低階煙煤煤巖顯微組分分選及其分質(zhì)利用研究進(jìn)展

周安寧，張懷青，李 振，屈進(jìn)州，趙 偉，楊志遠(yuǎn)，趙世永

(1.西安科技大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，陜西 西安 710054；2.自然資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710021)

0 引 言

煤炭資源是我國(guó)的主體能源，也是重要的化工原料。盡管我國(guó)能源發(fā)展正處于油氣替代煤炭、非化石能源替代化石能源的雙重更替期，新能源和可再生能源對(duì)化石能源，特別是對(duì)煤炭的增量替代效應(yīng)明顯[1]，但煤炭在我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的戰(zhàn)略地位依舊不可動(dòng)搖，是短期內(nèi)不可替代的穩(wěn)定主體能源[2]。經(jīng)預(yù)測(cè)，煤炭在2025年能源消費(fèi)中的比例依舊在50%左右，甚至更高[3-4]。而“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)的提出，對(duì)我國(guó)煤炭資源的加工利用及煤化工行業(yè)的發(fā)展提出了新要求。傳統(tǒng)的煤炭分選和利用方式已經(jīng)無(wú)法滿足當(dāng)前生態(tài)環(huán)境的需求，如何清潔利用我國(guó)豐富的煤炭資源，尤其是成煤時(shí)期晚、揮發(fā)分含量高、反應(yīng)活性高的低階煤資源，實(shí)現(xiàn)利用效率和經(jīng)濟(jì)效益最大化，是“雙碳”背景下煤炭分選和煤化工產(chǎn)業(yè)面臨的新的重要課題。

在我國(guó)已探明的煤炭?jī)?chǔ)量中，有超過(guò)40%的優(yōu)質(zhì)低階煙煤[5-7]，具有低灰、低硫、低磷、高揮發(fā)分、高活性、易燃易碎等特點(diǎn)，是理想的動(dòng)力用煤和化工原料[8]。由于普遍具有惰質(zhì)組質(zhì)量分?jǐn)?shù)高(>35%)的缺點(diǎn)，導(dǎo)致其在煤直接液化、熱解、催化解聚等過(guò)程中表現(xiàn)出能量轉(zhuǎn)化效率和碳轉(zhuǎn)化效率低等不足，同時(shí)由于煤巖顯微組分嵌布結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，給煤巖顯微組分的分離富集工作帶來(lái)了一定的難度和挑戰(zhàn)，嚴(yán)重制約了低階煙煤清潔、高效利用技術(shù)的發(fā)展[9]。研究表明，不同煤巖顯微組分的工藝性能存在較大差異，鏡質(zhì)組和殼質(zhì)組在煤炭轉(zhuǎn)化過(guò)程中具有黏結(jié)性、反應(yīng)活性和油轉(zhuǎn)化率高等優(yōu)點(diǎn)，是配煤煉焦、熱解、液化以及制備煤基復(fù)合材料等領(lǐng)域的優(yōu)質(zhì)原料[10]；而惰質(zhì)組的活性極弱或無(wú)活性，其含量較高時(shí)會(huì)導(dǎo)致煤的液化性能和反應(yīng)活性降低[11-12]、黏結(jié)性能和成漿性能差[13-14]，可作為石墨、活性炭等碳材料制備的原料或燃料等[15-16]。目前，傳統(tǒng)的選煤方法已經(jīng)被嘗試用于分離富集煤巖顯微組分，包括手選法、篩選法、重選法、電選法和浮選法等，主要集中在重選和浮選兩方面[17]。但由于煤巖顯微組分結(jié)構(gòu)的相似性和嵌布特征的復(fù)雜性，常規(guī)的分選方法均存在選擇性差、富集率低等問(wèn)題，難以滿足低階煙煤“富鏡降惰”的需求[18]。于是，基于傳統(tǒng)的選煤或選礦方法衍生出了一系列有針對(duì)性的新的煤巖顯微組分分選方法和工藝，如強(qiáng)化重力分選法[19]、逆流分選法[20]、電浮選-電凝聚法[21]、油泡浮選法[18]、氣流粉碎-分級(jí)系統(tǒng)[22]等，能夠有效改善傳統(tǒng)分選方法的不足，提高煤巖顯微組分的分選精度和分離效率。通過(guò)有效的煤巖組分分離富集，實(shí)現(xiàn)不同煤巖組分的分質(zhì)轉(zhuǎn)化利用，將有力促進(jìn)高惰質(zhì)組煤的綠色高效利用，使我國(guó)煤炭加工利用及煤化工行業(yè)發(fā)生質(zhì)的蛻變[23-24]。

筆者針對(duì)我國(guó)低階煙煤在清潔高效利用方面的困境，將煤巖顯微組分特性、煤巖顯微組分的測(cè)定方法、煤巖顯微組分的分離富集手段以及煤巖顯微組分分質(zhì)利用的發(fā)展現(xiàn)狀4個(gè)方面進(jìn)行全面總結(jié)，指出了基于煤巖顯微組分分選的煤炭分質(zhì)利用的發(fā)展路徑和發(fā)展方向，對(duì)于低階煙煤實(shí)現(xiàn)煤炭轉(zhuǎn)化利用全過(guò)程的“分質(zhì)轉(zhuǎn)化和梯級(jí)利用”具有重要意義。

1 煤巖顯微組分特征及測(cè)定方法

1.1 煤巖顯微組分特征

煤巖顯微組分是指在顯微鏡下可辨別的煤的組成單元，根據(jù)成因、形態(tài)和物理性質(zhì)的差異可將其劃分為鏡質(zhì)組、殼質(zhì)組和惰質(zhì)組三大類[25-27]，如圖1所示。鏡質(zhì)組多以條帶狀結(jié)構(gòu)為主，表面均勻平整，在油浸反射光下呈深灰色到淺灰色[33]。殼質(zhì)組的形態(tài)特殊，反射率低，在不同煤級(jí)中差異明顯，從低階煙煤到中階煙煤，殼質(zhì)組在油浸光下呈灰黑色到深灰色變化，當(dāng)鏡質(zhì)組反射率(Ro,max)在1.3%～1.5%時(shí)，殼質(zhì)組的特征、反射率等與鏡質(zhì)組接近，難以被區(qū)分[30]。惰質(zhì)組在油浸光下呈現(xiàn)出明顯的灰白色、亮白色到黃白色，反射率、突起和細(xì)胞結(jié)構(gòu)保存程度均高于鏡質(zhì)組[34]，通常無(wú)熒光或有弱熒光性[31-32，35]。但各組分的反射率都隨煤階演變而逐漸改變[25]。對(duì)同一種煤或相同變質(zhì)程度的煤而言，一般殼質(zhì)組的密度最低(約<1.25 g/cm3)，鏡質(zhì)組次之(1.25～1.35 g/cm3)，惰質(zhì)組密度最高(1.35～1.50 g/cm3)，隨著煤變質(zhì)程度的提高，各組分之間的密度差異逐漸變小，且呈增高趨勢(shì)[36]。

圖1 煤中顯微組分結(jié)構(gòu)

不同顯微組分之間的分子結(jié)構(gòu)組成存在明顯差異，通常情況下，對(duì)煤化程度相同的煤而言，惰質(zhì)組的芳構(gòu)化程度和縮合環(huán)數(shù)相對(duì)高，脂肪結(jié)構(gòu)較少，具有較高的碳含量。殼質(zhì)組的變質(zhì)程度最低，芳香環(huán)縮合度最小，脂肪結(jié)構(gòu)豐富，烷基側(cè)鏈最長(zhǎng)，具有相對(duì)較高的氫含量。而鏡質(zhì)組則介于二者之間，但鏡質(zhì)組中往往伴隨著較高的氧含量[37-38]。且隨著煤化程度的增加，各組分的氧和氫含量都呈降低趨勢(shì)。

1.2 煤巖顯微組分含量測(cè)定方法

煤巖顯微組分的分析鑒定是研究煤巖顯微組分性質(zhì)的基礎(chǔ)，基于各組分之間的差異性，可將煤巖顯微組分的測(cè)定方法分為3類。

1.2.1 打點(diǎn)計(jì)數(shù)法

GB/T 8899—2013《煤的顯微組分組和礦物測(cè)定方法》中明確規(guī)定了測(cè)定煤巖顯微組分和無(wú)機(jī)礦物體積分?jǐn)?shù)的具體方法，該方法主要依靠單偏光、油浸物鏡條件下不同顯微組分的反射色、顯微結(jié)構(gòu)、形態(tài)、突起等特征辨別。因此，要求用于煤巖顯微組分定量統(tǒng)計(jì)的粉煤光片中，樣品粒度必須小于1 mm，同時(shí)，直徑小于0.1 mm的物料不多于10%，顯微組分界限清晰、特征分明。其測(cè)定的工藝流程如圖2所示。

圖2 打點(diǎn)計(jì)數(shù)法煤巖顯微組分測(cè)定的基本流程

數(shù)點(diǎn)法是目前使用最多，應(yīng)用最廣泛的測(cè)定方法，其優(yōu)點(diǎn)是不受限于煤種，結(jié)果精準(zhǔn)，代表性較強(qiáng)。但整個(gè)測(cè)試工藝耗時(shí)長(zhǎng)、效率低；其次，影響測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確度的核心因素在于測(cè)試者的操作及其對(duì)煤巖顯微組分的識(shí)別能力，組分識(shí)別的主觀性強(qiáng)，對(duì)測(cè)試者的專業(yè)要求較高，受人為主觀因素影響較大；而且其工藝流程繁瑣，誤差來(lái)源復(fù)雜，測(cè)試往往只能單向進(jìn)行，測(cè)試的準(zhǔn)確性只能通過(guò)復(fù)測(cè)來(lái)評(píng)價(jià)；對(duì)煤樣的要求較高，當(dāng)細(xì)粒物含量較多時(shí)無(wú)法檢測(cè)。此外，測(cè)試過(guò)程中人工布點(diǎn)很難做到絕對(duì)均勻，也會(huì)影響測(cè)試結(jié)果的客觀性和準(zhǔn)確性。

1.2.2 圖像分析法

圖像分析法主要運(yùn)用圖像分析原理，根據(jù)煤巖顯微組分的不同反光能力，通過(guò)對(duì)圖像的灰度進(jìn)行分級(jí)，建立灰階與反射率之間的關(guān)系，根據(jù)煤巖顯微組分的反射率和形態(tài)參數(shù)達(dá)到測(cè)定煤巖顯微組分含量的目的[39]。

圖3為煤炭科學(xué)研究總院研發(fā)的煤巖自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用顯微數(shù)碼相機(jī)和自動(dòng)載物臺(tái)獲取煤巖顯微組分圖像，減少顯微鏡下的繁瑣操作；結(jié)合煤巖組分的反射率及形態(tài)學(xué)參數(shù)界定顯微組分，每個(gè)測(cè)點(diǎn)的測(cè)值和相應(yīng)測(cè)試對(duì)象可追溯，測(cè)試結(jié)果可審核；在保證測(cè)試準(zhǔn)確性和客觀性的基礎(chǔ)上，提高了測(cè)試速度和效率，該系統(tǒng)在煤焦檢測(cè)判斷中表現(xiàn)優(yōu)異[40-41]。但是顯微鏡無(wú)法直接識(shí)別顯微組分，對(duì)不宜測(cè)試點(diǎn)和區(qū)域不能及時(shí)做出判斷和適當(dāng)調(diào)整，沒(méi)有充分考慮穩(wěn)定時(shí)間對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響[42]。同時(shí)，由于該系統(tǒng)是打點(diǎn)計(jì)數(shù)法的升級(jí)和自動(dòng)化，也存在細(xì)粒物料識(shí)別精度不高問(wèn)題。

圖3 煤巖自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)及巖相圖像[40]

1.2.3 其他間接分析方法

1)基于浮沉離心分離的定量分析法。同一種煤樣的顯微組分中，殼質(zhì)組密度最低，鏡質(zhì)組次之，惰質(zhì)組密度最高?；诟〕岭x心分離的定量分析法正是基于煤巖顯微組分之間的密度差異，先通過(guò)等密度梯度離心法繪制煤樣的密度分布圖，如圖4所示。從圖4中可獲得殼質(zhì)組與鏡質(zhì)組、鏡質(zhì)組與惰質(zhì)組的分離密度邊界值，再通過(guò)浮沉試驗(yàn)，按分離密度邊界值進(jìn)行顯微組分的浮沉分離，稱量不同密度級(jí)產(chǎn)物質(zhì)量并計(jì)算得到煤巖顯微組分的相對(duì)含量[43-44]。該方法操作簡(jiǎn)單，適應(yīng)性廣，可適應(yīng)于細(xì)粒煤的顯微組分含量測(cè)定；但煤巖顯微組分之間難以完全解離，且各密度級(jí)之間混雜有少量其他組分，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度低。

圖4 神府煤密度分布[43]

2)基于煤質(zhì)特性的回歸分析法。煤樣性質(zhì)與煤樣的變質(zhì)程度及其煤巖顯微組分含量之間的關(guān)系密不可分(圖5，圖5中數(shù)據(jù)根據(jù)FTIR結(jié)果計(jì)算得出，其中AR1為A3 000～3 100/A2 800～3 000，AR2為A700～900/A2 800～3 000，DOC1為A3 000～3 100/A1 600，DOC2為A700～900/A1 600，CH2/CH3為A2 900～2 940/A2 940～3 000，生烴能力為A2 800～3 000/(A2 800～3 000+A1 600)，煤成熟度為A1 650～1 800/(A1 650～1 800)+A1 600，對(duì)于特定煤種或相同煤化程度的煤樣，可以建立煤樣的相關(guān)性質(zhì)指標(biāo)與煤巖顯微組分含量之間相關(guān)關(guān)系，通過(guò)測(cè)定其性質(zhì)指標(biāo)達(dá)到測(cè)量煤巖顯微組分含量的目的。

圖5 FT-IR光譜中部分性質(zhì)指標(biāo)與煤階及鏡質(zhì)組含量之間的關(guān)系[45]

李家鑄等[46]采用裂解-氣相色譜技術(shù)對(duì)33個(gè)煤巖顯微組分組成不同的煤樣進(jìn)行了研究，特定譜峰的面積比值與殼質(zhì)組及鏡質(zhì)組的含量有很好的相關(guān)關(guān)系，利用裂解色譜參數(shù)可以估測(cè)煤樣中殼質(zhì)組及鏡質(zhì)組的含量。謝華等[47]以撫順富含樹(shù)脂體的煤樣為研究對(duì)象，根據(jù)熱重分析過(guò)程中不同煤巖顯微組分失重的溫度差異，通過(guò)熱重曲線較準(zhǔn)確和快速計(jì)算確定了煤樣中樹(shù)脂體的含量。張磊等[48]通過(guò)對(duì)神府低階煙煤的工業(yè)分析和煤巖顯微組分含量分析，發(fā)現(xiàn)煤樣的干燥無(wú)灰基揮發(fā)分與無(wú)礦物基惰質(zhì)組含量之間存在明顯的線性關(guān)系，并將其表征為：Vdaf=-0.163 7I+42.255，R2=0.988，據(jù)此，可通過(guò)測(cè)定煤樣的揮發(fā)分預(yù)測(cè)其鏡質(zhì)組含量。上述方法均可通過(guò)簡(jiǎn)單的表征實(shí)現(xiàn)對(duì)煤巖顯微組分含量的測(cè)定，操作簡(jiǎn)單快速，解決了煤巖分析中試驗(yàn)量大、工藝繁瑣、測(cè)試周期長(zhǎng)、對(duì)煤樣粒度要求高等問(wèn)題，但存在試驗(yàn)結(jié)果精確度不高，只針對(duì)特定煤種，應(yīng)用范圍窄等缺點(diǎn)。

1.2.4 煤巖顯微組分定量測(cè)定方法比較

實(shí)現(xiàn)煤巖顯微組分高效、精準(zhǔn)的自動(dòng)識(shí)別與鑒定是煤巖顯微組分測(cè)定的必然趨勢(shì)，不同測(cè)定方法具有相應(yīng)的優(yōu)勢(shì)和局限性，均能在一定程度上達(dá)到測(cè)定煤巖顯微組分含量的目的。表1系統(tǒng)展示了不同煤巖顯微組分定量測(cè)定方法的原理和優(yōu)缺點(diǎn)。研究表明，大部分煤只有粉碎到10 μm以下時(shí)，煤中顯微組分才能達(dá)到良好的解離效果[49]，因此，隨著煤巖顯微組分解離和分選技術(shù)的發(fā)展，細(xì)粒物料中各組分的定量測(cè)定是未來(lái)煤巖工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

2 煤巖顯微組分分選方法

2.1 手選法

手選是通過(guò)肉眼識(shí)別，根據(jù)顏色、光澤、硬度和斷口等特征，通過(guò)分離、富集煤的宏觀煤巖成分，達(dá)到煤巖顯微組分分離富集的目的，通過(guò)此法可以獲得純度較高的不同煤巖顯微組分，操作簡(jiǎn)單，不會(huì)改變富集產(chǎn)物的物理化學(xué)性質(zhì)，但該方法效率極低，人為操作影響很大，只能應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室用研究樣品的制備，無(wú)法批量操作。段旭琴等[50]對(duì)神府煤經(jīng)初步手選，富鏡質(zhì)組煤的鏡質(zhì)組質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)90%以上，富惰質(zhì)組煤的惰質(zhì)組質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)85%以上。PATRICK等[51]通過(guò)手選法分離出了富鏡質(zhì)組產(chǎn)物，鏡質(zhì)組質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)90%～98%。何鑫等[52]通過(guò)手選逐步富集法先對(duì)神華煤和準(zhǔn)東煤的鏡煤和絲炭進(jìn)行富集，再將富集物破碎至1 cm以下進(jìn)行除雜提純，最終獲得了純度分別為94.39%和90.16%的神華煤富鏡質(zhì)組和富惰質(zhì)組，純度分別為90.07%和85.22%的準(zhǔn)東煤富鏡質(zhì)組和富惰質(zhì)組產(chǎn)物。

2.2 篩選法

篩選法是根據(jù)各煤巖顯微組分可磨性差異，導(dǎo)致其在相同破碎條件下產(chǎn)物粒度產(chǎn)生的差異而進(jìn)行分離的一種方法。該方法的基礎(chǔ)是煤巖顯微組分具有不同的硬度和脆度，在破碎過(guò)程中產(chǎn)生不同粒度的物料，通常而言，中等煤化程度煙煤的鏡質(zhì)組顯微脆度最大，與之相比，煤化程度升高或降低，其脆度均逐漸下降。對(duì)于相同煤化程度的煤，煤巖顯微組分的脆度也有差異，一般鏡質(zhì)組最大，惰質(zhì)組次之，殼質(zhì)組最小。對(duì)于相同煤化程度的煤，強(qiáng)還原程度煤的鏡質(zhì)組比弱還原程度煤的鏡質(zhì)組的顯微脆度要高。然而，低煤化程度煤顯微組分的顯微脆度與中等煤化程度煤不同，曾凡桂等[53]測(cè)定了神府大柳塔、檸條塔煤樣剝離出的鏡煤和絲炭的粉碎特性，結(jié)果表明，絲炭的可磨性指數(shù)明顯大于鏡質(zhì)組，各種絲質(zhì)體的顯微脆度也大；趙世永等[54]對(duì)神府低階煙煤進(jìn)行了沖擊粉碎和氣流粉碎，通過(guò)浮沉離心分離法測(cè)定了粉碎產(chǎn)物的顯微組分含量，鏡質(zhì)組主要富集在>0.045 mm中，惰質(zhì)組則主要富集在<0.045 mm中。門東坡等[55-56]對(duì)神東長(zhǎng)焰煤和開(kāi)灤錢家營(yíng)肥煤進(jìn)行了不同程度的破碎試驗(yàn)，破碎粒度越小，煤巖顯微組分的解離越充分，鏡質(zhì)組在粗粒中的富集效果越明顯，惰質(zhì)組的富集程度會(huì)隨粒度的減小而升高。

2.3 重選法

重選法是目前選煤領(lǐng)域進(jìn)行粗粒分選和提純的有效方法之一，是根據(jù)不同顯微組分的密度差異進(jìn)行分離的一種方法。理論上可以根據(jù)各煤巖顯微組分密度的差異，通過(guò)重力分選的方法進(jìn)行分離富集。因此，在煤巖顯微組分分選研究初期，便有學(xué)者采用重介旋流器進(jìn)行分選試驗(yàn)，如蔡昌鳳[57]采用重介旋流器對(duì)檸條塔煤進(jìn)行了惰質(zhì)組脫除試驗(yàn)，惰質(zhì)組脫除率為52.4%，但鏡質(zhì)組的回收率相對(duì)較低，僅為70.56%；趙世永[58]采用先高密度分選(一次分選)后低密度分選(二次分選)的兩段分選方式，對(duì)神府煤1.0～0.2 mm細(xì)粒煤的煤巖顯微組分進(jìn)行重介旋流分選試驗(yàn)，在分選產(chǎn)物中，鏡質(zhì)組富集率可達(dá)79.73%，惰質(zhì)組富集率為72.50%。但由于煤巖顯微組分之間的密度差異較小，可選性較差；加上解離粒度相對(duì)較細(xì)，顆粒之間會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的粒間效應(yīng)，進(jìn)一步使煤粒的比重差異相對(duì)變?。粡亩鴮?duì)重液配置的準(zhǔn)確性和設(shè)備的精密性提出了更高的要求，也影響了分離精度和富集程度。因此，重介旋流器分選還只限于實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，難以進(jìn)行大規(guī)模應(yīng)用。

2.3.1 等密度梯度離心法

1957年，KREVELEN等[59]提出浮沉分離法，將煤樣破碎至68 μm以下，使煤巖顯微組分充分解離，再通過(guò)有機(jī)重液或無(wú)機(jī)鹽溶液進(jìn)行離心分離，對(duì)相應(yīng)密度范圍內(nèi)的產(chǎn)物進(jìn)行分離、清洗，獲得煤巖顯微組分富集產(chǎn)物。鑒于浮沉離心法工藝過(guò)于繁瑣，1980年，DYRKACZ等[60-62]提出了等密度梯度離心法，在后續(xù)幾年間不斷改進(jìn)和完善，成功分離出了純度較高的煤巖顯微組分，形成了相對(duì)成熟的等密度梯度離心工藝[63-65]。門東坡[66]在最佳破碎粒度下對(duì)神東長(zhǎng)焰煤、開(kāi)灤東歡坨氣煤和錢家營(yíng)肥煤煤巖顯微組分進(jìn)行了浮沉分離，分別得到了純度為86.05%、89.52%和90.54%的富鏡質(zhì)組產(chǎn)物。WANG等[67]以ZnCl2為重介質(zhì)，從4種不同等級(jí)的煙煤中分離出了鏡質(zhì)組質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于90%的鏡質(zhì)組富集樣品。CHANG等[68]從新疆五彩灣煤中分離出了純度分別為87.80%和91.30%的富鏡質(zhì)組和富惰質(zhì)組產(chǎn)物。SHEN等[69]對(duì)寧東地區(qū)的梅花井和羊場(chǎng)灣2種煙煤的煤巖顯微組分進(jìn)行了分離富集，富鏡質(zhì)組產(chǎn)物的純度分別為90.4%和88.3%，富惰質(zhì)組產(chǎn)物的純度分別為88.0%和88.7%。等密度梯度離心法可以在小區(qū)間內(nèi)分離出純度相對(duì)較高的煤巖顯微組分富集產(chǎn)物，但由于其處理量小，每次僅能處理15～20 g樣品，此方法目前只能用于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)獲取少量高純度的試驗(yàn)樣品。

2.3.2 強(qiáng)化重力分選法

強(qiáng)化重力分選主要應(yīng)用于金屬礦物分選，衍生出了一系列的分選設(shè)備，如Mozley多產(chǎn)品重選機(jī)、Falcon離心分選機(jī)、Kelsey離心跳汰機(jī)、Knelson重力分選機(jī)等。目前應(yīng)用于煤巖顯微組分分選的主要為Falcon離心分選機(jī)，如圖6所示。該設(shè)備能產(chǎn)生高倍離心加速度，適用于細(xì)粒級(jí)低密度差異的礦物分選，與煤巖顯微組分分離密度邊界值低的特征相契合[71]，富集成本相對(duì)較低。

圖6 Falcon分選機(jī)示意[70]

陶有俊等[70]采用Falcon離心分選機(jī)對(duì)棒磨后的神華低階煙煤進(jìn)行強(qiáng)化重力分選試驗(yàn)，鏡質(zhì)組平均回收率達(dá)到71.61%，平均富集比為1.15。溫雪峰等[71]借助加拿大Falcon離心分選機(jī)研究了神東煤在復(fù)合力場(chǎng)中煤巖顯微組分的富集規(guī)律，通過(guò)復(fù)合力場(chǎng)強(qiáng)化了煤巖顯微組分之間的分選行為差異性，分選出精煤的鏡質(zhì)組質(zhì)量分?jǐn)?shù)和產(chǎn)率分別為70%和80%。此外，其還通過(guò)調(diào)控低密度旋流分選過(guò)程中細(xì)煤泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)與組成，獲得了鏡質(zhì)組質(zhì)量分?jǐn)?shù)為76.69%的精煤產(chǎn)品，鏡質(zhì)體回收率達(dá)95.52%，并進(jìn)行了半工業(yè)規(guī)模(10 t/h)的基于顯微組分富集的低密度煤炭旋流分選連續(xù)性分選試驗(yàn)，精煤中鏡質(zhì)組質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到76.45%，實(shí)現(xiàn)了鏡質(zhì)組的相對(duì)富集[72]。張衛(wèi)馳[73]、羨宇帥[74]、石正祥[75]利用Falcon離心分選機(jī)對(duì)神華長(zhǎng)焰煤顯微組分進(jìn)行了分選試驗(yàn)，鏡質(zhì)組富集比分別為1.15、1.39和1.16，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了鏡質(zhì)組的相對(duì)富集。

2.3.3 逆流分選法

逆流分選機(jī)采用水為分選介質(zhì)，根據(jù)不同顆粒在水流中的沉降速度差異達(dá)到按密度分選的目的。物料在上升水流和自身重力的作用下在傾斜板上發(fā)生分離，輕顆粒隨水流上升溢出，重顆粒則返回進(jìn)行再次分選，通過(guò)調(diào)節(jié)水流速度，可得到不同密度顆粒的上層清液[76-77]，如圖7所示。

圖7 逆流分選機(jī)分選煤巖顯微組分示意[20]

XIE等[18,78-80]采用逆流分選機(jī)進(jìn)行了一系列不同入料粒度的煤巖顯微組分分選和研究工作，經(jīng)過(guò)對(duì)<212 μm物料的分選，得到了純度超過(guò)80%的富鏡質(zhì)組產(chǎn)物；而從入料為106～212 μm的物料中分選出富鏡質(zhì)組產(chǎn)物的鏡質(zhì)組質(zhì)量分?jǐn)?shù)為91.2%；對(duì)212～500 μm物料，分選出了純度為96.0%的富鏡質(zhì)組產(chǎn)物。溢流產(chǎn)物中的惰質(zhì)組含量會(huì)隨著上升水流的增大而增大，且當(dāng)入料粒度增大時(shí)，為保證具有較高的鏡質(zhì)組回收率，上升水流也應(yīng)適當(dāng)增強(qiáng)。逆流分選法僅采用水為分離介質(zhì)，降低了分選成本，同時(shí)也避免了化學(xué)處理對(duì)后續(xù)加工利用可能造成的影響，分選處理量較大，分選結(jié)果相對(duì)可觀；但該方法對(duì)水資源的依賴性較強(qiáng)，且需要高效的脫水干燥設(shè)備對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行處理，增加了生產(chǎn)成本。

2.4 摩擦電選法

煤巖顯微組分的摩擦電選是以帶不同電荷的顯微組分在外電場(chǎng)作用下發(fā)生分離為理論基礎(chǔ)，其主要依據(jù)為煤巖顯微組分的電性質(zhì)差異。使不同顯微組分之間互相接觸、碰撞和摩擦，或使之與某種特定材料進(jìn)行摩擦，實(shí)現(xiàn)電子轉(zhuǎn)移，產(chǎn)生相反電荷，根據(jù)其在高壓電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)軌跡的差異，實(shí)現(xiàn)煤巖顯微組分的分離富集[81]，如圖8所示。

圖8 摩擦電選系統(tǒng)示意[81]

研究表明，不同煤巖顯微組分的介電性質(zhì)及其在電選機(jī)上分選行為存在較大差異，相對(duì)惰質(zhì)組而言，鏡質(zhì)組和殼質(zhì)組的介電常數(shù)較小[82-83]。鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組的電阻率幾乎相同，但相對(duì)介電常數(shù)相差較大，鏡質(zhì)組的相對(duì)介電常數(shù)較低，在摩擦電選分離過(guò)程中，表面的正電荷容易丟失，而惰性組表面的負(fù)電荷則相對(duì)穩(wěn)固，從而在高壓靜電場(chǎng)中產(chǎn)生軌跡差異[84]。

HE等[85]探究了鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組與聚酰胺、銅、鋁、不銹鋼、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯和聚氯乙烯等6種材料的摩擦帶電情況，發(fā)現(xiàn)聚酰胺是煤巖顯微組分摩擦電選的首選材料，鏡質(zhì)組和惰性組在摩擦荷電后呈現(xiàn)出相反的電荷極性，并通過(guò)摩擦電選分離富集了神華低階煙煤的煤巖顯微組分，獲得了純度分別為93.09%和91.27%的富鏡質(zhì)組產(chǎn)物和富惰質(zhì)組產(chǎn)物，惰質(zhì)組表面具有較高的含氧基團(tuán)和親水基團(tuán)(酚羥基和羧基)，而鏡質(zhì)組表面則具有高含量的疏水基團(tuán)(烷基側(cè)鏈)，兩者在高溫濕潤(rùn)的環(huán)境中更容易實(shí)現(xiàn)摩擦電選分離[81]，如圖9所示。HOWER等[86]在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的摩擦靜電分離裝置中對(duì)3種東肯塔基州和2種伊利諾伊盆地煤的顯微組分進(jìn)行分選試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了鏡質(zhì)組相對(duì)富集。

圖9 不同組分摩擦帶電示意[85]

摩擦電選是一種干法分選技術(shù)，可以避免分選過(guò)程對(duì)水資源的需求及分選產(chǎn)物的干燥問(wèn)題，對(duì)環(huán)境污染小，分選效果較好，但其受表面性質(zhì)影響，不同地區(qū)、不同煤種之間的電性質(zhì)差異較大，且對(duì)于摩擦過(guò)程中電子的轉(zhuǎn)移機(jī)理尚不明晰，目前只存在于實(shí)驗(yàn)室研究，距離工業(yè)實(shí)施還存在一定差距。

2.5 浮選法

浮選法是當(dāng)前煤巖組分分離富集中具有工業(yè)應(yīng)用前景的研究方向，深受眾多學(xué)者青睞，形成了相對(duì)豐富的研究成果，并基于此形成了油泡浮選、電浮選-電凝聚法等浮選分離煤巖顯微組分的新方法。

2.5.1 常規(guī)浮選法

常規(guī)浮選主要是根據(jù)不同顯微組分表面物理化學(xué)性質(zhì)差異，通過(guò)其對(duì)礦漿中液體和氣體的作用不同實(shí)現(xiàn)分選，其中相對(duì)疏水、親氣的組分，可黏附到氣泡上，隨氣泡上升成為浮物產(chǎn)品，另一部分親水組分則留在礦漿中，成為沉物產(chǎn)品。龍江等[87]采用油酸為捕收劑、聚乙二醇為起泡劑、十六烷基三甲基溴化銨為表面活性劑對(duì)新疆煤的煤巖顯微組分進(jìn)行了浮選分離試驗(yàn)，浮物中鏡質(zhì)組質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到69.7%，較原煤提升了近34%，沉物中惰質(zhì)組質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到84.9%，較原煤提高了近20%，初步實(shí)現(xiàn)了富集煤巖顯微組分的目的。SHU等[88]對(duì)神府煤巖顯微組分的浮選分離富集結(jié)果表明，當(dāng)浮物產(chǎn)率小于69%時(shí)，浮物中的鏡質(zhì)組質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)80%以上。HONAKER等[89]通過(guò)柱浮選分離伊利諾伊州6號(hào)煤的煤巖顯微組分，使惰質(zhì)組質(zhì)量分?jǐn)?shù)從原煤的7.5%富集到了50%，初步達(dá)到了脫除惰質(zhì)組的目的。蔣莉[90]以煤油為捕收劑、仲辛醇為起泡劑、十六烷基三甲基溴化銨為表面活性劑對(duì)紅柳林低階煙煤煤巖顯微組分進(jìn)行浮選分離，得到了鏡質(zhì)組含量和惰質(zhì)組質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為85.87%和68.13%的浮物產(chǎn)品和沉物產(chǎn)品。周艷君[91]以十二胺為捕收劑、聚乙二醇為起泡劑對(duì)神府煤煤巖組分進(jìn)行浮選，產(chǎn)物中鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組富集率分別達(dá)到83.29%和47.44%。浮選法在煤巖顯微組分解離粒度較小的情況下具有較大優(yōu)勢(shì)，具有相對(duì)較高的富集比。但由于煤顯微組分組成的復(fù)雜性，不同組分的表面性質(zhì)差異并不顯著，很難達(dá)到高選擇性浮選。

2.5.2 電浮選-電凝聚法

電浮選是一種在浮選的液相礦漿中通入直流電場(chǎng)，在電場(chǎng)作用下，水相發(fā)生解離并經(jīng)過(guò)一系列極化作用，在陰極放出H2，而陽(yáng)極放出O2的方法，如圖10所示，陰極區(qū)用氫氣泡作載體進(jìn)行浮選，陽(yáng)極區(qū)則利用氧氣泡作載體進(jìn)行浮選，同時(shí)在陽(yáng)極區(qū)由于有氫氧化鋁形成，從而存在凝聚作用[92]。

圖10 “U”形串聯(lián)式電浮選裝置[21]

“U”形串聯(lián)式電浮選裝置不同于常規(guī)的單柱式浮選裝置和常規(guī)電浮選柱，而是采用“U”形電解槽結(jié)構(gòu)，通過(guò)鹽橋?qū)㈥帢O浮選柱和陽(yáng)極浮選柱連接起來(lái)，形成串聯(lián)式兩段電浮選裝置[21]。電浮選過(guò)程中的鋁電極發(fā)生的主要的化學(xué)反應(yīng)為：

陰極：

2e-+ 2H2O→H2(g) + 2OH-，

(1)

陽(yáng)極：

(2)

(3)

趙偉等[44, 93-95]通過(guò)上述裝置進(jìn)行了一系列煤巖顯微組分分選研究，該裝置可以通過(guò)控制浮選過(guò)程中礦漿pH、電壓強(qiáng)度、浮選時(shí)間及礦漿濃度來(lái)調(diào)整浮選回收率及煤巖顯微組分富集率，浮物中鏡質(zhì)組含量可達(dá)到95%左右。

相較于常規(guī)浮選設(shè)備，電浮選-電凝聚法分選煤巖顯微組分具有較大優(yōu)勢(shì)。浮選過(guò)程中，電解產(chǎn)生的氣泡較小，容易調(diào)節(jié)，且分布均勻，可以提供有效的接觸面積和高效的礦化條件[96]；氣泡具有較高的物理化學(xué)活性，且表面存在電荷，可以與顆粒表面發(fā)生化學(xué)作用，改變顆粒的物理化學(xué)性質(zhì)，增強(qiáng)氣泡與固體顆粒之間的內(nèi)聚現(xiàn)象，從而改變顆粒的可浮性。此外，基于其陰極反應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)聯(lián)產(chǎn)制氫。

2.5.3 油泡浮選法

油泡浮選法是用活性油泡(被含有捕收劑的油質(zhì)薄層所包覆的氣泡)作為浮選載體的方法[97]，油膜與顆粒吸附的同時(shí)，活性油泡也與顆粒黏附，一步完成了氣泡與礦物顆粒的相互作用，與常規(guī)浮選相比具有高選擇性、低藥劑用量等優(yōu)點(diǎn)。

屈進(jìn)州等[18,98]采用自行設(shè)計(jì)的油泡浮選系統(tǒng)(圖11)，系統(tǒng)研究了活性油泡對(duì)低階煤的分選能力，分析了油泡浮選的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，基于煤巖顯微組分表面性質(zhì)的差異，預(yù)測(cè)了采用油泡浮選分離侏羅紀(jì)煙煤煤巖顯微組分的可能性和可行性，活性油泡因礦化方式的改變，具有藥劑消耗低、回收能力強(qiáng)、浮選選擇性好等特點(diǎn)，比氣泡優(yōu)勢(shì)更大，通過(guò)調(diào)控油泡表面活性與煤巖組分表面活性位點(diǎn)進(jìn)行的選擇性礦化將更有利于煤巖顯微組分的浮選。安泉[99]研究了神府煤鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組的表面結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，探討了改性油泡對(duì)煤巖顯微組分作用效果的影響。結(jié)果表明：通過(guò)改性油泡可以擴(kuò)大鏡質(zhì)組與惰質(zhì)組之間的差異性，相較常規(guī)浮選而言，油泡浮選可以顯著提高鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組的富集率和回收率，且藥劑消耗更小。該研究為活性油泡浮選分離富集煤巖顯微組分提供了重要支撐，進(jìn)一步佐證了該方法的可能性。

圖11 油泡浮選試驗(yàn)系統(tǒng)示意[18]

2.6 氣流粉碎-精細(xì)分級(jí)系統(tǒng)

用氣流粉碎-精細(xì)分級(jí)系統(tǒng)分離煤巖顯微組分的主要根據(jù)是不同顯微組分的顯微硬度和可破碎性存在差異。因此，在氣流粉碎的沖擊力作用下，煤巖顯微組分發(fā)生破碎解離，形成不同粒度和密度的顆粒群。這些不同顆粒群按粒度和密度綜合效應(yīng)，在精細(xì)分級(jí)機(jī)中實(shí)現(xiàn)有效分離，從而達(dá)到煤巖顯微組分分離的目的。不同顯微組分在氣流的沖擊作用下充分解離，形成粒度和密度不同的顆粒群；通過(guò)精細(xì)分級(jí)工藝使不同顆粒群按粒度分離，達(dá)到分選煤巖顯微組分的目的。

圖12為西安科技大學(xué)自主設(shè)計(jì)的氣流粉碎-精細(xì)分級(jí)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有超細(xì)粉碎和精細(xì)分級(jí)2個(gè)環(huán)節(jié)。主要包括氣流粉碎機(jī)、一級(jí)分級(jí)機(jī)、二級(jí)分級(jí)機(jī)、旋風(fēng)分離器和布袋除塵器等，可形成4種分級(jí)產(chǎn)品。壓縮空氣經(jīng)過(guò)濾干燥后，推動(dòng)物料通過(guò)拉瓦爾噴嘴高速噴射進(jìn)入粉碎腔，在多股高壓氣流作用下，高速運(yùn)動(dòng)的物料與物料之間或物料與腔體之間發(fā)生碰撞、磨擦、剪切而粉碎，在風(fēng)機(jī)抽力作用下符合粒度要求的細(xì)顆粒通過(guò)分級(jí)輪進(jìn)入分級(jí)工藝，粗顆粒則下降返回至粉碎區(qū)繼續(xù)粉碎，進(jìn)入分級(jí)工藝的物料依次通過(guò)兩級(jí)鼠籠式分級(jí)機(jī)、旋風(fēng)分離器和布袋除塵裝置，形成分級(jí)一產(chǎn)品、分級(jí)二產(chǎn)品、旋風(fēng)產(chǎn)品和布袋產(chǎn)品(分級(jí)三產(chǎn)品)[101]。

圖12 氣流粉碎-精細(xì)分級(jí)系統(tǒng)示意[100]

李振等[20,100，102]基于該系統(tǒng)對(duì)煤巖顯微組分的解離和分選進(jìn)行了系統(tǒng)研究，結(jié)果表明，鏡質(zhì)組主要富集在分級(jí)一產(chǎn)品中，鏡質(zhì)組質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)66.3%，而惰質(zhì)組則主要富集在旋風(fēng)產(chǎn)品和布袋產(chǎn)品中，惰質(zhì)組質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)75.23%；采用多級(jí)粉碎分級(jí)工藝，可使分級(jí)三產(chǎn)品中惰質(zhì)組質(zhì)量分?jǐn)?shù)提升至82.8%，達(dá)到了“富鏡脫惰”的目的。

該系統(tǒng)集解離和分選為一體，可通過(guò)調(diào)整分級(jí)機(jī)轉(zhuǎn)速，改變物料在粉碎腔內(nèi)的停留時(shí)間，調(diào)控物料的粉碎和解離程度；具有以沖擊粉碎為主的獨(dú)特粉碎腔，與傳統(tǒng)氣流粉碎機(jī)提供的直線或端面沖擊式粉碎不同，該系統(tǒng)提供三維空間沖擊式粉碎，有效克服了物料在粉碎腔內(nèi)堆積，未有效粉碎的物料難以去除等缺點(diǎn)[103-104]。此外，沖擊產(chǎn)生的高速射流能量在粉碎腔內(nèi)產(chǎn)生流化狀態(tài)的氣固粉碎和分級(jí)循環(huán)流，提高了沖擊粉碎效率和能量利用率。

2.7 不同煤巖顯微組分分選方法比較分析

為進(jìn)一步明晰不同分選方法的優(yōu)勢(shì)與局限性，指明煤巖顯微組分分選的發(fā)展方向，將上述煤巖顯微組分分選方法總結(jié)列于表2中。

表2 不同煤巖顯微組分分選方法對(duì)比

續(xù)表

手選法和等密度梯度離心法可以獲得純度相對(duì)較高的煤巖顯微組分，但受處理量小、效率低等因素的限制，只能用于實(shí)驗(yàn)室制備高純度試驗(yàn)樣品；強(qiáng)化重力法和逆流分選法在煤巖顯微組分解離粒度較大、賦存與分布狀態(tài)簡(jiǎn)單、對(duì)分離產(chǎn)物單一煤巖組分含量要求不高的情況下具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，可以進(jìn)行大規(guī)模的工業(yè)化富集，為煤化工等下游工業(yè)企業(yè)提供高品質(zhì)原料，且可以明顯降低富集成本。但當(dāng)煤巖顯微組分賦存特征復(fù)雜、解離粒度較小時(shí)則難以分選出純度較高的顯微組分產(chǎn)物。此時(shí)，浮選法則具有較好的工業(yè)應(yīng)用前景，在分離產(chǎn)物的單一組分含量和富集比等方面存在較大優(yōu)勢(shì)。但由于不同煤巖顯微組分之間的選擇性差、分離效率低，煤巖顯微組分的常規(guī)浮選分離一直處于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模。電浮選和油泡浮選則能夠有效改善這一現(xiàn)狀，大幅度提升浮選過(guò)程中的選擇性和浮選效率，可以顯著提高鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組的富集率和回收率，具有較大的應(yīng)用前景。摩擦電選是一種工藝相對(duì)成熟的方法，可以有效處理煤巖顯微組分的表面性質(zhì)差異較大的煤樣，得到鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組含量相對(duì)較高的產(chǎn)物，但其面臨著與常規(guī)浮選相同的選擇性差的問(wèn)題，對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、表面性質(zhì)差異較小的煤樣則難以分離出高純度的產(chǎn)物。氣流粉碎-精細(xì)分級(jí)系統(tǒng)集解離和分選為一體，以氣體為介質(zhì)，可以避免濕法分選帶來(lái)的脫水干燥問(wèn)題，可以有效處理細(xì)粒煤樣，并針對(duì)不同復(fù)雜程度煤樣的顯微組分解離情況進(jìn)行調(diào)控，適應(yīng)性較強(qiáng)，工藝系統(tǒng)完備。同時(shí)，該系統(tǒng)易與煤化工廠原料供給集成，可利用煤化工相關(guān)企業(yè)的富余高壓N2、CO2等氣體部分或完全替代空氣介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)分選介質(zhì)的密度調(diào)控，提升解離效率和分選精度，具有其他分選方法無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。

煤巖顯微組分達(dá)到充分解離的解離粒度一般小于10 μm，因此，細(xì)粒級(jí)物料分選必然是煤巖顯微組分分選的主要發(fā)展方向。電浮選-電凝聚法、油泡浮選法和氣流粉碎-精細(xì)分級(jí)分選法則在未來(lái)煤巖顯微組分分選的研究中更具優(yōu)勢(shì)。

3 基于不同顯微組分特性的煤炭分質(zhì)利用

煤具有多組分性，其不同煤巖顯微組分的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)不同，在傳統(tǒng)利用方式中，煤炭直接作為燃料或工業(yè)原料，對(duì)煤巖顯微組分分離后的轉(zhuǎn)化利用考慮較少。研究表明，經(jīng)煤巖顯微組分分離所得到的富鏡質(zhì)組產(chǎn)物在熱解制氫-焦化、氣化、液化、配煤煉焦、制備煤基復(fù)合材料等方面具有較大優(yōu)勢(shì)，而富惰質(zhì)組產(chǎn)物則更適合制備活性炭、石墨材料、碳素材料，作為燃料和化工原料等[105]。

3.1 煤炭熱解

煤炭熱解工藝是實(shí)現(xiàn)煤炭高效清潔利用的核心技術(shù)，對(duì)于改善我國(guó)煤炭資源利用形式有重要影響。煤巖顯微組分熱解特性的研究主要集中在焦油和熱解氣的收率及成分組成、熱解半焦結(jié)構(gòu)特征等方面，表3展示了不同學(xué)者對(duì)不同地區(qū)煤及其顯微組分富集物的熱解焦油產(chǎn)率，表4為不同煤巖顯微組分富集物熱解焦油組成情況。

由表3和表4可知，不同地區(qū)的煤及其顯微組分富集物在煤熱解過(guò)程中有不同的熱解行為和反應(yīng)活性，但均遵循鏡質(zhì)組富集物>原煤>惰質(zhì)組富集物的規(guī)律，說(shuō)明鏡質(zhì)組比惰質(zhì)組在熱解過(guò)程中具有更高的活躍度和液體反應(yīng)物產(chǎn)率，更適合作為熱解原料。通過(guò)富集鏡質(zhì)組產(chǎn)物，能夠有效提高熱解焦油的產(chǎn)率，并在一定程度上調(diào)節(jié)熱解焦油的組成?；阽R質(zhì)組和惰質(zhì)組在烷基側(cè)鏈、芳香度、縮合芳環(huán)結(jié)構(gòu)及含氧官能團(tuán)上的差異，鏡質(zhì)組低溫?zé)峤饨褂椭墟湡N類及低縮合環(huán)類物質(zhì)較多，惰質(zhì)組焦油中含氧雜環(huán)及稠環(huán)芳烴類物質(zhì)較多，不同顯微組分的熱解活性和反應(yīng)機(jī)理亦存在較大差異[110]，但由于煤結(jié)構(gòu)的多樣性和熱解反應(yīng)的復(fù)雜性，針對(duì)不同顯微組分的熱解特性研究很大程度上仍處于宏觀層面的產(chǎn)率高低判斷，缺乏將熱解產(chǎn)物與其結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行關(guān)聯(lián)的研究。

表3 部分地區(qū)原煤及其顯微組分富集物熱解焦油產(chǎn)率

表4 神府煤及其顯微組分富集物低溫?zé)峤饨褂徒M成[94]

3.2 煤炭氣化

不同煤巖顯微組分的氣化反應(yīng)活性存在差異，與煤階及顯微組分的結(jié)構(gòu)特性密切相關(guān)，并受氣化過(guò)程中溫度、壓力及氣化催化劑等工藝參數(shù)影響。表5總結(jié)了部分學(xué)者對(duì)煤巖顯微組分氣化特征的研究結(jié)果。

由表5可知，不同煤種、不同反應(yīng)氣氛下煤巖顯微組分的氣化反應(yīng)活性相差較大，在煤巖顯微組成對(duì)氣化反應(yīng)性的影響以及煤巖顯微組分的氣化反應(yīng)性差異方面，目前還沒(méi)有一致的結(jié)論。由于煤結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和不均一性以及選用煤種和試驗(yàn)方法的差異性，甚至得出了相反的結(jié)論。也有學(xué)者認(rèn)為，不同煤巖顯微組分在煤氣化的不同階段其反應(yīng)活性不斷變化，在氣化反應(yīng)前期，鏡質(zhì)組反應(yīng)活性高于惰質(zhì)組，但隨著氣化反應(yīng)的進(jìn)行，鏡質(zhì)組的反應(yīng)活性逐漸降低，惰質(zhì)組反應(yīng)活性逐漸增強(qiáng)，在氣化反應(yīng)后期，成為反應(yīng)活性最高的組分[69,116]。

表5 部分學(xué)者對(duì)煤巖顯微組分氣化特征研究結(jié)果

3.3 煤炭液化

煤的液化效果與煤樣的大分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)有本質(zhì)關(guān)聯(lián)，僅有部分低階煙煤具備優(yōu)良的轉(zhuǎn)化效果和較高的油收率。表6總結(jié)了部分地區(qū)不同煤階煤的顯微組分組成及其液化試驗(yàn)結(jié)果。

鏡質(zhì)組和殼質(zhì)組在受熱膨脹、熔融過(guò)程中伴有一定量的膠體物質(zhì)，被稱為活性組分；而惰質(zhì)組加熱僅出現(xiàn)膨脹，沒(méi)有熔融現(xiàn)象和液態(tài)產(chǎn)物產(chǎn)出，故稱為惰性組分。研究表明，煤巖顯微組分的液化反應(yīng)活性為殼質(zhì)組>鏡質(zhì)組>惰質(zhì)組[119-121]。由表6可知，對(duì)同一種煤而言，鏡質(zhì)組和殼質(zhì)組的液化轉(zhuǎn)化率、油產(chǎn)率均高于惰質(zhì)組，轉(zhuǎn)化率與活性組分含量呈正相關(guān)，隨煤樣煤化程度的增高，液化性能整體呈降低趨勢(shì)。

表6 部分地區(qū)不同煤階煤顯微組分組成及液化試驗(yàn)結(jié)果[117-118]

3.4 配煤煉焦

從單種煤煉焦到多種煤配合煉焦是促進(jìn)焦化工業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要成果?，F(xiàn)在的焦?fàn)t幾乎都采用多種煤進(jìn)行配合煉焦，部分焦化廠的供煤基地甚至多達(dá)十多個(gè)。煤巖顯微組分的性質(zhì)及組成是煉焦配煤的一項(xiàng)重要依據(jù)和考查指標(biāo)。不同煤巖顯微組分具有不同的黏結(jié)性和成焦性，殼質(zhì)組和鏡質(zhì)組的黏結(jié)性相對(duì)較高，屬于活性組分，其質(zhì)量和數(shù)量決定了成焦過(guò)程中膠質(zhì)體的性質(zhì)，是決定煤炭成焦性能的首要指標(biāo)；惰質(zhì)組一般不具有黏結(jié)性，或黏結(jié)性極差，在加熱過(guò)程中不會(huì)軟化熔融成焦，屬于惰性組分，在成焦過(guò)程中主要起骨架支撐作用，以提高焦炭的強(qiáng)度[122-124]。不同煤化程度煤的活性組分和惰性組分的性質(zhì)并不完全相同，對(duì)惰性顆粒的容納和黏結(jié)能力及其衍生的焦炭光學(xué)結(jié)構(gòu)體也存在差異，二者在成焦過(guò)程中彼此相互作用，提高焦炭的冷態(tài)強(qiáng)度和熱態(tài)性能[125]。因此，在長(zhǎng)期的配煤煉焦實(shí)踐中，逐漸開(kāi)發(fā)和形成了較多的以煤巖顯微組分為基礎(chǔ)的煤巖配煤方法，基于此方法實(shí)現(xiàn)了部分無(wú)黏結(jié)性煤或低黏結(jié)性煤的配煤煉焦，低階煤在配煤煉焦中的應(yīng)用見(jiàn)表7。

表7 低階煤在配煤煉焦中的應(yīng)用

根據(jù)煤巖配煤原理，煤中活性組分和惰性組分的含量是影響煤黏結(jié)性和成焦性的主要因素，只有在最佳的活惰比條件下，才能煉制出性能最好的焦炭?？滴鳁澋萚135]對(duì)26組不同煤樣的煉焦試驗(yàn)表明，鏡質(zhì)組反射率在1.12%～1.36%，活性組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)在63.40%～69.40%時(shí)，焦炭的機(jī)械強(qiáng)度最好。張代林等[136]分析13種不同變質(zhì)程度的單種煤的煤巖性質(zhì)以及對(duì)應(yīng)的焦炭性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)煤樣鏡質(zhì)組質(zhì)量分?jǐn)?shù)為63.6%時(shí)，焦炭的M40最大。事實(shí)證明，適量的惰性組分對(duì)煤的黏結(jié)性和所煉焦炭的強(qiáng)度有顯著影響[137-138]。此外，惰性組分的含量還影響著焦炭的最大溶損速率、焦化反應(yīng)溫度[139]、平均質(zhì)量變化速率[140]和焦炭微晶結(jié)構(gòu)等[141]。但是，目前基于煤巖配煤理論所衍生的配煤方法，均是通過(guò)調(diào)整不同煤的配入比例來(lái)控制配合煤的煤巖顯微組成指標(biāo)，調(diào)控難度較大，且在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中易產(chǎn)生較大誤差。而通過(guò)煤巖顯微組分分離技術(shù)，調(diào)控配入煤的活性組分含量，實(shí)現(xiàn)調(diào)整配合煤煤巖顯微組成指標(biāo)的方法相對(duì)簡(jiǎn)單和精準(zhǔn)，通過(guò)富集煤中黏結(jié)性好的活性組分可以實(shí)現(xiàn)低階煤在配煤煉焦方面更高比例的應(yīng)用。

3.5 其他應(yīng)用

除上述應(yīng)用外，不同煤巖顯微組分在燃燒、制備水煤漿和活性炭等方面也存在較大差異。煤燃燒過(guò)程中，相較鏡質(zhì)組而言，惰質(zhì)組具有更高的燃燒活性[142-143]。但惰質(zhì)組會(huì)嚴(yán)重影響水煤漿的成漿性和流變性，水煤漿的成漿性一般會(huì)隨煤的平均最大鏡質(zhì)組反射率的增加而增加[142]；對(duì)不同煤巖顯微組分制備活性炭的研究表明，鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組的含量對(duì)所制備活性炭的性能影響顯著，煤樣的鏡質(zhì)組含量越高，所制備活性炭的比表面積越低，而惰質(zhì)組含量越高，活性炭的比表面積越高。因此，富鏡質(zhì)組煤樣可用于制備微孔發(fā)達(dá)的活性炭，而富惰質(zhì)組煤樣更易制備中孔發(fā)達(dá)、比表面積高的活性炭，且惰質(zhì)組含量越高，活性炭的收率越高[144-145]。

3.6 煤巖顯微組分分質(zhì)利用路線

煤巖顯微組分分質(zhì)利用是指基于不同顯微組分之間的差異性，采用合適有效的解離手段，使不同組分充分解離；通過(guò)不同煤巖顯微組分分選方法，根據(jù)實(shí)際分質(zhì)轉(zhuǎn)化利用的需求，調(diào)控分選過(guò)程，實(shí)現(xiàn)煤巖顯微組分不同程度的富集；根據(jù)煤巖顯微組分富集產(chǎn)物的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)特征，通過(guò)一定比例完全或部分取代特定煤種，實(shí)現(xiàn)基于煤巖顯微組分特性的煤分質(zhì)加工與轉(zhuǎn)化利用，其分質(zhì)利用路線如圖13所示。

圖13 基于煤巖顯微組分分選的煤炭分質(zhì)利用轉(zhuǎn)化路線

4 結(jié)語(yǔ)與展望

在國(guó)家“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)約束條件下，煤炭資源高質(zhì)量轉(zhuǎn)化利用勢(shì)在必行。煤巖顯微組分的測(cè)定、分選和分質(zhì)利用技術(shù)突破，對(duì)于實(shí)現(xiàn)煤炭資源轉(zhuǎn)型發(fā)展，走“原料供給精細(xì)化、轉(zhuǎn)化低碳化、產(chǎn)品高端化”發(fā)展新途徑具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

1)煤巖顯微組分的識(shí)別和測(cè)定是評(píng)價(jià)煤巖顯微組分富集程度的主要手段，是實(shí)現(xiàn)煤巖顯微組分高質(zhì)量分選的技術(shù)保障。目前，關(guān)于煤顯微組分測(cè)定的研究已經(jīng)取得了一定進(jìn)展，自動(dòng)識(shí)別技術(shù)大幅度提高了鑒定效率，降低了人為因素的影響，但受傳統(tǒng)圖像測(cè)定方法的限制，自動(dòng)測(cè)試技術(shù)均存在細(xì)粒物料無(wú)法識(shí)別的致命缺陷，難以匹配煤巖顯微組分解離粒度細(xì)的特點(diǎn)。因此，亟需開(kāi)發(fā)一種基于煤巖顯微組分結(jié)構(gòu)特征，不受粒度限制的高效定量方法。

2)煤巖顯微組分的分離富集是煤炭分質(zhì)轉(zhuǎn)化和梯級(jí)利用的基礎(chǔ)。目前煤巖顯微組分分選工作已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，形成了以重選法、浮選法和電選法為基礎(chǔ)的分選體系。同時(shí)，也衍生出了電浮選-電凝聚法、油泡浮選法和氣流粉碎-精細(xì)分級(jí)法，有效改善了傳統(tǒng)分選方法在分選效率、富集效率和選擇性等方面的局限性。電浮選-電凝聚法和油泡浮選法的高選擇性、高富集率和高回收率；氣流粉碎-精細(xì)分級(jí)法的解離、分選調(diào)控機(jī)制和干法分選特征，使其在眾多分選方法中具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，極具發(fā)展前景和開(kāi)發(fā)意義。

3) 通過(guò)煤巖顯微組分的分離富集，可以充分發(fā)揮不同煤巖顯微組分在煤炭的熱解、氣化、液化和煉焦配煤等方面的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，能夠最大限度實(shí)現(xiàn)煤炭資源的高效清潔分質(zhì)利用。筆者提出的基于煤巖顯微組分分離及其特性的分質(zhì)利用路線很好契合了國(guó)家煤炭清潔高效利用戰(zhàn)略需求，是系統(tǒng)化實(shí)現(xiàn)煤炭低碳化清潔高效利用的有效策略。