李桂春， 柴社居

(黑龍江科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，哈爾濱150022)

油團(tuán)聚法制備超低灰煤的實(shí)驗(yàn)研究

李桂春， 柴社居

(黑龍江科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，哈爾濱150022)

為探討油團(tuán)聚法制備超低灰煤的最優(yōu)條件，采用三種不同的團(tuán)聚劑對(duì)三種煤樣進(jìn)行油團(tuán)聚實(shí)驗(yàn)，探討團(tuán)聚劑種類及用量、團(tuán)聚時(shí)間、攪拌速度對(duì)團(tuán)聚效果的影響。結(jié)果表明:當(dāng)采用柴油作為團(tuán)聚劑、團(tuán)聚劑用量為15%、團(tuán)聚時(shí)間為10 min、攪拌速度為1 500 r/min時(shí)，煤樣團(tuán)聚效果最好。此時(shí)三種煤樣的灰分分別為3.54%、1.58%、1.52%，對(duì)應(yīng)的回收率分別為55.13%、82.76%、81.07%。在此基礎(chǔ)上改變藥劑添加方式，發(fā)現(xiàn)團(tuán)聚物的灰分分別降低了0.51%、0.15%、0.16%，提高了團(tuán)聚效果，有利于超低灰煤的制備。

超低灰煤;油團(tuán)聚;灰分;回收率;團(tuán)聚效果

煤炭是一種重要的碳資源，具有非常廣泛的用途［1］。研究煤炭制成的各類新型材料，對(duì)國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展有非常重要的意義［2］。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，新型碳基材料因具有諸多優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于新能源技術(shù)領(lǐng)域［3］。但是，我國煤炭在分選利用時(shí)，利用效率較低［4－5］，同時(shí)因煤中無機(jī)礦物質(zhì)和硫含量較高而產(chǎn)生許多污染物，導(dǎo)致環(huán)境嚴(yán)重污染，大大影響了人們的日常生產(chǎn)和生活［6］。為提高煤炭的利用價(jià)值和效率，應(yīng)采取油團(tuán)聚脫灰技術(shù)，使用清潔能源［7］。

油團(tuán)聚法是一種重要的煤炭脫灰技術(shù)，用油團(tuán)聚法制備超低灰煤，一方面，可以減少環(huán)境污染;另一方面，可以作為碳素材料和煤基炭材料的原料，如碳纖維復(fù)合材料等;同時(shí)，油團(tuán)聚法制備的超低灰煤，可將其制成超低灰水煤漿，在燃?xì)廨啓C(jī)以及柴油機(jī)中代替柴油進(jìn)行燃燒，減少國內(nèi)石油的用量［3］。由于我國煤炭在利用過程中其成本比較低，對(duì)分選加工非常有利［8－9］。因此，筆者采用不同團(tuán)聚劑對(duì)三種不同煤樣進(jìn)行油團(tuán)聚實(shí)驗(yàn)，以期明確制備超低灰煤的最優(yōu)條件。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要藥劑與儀器

藥劑:柴油、煤油、環(huán)己烷、十二烷基苯磺酸鈉、六偏磷酸鈉、羧甲基纖維素鈉、木質(zhì)素磺酸鈉。藥劑中柴油與煤油為工業(yè)品，其他均為分析純。

儀器:錐形球磨機(jī)，XQM Φ240×90型;電子天平，BLXK－JA3003B型;真空干燥箱，DZF－6090型;電動(dòng)攪拌器，JJ－1型;一體化智能馬弗爐，ZMF－1型;激光粒度分析儀，L1064型。

1.2 方法

1.2.1 樣品制備

實(shí)驗(yàn)選取榆林長焰煤、鶴崗1/3焦煤和山西焦煤(分別簡(jiǎn)稱為YL、HG、SX)三種不同變質(zhì)程度的煤樣，分別配制成一定濃度的礦漿，利用XMQ Φ240×90型錐形球磨機(jī)進(jìn)行濕法磨礦，在球磨機(jī)轉(zhuǎn)速不變條件下，采用十二烷基苯磺酸鈉作為助磨劑，其加入量為1.5% (相對(duì)于煤樣質(zhì)量的百分比)，在一定的磨礦時(shí)間下，對(duì)煤樣進(jìn)行磨礦，制備得到最終實(shí)驗(yàn)樣品。

1.2.2 油團(tuán)聚實(shí)驗(yàn)

油團(tuán)聚實(shí)驗(yàn)在250 mL錐形瓶中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)每次稱取煤樣質(zhì)量10 g，配制成一定濃度的礦漿，采用雙槳葉機(jī)械攪拌器進(jìn)行攪拌。在將團(tuán)聚劑加入礦漿之前，使煤漿以一定速度預(yù)先攪拌5 min，選取木質(zhì)素磺酸鈉作為分散劑，加入量為煤樣添加質(zhì)量的1.0%，然后以一定加藥方式添加一定量的團(tuán)聚劑，在室溫下以1 500 r/min的轉(zhuǎn)速再攪拌5～15 min，團(tuán)聚結(jié)束后倒出錐形瓶中的礦漿，經(jīng)過0.125 mm的篩網(wǎng)多次洗滌、篩分，將篩上物和篩下物分別過濾，再在真空干燥箱中干燥，依據(jù) GB/T 30732—2014測(cè)定團(tuán)聚物灰分、計(jì)算團(tuán)聚物回收率。

2 結(jié)果與分析

2.1 團(tuán)聚劑種類及用量對(duì)團(tuán)聚效果的影響

用油團(tuán)聚法制備超低灰煤的過程中，在確保團(tuán)聚物回收率合理的前提下，團(tuán)聚劑的加入量會(huì)對(duì)最終所得團(tuán)聚物灰分產(chǎn)生一定影響，具體情況如圖1所示。

圖1 團(tuán)聚劑種類及用量對(duì)團(tuán)聚效果的影響Fig.1 Effect of type and amount of agglomeration agent on agglomeration

針對(duì)三種不同煤化程度的煤樣，由圖1可知，當(dāng)加入的團(tuán)聚劑用量一致時(shí)，三種煤樣的所得團(tuán)聚物的灰分大小順序?yàn)?環(huán)己烷＞煤油＞柴油，說明在油團(tuán)聚過程中，環(huán)己烷對(duì)三種煤樣的團(tuán)聚效果不好，特別是對(duì)榆林長焰煤的團(tuán)聚效果最差，原因在于環(huán)己烷的碳鏈比較短，其對(duì)煤的疏水能力弱，同時(shí)榆林長焰煤又是煤化程度較低的煙煤，可選性較差，單純的用烴類油或烷烴難以深度降灰，達(dá)不到制備超低灰煤的要求，故還需加入其他調(diào)整劑對(duì)其進(jìn)行處理，才有可能達(dá)到深度降灰;而柴油與煤油的碳鏈較長，疏水能力強(qiáng)，親水性小，同時(shí)鶴崗煤樣和山西煤樣的煤化程度較高，可選性相對(duì)較高，所以柴油和煤油對(duì)這兩種煤樣的團(tuán)聚效果相對(duì)較好。

綜合圖1可以得知，在不同團(tuán)聚劑的用量下，當(dāng)采用柴油作為團(tuán)聚劑時(shí)，三種煤樣在團(tuán)聚劑用量w為15%時(shí)團(tuán)聚物的灰分Ad最低，分別為3.54%、1.58%、1.53%，對(duì)應(yīng)的回收率η分別為55.13%、82.76%、81.07%。同樣，當(dāng)采用煤油和環(huán)己烷作為團(tuán)聚劑時(shí)，發(fā)現(xiàn)其用量為15%時(shí)團(tuán)聚物的灰分都較低;即當(dāng)團(tuán)聚油加入量較少時(shí)，隨著其加入量增大，三種煤樣所對(duì)應(yīng)團(tuán)聚物灰分首先降低，當(dāng)團(tuán)聚劑用量等于15%時(shí)，團(tuán)聚物的灰分最低，而當(dāng)團(tuán)聚劑用量超過15%時(shí)，團(tuán)聚物的灰分又有一定程度的增加，團(tuán)聚效果又變差。原因在于當(dāng)團(tuán)聚劑用量較小時(shí)，礦漿中的有機(jī)礦物質(zhì)顆粒不能與團(tuán)聚油充分接觸、黏附，影響了煤中有機(jī)質(zhì)顆粒的團(tuán)聚，聚團(tuán)比較分散，夾帶的灰分高;隨著團(tuán)聚劑用量的增大，聚團(tuán)粒度逐漸增大形成球狀且聚團(tuán)致密;而當(dāng)團(tuán)聚劑的用量過大時(shí)，團(tuán)聚油對(duì)煤中有機(jī)質(zhì)顆粒的選擇性變差，煤中的聚團(tuán)沒有形成球狀聚團(tuán)，而是一種糊狀物，或者形成的球狀聚團(tuán)顆粒較大，使部分礦物質(zhì)雜質(zhì)混入團(tuán)聚物中，導(dǎo)致機(jī)械夾雜增多，進(jìn)而使所得團(tuán)聚物灰分增加。

2.2 團(tuán)聚時(shí)間對(duì)團(tuán)聚效果的影響

采用柴油作為團(tuán)聚油，取機(jī)械攪拌器的攪拌速度為1 500 r/min，團(tuán)聚劑用量為15%，分別取團(tuán)聚時(shí)間t為5.0、7.5、10.0、12.5、15.0 min進(jìn)行油團(tuán)聚法制備超低灰煤的實(shí)驗(yàn)，探究團(tuán)聚時(shí)間對(duì)油團(tuán)聚制備超低灰煤實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，具體情況如圖2所示。

綜合圖2可以看出，當(dāng)團(tuán)聚時(shí)間較小時(shí)，三種煤樣團(tuán)聚物的灰分隨著團(tuán)聚時(shí)間的增加而減小;當(dāng)團(tuán)聚時(shí)間為10 min時(shí)，團(tuán)聚物的灰分最小，此時(shí)三種煤樣團(tuán)聚物的灰分分別為3.54%、1.58%、1.52% (山西焦煤團(tuán)聚物的灰分最小)，對(duì)應(yīng)的回收率分別為55.13%、82.76%、81.07%;當(dāng)團(tuán)聚時(shí)間超過10 min后，煤樣的灰分又有所增加。原因在于當(dāng)團(tuán)聚時(shí)間較小時(shí)，礦漿中的有機(jī)質(zhì)顆粒因團(tuán)聚時(shí)間不夠而團(tuán)聚不充分，聚團(tuán)形態(tài)處于松散結(jié)構(gòu)，大部分處于片狀結(jié)構(gòu)，此外還有少量離散的顆粒單獨(dú)存在，導(dǎo)致團(tuán)聚效果差;隨著時(shí)間的延長，聚團(tuán)時(shí)間逐漸增大，聚團(tuán)中水分減少，夾帶的礦物質(zhì)較少，團(tuán)聚物灰分逐漸降低;而時(shí)間過長會(huì)使已團(tuán)聚顆粒又出現(xiàn)破碎現(xiàn)象，導(dǎo)致脫灰效果變差。所以在油團(tuán)聚實(shí)驗(yàn)中，為了提高團(tuán)聚效果，選擇團(tuán)聚時(shí)間為10 min比較合理。

圖2 團(tuán)聚時(shí)間對(duì)團(tuán)聚效果的影響Fig.2 Effect of agglomeration time on agglomeration

2.3 攪拌速度對(duì)團(tuán)聚效果的影響

在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，機(jī)械攪拌器的攪拌速度對(duì)油團(tuán)聚法制備超低灰煤具有一定的影響。采用柴油作為團(tuán)聚油，取團(tuán)聚時(shí)間為10 min，對(duì)攪拌速度v分別取500、1 000、1 500、2 000、2 500 r/min進(jìn)行油團(tuán)聚制備超低灰煤的實(shí)驗(yàn)，研究攪拌速度對(duì)其脫灰效果的影響，具體情況如表1所示。

表1 攪拌速度對(duì)團(tuán)聚結(jié)果的影響Table 1 Effect of stirring speed on agglomeration

從表1可以看出，當(dāng)機(jī)械攪拌器的攪拌速度較小時(shí)，三種煤樣團(tuán)聚物灰分較大，主要是由于攪拌速度較小，無法使團(tuán)聚油形成小油滴，團(tuán)聚不充分;而當(dāng)攪拌速度慢慢增大時(shí)，團(tuán)聚物灰分慢慢減小，回收率也隨之減小;當(dāng)攪拌速度 v為1 500 r/min時(shí)，三種煤樣團(tuán)聚物的灰分最小;而當(dāng)機(jī)械攪拌器的攪拌速度超過1 500 r/min時(shí)，三種煤樣的團(tuán)聚物灰分又有所增加，主要是因?yàn)閿嚢杷俣冗^大，形成的高速剪切力會(huì)使已團(tuán)聚的顆粒破碎，導(dǎo)致團(tuán)聚效果變差。

2.4 藥劑添加方式對(duì)團(tuán)聚效果的影響

以乳化柴油作為團(tuán)聚劑，在其他條件不變的情況下進(jìn)行比較實(shí)驗(yàn)。稱取10 g煤樣，配置成礦漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的煤漿，預(yù)攪拌5 min，然后加入已配好的油水乳濁液并攪拌10 min，最后用同樣的方法將團(tuán)聚物稱重，同時(shí)測(cè)量其灰分。三種煤樣的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 藥劑添加方法對(duì)脫灰效果的影響Table 2 Effect of adding methods on agglomeration

由表2可以看出，當(dāng)改變藥劑的添加方式時(shí)，三種煤樣團(tuán)聚物的灰分和回收率都有了一定程度的變化，即煤樣團(tuán)聚物的灰分相對(duì)增加，脫灰效果比較明顯，三種煤樣團(tuán)聚物的灰分分別為3.03%、1.43%、1.36%，依次減少了0.51%、0.15%、0.16%;而此時(shí)對(duì)應(yīng)的團(tuán)聚物回收率分別為67.24%、80.98%、80.56%，通過比較其回收率可以發(fā)現(xiàn)，榆林長焰煤的回收率增加了12.11%，而鶴崗1/3焦煤與山西焦煤的團(tuán)聚物回收率分別減少了1.78%和0.51%，但變化幅度較小，基本保持不變?？梢姡蛨F(tuán)聚過程中藥劑的添加方式對(duì)團(tuán)聚效果的影響較大，尤其對(duì)團(tuán)聚物灰分的影響更為明顯，通過這種方法改變藥劑的添加方式，增大了煤樣的團(tuán)聚效果，對(duì)制備超低灰煤更有利。

2.5 團(tuán)聚物形貌分析

采用上述油團(tuán)聚法制備超低灰煤的實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)三種煤樣在最優(yōu)條件下的團(tuán)聚物形貌進(jìn)行電鏡掃描，如圖3所示。

圖3 團(tuán)聚物形貌分析Fig.3 SEM analysis of agglomerate

由圖3a可見，榆林長焰煤在油團(tuán)聚中，顆粒團(tuán)聚較為松散，導(dǎo)致夾帶細(xì)泥，難以被洗滌，且還有一部分離散型的顆粒存在，導(dǎo)致團(tuán)聚效果差;同樣，由圖3b和c可以看出，鶴崗1/3焦煤和山西焦煤在油團(tuán)聚中，顆粒聚團(tuán)結(jié)構(gòu)緊密，顆粒間接觸比較牢固，只有少量離散型顆粒存在。

3 結(jié)論

(1)通過探討團(tuán)聚劑種類及用量、團(tuán)聚時(shí)間、攪拌速度對(duì)團(tuán)聚效果的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)采用柴油作為團(tuán)聚劑、團(tuán)聚劑用量為15%、團(tuán)聚時(shí)間為10 min、攪拌速度為1 500 r/min時(shí)，煤樣團(tuán)聚物的團(tuán)聚效果最好，此時(shí)三種煤樣的灰分依次為3.54%、1.58%、1.52%，對(duì)應(yīng)的回收率依次為55.13%、82.76%、81.07%。

(2)改變油團(tuán)聚過程中藥劑添加方式，會(huì)使三種煤樣團(tuán)聚物的灰分依次降低了0.51%、0.15%、0.16%，提高了團(tuán)聚效果，有利于油團(tuán)聚法制備超低灰煤。

(3)分析三種煤樣所制備的團(tuán)聚物形貌，榆林長焰煤的團(tuán)聚物顆粒松散，且存在許多離散型顆粒;而鶴崗1/3焦煤與山西焦煤的團(tuán)聚物顆粒結(jié)構(gòu)緊密，顆粒間接觸牢固，只存在少量的離散型顆粒。

［1］ 李艷芳，梁大明，劉春蘭.國內(nèi)外活性炭應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)分析［J］.潔凈煤技術(shù)，2009，15(1):5－8.

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(編校 王 冬)

Experimental study on preparation of ultra low ash coal by oil agglomeration

Li Guichun， Chai Sheju
(School of Mining Engineering，Heilongjiang University of Science＆Technology，Harbin 150022，China)

This paper aims to explore the optimal conditions of preparation of ultra low ash coal by oil agglomeration.The exploration is focused on investigating the effect of agglomeration agent type and dosage，reunion time，and the stirring speed on the agglomeration effect using three different aggregation agents on three kinds of coal by oil agglomeration experiments.The results reveal that using diesel as agglomeration agent，with the amount of agglomeration agent of 15%，the reunion time of 10 min，and the stirring speed of 1 500 r/min results in the best agglomeration effect，during which time，the three coal samples have the ash content of 3.54%，1.58%and 1.52%，respectively;and the samples have the recoveries of 55.13%，82.76%and 81.07%，respectively.The consequent change in the way of adding drugs leads to the 0.51%，0.15%and 0.16%reduction in ash agglomerates，improving the agglomeration effect and facilitating the preparation of the ultra low ash coal.

ultra low ash coal;oil agglomeration;ash;rate of recovery;agglomeration effect

10.3969/j.issn.2095－7262.2017.04.022

TQ534.9

2095－7262(2017)04－0433－05

:A

2017－04－13

李桂春(1962－)，男，遼寧省北票人，教授，博士，研究方向:潔凈煤技術(shù)，E-mail:liguichun2002@163.com。