guī)律是進一步提高煤制油原料煤品質(zhì)的基礎(chǔ)。現(xiàn)有研究主要集中在原煤的性質(zhì)與富集方法[5]，對于選煤生產(chǎn)過程中煤巖組分的遷移情況鮮見系統(tǒng)研究。本文主要對煤制油選煤廠原料煤的鏡質(zhì)組、惰質(zhì)組分布遷移進行系統(tǒng)分析，為實際生產(chǎn)過程優(yōu)化提供了理論數(shù)據(jù)依據(jù)與指導。

1 原料煤基本性質(zhì)

1.1 煤質(zhì)分析

在原煤倉下采取代表性原煤樣品，對神華煤制油選煤廠原煤進行煤質(zhì)分析，見表1。

表1 煤的工業(yè)分析與元素分析

從表1可以看出：① 煤制油原煤為不黏煤，灰分為9.61%，屬于低灰煤；② H/C比為0.84，根據(jù)國標GB/T 23810—2009 《直接液化用原料煤技術(shù)條件》要求，直接液化原料煤的H/C比應大于0.75，可知煤制油選煤廠生產(chǎn)的產(chǎn)品屬于良好的煤制油原料。

1.2 原煤及精煤表觀形貌

取煤制油原煤中代表性煤塊，煤層呈瀝青光澤，在鏡煤條帶呈弱玻璃光澤，階梯狀斷口，貝殼狀斷口，在鏡煤條帶中，內(nèi)生、外生裂隙發(fā)育，層狀構(gòu)造，半堅硬型，各煤層裂隙中均填充有黃鐵礦、方解石脈，含菱鐵礦鮞狀結(jié)核，燃燒試驗為劇燃，殘灰灰白色，粉狀[6]。將大顆粒煤塊破碎至1 mm，并進行顯微煤巖組分結(jié)構(gòu)分析。煤制油選煤廠原煤、精煤顯微組分形貌如圖1所示。

圖1 煤制油選煤廠原煤和精煤顯微組分形貌

由圖1(a)可以看出，原煤粒度較大，鏡質(zhì)組嵌布粒度較粗，但部分鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組未完全分離，部分惰質(zhì)組仍嵌布在鏡質(zhì)組中，大塊的鏡質(zhì)組與大塊的惰質(zhì)組緊密相連，需進一步破碎使鏡質(zhì)組與惰質(zhì)組完全解離，但解離不僅增加了工藝復雜程度，也增加了生產(chǎn)成本，因此需結(jié)合原煤的鏡質(zhì)組密度分布及煤制油工藝要求，確定適宜的分選上限[7]。由圖1(b)可以看出，精煤粒度較小，鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組解離程度較原煤高，大部分惰質(zhì)組與鏡質(zhì)組分離，但仍有部分緊密嵌布，因此，進一步提高鏡質(zhì)組含量需經(jīng)破碎、磨礦，使惰質(zhì)組與鏡質(zhì)組全部解離[8]。

1.3 紅外光譜分析

采用紅外光譜法對原煤的官能團結(jié)構(gòu)進行研究，通過比對推斷煤樣特定煤化程度的結(jié)構(gòu)特性[9]。煤樣紅外光譜圖如圖2所示，圖譜分析時扣除了背景和水蒸氣的影響。由圖2可知，原料煤在3 500、3 100 cm-1及其附近出現(xiàn)游離的—OH吸收峰和分子內(nèi)締合的—OH吸收峰，此處的—OH以游離水和結(jié)合水的形式存在。在3 420 cm-1及其附近的譜峰來源于一般羥基位置，說明羥基以多聚締合態(tài)存在，煤分子結(jié)構(gòu)中含有大量氫鍵，導致該締合結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生[10]。

圖2 煤制油選煤廠原煤紅外光譜

1 780 cm-1及其附近出現(xiàn)羰基吸收峰；1 000 cm-1處的吸收峰由煤中灰分引起；700～900 cm-1處主要為多種取代芳烴的面外彎曲振動(稱為芳香帶)，該譜帶吸收峰的吸收強度相對較小，可推斷煤中的芳香核較少。原料煤表面存在較多的含氧基團，氫含量較高，芳香核聚合程度低，這也是低階煤的典型特征，氫含量高、芳香核數(shù)量少，有利于原料煤加氫轉(zhuǎn)化，但表面含氧基團含量高，影響原煤的浮選性能，結(jié)合組分嵌布情況分析，要進一步提高精煤鏡質(zhì)組含量必須進一步實現(xiàn)煤巖解離，而解離后若采用浮選，則成本較高，可見神東煤制油選煤廠的原料性質(zhì)決定了目前情況下重選為核心分選方法的現(xiàn)狀[11]。

2 原料煤密度組成及組分分布

2.1 自然級浮沉及組分分布

根據(jù)GB/T 478—2008要求，分別取一定量的50～25、25～13、13～6、6.0～0.5 mm粒級樣品(由于本研究樣品是毛煤經(jīng)準備車間處理后的原煤，因此不存在>50 mm 粒級)，進行不同粒級1.3、1.4、1.5、1.6、1.8 kg/L密度級的浮沉試驗，各粒度級、各密度級樣品進行制樣分析其組分分布，結(jié)果見表2和圖3。

表2 原料煤浮沉試驗結(jié)果及組分分布

圖3 鏡質(zhì)組、惰質(zhì)組分布

1)不同粒度級的密度組成以<1.3、1.3～1.4 kg/L為主，合計產(chǎn)率達83%以上，主導密度級為1.3～1.4 kg/L，產(chǎn)率在45%～71%，說明煤制油原料煤雜質(zhì)含量少，有機質(zhì)含量高。

2)<1.3 kg/L密度計產(chǎn)率隨粒度的降低逐漸由50～25 mm的27.05%增至6.0～0.5 mm的44.24%，灰分也相應降低，由4.31%降至1.87%，說明原料煤粒度越細，解離程度越高，低密度組分釋放產(chǎn)率多且雜質(zhì)大量脫除。

3)各粒度級不同密度級鏡質(zhì)組含量均隨密度的增大而降低，說明鏡質(zhì)組主要集中在低密度級，提高鏡質(zhì)組含量的有效途徑是對原料煤按密度分選。由于灰分和鏡質(zhì)組含量具有相關(guān)關(guān)系，因此通過系統(tǒng)研究建立灰分與鏡質(zhì)組含量的關(guān)系[12]。

4)生產(chǎn)鏡質(zhì)組含量70%以上的高品質(zhì)煤制油原料煤需要低密度分選環(huán)境，但低密度臨近密度物含量均超過40%，屬于極難選煤，且<1.3 kg/L產(chǎn)率相對較低，因此需要進行破碎，降低分選上限。綜上，高品質(zhì)煤制油原料煤需降低分選上限，同時實現(xiàn)低密度高精度分選。

5)煤制油原料煤不同自然級鏡質(zhì)組的密度分布規(guī)律表明，隨密度增加，各粒度級的鏡質(zhì)組含量先顯著降低，隨后在1.5 kg/L后降幅減緩，而惰質(zhì)組含量先快速增加，在1.5 kg/L后小幅降低。

2.2 破碎級浮沉及組分分布

分別取一定量的50～25、25～13、13～6、6.0～0.5 mm 粒級樣品，進行不同粒級1.3、1.4、1.5、1.6、1.8 kg/L 密度級的浮沉試驗，各粒度級、各密度級樣品進行制樣分析其組分分布，結(jié)果見表3和圖4，分析可知：

表3 破碎級浮沉試驗結(jié)果及組分分布

圖4 鏡質(zhì)組、惰質(zhì)組分布

1)不同粒度級的密度組成以<1.3、1.3～1.4 kg/L為主，產(chǎn)率達84%以上，主導密度級為1.3～1.4 kg/L，產(chǎn)率在52%～64%，說明煤制油原料煤雜質(zhì)含量少，有機質(zhì)含量高。

2)50～0.5 mm范圍內(nèi)，隨著粒度減小，灰分逐漸降低，說明原煤中有機質(zhì)較脆，破碎過程中易向細粒度級富集；惰質(zhì)組含量逐漸降低，說明惰質(zhì)組機械強度相對較高，破碎過程中更易保留在粗顆粒中；鏡質(zhì)組含量呈逐漸升高趨勢。隨粒度降低,<1.3 kg/L產(chǎn)率由50～25 mm的29.61%增至6.0～0.5 mm的32.27%，灰分也相應降低,由3.49%降至2.49%，說明原料煤粒度越細，解離程度越高，低密度組分釋放產(chǎn)率多，且雜質(zhì)大量脫除。

3)隨著密度增大，各粒度級鏡質(zhì)組含量均先快速降低后緩慢降低，說明鏡質(zhì)組主要集中在低密度級，提高鏡質(zhì)組含量的有效途徑是對原料煤按密度分選。煤巖學分析表明，有機顯微組分中一般鏡質(zhì)組密度較低，殼質(zhì)組密度略低于鏡質(zhì)組，惰質(zhì)組密度較高，而無機礦物密度最高[13]。因此隨著分選密度降低，首先脫除的是后生礦物為主的無機礦物；灰分降至后生礦物消失時，即外灰排除后，有機顯微組分含量隨著灰分的進一步降低迅速增加，因此鏡質(zhì)組含量隨密度的變化趨勢為：隨著密度降低，鏡質(zhì)組含量線性升高，分選密度降至分選內(nèi)灰所需密度以下時，鏡質(zhì)組含量迅速升高[14]。

4)生產(chǎn)鏡質(zhì)組含量70%以上的高品質(zhì)煤制油原料煤需低密度分選環(huán)境，但低密度臨近密度物含量均超過40%，屬于極難選煤，且<1.3 kg/L產(chǎn)率相對較低，因此需要進行破碎降低分選上限。綜上，高品質(zhì)煤制油原料煤需降低分選上限，同時實現(xiàn)低密度高精度分選。

5)煤制油原料煤不同破碎級鏡質(zhì)組的密度分布規(guī)律表明，隨著密度增加，各粒度級鏡質(zhì)組含量先顯著降低，在1.5 kg/L后降幅減緩；惰質(zhì)組含量先快速提升，1.5 kg/L后小幅降低。

3 生產(chǎn)過程組分分布規(guī)律

在生產(chǎn)穩(wěn)定運行情況下，取煤制油選煤廠關(guān)鍵生產(chǎn)節(jié)點代表性樣品，對煤樣進行縮分、制樣灰分、組分組成分析，結(jié)果見表4和圖5。

圖5 煤制油選煤廠流程樣組分分布

表4 煤制油選煤廠流程取樣

1)神東礦區(qū)重介原煤灰分為9.45%，鏡質(zhì)組含量為58.11%，惰質(zhì)組含量為37.52%；精煤灰分為5.09%、5.40%，鏡質(zhì)組含量為63.09%、62.42%，惰質(zhì)組含量為35.31%、35.97%。說明經(jīng)重介分選后，鏡質(zhì)組含量提高15個百分點，灰分降低4個百分點，雖鏡質(zhì)組含量顯著提高，但要升至70%以上需二次精選。

2)隨著流程走向，篩分對于組分含量的變化影響不大，而分選對于組分含量的變化影響顯著。

3)粗煤泥中鏡質(zhì)組含量為57.09%～59.09%，而細煤泥鏡質(zhì)組含量為45.45%，說明粗煤泥中有一定量的鏡質(zhì)組需回收，應加強對粗煤泥中鏡質(zhì)組資源的回收利用，擴大煤制油原料的來源。

圖6為鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組的遷移情況，可以看出，鏡質(zhì)組中，88%進入重介精煤，7%進入粗煤泥產(chǎn)品，5%進入細煤泥產(chǎn)品。由于細煤泥回收難度極大，而粗煤泥技術(shù)成熟，因此粗煤泥回收鏡質(zhì)組是可行的；惰質(zhì)組中，59%進入重介精煤中，25%進入矸石，7%進入粗煤泥產(chǎn)品，9%進入細煤泥產(chǎn)品。說明現(xiàn)有分選工藝對惰質(zhì)組與鏡質(zhì)組的高效分離有待提高，如需提高分離效果，應提高選擇性和降低分選密度[15]。

圖6 煤制油選煤廠鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組遷移情況

4 結(jié) 論

1)各粒度級不同密度級鏡質(zhì)組含量均隨密度的增大而降低，說明鏡質(zhì)組主要集中在低密度級，提高鏡質(zhì)組含量的有效途徑是對原煤按密度分選。

2)通過紅外光譜分析，原煤表面存在較多的含氧基團，氫含量較高，芳香核聚合程度低，表面含氧基團含量高，影響原煤的浮選性能，結(jié)合組分嵌布情況分析，要進一步提高精煤鏡質(zhì)組含量，必須充分的煤巖解離并進行浮選，但其成本較高，還需進一步從經(jīng)濟性方面考慮。

3)從鏡質(zhì)組遷移情況看，88%進入重介精煤，7%進入粗煤泥產(chǎn)品，5%進入細煤泥產(chǎn)品，粗煤泥中鏡質(zhì)組含量為57.09%～59.09%；而細煤泥鏡質(zhì)組含量為45.45%，說明粗煤泥中還有一定量的鏡質(zhì)組需回收，應加強對粗煤泥中鏡質(zhì)組資源的回收利用，擴大煤制油原料的來源。