臨渙選煤廠精煤產(chǎn)品水分和灰分特性的研究

王 坡，陳幫金，沈 亮

(1.淮北礦業(yè)股份有限公司 臨渙選煤廠，安徽 淮北 235141；2.安徽理工大學(xué)，安徽 淮南 232001)

煤炭是主要的化石燃料，為全世界提供了約 42%的電力。在 2050 年前，煤炭仍將在能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)主導(dǎo)地位[1]。煤炭中含有矸石、硫等雜質(zhì)，不僅影響煤炭在電廠和工業(yè)的利用效率，且燃燒后還會排放大量煙塵和 SO2等污染物。因此，采用潔凈煤技術(shù)提高煤炭加工、轉(zhuǎn)化、燃燒效率和減少污染至關(guān)重要，其中洗選加工為源頭技術(shù)。同時，煤炭洗選加工工藝主要為重介選、跳汰選和浮選，且這三種工藝的分選介質(zhì)多為水或水的混合物，通常情況每洗選1 t 原煤需用 3～5 m3水[2]，進而導(dǎo)致選后產(chǎn)品的高效脫水成為需要關(guān)注的問題。因此，精煤產(chǎn)品脫水降灰已成為迫切需要解決的問題。

淮北礦業(yè)股份有限公司臨渙選煤廠年入選原煤1 750萬t，主要入選周邊臨渙、許疃、楊柳、孫疃等十余座礦井的原煤，精煤產(chǎn)品主要為焦煤、1/3焦煤和肥煤等煉焦煤產(chǎn)品[3-5]。該廠精煤產(chǎn)品由三部分組成：無壓三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器+臥式振動離心脫水機回收的塊精煤，弧形篩+立式煤泥離心脫水機回收的粗精煤以及機械攪拌式浮選機+加壓過濾機回收的浮選精煤[6-8]。近年來，隨著井下煤質(zhì)的不斷變化，入選原煤的性質(zhì)也在不斷變化，導(dǎo)致最終總精煤的水分和灰分經(jīng)常出現(xiàn)超標現(xiàn)象[9-10]。而精煤水分是評價煉焦煤選煤廠產(chǎn)品質(zhì)量的一個重要指標，一方面水分過高會導(dǎo)致下游煉焦過程中生產(chǎn)的焦炭強度降低、結(jié)焦時間增加，導(dǎo)致焦炭產(chǎn)量下降；另一方面水分過高會導(dǎo)致冬季煤炭卸車困難[11]。為了降低精煤產(chǎn)品的水分，近年來國內(nèi)各選煤廠開展了大量的試驗研究，并取得了一定的成效[12-14]。然而，各選煤廠采取的技術(shù)方法，往往只是針對各廠特定的工藝條件，并通過特定的方法實現(xiàn)的，最終的試驗結(jié)果尚缺乏理論指導(dǎo)作用和深入分析[15-16]。相同工藝下，入選不同質(zhì)量的原煤會得到不同水分和灰分含量的精煤，則精煤的水分和灰分特性與入選原煤之間必然存在聯(lián)系。研究精煤的水分和灰分來源，分析入選原煤中各個煤種對總精煤水分和灰分的貢獻率，可以為原煤的配煤入選提供理論指導(dǎo)，為降低總精煤水分和灰分提供新的思路。因此，為了準確找出導(dǎo)致總精煤水分和灰分偏高的原因，為后續(xù)精煤產(chǎn)品的降水降灰提供數(shù)據(jù)支撐，分別測量了單煤種入選時的塊精煤、粗精煤和浮選精煤的水分、灰分數(shù)據(jù)，并利用現(xiàn)代儀器分析技術(shù)獲取了煤樣的表面性質(zhì)，從微觀層面進行理論分析。

1 試驗材料

試驗樣品采自淮北市臨渙選煤廠西區(qū)，以臨渙焦煤或許疃肥煤單獨入選時，正常生產(chǎn)30 min后，開始采集樣品。采取煤流全斷面或等間距點，且所有采樣點盡量保持同一時間采樣，樣品采集后及時裝入帶有塑料內(nèi)膽的編織袋中，防止水分丟失。分別采集臥式振動離心脫水機、立式煤泥離心脫水機和加壓過濾機的排料，作為試驗樣品。

2 試驗裝置和方法

2.1 塊精煤和粗精煤水分的測量

為了精準定位臨渙選煤廠總精煤水分的組成和來源特性，從而為降低精煤水分找尋新的思路。試驗分別測量了各個樣品的外在水分和內(nèi)在水分指標。塊精煤和粗精煤樣品的水分(外在水分和內(nèi)在水分)依據(jù)GB/T 211—2017《煤中全水分的測定方法》規(guī)定進行測量。計算公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中：Mf為試樣的外在水分，%；m1為試樣干燥后的質(zhì)量損失，g；m為試樣的初始質(zhì)量，g；Minh為試樣的內(nèi)在水分，%；m2為稱取的試樣質(zhì)量，g；m3為試樣干燥后的質(zhì)量損失，g ；Mt為試樣的全水分，%。

取樣品500 g放置于溫度為40 ℃的烘箱中，連續(xù)干燥1 h，待質(zhì)量穩(wěn)定后，按照式(1)計算出外在水分。將測試完的樣品破碎至<3 mm，并稱取10 g放置于稱量瓶中，在溫度為110 ℃的烘箱中干燥1.5 h，然后取出放入干燥器中，待質(zhì)量穩(wěn)定后，按照式(2)計算出內(nèi)在水分。最后，根據(jù)式(3)計算出樣品的全水分。

2.2 浮選精煤水分的測量

采用熱重(TG)分析法來獲得浮選精煤的水分數(shù)據(jù)，試驗使用儀器為美國TA公司生產(chǎn)的TGA-55熱重分析儀。每次試驗準確稱取1 g煤泥樣品，放入坩堝中，在氮氣氛圍下進行升溫。溫控條件為：起始溫度為室溫，每分鐘升溫2 ℃，最終溫度為200 ℃。

2.3 浮選精煤比表面積和孔隙特性測量

精煤顆粒的比表面積和孔隙性質(zhì)對水分子在其表面的賦存狀態(tài)有重要的影響，因此，需要準確了解試驗樣品的比表面積和孔隙特性。試驗采用北京金埃普公司生產(chǎn)的V-sorb 2800P型比表面積及孔徑分析儀，來獲取浮選精煤的比表面積和孔隙特性，判斷煤泥中的水分賦存狀態(tài)。每次試驗稱取干燥后的樣品0.5 g。儀器測量范圍為：比表面積≥0.000 5 m2/g；孔徑范圍在3.5～4 000 ?。最小相對壓力(P/P0)為4×10-5；極限真空度為1×10-9；壓力分辨率為1.6×10-4torr。

2.4 礦物組成及形貌分析

煤樣中含有的微細脈石礦物，親水性較強，并且容易在煤顆粒表面產(chǎn)生罩蓋吸附，從而導(dǎo)致精煤的水分和灰分升高，因此，必須弄清精煤中微細脈石礦物的組成。試驗采用日本島津公司生產(chǎn)的Labx XRD-6000X射線衍射儀對試樣進行分析。測試條件為：Cu靶K輻射X射線管電壓設(shè)為35 kV，X射線管電流設(shè)為30 mA；掃描角度在5°～80°之間，連續(xù)掃描速度為2°/min；采樣間隔為0.02°。

為了判斷出脈石礦物在精煤中的存在形式，試驗采用日本Hitachi公司生產(chǎn)的FlexSEM1000掃描電子顯微鏡(SEM)在低真空狀態(tài)下觀察了樣品顆粒的表觀形貌，結(jié)合XRD和SEM分析結(jié)果，判斷出脈石礦物與精煤顆粒的結(jié)合狀態(tài)。將待測樣品固定于載物臺上，然后將其表面未黏附的物質(zhì)去除，在表面留一層均勻的待測樣品，經(jīng)過噴金處理后，得到不同放大倍數(shù)下煤樣的SEM圖像。

3 結(jié)果與討論

3.1 水分和灰分測試結(jié)果

圖1為臨渙焦煤和許疃肥煤浮選精煤的熱重分析結(jié)果，其中TG曲線為煤樣的失重量與加熱溫度之間的關(guān)系，DTG曲線為煤樣的失重速率與加熱溫度之間的關(guān)系。

圖1 臨渙焦煤和許疃肥煤浮選精煤的熱重分析結(jié)果

從圖1可以看出，兩種煤樣的TG曲線均存在一個拐點和一個最大失重率，拐點處的失重率對應(yīng)于煤樣的外在水分，最大失重率代表煤樣的全水分。在升溫初始階段，臨渙煤的失重速率最低，達到最大失重率時的溫度最高，表明臨渙浮選精煤的脫水難度要高于許疃肥煤，并且臨渙浮選精煤脫水困難也可能是由于其比表面積和孔隙率較高所導(dǎo)致的。此外，當煤顆粒表面的親水官能團較多時，會強化顆粒表面與水分子間的相互作用，形成較厚的水化膜，進而導(dǎo)致浮選精煤水分偏高。

從熱重結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)，兩種浮選精煤的熱重曲線由兩個階段組成：第一階段失重水分較高，對應(yīng)于其外在水分；第二階段失重水分較低，對應(yīng)于其內(nèi)在水分。由于試驗煤樣的質(zhì)量僅僅為0.5 g，當加熱溫度到達80 ℃左右時，兩種浮選精煤的水分已完全蒸發(fā)。

結(jié)合圖1(a)中浮選精煤水分數(shù)據(jù)，測出臨渙焦煤的水分和灰分，測試結(jié)果見表1。由表1可知，從灰分方面來看，塊精煤的灰分為8.60%，粗精煤的灰分為11.02%，浮選精煤的灰分為11.20%，總精煤灰分為9.28%，根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)經(jīng)驗數(shù)據(jù)，塊精煤、浮選精煤和粗精煤的比例約為6∶3∶1，計算可得總精煤灰分約為9.62%，表明本次采樣數(shù)據(jù)較為準確。研究表明以目前生產(chǎn)系統(tǒng)單獨入選臨渙焦煤，可以獲得較低的總精煤灰分。

表1 臨渙焦煤的水分和灰分測試結(jié)果Table 1 Tested moisture and ash data of Linhuan coking coal %

從水分方面來看，臥式離心脫水機入料的總水分為15.74%，塊精煤的總水分為6.3%，其中外在水分為5.4%，內(nèi)在水分為0.9%，塊精煤的水分較低，降低塊精煤水分的難度較大。以目前系統(tǒng)單獨入選臨渙焦煤，得到總精煤水分超過12%，臨渙焦煤的內(nèi)在水分在2%以下，浮選精煤水分在22.10%，因此后期可以嘗試降低浮選精煤水分或者與其他煤種配洗來降低總精煤的水分。

結(jié)合圖1(b)中浮選精煤水分數(shù)據(jù)，測出許疃肥煤的水分和灰分，測試結(jié)果見表2。

表2 許疃肥煤的水分和灰分測試結(jié)果

由表2可知，許疃肥煤單獨入選時可以得到水分和灰分均<10%的總精煤。通過對比許疃肥煤與臨渙焦煤可以看出，許疃肥煤的浮選精煤水分僅為15.07%，總精煤水分為8.39%，遠低于臨渙焦煤，因此可以考慮將臨渙焦煤與許疃肥煤混合入選，以達到降低總精煤水分。

3.2 煤樣的孔隙特性研究

臨渙焦煤和許疃肥煤樣的孔隙分布測試結(jié)果如圖2所示。

圖2 孔隙分布測試結(jié)果

由圖2可知，兩種煤樣均含有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，且孔徑主要在1～10 nm之間。

BET和孔隙分析結(jié)果見表3。

表3 BET和孔隙分析結(jié)果

由表3可知，臨渙焦煤樣的比表面積、孔體積和平均孔徑均顯著大于許疃肥煤樣。比表面積和孔體積越大，則煤顆粒對水分子的吸附能力越強，煤顆粒表面形成的水化膜越穩(wěn)定，脫水越困難，最終導(dǎo)致精煤的水分越高[17]。位于煤顆?？紫秲?nèi)部的水分子屬于煤樣的內(nèi)在水分。由于水分子在孔隙中受到煤分子的作用更強烈，水分子難以移動，在加壓過濾脫水時，這部分水分子難以被脫除。此外，孔隙中的水分子還會對煤顆粒表面水分子的存在形式產(chǎn)生影響，對煤顆粒表面水分的脫除產(chǎn)生不利的影響。在脫水過程中，孔隙中的水分子向“爪子”一樣牢牢地抓住顆粒表面的水分子，使表面水分子的移動性大大降低，從而導(dǎo)致浮選精煤水分較高。在配煤入選時，需要有意識的避免將孔隙率較高的煤樣混合入選，從而避免浮選精煤水分過高。此外，從圖1還可以看出，許疃肥煤浮選精煤失重曲線的拐點明顯低于臨渙焦煤浮選精煤，說明許疃肥煤浮選精煤更容易脫水。因此，臨渙焦煤精煤的水分高于許疃肥煤精煤，與前面測試結(jié)果一致。如果想進一步降低浮選精煤的水分，可以考慮增加過濾壓力，將孔隙中和表面吸附的水分部分脫除，或者通過添加助濾劑降低顆粒表面水化膜的穩(wěn)定性。

3.3 XRD和SEM測試結(jié)果分析

從臨渙焦煤和許疃肥煤精煤產(chǎn)品的灰分測試結(jié)果中可以看出，粗精煤和浮選精煤的灰分高于塊精煤。因此，對粗精煤和浮選精煤的成分和形貌進行了分析。

圖3為臨渙焦煤粗精煤和浮選精煤的XRD圖譜。從圖3中可以看出，粗精煤和浮選精煤中的主要脈石礦物為高嶺石、石英和蒙脫石。

圖3 臨渙焦煤粗精煤和浮選精煤的熱重分析結(jié)果

為了進一步弄清脈石礦物的存在形式，采用SEM測試分別觀察了臨渙焦煤粗精煤和浮選精煤的表面形貌特征。SEM測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 臨渙焦煤粗精煤和浮選精煤的SEM分析結(jié)果

從圖4中可以看出，粗精煤表面較為平整，沒有觀察到明顯的片狀高嶺石顆粒，而浮選精煤表面則分布有較多的片狀礦物顆粒。結(jié)合XRD測試結(jié)果可以推斷出，粗精煤中的脈石礦物主要是以伴生形式存在于煤顆粒內(nèi)部，而浮選精煤中的脈石礦物則主要是以細泥罩蓋形式分布于煤顆粒的表面。因此，如果想要進一步降低粗精煤的灰分，需要將伴生的脈石礦物與煤顆粒充分解離，可以嘗試采用粗精煤破碎磨礦再選的方法；對于浮選精煤來說，煤顆粒與脈石礦物已基本解離，若想進一步降低灰分，則需要考慮加入分散劑或者采用高剪切調(diào)漿技術(shù)來弱化細泥罩蓋現(xiàn)象，強化浮選過程的選擇性，從而達到降低浮選精煤灰分的目的。

4 結(jié)論

通過對臨渙選煤廠兩種不同原煤單獨入選情況下的各個精煤產(chǎn)品的水分和灰分來源進行測試和分析后，可以得到以下結(jié)論：

(1)臨渙焦煤和許疃肥煤單獨入選時，均可以得到灰分<10%的總精煤產(chǎn)品，但是臨渙焦煤單獨入選時的精煤產(chǎn)品水分超過12%，生產(chǎn)中應(yīng)當將兩種煤樣混合入選，獲得水分和灰分均<10%的精煤產(chǎn)品。

(2)BET分析結(jié)果表明：浮選精煤的比表面積和孔隙率均較高，因而浮選精煤水分偏高，并且臨渙焦煤浮選精煤的比表面積和孔體積顯著高于許疃肥煤浮選精煤，從而導(dǎo)致臨渙焦煤浮選精煤水分明顯高于許疃肥煤浮選精煤。

(3)粗精煤和浮選精煤的XRD和SEM分析結(jié)果表明：精煤中的主要脈石礦物為蒙脫石、高嶺石和石英，粗精煤中的脈石礦物主要是以伴生形式存在于煤顆粒內(nèi)部，而浮選精煤中的脈石礦物則主要是以細泥罩蓋形式分布于煤顆粒的表面，可以考慮加入分散劑或者采用高剪切調(diào)漿技術(shù)來弱化細泥罩蓋現(xiàn)象，強化浮選過程的選擇性，從而達到降低浮選精煤灰分的目的。