褐煤洗選加工降灰提質(zhì)研究現(xiàn)狀

董 潔，趙 賀

(內(nèi)蒙古煤礦設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000)

我國(guó)褐煤資源儲(chǔ)量豐富，占據(jù)全球煤炭?jī)?chǔ)量的40%，目前已探明的保有儲(chǔ)量為1.311×105Mt，在全國(guó)煤炭總儲(chǔ)量中約占13%[1]，但多屬老年褐煤，具有高灰高水的特征，灰分一般為20%～40%，全水分一般為20%～50%[2-3]，且揮發(fā)分高、熱值低、易自燃，使得褐煤進(jìn)一步深加工利用作為高附加值產(chǎn)品受到很大的制約[4]。隨著褐煤資源開發(fā)力度的加大，褐煤提質(zhì)的相關(guān)研究和實(shí)踐探索也越來(lái)越多，但是大部分提質(zhì)研究主要針對(duì)褐煤水分高而進(jìn)行的，例如褐煤脫水干燥、低溫?zé)峤獾燃夹g(shù)工藝[5]。同時(shí)從國(guó)內(nèi)現(xiàn)代化的褐煤干燥提質(zhì)、干餾提質(zhì)的運(yùn)行范例及試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，其原煤為灰分較低的褐煤，或直接采用分選降灰后的褐煤，以保證提質(zhì)后產(chǎn)品的穩(wěn)定質(zhì)量。褐煤煤化程度低，塊末煤采用常規(guī)水介質(zhì)分選易泥化，加工成本高；干法分選對(duì)入選原煤性質(zhì)有一定的限制條件，且分選精度略低；細(xì)粒煤泥由于表面含氧官能團(tuán)較多，表面疏水性差，常規(guī)浮選藥耗大，分選效果差。因此降灰成為褐煤提質(zhì)和優(yōu)化利用亟待解決的問(wèn)題。

1 褐煤脫灰必要性

燃燒對(duì)煤的質(zhì)量要求較低，但是在煤的燃燒過(guò)程中礦物質(zhì)作為惰性稀釋物，對(duì)煤的反應(yīng)性、熱值、黏結(jié)性和膨脹性等工藝性能產(chǎn)生消極影響；燃燒后將增加飛灰和灰渣熱損失，影響傳熱和增大熱流阻力，加劇設(shè)備的磨損，擴(kuò)大環(huán)境污染。礦物質(zhì)的存在，除了可能產(chǎn)生的催化作用外，還會(huì)降低煤的燃燒效率和鍋爐的熱效率[6]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，發(fā)電用煤灰分每降低1個(gè)百分點(diǎn)，每度電可減少2～5 g標(biāo)準(zhǔn)耗煤，全國(guó)每年則可減少CO2的排放量為1 500～3 750萬(wàn)t[7]。

水煤漿作為重要的潔凈煤技術(shù)，制漿用煤的灰分在原則上沒(méi)有什么嚴(yán)格限定，但是煤中礦物質(zhì)對(duì)水煤漿性質(zhì)的影響主要是其親水性和可溶離子的濃度，其影響是雙重的。煤灰分越低，越利于制漿濃度的提高，而灰分高，則影響煤的可磨性與粒度級(jí)配，降低煤中有效可燃組分的比例。而且，無(wú)論是氣化用水煤漿還是燃用水煤漿，灰分高都會(huì)增加設(shè)備噴嘴等易磨損件的磨損[8]。

氣化用煤和燃煤一樣對(duì)煤的要求比較寬松，雖然灰分不直接參加氣化反應(yīng)，卻會(huì)消耗煤在氧化反應(yīng)中產(chǎn)生的反應(yīng)熱，灰分高會(huì)增加氣化爐的比煤熱、比氧耗，對(duì)各種煤氣化技術(shù)都不利[9]。煤中礦物質(zhì)在多數(shù)的煤轉(zhuǎn)化工藝中，都是消極的因素，影響煤轉(zhuǎn)化的終端產(chǎn)品的質(zhì)量與過(guò)程效率，在褐煤直接液化中，要求灰分<5%，制活性炭則要求灰分<10%。而我國(guó)自然灰分低于10%的褐煤占很少數(shù)，并且尚未發(fā)現(xiàn)類似澳大利亞等國(guó)家的灰分低于2%的超低灰褐煤，因此降灰提質(zhì)成為我國(guó)褐煤擴(kuò)大加工利用途徑的必經(jīng)之路[5]。

2 褐煤洗選加工現(xiàn)狀

低階煤主要作為動(dòng)力煤使用，其洗選加工工藝主要著眼于塊煤的降灰和提高發(fā)熱量?jī)煞矫?。多?shù)褐煤生產(chǎn)煤礦在滿足市場(chǎng)客戶的需要下，對(duì)原煤進(jìn)行篩分破碎后，即可進(jìn)行分級(jí)銷售[10]。20世紀(jì)60年代，由于內(nèi)蒙古平莊西露天礦高灰劣質(zhì)褐煤數(shù)量多，因此建立了我國(guó)第一座褐煤選煤廠，生產(chǎn)實(shí)踐證明褐煤洗選可有效提高產(chǎn)品質(zhì)量，得到了滿足用戶需求的產(chǎn)品。平莊西露天礦選煤廠最初采用>50 mm塊煤重介排矸，<50 mm優(yōu)質(zhì)煤直銷，劣質(zhì)煤跳汰分選工藝流程[11-12]。在此基礎(chǔ)上平莊礦區(qū)又相繼建立了古山、紅廟、風(fēng)水溝礦等選煤廠。另外，我國(guó)東北還有伊敏河、霍林河等近十座選煤廠，大多采用塊煤洗選、末煤直銷、煤泥壓濾的工藝[13]。然而在多年的生產(chǎn)實(shí)踐中暴露出來(lái)的褐煤洗選加工的主要問(wèn)題則是褐煤易泥化。煤炭泥化會(huì)導(dǎo)致煤泥水處理困難、粉煤粘連溜槽倉(cāng)壁以及洗耗大。針對(duì)該問(wèn)題，關(guān)于褐煤洗選加工工藝的優(yōu)化與改造主要有以下兩種不同觀點(diǎn)。

(1)褐煤易泥化，則減少或避免洗選加工數(shù)量。例如，合格原煤、<13 mm末煤直接銷售，但是這種做法僅在煤質(zhì)穩(wěn)定、用戶要求不高的情況下可行。另外則是褐煤采用干法分選的方式，從而避免泥化和煤泥水處理的問(wèn)題。例如60 t/h的復(fù)合式干選設(shè)備在平莊煤業(yè)六家礦應(yīng)用表明，選后塊煤發(fā)熱量提高了2.09～3.34 MJ/kg；平莊風(fēng)水溝礦在選用240 t/h復(fù)合干法分選機(jī)后，將原煤發(fā)熱量提高至14.63 MJ/kg，灰分降將至30.6%；內(nèi)蒙古霍林河寶發(fā)煤業(yè)原煤在干法分選后發(fā)熱量提高1.67 MJ/kg[13-14]；霍林河南露天礦采用塊煤射線智能分選和混煤風(fēng)力分選生產(chǎn)工藝，取得了較好分選效果，環(huán)保效益和社會(huì)效益顯著[16]。而對(duì)于云南昭通年輕褐煤，戴少康提出“塊煤篩分、風(fēng)力排矸+混末煤機(jī)械脫水”的分選方案，推斷選后產(chǎn)品煤灰分可下降6個(gè)百分點(diǎn)左右[15]。

在缺水的褐煤產(chǎn)區(qū)干法分選在節(jié)約用水方面有著重要的意義，但是干法分選精度相較傳統(tǒng)水介質(zhì)分選差，且要求混末煤外在水分在7%以下。

(2)在洗選過(guò)程中褐煤易泥化，且主要發(fā)生在較高密度級(jí)，因此泥化作用也可作為一種選煤方法[10]。鄧曉陽(yáng)[17]則認(rèn)為應(yīng)從褐煤本質(zhì)上深入研究，區(qū)分煤和矸石的泥化特性差異，利用這種差異進(jìn)行褐煤洗選加工，以具有我國(guó)高灰高水易泥化褐煤特征的內(nèi)蒙古錫林浩特4號(hào)煤為例，提出“重力分選+泥化分選過(guò)程”的洗選降灰新理念。

王永田[18]提出一種褐煤泥化與洗選的工藝，采用一種泥化設(shè)備將褐煤進(jìn)行預(yù)先泥化，然后進(jìn)行50、0.5 mm篩分分級(jí)，由淺槽重介系統(tǒng)分選>50 mm粒級(jí)物料，由跳汰系統(tǒng)分選50～0.5 mm粒級(jí)物料，分別得到不同粒級(jí)的精煤和矸石產(chǎn)品；煤泥水則作沉降處理。該工藝可有效解決褐煤易泥化的問(wèn)題。

代志偉[19]針對(duì)勝利褐煤泥化特點(diǎn)，通過(guò)分選試驗(yàn)驗(yàn)證了預(yù)先泥化工藝的可行性，提出了“>3 mm預(yù)先泥化脫泥跳汰分選、<3 mm不分選工藝”，跳汰試驗(yàn)表明：預(yù)先泥化后的褐煤泥化程度明顯降低，分選指標(biāo)較優(yōu)，產(chǎn)生的煤泥水濃度小，在分選密度為1.6 g/cm3時(shí)，精煤灰分為17.57%，預(yù)測(cè)產(chǎn)率為51.21%。

我國(guó)褐煤選煤廠主要是露天礦的配套工程，因此選煤設(shè)備一般大型化，可以減少褐煤在各個(gè)選煤環(huán)節(jié)的滯留時(shí)間，避免引起褐煤的破碎及泥化[11]。盡管褐煤洗選加工具有特殊性，但是目前并沒(méi)專門針對(duì)褐煤研發(fā)的分選設(shè)備。

褐煤本身高灰高水煤質(zhì)特性的限制，其商品煤價(jià)格較低，多數(shù)褐煤生產(chǎn)煤礦僅對(duì)原煤進(jìn)行篩分破碎后即分級(jí)銷售；在分選加工工藝的選擇上應(yīng)力求工藝簡(jiǎn)潔、加工成本低，塊煤洗選+末煤直銷+煤泥壓濾工藝以及塊煤射線智能分選+末煤復(fù)合干法分選工藝是當(dāng)前褐煤分選加工較多采用的。

3 國(guó)內(nèi)外細(xì)粒褐煤浮選降灰研究

褐煤煤泥變質(zhì)程度低，含氧官能團(tuán)較多，表面疏水性較差，易造成油類捕收劑在其表面鋪展困難，因而常規(guī)浮選藥耗大、分選效果差[20-21]，但是關(guān)于褐煤浮選的研究卻從沒(méi)有停止過(guò)。

3.1 熱處理浮選

土耳其研究人員認(rèn)為不同的煤種在受熱處理后，疏水性的改變是不同的，為此分別對(duì)三種煤質(zhì)特性不同的褐煤采用微浮選和測(cè)定Zeta電位的方法[22-23]進(jìn)行研究，觀察熱處理后研究對(duì)象的可浮性的變化。對(duì)于含氧基少且灰分高的褐煤，可浮性無(wú)改變，其他褐煤的Zeta電位有了很大變化，可浮性得到改善。熱處理后疏水性的改變?cè)谟诿罕砻娼Y(jié)合水分子的含氧基[24]。

土耳其的SOYAK對(duì)褐煤進(jìn)行不同時(shí)長(zhǎng)的熱處理后，分別進(jìn)行浮選試驗(yàn)，煤樣可選性與加熱時(shí)間呈正相關(guān)，其中可燃體回收率由11%增加至83.4%，灰分由7.5%降到5.74%，硫分由2.5%降到1.52%；未經(jīng)熱處理煤樣與在105 ℃熱處理4 h的煤樣親水性指數(shù)分別為17.25和2.87，熱處理后煤樣的紅外光圖譜表明，表面羥基官能團(tuán)的吸收峰明顯減弱，即經(jīng)過(guò)熱處理后的褐煤浮選性可以得到顯著的改善[25]。

3.2 油團(tuán)聚浮選

油團(tuán)聚浮選法是在20世紀(jì)初期的油團(tuán)聚法的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，是選擇絮凝和浮選相結(jié)合的分選方法[26]。日本學(xué)者村田逞詮指出煤的潤(rùn)濕性與煤質(zhì)和造粒(油團(tuán)聚)存在關(guān)系。對(duì)于羧基含量超過(guò)一定限度的褐煤，其油團(tuán)聚性能較差。研究試驗(yàn)將烷醇酰胺型非離子表面活性劑N-24添加在非造粒性的美國(guó)貝爾艾爾褐煤上，試驗(yàn)煤樣在造粒性提高的同時(shí)，黏結(jié)劑油用量降低；預(yù)先采用NaOH處理的試驗(yàn)煤樣，則可以得到進(jìn)一步的灰分降低[27]。

羅道成等對(duì)大同褐煤油團(tuán)聚浮選影響因素進(jìn)行研究表明，在8%(占煤重)的NaOH電解質(zhì)溶液預(yù)處理60 min后的褐煤煤樣中添加0.04%(占煤重)的非離子表面活性劑(甲基二乙醇酰胺)和20%(占煤重)的黏結(jié)劑油(C重油)后，在起泡劑(仲庚醇)用量為150 g/t的條件下進(jìn)行浮選，獲得了較好的效果[28]。

3.3 添加表面活性劑浮選

VAMVUKA D和AGRIDIOTIS V重點(diǎn)研究了表面活性劑添加對(duì)提高褐煤可浮性的影響，試驗(yàn)分別在添加陽(yáng)離子表面活性劑(十四烷基三甲基溴化銨，TTAB)、十二烷胺(DDA)、陰離子表面活性劑(十二烷基磺酸鈉，SDS)以及非離子表面活性劑(二乙基己醇)的條件下進(jìn)行，結(jié)果表明添加陽(yáng)離子表面活性劑的煤樣浮選效果優(yōu)于其他，與煤油聯(lián)合使用后的試驗(yàn)效果更佳[29]。

YAKUP CEBECI對(duì)不同藥劑制度下的Yozgat Ayridam褐煤進(jìn)行了浮選試驗(yàn)研究，在煤油作為捕收劑的條件下，進(jìn)行空白試驗(yàn)、添加乳化劑Acorga M5640(AC)以及添加乳化劑(AC)+表面活性劑(Flotigol CS，CS)試驗(yàn)，浮選精煤的回收率分別為32.03%、54.38%以及89.45%。試驗(yàn)結(jié)果表明，乳化劑和表面活性劑的加入均使得煤油的分散度提高，加快了煤油在煤表面的鋪展速度[30]。

KELEBEK S[31]進(jìn)行了褐煤浮選藥劑之間的相互作用的析因試驗(yàn)研究。將表面活性劑(十二烷胺，DDA)、捕收劑(煤油)、浮選pH值作為影響精煤可燃體回收率和灰分的三個(gè)考察因素，結(jié)果表明對(duì)精煤可燃體回收率影響較大的是捕收劑(煤油)和表面活性劑(DDA)，其次是pH值。其中藥劑在煤表面的吸附位置、表面活性劑與煤油的競(jìng)爭(zhēng)配合關(guān)系以及起泡劑的選用是影響試驗(yàn)結(jié)果的重要因素。

3.4 褐煤反浮選

另外，研究人員對(duì)褐煤進(jìn)行了反浮選研究。寧可佳[32]以內(nèi)蒙古寶日希勒褐煤為研究對(duì)象，試驗(yàn)表明，十二胺對(duì)褐煤的反浮選效果優(yōu)于十八胺和十六烷基三甲基溴化銨，進(jìn)行連續(xù)多次的反浮選可以得到低灰分(10.20%)、高回收率(70%以上)的精煤，分選效果較好。

褐煤的煤質(zhì)特性是導(dǎo)致其浮選分選效果遠(yuǎn)不如煙煤，且浮選成本較高，但褐煤的可浮性又與矸石存在本質(zhì)的不同，通過(guò)熱處理、浮選環(huán)境調(diào)節(jié)、添加表面活性劑，均可使褐煤的可浮性得到改善。

4 細(xì)粒褐煤油泡浮選

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)王永田教授把油泡浮選技術(shù)引入低階煤浮選，將油泡浮選技術(shù)與柱浮選技術(shù)有機(jī)結(jié)合，以內(nèi)蒙古東部白音華礦區(qū)褐煤為研究對(duì)象進(jìn)行了低階煤浮選探索試驗(yàn)。試驗(yàn)分別以原煤和在干燥提質(zhì)過(guò)程中產(chǎn)生的粉煤作為試驗(yàn)對(duì)象，通過(guò)煤樣基本性質(zhì)分析確定試驗(yàn)煤樣具有浮選降灰的可行性，同時(shí)進(jìn)行藥劑乳化浮選、微泡浮選以及油泡柱浮選等不同的探索研究，以實(shí)現(xiàn)降低藥耗和褐煤提質(zhì)的雙重目標(biāo)。

通過(guò)對(duì)煤樣基本性質(zhì)進(jìn)行試驗(yàn)分析可知，褐煤浮選降灰具有可行性，但常規(guī)浮選藥劑消耗過(guò)大。褐煤浮選藥耗大的主要原因：一是表面含氧官能團(tuán)多，易與水分子之間形成氫鍵，使得水化膜排列緊密，烴類油則不易在煤粒表面鋪展開，而是以油滴形式存在；二是褐煤孔隙度發(fā)達(dá)，毛細(xì)現(xiàn)象顯著，孔隙吸水吸油均會(huì)造成藥劑消耗大；三是烴類油在水中不易分散。

試驗(yàn)將烴類油加熱氣化和旋流-靜態(tài)微泡浮選柱射流吸氣有機(jī)結(jié)合在一起的。烴類油通過(guò)加熱氣化成粒徑<2 μm的霧珠，與空氣一同吸入氣泡發(fā)生器中，由噴嘴噴出形成高速流體，在沖擊和壓縮的過(guò)程中，由于氣-油界面張力小于氣-水的界面張力，氣泡表面更易鋪展為油膜而非水化膜，形成帶有油膜的氣泡進(jìn)入浮選柱中。

試驗(yàn)以煤油泡作為捕收劑，采用實(shí)驗(yàn)室旋流-靜態(tài)微泡浮選柱對(duì)煤樣進(jìn)行藥劑量探索試驗(yàn)。藥劑用量對(duì)油泡浮選柱浮選效果的影響如圖1所示。

圖1 藥劑用量對(duì)浮選效果的影響

由圖1可知：油泡浮選柱浮選可以降低微泡浮選中細(xì)泥機(jī)械夾帶對(duì)浮選結(jié)果的影響，捕收劑藥劑消耗可降至4 kg/t，將入料灰分為27.50%的褐煤降灰至15.64%，與添加表面活性劑的乳化藥劑柱浮選試驗(yàn)結(jié)果相當(dāng)。

試驗(yàn)還對(duì)使用不同浮選方式處理過(guò)的煤樣進(jìn)行潤(rùn)濕性和表面Zeta電位分析，結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同藥劑處理對(duì)煤樣表面Zeta電位的影響

由圖2可知：乳化藥劑可以改善褐煤表面的疏水性，而油泡浮選基本不改變煤粒表面疏水性，卻得到與浮選柱乳化浮選相當(dāng)?shù)母∵x效果，證明了油泡柱浮選對(duì)于疏水性差、細(xì)粒含量大的褐煤分選的高效性[33]。

油泡浮選技術(shù)與柱浮選技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，是細(xì)粒褐煤浮選獲得較低的精煤灰分和較好的浮選效果的關(guān)鍵。分析認(rèn)為，柱浮選產(chǎn)生的微泡提高了細(xì)粒物料的分選效率，油泡浮選加快了浮選速度，有效降低了細(xì)粒分選中的細(xì)泥夾帶，并且烴類油通過(guò)附著在氣泡上而被高度分散，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了藥耗的降低。

5 結(jié)論

(1)我國(guó)褐煤資源豐富，多屬年老褐煤，其高灰分高水分的特性，是造成褐煤利用途徑單一的主要因素。降灰提質(zhì)是我國(guó)褐煤擴(kuò)大加工利用途徑的必經(jīng)之路。

(2)我國(guó)褐煤主要用于燃燒，洗選加工比例較低，當(dāng)前褐煤分選加工較多采用塊煤洗選+末煤直銷+煤泥壓濾工藝以及塊煤射線智能分選+末煤復(fù)合干法分選工藝。

(3)褐煤變質(zhì)程度低，含氧官能團(tuán)較多，表面疏水性較差，易造成油類捕收劑在其表面鋪展困難，但褐煤的可浮性與矸石存在本質(zhì)的不同，通過(guò)熱處理、浮選環(huán)境調(diào)節(jié)、添加表面活性劑，均可使褐煤的浮選性得到改善。

(4)細(xì)粒褐煤的油泡柱浮選探索試驗(yàn)展現(xiàn)了兩種技術(shù)的結(jié)合對(duì)于細(xì)粒物料高效分選的優(yōu)勢(shì)，為其他低階煤、氧化煤和氧化礦物的分選提供了參考和新的思路。

(5)在全球能源日趨緊張的形勢(shì)下，褐煤資源開發(fā)強(qiáng)度加大，隨著煤炭潔凈、高效利用技術(shù)的推廣，褐煤的經(jīng)濟(jì)價(jià)值以及加工技術(shù)會(huì)越來(lái)越受到重視，降灰脫水后的優(yōu)質(zhì)褐煤的優(yōu)化利用前景將更加寬廣。