低品質(zhì)煤及煤泥物料高效脫灰脫水提質(zhì)

張錦龍，樊有林，常 艇，楊 凡，閆光輝,3，張 博,3

(1.國(guó)能包頭能源有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 包頭 014000；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院，江蘇 徐州 221116；3.煤炭加工與高效潔凈利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)礦業(yè)大學(xué))，江蘇 徐州 221116；)

0 引 言

2020年，全年能源消費(fèi)總量為49.8億t標(biāo)準(zhǔn)煤，其中，煤炭消費(fèi)占能源消費(fèi)總量的56.8%[1]。煤炭作為我國(guó)主體能源的格局短時(shí)間內(nèi)不會(huì)改變。煤炭為我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展做出巨大貢獻(xiàn)的同時(shí)，也帶來(lái)了環(huán)境污染問(wèn)題，煤炭的清潔高效利用是實(shí)現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)的關(guān)鍵[2-3]。

煤炭分選是實(shí)現(xiàn)煤炭清潔利用的主要方式[4]。目前，常用的煤炭分選方式主要有濕法分選和干法分選2種。常用的粗粒級(jí)煤炭濕法分選主要有重介淺槽分選、跳汰分選[5-7]，但其不適用于易泥化煤炭的分選，且需配備煤泥水處理系統(tǒng)；細(xì)粒煤濕法分選常采用重介旋流器分選和浮選[8-9]，但均會(huì)增加產(chǎn)品水分，降低煤炭熱值。常用的干法分選主要有空氣重介干法分選和復(fù)合式干法分選[10-12]，干法分選不會(huì)增加產(chǎn)品水分，但其對(duì)<6 mm煤炭分選精度較差，不適用于細(xì)粒煤炭的分選[13]。

此外，隨著優(yōu)質(zhì)煤礦資源的漸趨萎縮、機(jī)械化采礦程度的提高和地質(zhì)條件的變化，煤炭分選過(guò)程中產(chǎn)生的末原煤含量增加，且易產(chǎn)生次生煤泥[14-15]。

復(fù)合式干法分選機(jī)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，青龍煤礦通過(guò)復(fù)合式干選機(jī)，靈活調(diào)整產(chǎn)品規(guī)格，以20～50 mm小塊煤和50～80 mm大塊煤產(chǎn)品為主要利潤(rùn)來(lái)源，創(chuàng)造了較好的經(jīng)濟(jì)效益并達(dá)到了理想效果[16]；尚莊煤業(yè)通過(guò)FGX-12型干選機(jī)對(duì)劣質(zhì)原煤粗加工，當(dāng)精煤熱值在17.6～19.7 MJ/kg時(shí)，可獲得最佳經(jīng)濟(jì)效益[17]；對(duì)黑山露天礦采用復(fù)合式主再選工藝試驗(yàn)后，13～0 mm精煤產(chǎn)品煤質(zhì)明顯提升[18]。

石圪臺(tái)選煤廠通過(guò)煤泥干燥系統(tǒng)，在900～1 100 ℃ 高溫?zé)煔庀?，干燥后煤泥水分降低?6.20%，發(fā)熱量提升了3.43 kJ，采取煤泥干燥手段可有效降低煤泥水分[19]。寶日希勒褐煤通過(guò)熱壓干燥提質(zhì)研究，探究給料量、干燥溫度等因素下的最佳脫水條件，最佳水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)5%～8%[20]。

針對(duì)選煤廠分選過(guò)程中產(chǎn)生的低品質(zhì)煤(末煤和煤泥)含水量過(guò)高的問(wèn)題，筆者研究了低品質(zhì)煤(末煤和煤泥)的干燥過(guò)程，確定末煤和煤泥所需的溫度和干燥時(shí)間，為末煤和煤泥的工業(yè)干燥提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)參考。

1 原煤性質(zhì)及工藝分析

試驗(yàn)煤樣取自李家壕煤礦，原煤遇水易泥化，末煤分選過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量煤泥，增加煤泥水系統(tǒng)負(fù)荷，降低產(chǎn)品熱值，增加分選成本。根據(jù)GB/T 212—2008《煤的工業(yè)分析方法》，對(duì)煤泥及末煤進(jìn)行工業(yè)分析，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 煤泥和末煤工業(yè)分析

由表1可知，煤泥Ad為15.14%、St,d為0.60%，Qgr,d為25.13 MJ/kg，為低灰、低硫中高發(fā)熱量煤，末煤Ad為9.00%、St,d為0.69%，Qgr,d為27.08 MJ/kg，屬特低灰、低硫中高發(fā)熱量煤，具有較高的利用價(jià)值，但煤泥及末煤均具有較高水分，煤泥Mad為9.54%，Mt為45.00%，末煤Mad為10.97%，Mt為26.85%，過(guò)高的水分使得煤泥/末煤的實(shí)際發(fā)熱量較低，難以進(jìn)行后續(xù)的加工利用，因此脫水提質(zhì)是解決煤泥/末煤利用問(wèn)題的關(guān)鍵。

采用水分測(cè)定儀，分析煤泥在不同條件下水分逸失規(guī)律，揭示煤泥干燥過(guò)程中水分遷移規(guī)律；通過(guò)熱重分析儀測(cè)量煤泥/末煤顆粒不同干燥階段的干燥速率，分析不同賦存形式水分的傳熱與傳質(zhì)形式，探索干燥過(guò)程中傳熱方式與水分逸出路徑，分析測(cè)試設(shè)備如圖1所示。

圖1 測(cè)試分析儀器

選煤廠分選工藝如圖2所示，原煤經(jīng)φ100 mm分級(jí)篩分級(jí)獲得>100 mm和<100 mm原煤，<100 mm 原煤給入φ6 mm弛張篩，分別獲得<6 mm和6～100 mm原煤，由于<6 mm煤炭分選效果不理想，將<6 mm原煤給入復(fù)合式干法分選機(jī)，分別獲得精煤與矸石；>100 mm原煤破碎后與6～100 mm原煤共同給入重介淺槽分選機(jī)，分別獲得精煤和矸石，分選介質(zhì)經(jīng)介質(zhì)系統(tǒng)和煤泥水處理系統(tǒng)處理獲得合格介質(zhì)、煤泥和循環(huán)水，維持系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖2 選煤廠工藝流程

選煤廠生產(chǎn)過(guò)程中，末原煤產(chǎn)率約占30%，塊煤分選后產(chǎn)生的次生煤泥量約占原煤總量的5%，即高含水低品質(zhì)煤約占原煤總量的35%，且高含水低品質(zhì)煤熱值較低，無(wú)法單獨(dú)銷售，亟需通過(guò)煤炭提質(zhì)來(lái)降低煤炭水分，增加經(jīng)濟(jì)效益。

2 低品質(zhì)煤脫水提質(zhì)

2.1 低品質(zhì)水分賦存及煤熱解特性

對(duì)<6 mm末煤和煤泥進(jìn)行水分賦存狀態(tài)分析，將溫度設(shè)定為40 ℃，質(zhì)量及脫水率隨時(shí)間變化如圖3所示，隨干燥時(shí)間的增加，末煤和煤泥質(zhì)量逐漸降低，脫水率逐漸增加。干燥時(shí)間達(dá)30 h時(shí)，末煤脫水率達(dá)17.38%，隨時(shí)間繼續(xù)增加，末煤脫水率基本維持穩(wěn)定，在36 h時(shí)，脫水率為17.84%。干燥時(shí)間達(dá)36 h時(shí)，煤泥脫水率達(dá)38.00%，隨時(shí)間繼續(xù)增加，煤泥脫水率基本維持穩(wěn)定，在42 h時(shí)，脫水率為39.20%。表明在此末煤中，以外水賦存的水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17.84%，在煤泥中，表明煤泥以外水形式賦存質(zhì)量分?jǐn)?shù)為39.20%。

圖3 不同干燥時(shí)間下樣品質(zhì)量及脫水率變化

將干燥后的末煤、煤泥破碎至<3 mm，在105～110 ℃下干燥直至質(zhì)量維持恒定，干燥后末煤質(zhì)量降低了10.97%，干燥后煤泥質(zhì)量降低了9.54%，表明末煤和煤泥中以內(nèi)水賦存的水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.97% 和9.54%。

對(duì)比末煤和煤泥水分賦存規(guī)律，煤泥外水含量高于末煤，兩者以內(nèi)水形式賦存的水分含量相似。在干燥過(guò)程中，末煤和煤泥的質(zhì)量降低速率均呈逐漸降低趨勢(shì)，主要原因?yàn)椋好簶铀趾扛邥r(shí)，較多的水分受熱量作用，失重率較大。此外，煤泥失重率較末煤大，與干燥過(guò)程中失重率逐漸降低相似，水分較低時(shí)，受到干燥作用的水分相對(duì)較少，失重率較低。

基于末煤和煤泥的水分賦存狀態(tài)及不同賦存方式的水分含量，影響干燥速率的因素為溫度，為確定末煤和煤泥中的物質(zhì)分解溫度，對(duì)末煤和煤泥樣品進(jìn)行熱重分析。

為了準(zhǔn)確測(cè)量物質(zhì)的質(zhì)量變化及變化速率，將末煤破碎至<100目(150 μm)，在105 ℃下進(jìn)行2 h干燥處理后進(jìn)行熱重分析，熱解溫度范圍為室溫～850 ℃，升溫速率為5 ℃/min，末煤的TG及DTG曲線如圖4所示，100 ℃和300 ℃下氣相色譜質(zhì)譜(GC-MS)曲線如圖5所示。

圖4 末煤的TG及DTG曲線

圖5 氣相色譜質(zhì)譜(GC-MS)

由圖4可知，末煤的TG曲線逐漸降低，表明末煤中水分及大分子隨溫度升高逐漸熱解。根據(jù)TG曲線變化規(guī)律，末煤熱解過(guò)程(TG-DTG曲線)可分為3個(gè)階段，分別為室溫～101.9、101.9～305.7、305.7～850.0 ℃。

第1階段(101.9 ℃前)：隨溫度升高，末煤中水分蒸發(fā)，末煤質(zhì)量逐漸降低，在75 ℃左右末煤質(zhì)量變化速率達(dá)到最大，煤中部分組分發(fā)生熱解，主要逸出物質(zhì)為十甲基環(huán)五硅氧烷、螺內(nèi)酯、丙脂等，末煤質(zhì)量逐漸降低，但末煤質(zhì)量降低較少，約7%，表明僅有少部分物質(zhì)發(fā)生熱解；第2階段(101.9～305.7 ℃)：溫度升高，末煤質(zhì)量略降低，并未產(chǎn)生明顯變化，在200 ℃左右末煤質(zhì)量變化速率最小，質(zhì)譜結(jié)果表明逸出的物質(zhì)主要為蓖麻醇酸、烷基、癸酸甲酯等，在此溫度范圍內(nèi)末煤中大分子未發(fā)生明顯裂解；第3階段(305.7～850.0 ℃)：溫度超過(guò)305.7 ℃后，末煤質(zhì)量迅速下降，末煤發(fā)生熱解，在450 ℃左右時(shí)熱解速率達(dá)到最大。

與末煤分析方法相似，煤泥的TG及DTG曲線如圖6所示，100和300 ℃下氣相色譜質(zhì)譜(GC-MS)曲線如圖7所示。

圖6 煤泥的TG及DTG曲線

圖7 氣相色譜質(zhì)譜(GC-MS)

由圖6可知，煤泥熱解過(guò)程(TG-DTG曲線)可分為3個(gè)階段。第1階段(101.9 ℃前)：隨溫度升高，煤泥中水分蒸發(fā)，煤泥質(zhì)量逐漸降低，在55 ℃左右煤泥質(zhì)量變化速率達(dá)到最大，煤中部分組分發(fā)生熱解，主要逸出物質(zhì)為八甲基環(huán)四氧硅烷、十甲基環(huán)五硅氧烷、十二甲基環(huán)六硅氧烷等，煤泥質(zhì)量逐漸降低，但煤泥質(zhì)量降低較少，約10%，表明僅有少部分物質(zhì)發(fā)生熱解；第2階段(101.9～305.7 ℃)：溫度升高，煤泥質(zhì)量并未產(chǎn)生明顯變化，在200 ℃左右煤泥質(zhì)量變化速率達(dá)到最小，表明在此溫度范圍內(nèi)煤泥中大分子未發(fā)生明顯裂解，質(zhì)譜結(jié)果表明逸出的物質(zhì)主要為烷基、輪烯、環(huán)庚三烯、八甲基環(huán)四氧硅烷、十甲基環(huán)五硅氧烷、十二甲基環(huán)六硅氧烷、三甲基七硅氧烷；第3階段(305.7～850.0 ℃)：溫度超過(guò)305.7 ℃ 后，煤泥質(zhì)量迅速下降，煤泥發(fā)生熱解，在459 ℃左右時(shí)煤泥熱解速率達(dá)到最大。

根據(jù)不同溫度下物質(zhì)逸出規(guī)律判斷煤炭熱解特性，末煤與煤泥熱解結(jié)果相似，在105 ℃前主要為水分逸出階段，105～306 ℃時(shí)，存在部分物質(zhì)熱解，但熱解物質(zhì)含量較低，其原始質(zhì)量未發(fā)生明顯變化，溫度超過(guò)306 ℃時(shí)，大分子逐漸熱解，原始質(zhì)量逐漸降低，此時(shí)煤炭性質(zhì)發(fā)生改變，無(wú)法在該溫度下進(jìn)行干燥。

2.2 低品質(zhì)煤脫水提質(zhì)

采用紅外快速水分測(cè)定儀對(duì)末煤進(jìn)行干燥脫水研究，設(shè)定溫度為80、85、90、95、100、105、120、150及180℃，記錄不同溫度下末煤脫水率變化，如圖8(a)所示，不同溫度下末煤最大脫水率及達(dá)到最大脫水率所需的時(shí)間如圖8(b)所示。

圖8 不同溫度下末煤干燥規(guī)律

由圖8可知，末煤在80、85、90、95、100、105、120、150及180 ℃溫度下的最大脫水率分別為21.66%、23.41%、24.39%、24.76%、25.43%、26.85%、26.85%、26.85%、26.85%，達(dá)到最大脫水率的時(shí)間分別為55、45、40、40、40、40、40、40、40 min。隨溫度升高，末煤最大脫水率先增加后保持穩(wěn)定，達(dá)到最大脫水率所需的時(shí)間先減少后維持穩(wěn)定。溫度較低時(shí)，脫水率較低。80 ℃時(shí)，脫水率在55 min時(shí)達(dá)到最大21.66%，且不隨時(shí)間的增加繼續(xù)增加，表明80 ℃下無(wú)法使水分完全逸出，剩余水分與煤中其他分子相結(jié)合，在80 ℃溫度下無(wú)法分解。在105 ℃時(shí)，末煤最大脫水率為26.85%，且脫水率不隨溫度和時(shí)間的增加而增加，表明此時(shí)末煤完全脫水。隨溫度繼續(xù)升高，達(dá)到最大脫水率所需時(shí)間不變，表明溫度達(dá)到105 ℃時(shí)末煤水分完全逸出臨界點(diǎn)，繼續(xù)升高溫度未對(duì)末煤干燥過(guò)程產(chǎn)生影響。

對(duì)煤泥進(jìn)行干燥試驗(yàn)研究，試驗(yàn)條件與末煤相同，不同溫度下煤泥脫水率變化如圖9(a)所示，不同溫度下煤泥最大脫水率及達(dá)到最大脫水率所需時(shí)間如圖9(b)所示。

圖9 不同溫度下煤泥干燥規(guī)律

由圖9可知，末煤在80、85、90、95、100、105、120、150及180 ℃時(shí)的最大脫水率分別為36.35%、41.56%、41.97%、42.50%、43.63%、45.00%、45.00%、45.00%、45.00%，達(dá)到最大脫水率的時(shí)間分別為125、100、95、80、75、70、70、70、70 min。隨溫度升高，煤泥最大脫水率先增加后保持穩(wěn)定，達(dá)到最大脫水率所需時(shí)間先減少后維持穩(wěn)定。溫度較低時(shí)，脫水率較低，80 ℃時(shí)，脫水率在125 min時(shí)達(dá)到最大36.35%，85 ℃時(shí)，脫水率在100 min時(shí)達(dá)到最大41.56%，且不隨時(shí)間的繼續(xù)增加而增加，表明在低溫條件(80～100 ℃)下水分無(wú)法完全逸出，剩余水分與煤炭中其他分子結(jié)合，在80～100 ℃無(wú)法分解。105 ℃、70 min時(shí)，煤泥最大脫水率為45.00%，且脫水率不隨溫度和時(shí)間的繼續(xù)增加而增加，表明此時(shí)煤泥完全脫水。隨溫度繼續(xù)升高，達(dá)到最大脫水率所需時(shí)間不變，表明105 ℃時(shí)，已達(dá)到煤泥水分完全逸出臨界點(diǎn)，繼續(xù)增加溫度未對(duì)煤泥干燥過(guò)程產(chǎn)生影響。

與末煤相比，煤泥干燥所需時(shí)間較長(zhǎng)，主要原因是煤泥含水率較高，實(shí)現(xiàn)水分的完全逸出所需時(shí)間較長(zhǎng)。對(duì)比圖8(b)和圖9(b)，末煤和煤泥實(shí)現(xiàn)水分完全逸出的溫度均為105 ℃，時(shí)間分別為40和70 min，且脫水率不隨溫度和時(shí)間繼續(xù)變化，表明105 ℃為實(shí)現(xiàn)完全脫水的臨界溫度。溫度超過(guò)90 ℃ 時(shí)，末煤達(dá)到最大脫水率所需時(shí)間均為40 min，末煤最大脫水率隨溫度的增加逐漸增加直至穩(wěn)定，表明存在水分子的逸出區(qū)間分別為90～95、95～100、100～105 ℃。105 ℃前，煤泥的最大脫水率和達(dá)到最大脫水率所需時(shí)間均在變化，主要原因?yàn)榕c末煤相比，煤泥水分較高，溫度升高對(duì)水分的逸出速率影響相對(duì)較大，隨時(shí)間呈降低趨勢(shì)。

3 低品質(zhì)煤脫灰提質(zhì)

除水分外，灰分是影響原煤熱值的又一重要因素，為改善選煤廠中低品質(zhì)煤熱值較低的問(wèn)題，對(duì)原煤中的細(xì)粒級(jí)煤炭進(jìn)行脫灰提質(zhì)研究，探究復(fù)合式干法分選技術(shù)對(duì)細(xì)粒級(jí)煤炭可能的有益效果，為選煤廠的工藝優(yōu)化提供參考。

3.1 原煤性質(zhì)

為了確定<6 mm原煤含量，對(duì)原煤進(jìn)行篩分分析，其粒度分布見(jiàn)表2。

表2 原煤粒度組成

原煤中主導(dǎo)粒級(jí)為100～>13 mm，產(chǎn)率為40.76%，6～>0.5 mm原煤質(zhì)量分?jǐn)?shù)為23.10%，灰分為21.32%。

對(duì)6～>0.5 mm細(xì)粒級(jí)煤炭進(jìn)行浮沉試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表3。從表3可知煤樣中密度為>1.80 g/cm3組分產(chǎn)率為14.23%，此密度級(jí)為矸石。從浮沉密度級(jí)中可以看出<1.30 g/cm3時(shí)灰分最低為6.89%，灰分隨密度增大而增大，密度>1.80 g/cm3時(shí)達(dá)到最大值38.32%?？芍ㄟ^(guò)重力分選能有效脫除煤中矸石，實(shí)現(xiàn)提質(zhì)降灰。

表3 6～0.5 mm細(xì)粒煤浮沉試驗(yàn)結(jié)果

3.2 復(fù)合式干法分選機(jī)分選試驗(yàn)

復(fù)合式干法分選機(jī)是目前應(yīng)用較廣泛的一種干法分選設(shè)備，物料在分選過(guò)程中受振動(dòng)和氣流綜合作用，實(shí)現(xiàn)按密度分離。分選床體振幅、振動(dòng)頻率、氣速及安裝參數(shù)等條件會(huì)影響分選效果，其中振動(dòng)頻率與分選效果緊密相關(guān)，是實(shí)際分選過(guò)程中調(diào)節(jié)最多的參數(shù)。因此通過(guò)試驗(yàn)探究了振動(dòng)頻率對(duì)6～>0.5 mm原煤分選效果的影響。

試驗(yàn)過(guò)程中沿床面橫向從入料端至矸石端方向依次劃分為5段，分別對(duì)每一段物料進(jìn)行取樣稱重、化驗(yàn)，得到各段分選產(chǎn)品的產(chǎn)率及灰分。試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示，隨振動(dòng)頻率f的增加，1、2段產(chǎn)率逐漸降低，第3段產(chǎn)率受振動(dòng)頻率影響不明顯，產(chǎn)率集中在23%左右；4、5段產(chǎn)率逐漸增加，振動(dòng)頻率f=38 Hz時(shí)，第5段產(chǎn)率最高達(dá)15.67%。整體來(lái)看，隨頻率增加，不同位置產(chǎn)率變化趨勢(shì)不同，1、2段靠近入料端，隨振動(dòng)頻率增加，振動(dòng)能量逐漸增加，煤炭顆粒受到的振動(dòng)作用逐漸增強(qiáng)，更多的煤炭顆粒運(yùn)動(dòng)至出料端，即4、5段。在不同頻率下，各段的灰分分布趨勢(shì)基本相同，越靠近矸石端灰分越高。隨振動(dòng)頻率增加各段灰分逐漸降低，精煤端物料產(chǎn)率逐漸降低，高灰分煤炭顆粒逐漸移至矸石端，使精煤端灰分逐漸降低，在矸石端，低頻率下的矸石物料灰分較高，隨頻率增加，灰分較低的矸石逐漸移至矸石端，使矸石端產(chǎn)率逐漸升高，灰分逐漸降低。振動(dòng)頻率為38 Hz時(shí)，第1段灰分最低，為7.54%。綜合考慮煤炭灰分及產(chǎn)率，取前2段作為精煤產(chǎn)品，振動(dòng)頻率為36 Hz時(shí)，精煤產(chǎn)率為45.48%，灰分為10.36%。

圖10 不同頻率下不同段的產(chǎn)率和灰分

4 結(jié) 論

1)在末煤和煤泥中，以外水賦存的水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為17.84%和39.20%，以內(nèi)水賦存的水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為10.97%和9.54%。末煤和煤泥熱重分析表明，101 ℃前，煤中僅有少部分物質(zhì)熱解，表明水分干燥過(guò)程中，煤中其他物質(zhì)損失較小。溫度達(dá)到306 ℃時(shí)，末煤和煤泥的大分子逐漸熱解，質(zhì)量逐漸降低。末煤和煤泥熱重分析的質(zhì)量變化規(guī)律一致，具有相同的熱解特性。

2)隨溫度的增加，末煤和煤泥最大脫水率逐漸增加，達(dá)到最大脫水率所需時(shí)間逐漸減少。末煤和煤泥水分完全逸出的臨界溫度均為105 ℃。105 ℃、40 min時(shí)，末煤達(dá)到最大脫水率26.85%，實(shí)現(xiàn)水分完全逸出。105 ℃、70 min時(shí)，煤泥達(dá)到最大脫水率45.00%，實(shí)現(xiàn)水分完全逸出。

3)隨著振動(dòng)頻率增加，復(fù)合式干法分選機(jī)前2段產(chǎn)率逐漸降低，第3段產(chǎn)率受振動(dòng)頻率影響不明顯，后2段產(chǎn)率逐漸增加。頻率增加使得各段產(chǎn)率分布逐漸趨于均勻，同時(shí)各段灰分逐漸降低，在振動(dòng)頻率為36 Hz時(shí)，精煤灰分為10.36%，產(chǎn)率達(dá)到45.48%。