稀缺主焦煤重介中煤解離特性的研究

劉 鋒，馬芳源，丁晴晴

(1.淮北礦業(yè)(集團)有限責任公司 淮北選煤廠，安徽 淮北 235000；2.中國礦業(yè)大學 化工學院，江蘇 徐州 221116)

我國稀缺煉焦類煤炭十分匱乏，整體資源分布不均勻是我國煉焦煤的一大特點。雖然煉焦煤市場供需矛盾突出，然而我國煉焦煤資源利用一直存在嚴重的問題，這使得煉焦煤不能有效得到合理的開發(fā)和利用。特別是一些煉焦中煤被用作動力煤消耗，這是我國煉焦煤被浪費的原因之一[1-3]。煉焦中煤進一步分選回收對提高煉焦煤的合理利用具有重要意義，同時能夠有效地提高選煤廠的經(jīng)濟效益[4-5]。面對煉焦煤稀缺的現(xiàn)狀，業(yè)內(nèi)人士已經(jīng)深刻意識到煉焦中煤合理開發(fā)利用的重要性。

目前，我國針對煉焦中煤合理回收利用的技術(shù)極不完善，尤其是煤巖性質(zhì)差異大的煉焦中煤，煉焦中煤的解離粒度、分選流程、分選裝備需要大量的試驗和生產(chǎn)實踐以便進行全面的分析與研究。因此，從煉焦中煤中進一步提取合格的煉焦精煤是實現(xiàn)稀缺煉焦煤有效利用的方法，這就需要在分選技術(shù)或者分選流程方面有著新的突破?；幢边x煤廠是原設計能力為2.4 Mt/a的大型煉焦煤選廠，原煤入料為優(yōu)質(zhì)主焦煤[6-9]。2004年，經(jīng)過改造后處理能力增加至4.5 Mt/a，采用無壓三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器分選+煤泥重介分選、浮選、加壓過濾脫水+尾煤壓濾的聯(lián)合分選工藝。在經(jīng)濟效益方面，煉焦中煤高效回收是降低企業(yè)生產(chǎn)成本的有效途徑[10-12]。

研究煉焦重介中煤的解離特性是確保后續(xù)回收合格煉焦煤產(chǎn)品的基礎(chǔ)。鑒于其煤巖組成，決定解離粒度的差異。根據(jù)不同的重介中煤解離度差異，才能進一步確定合理的回收技術(shù)和回收工藝。因此，研究重介中煤的解離對提高精煤產(chǎn)率至關(guān)重要。

1 試驗煤樣分析

1.1 粒度組成

試驗煤樣來自淮北選煤廠三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器中煤脫介篩篩上產(chǎn)品。對中煤試樣進行了篩分試驗，其粒度分布結(jié)果如圖1所示。

圖1 試樣粒度分布結(jié)果

由圖1可知：試樣粒級含量差異顯著，3.0～0.5 mm的產(chǎn)品含量最高，達到了40.97%；而<3.0 mm的產(chǎn)品含量為42.46%。依據(jù)<0.5 mm的煤泥含量僅為1.49%，表明對試樣具有良好的脫泥效果；此外，通過試樣的各粒級灰分可以看出，各個粒級的灰分分布較為均勻，試樣平均灰分為31.37%。值得一提的是，<0.5 mm的粒級灰分最高為38.50%，在后續(xù)分選過程中可能會產(chǎn)生矸石泥化現(xiàn)象。

1.2 密度組成

對試樣進行浮沉試驗，結(jié)果如圖2所示，可選性曲線如圖3所示。 由圖2可知，該中煤組成中，主導密度級為1.4～1.6 g/cm3，產(chǎn)率為48.69%，且灰分為23.86%，中間產(chǎn)物1.4～1.8 g/cm3密度級產(chǎn)率高達82.46%，總體灰分并不是很高，說明該中煤有著進一步解離、提取精煤的可能；<1.4 g/cm3的低密度級累計理論精煤灰分為12.52%，精煤灰分不達標，也需要進一步破碎解離后才能選出合格的精煤產(chǎn)品。

圖2 試樣密度組成

圖3 試樣的可選性曲線

試樣的可選性曲線如圖3所示。由圖3可知：灰分特性曲線(λ)較陡，浮物累計曲線(β)、沉物累計曲線(θ)幾乎相互平行，這說明該試樣中分離出低灰尾煤難度較大；根據(jù)密度曲線(δ)，密度范圍1.4～1.8 g/cm3曲線斜率存在顯著變化，因此煤主要賦存在該密度范圍內(nèi)。此外，當精煤灰分為12%時，對應的精煤產(chǎn)率為8%左右。δ±0.1含量≈66%，該試樣可選性等級為極難選。綜上所述，該試樣直接分選很難獲得合格的精煤產(chǎn)品，有必要對試樣進行再次破碎以確保達到更高的解離度。

1.3 礦物組成分析

中煤試樣煤炭的賦存狀態(tài)對進一步破碎過程的解離效果具有重要的影響，煤炭的賦存形態(tài)決定了中煤深度回收的工藝。通過X射線衍射儀分析了試樣中的礦物組成，如圖4所示。由圖4可知，高嶺土、石英和方解石是試樣中的主要黏土礦物，此外試樣中還伴生少量白云石、黃鐵礦等礦物。綜上所述，在后續(xù)的破碎解離過程中，應精確地控制產(chǎn)品細度，避免在后續(xù)分選過程中黏土礦物罩蓋從而影響分選。

圖4 XRD分析結(jié)果

重介中煤礦物質(zhì)的嵌布特性對解離粒度的確定具有重要指導意義，利用背散射圖像和能譜儀(德國Bruker，Quanyax400-10)對淮北選煤廠重介中煤礦物質(zhì)嵌布特性進行了分析，礦物質(zhì)的嵌布特征如圖5所示。

圖5 重介中煤礦物質(zhì)的嵌布特征

由圖5可知，礦物質(zhì)的嵌布特性可以分為聚集狀與分散狀兩類，這與煤的成因相關(guān)。圖5(a)呈現(xiàn)了分散狀的礦物質(zhì)(白色區(qū)域)，其嵌布粒度介于十微米至數(shù)十微米不等，分散在煤顆粒中，往往需要較細的磨礦粒度才能達到充分的解離。圖5(b)呈現(xiàn)了聚集狀的礦物質(zhì)(白色區(qū)域)，嵌布粒度介于數(shù)十微米至數(shù)百微米，若要實現(xiàn)煤和礦物質(zhì)的充分解離，較細的磨礦細度也是必要的。

2 破碎解離試驗

中煤解離粒度是后期深度分選的關(guān)鍵性指標。把中煤試樣破碎成不同破碎粒度上限的產(chǎn)品，通過比較不同破碎粒度上限產(chǎn)品的粒度、密度特性來確定試樣的最佳解離粒度。根據(jù)前文可知，試樣中整體具有粒度細、灰分在各個粒度范圍均勻分布的特點。試樣破碎至一個合適的粒度才能進行深度回收，破碎粒度過粗可能無法實現(xiàn)煤顆粒單體解離，過細則泥化現(xiàn)象會更為嚴重。因此選擇破碎粒度上限為6、3、1、0.5 mm分別進行了粒度和密度組成分析。

2.1 不同破碎粒度上限的產(chǎn)品粒度組成

將試樣混合均勻、縮分，進行不同破碎粒度上限的破碎試驗研究。通過對輥式破碎機對試樣進行破碎，使用篩孔為6 mm的篩子對破碎后產(chǎn)品進行篩分，篩上產(chǎn)品返回對輥式破碎機，直到試樣均破碎至6 mm以下。依據(jù)上述方法，分別用篩孔為3、1、0.5 mm的篩子進行篩分，試驗結(jié)果如圖6所示。 由圖6可知，<0.5 mm粒級產(chǎn)品含量隨著破碎粒度上限的減小而增加，但其灰分反而降低。對于>0.5 mm粒級產(chǎn)品而言，其灰分隨著破碎粒度上限減小而增加，這種現(xiàn)象表明破碎具有選擇性。>0.5 mm粒級產(chǎn)品中，矸石相對于碳質(zhì)礦物不容易破碎，從而促使<0.5 mm粒級產(chǎn)品中的灰分降低。然而，通過對比不同破碎粒度上限>0.5 mm粒級產(chǎn)品、<0.5 mm粒級產(chǎn)品的灰分發(fā)現(xiàn)，灰分差異不是很大，這說明破碎過程的選擇性相對較弱，矸石礦物和煤顆粒的破碎差異較小。

圖6 不同破碎粒度上限的產(chǎn)品粒度組成

2.2 不同破碎粒度上限的試樣密度組成

2.2.1 破碎粒度上限為6 mm試樣密度組成

用篩孔為0.5 mm的篩子將破碎粒度上限為6 mm的產(chǎn)品進行篩分，分成以0.5 mm為界的兩個粒級產(chǎn)品，對上述兩個粒級產(chǎn)品進行浮沉試驗，結(jié)果見表1，可選性曲線如圖7所示。

表1 破碎粒度上限為6 mm的煤樣浮沉試驗結(jié)果

圖7 破碎粒度上限為6 mm的煤樣可選性曲線

由表1可知，>0.5、<0.5 mm粒級產(chǎn)品在兩端密度級范圍含量低，而中間密度級含量高，這表明破碎粒度上限為6 mm的產(chǎn)品并不能實現(xiàn)煤炭顆粒的單體解離。對于>1.8 g/cm3密度級產(chǎn)物，<0.5 mm粒級產(chǎn)品含量較高。相反，>0.5 mm粒級中含量較低，這表明高灰礦物確實得到了一定程度的解離，使其累積在<0.5 mm的粒級產(chǎn)品中。由圖7可以看出，6 mm作為上限粒度不能獲得解離度較好的產(chǎn)品。

2.2.2 破碎粒度上限為3 mm試樣密度組成

用篩孔為0.5 mm的篩子將破碎粒度上限為3 mm的產(chǎn)品進行篩分，分成以0.5 mm為界的兩個粒級產(chǎn)品，對上述兩個粒級產(chǎn)品進行浮沉試驗來考查試樣的密度組成，試驗結(jié)果見表2，可選性曲線如圖8所示。

表2 破碎粒度上限為3 mm的煤樣浮沉試驗結(jié)果

圖8 破碎粒度上限為3 mm的煤樣的可選性曲線

由表2可知，<0.5 mm粒級的低密度產(chǎn)物產(chǎn)率比3～0.5 mm粒級低密度產(chǎn)物產(chǎn)率高出0.32個百分點，>1.8 g/cm3密度級產(chǎn)率在<0.5 mm粒級中含量較高。然而，3～0.5 mm粒級中，中間密度產(chǎn)物產(chǎn)率仍很高，這部分產(chǎn)物占比為40.85%。由圖8可知，當精煤灰分為12%的情況下，精煤的理論產(chǎn)率可達到24%左右。與破碎粒度上限為6 mm的情況相比，理論產(chǎn)率提高了14個百分點。

2.2.3 破碎粒度上限為1 mm煤樣密度組成分析

用篩孔為0.5 mm的篩子將破碎粒度上限1 mm的產(chǎn)品進行篩分，分成以0.5 mm為界的兩個粒級產(chǎn)品，對上述兩個粒級產(chǎn)品進行浮沉試驗，試驗結(jié)果見表3，可選性曲線如圖9所示。

表3 破碎粒度上限為1 mm的煤樣浮沉試驗結(jié)果

圖9 破碎粒度上限為1 mm的煤樣可選性曲線

由表3可知，在試樣破碎粒度上限為1 mm的情況下，<0.5 mm含量達到了65.79%，<0.5 mm粒級中低密度物產(chǎn)率增加較明顯，灰分也相對降低，>1.8 g/cm3密度級產(chǎn)物產(chǎn)率在<0.5 mm粒級高出1～0.5 mm粒級可達5.96%。相應地，在<0.5 mm產(chǎn)品中灰分也要顯著高于1～0.5 mm產(chǎn)品，這表明試樣發(fā)生了明顯的解離從而進入了<0.5 mm產(chǎn)品中。根據(jù)圖9的曲線，在精煤灰分為12%的條件下，可獲得產(chǎn)率為32%的精煤產(chǎn)品。相比于破碎粒度上限為3 mm的情況，產(chǎn)率顯著增加。

由圖9可知，在破碎粒度上限為1 mm的情況下，低密度產(chǎn)物、高密度產(chǎn)物、中間密度物產(chǎn)率增加趨勢十分明顯。就灰分而言，高密度范圍的產(chǎn)品灰分明顯高于破碎前對應的密度范圍。

此外，隨著破碎粒度上限的減小，灰分升高。特別是<1.3 g/cm3密度級的產(chǎn)品隨破碎粒度上限的減小使得灰分顯著增加；試樣破碎前與破碎粒度上限為6 mm的產(chǎn)品比較可以看出，中間密度以及高密度產(chǎn)品灰分增加，而<1.3 g/cm3密度級的產(chǎn)品灰分反而降低。造成這種情況的原因是易碎的脈石礦物被有效解離出來，鑒于篩上產(chǎn)品返回連續(xù)破碎使得破碎過程的選擇性更顯著。進一步講，煤炭的脆性要更高，從而導致高灰的產(chǎn)品保持在>0.5 mm的產(chǎn)品中。另一方面，破碎粒度上限的減小使得破碎過程的選擇性效果增強。所以，>0.5 mm產(chǎn)品中，低密度產(chǎn)品的灰分呈現(xiàn)增加的情況。

2.2.4 破碎粒度上限為0.5 mm密度組成

在<1 mm產(chǎn)品進一步破碎為<0.5 mm的情況下，可得破碎粒度上限為0.5 mm的浮沉試驗結(jié)果見表4，可選性曲線如圖10所示。

表4 破碎粒度上限為0.5 mm的煤樣浮沉試驗結(jié)果

由表4可知，<1.4 g/cm3密度級的產(chǎn)品產(chǎn)率從19.98%增加到20.97%，提高了0.99個百分點。>1.8 g/cm3密度級的產(chǎn)品從16.41%增加到18.33%，提高了1.92個百分點。即<1 mm的產(chǎn)品進一步破碎至<0.5 mm的產(chǎn)品可以大幅度改善煤的解離效果。由圖10可知，在精煤灰分為12%的條件下，可獲得精煤產(chǎn)率大約為35%。相比于破碎前，精煤產(chǎn)率提高了4個百分點。這進一步說明了<1 mm產(chǎn)品破碎至<0.5 mm產(chǎn)品有效提高了精煤產(chǎn)率。

圖10 破碎粒度上限為0.5 mm的煤樣可選性曲線

根據(jù)上述分析結(jié)果表明：破碎粒度上限越低，高密度和低密度產(chǎn)品產(chǎn)率越高，相應地中間密度范圍的產(chǎn)品產(chǎn)率降低，但煤炭的解離程度越高；在破碎過程的能耗方面，破碎過程中應盡可能保證低能耗實現(xiàn)較高的解離度，這就需要確保破碎過程的選擇性更好；在深度分選工藝方面，過細的入料產(chǎn)品會對分選過程造成一定困難，同時煤泥水處理效率也會降低；而在煉焦煤的性能方面，精煤產(chǎn)品的細度也會對最終焦炭的品質(zhì)有所影響。如果精煤粒度過細，由于其超大的比表面積會造成活性組分增加，最終直接影響煤的黏結(jié)性。綜上所述，破碎粒度上限確定為0.5 mm。

2.3 不同破碎粒度上限下解離對比分析

破碎前及不同破碎粒度上限下不同密度級產(chǎn)率、灰分的變化情況如圖11所示。由圖11可知，破碎粒度上限降低，低密度、高密度級產(chǎn)品占比都有所提高，而中間密度級產(chǎn)品占比卻降低。在<6 mm產(chǎn)品進一步破碎到<0.5 mm產(chǎn)品的情況下，中間密度級的產(chǎn)品產(chǎn)率減少了13.40個百分點；<1.4 g/cm3密度級的產(chǎn)品產(chǎn)率從15.23%增加到20.97%，提高了5.74個百分點。>1.8 g/cm3密度級的產(chǎn)品產(chǎn)率從10.67%提高至18.33%，整體增加了7.66個百分點。當灰分為12%時，可由圖7—圖10可看出破碎粒度上限為6、3、1、0.5 mm時理論精煤產(chǎn)率分別為14%、24%、32%、35%。

圖11 不同破碎粒度上限下不同密度級產(chǎn)率和灰分的變化

綜上所述，破碎粒度上限的減小導致的差異主要表現(xiàn)在密度組成，即中間密度產(chǎn)品產(chǎn)率降低顯著，而高密度級和低密度級產(chǎn)品產(chǎn)率增加。相應地，解離程度越來越充分。實際上，當破碎粒度上限達到一定值時，密度組成變化差異非常小，說明幾乎所有煤炭已經(jīng)得到了充分的解離。由圖11可以看出：破碎粒度上限由1 mm下降至0.5 mm時，<1.3 g/cm3密度級產(chǎn)率增加了0.49個百分點，<1.4 g/cm3密度級產(chǎn)率增加了0.99個百分點，灰分均有所降低；中間密度級含量減少了2.91個百分點。由此可知，該重介中煤仍有進一步解離的空間，但是增幅不會太大，綜合考慮到破碎磨礦成本、脫水及后續(xù)作業(yè)的復雜性，以及<0.5 mm處選別方式的多樣性，認為該重介中煤破碎再選的適宜粒度可控制為<0.5 mm。

3 結(jié)論

(1)中煤試樣的粒度組成表明該試樣主要粒度在3～0.5 mm的范圍，其試樣產(chǎn)率為40.97%。此外，中煤試樣的另一大特點為泥含量很低，僅為1.49%，試樣中各個粒級產(chǎn)品灰分相對均勻，且隨粒度范圍的降低灰分整體呈現(xiàn)先增后降的規(guī)律。

(2)中煤試樣煤炭顆粒成細顆粒分布，難以分選，通過直接深度分選不可能獲得合格的精煤產(chǎn)率；若要實現(xiàn)煤和礦物質(zhì)的充分解離，磨礦細度較細，實際生產(chǎn)需要充分考慮經(jīng)濟成本和生產(chǎn)工藝的合理性。

(3)針對試樣進行了6、3、1、0.5 mm不同破碎粒度上限的破碎試驗，隨著破碎粒度上限越小，煤炭的解離程度越好，理論精煤產(chǎn)率呈現(xiàn)增加趨勢。通過對比破碎前產(chǎn)品和破碎粒度上限為0.5 mm的產(chǎn)品可選性曲線可知，理論產(chǎn)率從8%增加至35%。

此外，中間密度產(chǎn)品含量的降低使得煤炭解離度越來越高。綜合考慮到破碎磨礦成本、脫水及后續(xù)作業(yè)的復雜性，以及考慮到<0.5 mm煤選別方式的多樣性，該重介中煤再選的破碎適宜粒度可控制為<0.5 mm。