夏文成 王天威

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，221116 江蘇徐州；2.天津美騰科技股份有限公司，300380 天津)

0 引 言

我國(guó)煤炭資源儲(chǔ)量豐富，煤種眾多，但煉焦用煤資源較為稀缺。為解決這一問(wèn)題，以及促進(jìn)我國(guó)煉焦煤資源可持續(xù)利用，提高稀缺煤種的回收率和利用率，從煉焦中煤中回收具有煉焦價(jià)值的精煤一直是選煤工作者的重點(diǎn)工作[1-3]。煤是由古代植物在一定地質(zhì)條件下，經(jīng)過(guò)煤化作用而形成的生物巖，由于成煤植物本身的差別及在成煤過(guò)程中所受的生物化學(xué)作用不同，煤在顯微鏡下具有不同的巖相組成[4]。不同煤巖組分的熱解[5]、氣化[6-7]、燃燒[8]、吸附[9]、加氫液化[10]和溶劑萃取[11]特性和孔結(jié)構(gòu)[12]都會(huì)有其獨(dú)特性。對(duì)于煉焦中煤高值利用而言，將其破碎、解離、分選，從中回收煉焦精煤是煉焦煤選煤廠提高精煤回收率的有效手段[13-14]。然而，研究者們僅考察了煉焦中煤解離精煤的灰分和產(chǎn)率指標(biāo)，極少關(guān)注其煉焦的可行性。

本實(shí)驗(yàn)以解離精煤和重介精煤的性質(zhì)對(duì)比為目的，研究了兩者煉焦的可行性差異，并從兩者顯微煤巖組分的差異解釋了其煉焦性能的差異，為煉焦中煤破碎解離再選精煤作為煉焦用煤的可行性提供新的視角。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)煤樣

山西呂梁聚德選煤廠的煤種為焦煤，其重介精煤產(chǎn)品的灰分要求在10.0%～10.5%。分別取該選煤廠的三產(chǎn)品重介旋流器重介精煤和重介中煤，重介精煤和重介中煤的粒度均為1 mm～50 mm。將1 mm～50 mm的重介精煤先用顎式破碎機(jī)(XPC-150×250，南昌健峰礦機(jī)制造有限公司制造)閉路破碎至13 mm以下后，再用對(duì)輥破碎機(jī)(XPZ-Φ200×125，南昌健峰礦機(jī)制造有限公司制造)閉路破碎至0.25 mm以下作為精煤煤樣。篩取3 mm～6 mm粒級(jí)的重介中煤，分別使用1.6 g/cm3和1.8 g/cm3密度的有機(jī)溶劑根據(jù)GB/T 478-2008《煤炭浮沉實(shí)驗(yàn)方法》進(jìn)行大浮沉實(shí)驗(yàn)，最終選用3 mm～6 mm粒級(jí)中的1.6 g/cm3～1.8 g/cm3密度級(jí)的重選中間產(chǎn)品，使用棒磨機(jī)閉路磨礦至0.25 mm以下作為中煤煤樣。

按照GB/T 478-2008《煤炭浮沉試驗(yàn)方法》將研磨后的中煤分離，采用苯、四氯化碳和三溴甲烷3種有機(jī)溶劑，分別配制成1.30 g/cm3，1.40 g/cm3，1.50 g/cm3，1.60 g/cm3和1.80 g/cm3密度的重液，然后采用礦用離心沉淀機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行分離(轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，離心時(shí)間為10 min，離心管規(guī)格為4 mL×250 mL)。稱取4份樣品，每份20 g。浮沉完成后，對(duì)各密度級(jí)的浮沉樣品進(jìn)行過(guò)濾、烘干、稱重、制樣、燒灰。小浮沉實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。由圖1可以看出，當(dāng)浮物累計(jì)灰分為10%時(shí)，浮物累計(jì)產(chǎn)率為30.77%，此時(shí)的分離密度為1.52 g/cm3。因此，試驗(yàn)過(guò)程中直接配制1.52 g/cm3的有機(jī)重液，然后對(duì)研磨后的中煤進(jìn)行浮沉分離，浮沉分離后的浮物經(jīng)過(guò)濾、烘干后作為解離精煤煤樣。

圖1 浮物累計(jì)產(chǎn)率和灰分曲線

1.2 工業(yè)分析與元素分析

按照GB/T 212-2001《煤的工業(yè)分析方法》和GB/T 31391-2015《煤的元素分析》分別測(cè)定中煤、重介精煤和解離精煤的水分、灰分、揮發(fā)分、固定碳、硫分、碳、氫、氧、氮等元素含量。

1.3 煉焦性能測(cè)定

膠質(zhì)層指數(shù)和黏結(jié)指數(shù)是判定煤種和評(píng)價(jià)煤炭煉焦可行性的重要指標(biāo)。按照GB/T 479-2000《煙煤膠質(zhì)層指數(shù)測(cè)定方法》和GB/T 5447-2014《煙煤黏結(jié)指數(shù)測(cè)定方法》，分別測(cè)定重介精煤和解離精煤的膠質(zhì)層最大厚度Y、最終收縮度X和黏結(jié)指數(shù)G。

1.4 顯微煤巖類型測(cè)試

將中煤、重介精煤和解離精煤分別用酒精清洗、烘干后制備成光片，對(duì)光片進(jìn)行酒精洗滌，清除光片表面灰塵等吸附物，待光片自然晾干后，將其粘在樣品托上進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)使用德國(guó)DMRXP-MPV-SP顯微光度計(jì)，將光片置于光學(xué)顯微鏡油浸物鏡下，使視域亮度適中，成像清晰。從試樣的一端開(kāi)始，按0.5 mm步長(zhǎng)沿固定方向移動(dòng)，并鑒定位于十字絲交點(diǎn)下的顯微組分或礦物，計(jì)入相應(yīng)計(jì)數(shù)鍵中。當(dāng)一行統(tǒng)計(jì)結(jié)束后，以0.5 mm的行距沿固定方向移動(dòng)一步，繼續(xù)另一行的統(tǒng)計(jì)，直到測(cè)點(diǎn)布滿全片為止。當(dāng)遇膠結(jié)物時(shí)，顯微組分中的細(xì)胞空腔、空洞、裂隙及無(wú)法辨認(rèn)的微小顆粒作無(wú)效點(diǎn)，不予統(tǒng)計(jì)[15]。

2 結(jié)果與討論

2.1 工業(yè)分析和元素分析

中煤、重介精煤和解離精煤的工業(yè)分析和元素分析結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可以看出，中煤的灰分為33.68%，表明中煤含有大量的有機(jī)組分，可能滿足破碎解離再選的條件。中煤的硫分為1.82%，解離精煤的硫分為1.38%，低于重介精煤的硫分，表明中煤的硫分主要以無(wú)機(jī)硫的形態(tài)分布在礦物組分中，中煤經(jīng)過(guò)破碎解離后，其硫分會(huì)隨著有機(jī)組分和礦物組分的分離而自行富集在礦物組分中，這是解離精煤硫分低于重介精煤硫分的主要原因。

表1 中煤和重介精煤及解離精煤的工業(yè)分析和元素分析

在工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際中，研究者們主要關(guān)注通過(guò)不同的解離方法實(shí)現(xiàn)中煤有機(jī)組分和無(wú)機(jī)組分的深度解離與分離，在滿足灰分指標(biāo)的條件下盡可能地提高精煤的回收率，從而提升選煤廠的經(jīng)濟(jì)效益。由表1還可以看出，重介精煤和解離精煤的灰分分別為10.03%和10.01%，灰分相近，并且兩者的工業(yè)分析和元素分析結(jié)果基本一致。從工業(yè)分析和元素分析的角度，兩者的性質(zhì)幾乎沒(méi)有差異。從煉焦煤選煤廠精煤產(chǎn)品的用途上講，其精煤產(chǎn)品主要作為原料用于生產(chǎn)焦炭，但是從中煤產(chǎn)物中回收的解離精煤，其煉焦性能卻不受重視。本研究后續(xù)主要關(guān)注重介精煤和解離精煤的煉焦性能和煤巖學(xué)差異。

2.2 煉焦性能

表2所示為重介精煤和解離精煤的膠質(zhì)層指數(shù)和黏結(jié)指數(shù)。根據(jù)GB/T 5751-2009《中國(guó)煤炭分類》判別標(biāo)準(zhǔn)，指標(biāo)滿足w(Vdaf)>20.0%～28.0%，G>65，Y≤25.0的煤種為焦煤，表1和表2表明山西呂梁聚德選煤廠入選煤種為焦煤。解離精煤的揮發(fā)分略低于重介精煤的揮發(fā)分，然而其膠質(zhì)層指數(shù)和黏結(jié)指數(shù)指標(biāo)顯著低于重介精煤的相應(yīng)指標(biāo)。解離中煤無(wú)法在煙煤的分類范疇中找到其對(duì)應(yīng)的煤種，所以解離精煤并不符合煉焦煤的指標(biāo)需求。從煉焦中煤中回收了一定量的解離精煤，雖然增加了精煤產(chǎn)品的產(chǎn)率，但同時(shí)降低了精煤產(chǎn)品的質(zhì)量。因此，在考察解離精煤的灰分指標(biāo)的同時(shí)，更應(yīng)該注重考察解離精煤的煉焦性能指標(biāo)。

表2 重介精煤和解離精煤的膠質(zhì)層指數(shù)和黏結(jié)指數(shù)

2.3 煤巖組分

表3所示為中煤、重介精煤和解離精煤的煤巖組分和礦物組分。由表3可知，不同煤樣有機(jī)質(zhì)的煤巖亞顯微組分有很大的差異。中煤有機(jī)質(zhì)中的主要亞顯微組分為結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體2、基質(zhì)鏡質(zhì)體和半絲質(zhì)體，含量分別為24.1%，20.9%和23.1%；重介精煤有機(jī)質(zhì)中的主要亞顯微組分為基質(zhì)鏡質(zhì)體、碎屑鏡質(zhì)體和半絲質(zhì)體，含量分別為40.3%，29.4%和16.4%；解離精煤有機(jī)質(zhì)中的主要亞顯微組分為基質(zhì)鏡質(zhì)體和半絲質(zhì)體，含量分別為44.8%和23.8%。與重介精煤相比，解離精煤的鏡質(zhì)組含量降低16.0%，惰質(zhì)組含量增加17.7%。解離精煤鏡質(zhì)組含量降低主要是因?yàn)樗樾肩R質(zhì)體的減少，惰質(zhì)組含量增加主要是因?yàn)榘虢z質(zhì)體和碎屑惰質(zhì)體的增加。圖2所示為中煤的礦物組分照片。由圖2可以看出，中煤的礦物嵌布粒度、嵌布形狀和嵌布方式非常復(fù)雜，方解石和黃鐵礦填充在黏土礦物的裂隙中，黏土浸染基質(zhì)鏡，這些礦物間很難通過(guò)簡(jiǎn)單破碎進(jìn)行解離[15-18]。

不同的煤巖組分源于不同成煤物質(zhì)間不同的生物化學(xué)作用，其中鏡質(zhì)組主要由植物的木質(zhì)纖維組織經(jīng)凝膠化作用轉(zhuǎn)化而成，惰質(zhì)組由植物遺體經(jīng)絲炭化作用轉(zhuǎn)化而成[10]，不同的顯微組分具有不同的物理化學(xué)特性[4]，所以解離精煤和重介精煤煤巖組分的差異決定了其煉焦性能的差異。

表3 中煤和重介精煤及解離精煤的煤巖組分和礦物組分

圖2 中煤的礦物組分照片

3 結(jié) 論

1)解離精煤和重介精煤的工業(yè)分析和元素分析各項(xiàng)指標(biāo)相近，但兩者煉焦性能存在巨大差異。根據(jù)解離精煤的揮發(fā)分、膠質(zhì)層指數(shù)和黏結(jié)指數(shù)指標(biāo)可以判定解離精煤的煤種為焦煤，然而無(wú)法在煙煤的分類范疇中找到解離精煤對(duì)應(yīng)的煤種。

2)解離精煤和重介精煤的鏡質(zhì)組含量分別為57.1%和73.1%，惰質(zhì)組含量分別為38.1%和20.4%，與重介精煤相比，解離精煤的鏡質(zhì)組含量降低16.0%，惰質(zhì)組含量增加17.7%。解離精煤和重介精煤煤巖組分差異是導(dǎo)致兩種精煤膠質(zhì)層指數(shù)和黏結(jié)指數(shù)差異顯著的主要原因。