韋魯濱，董亞林，邵珠倩，魏 濤，楊熙祖，朱學帥

(中國礦業(yè)大學(北京) 化學與環(huán)境工程學院，北京 100083)

煤炭作為我國主要能源之一，是國民經(jīng)濟高速發(fā)展不可或缺的一部分[1]。但高硫煤燃燒過程中會釋放二氧化硫、三氧化硫、硫化氫等有毒氣體，這些有害氣體形成酸雨不僅造成環(huán)境污染而且還會對鐵路建材造成破壞[2-3]；再者煤炭的儲存、加工和利用[4-5]常常被煤中硫分所限制；煤中黃鐵礦被氧化會釋放大量熱量加速煤的氧化與自燃，對煤的儲運極其不利；煤中硫分還會降低焦炭質(zhì)量，導致鋼鐵質(zhì)量嚴重不足，增大高爐出渣量[6-7]，因此煤炭脫硫刻不容緩。

目前煤炭脫硫主要有燃前脫硫、燃中固硫、燃后脫硫三種方式，燃前脫硫普遍被認為最為經(jīng)濟[8]，我國一直以燃前脫硫為主要脫硫手段，燃中固硫與燃后脫硫以輔助形式對其補充[9]。燃前脫硫主要包括物理脫硫、化學脫硫、生物脫硫等。化學脫硫需在高溫高壓等嚴苛條件下進行且破壞煤質(zhì)結構[10-12]；生物脫硫主要利用微生物改善黃鐵礦親水性使其脫除，但其脫硫速率較慢且對溫度、活性較為敏感[13-14]；因此物理脫硫最為經(jīng)濟。煤炭破碎能夠有效使夾矸煤中的精煤解離出來，通過重力分選不僅提高精煤產(chǎn)率而且能夠達到脫硫、降低灰分效果[15-16]，對選煤廠生產(chǎn)效益有較大的提升。因此本研究主要目的通過不同破碎方案比較，綜合選煤廠經(jīng)濟效益和脫硫效果，最終確定適合沁水煤田選煤廠破碎方案。

1 樣品與方法

1.1 試驗煤樣

試驗煤樣來自沁水煤田寺家莊選煤廠入選原煤，選煤廠連續(xù)采樣時間不得少于2 h，原煤采樣時間一般來說越長越好，因為延長采樣時間有利于樣本具有代表性，但是選煤廠生產(chǎn)條件并不是穩(wěn)定不變的，而是在一定的波動范圍內(nèi)，因此一味延長采樣時間也會使樣品失去代表性。寺家莊選煤廠原煤皮帶末端裝有采樣機，皮帶走廊下方場地用于制樣，采樣機以時間基準進行采樣，采樣時間為90 min，時間間隔82 s，采樣過程由時間繼電器控制電機帶動采樣鏟橫截煤流取樣，煤樣經(jīng)接樣槽進入皮帶下方空地，采樣過程均在選煤廠正常生產(chǎn)情況下采取。

1.2 測試方式

首先在載物盤上粘上雙面膠帶，然后取少量粉末試樣在膠帶并涂至均勻，膠帶邊緣涂上導電銀漿以連接樣品與載物盤，等銀漿晾干進行蒸金處理最后采用掃描電鏡分析礦物嵌布特性，整個過程嚴格按照《煤的顯微組分組和礦物的測定方法》(GB/T8899—2013)標準；將原煤浮沉樣品磨樣至20目，再將煤樣、樹脂、固化劑混合攪拌靜置至混合物固結，隨后磨片、拋光制備成粉煤光片，最后采用反射顯微鏡測定原煤煤巖組成。通過以上分析測試，初步考察硫分在煤中的分布特性和解離的難易程度。試驗采用光學顯微鏡與掃描電鏡觀察分析，其參數(shù)見表1。

表1 設備參數(shù)表Tab.1 Device parameters table

1.3 破碎方案

試驗采用三種不同破碎方式組成六種破碎方案，圖1為原煤破碎試驗流程，即原煤+25 mm分兩份進行破碎解離研究，第一份按照25 mm進行破碎，第二份按照13 mm破碎；25～13 mm原煤按照13 mm進行破碎，以上破碎產(chǎn)品進行篩分浮沉試驗。

2 結果與討論

2.1 原煤煤質(zhì)分析

為詳細了解硫分分布規(guī)律，將煤樣分別按照GB/T477—2008、GB/T 478—2008進行篩分浮沉試驗，篩分結果見表2，浮沉結果見表3；并繪制其硫分可選性曲線見圖2。

圖1 破碎試驗流程Fig.1 Crushing experiment flow

表2 原煤篩分試驗結果Tab.2 Screening test results of raw coal

由表2可知，原煤+50 mm產(chǎn)率為7.05%，說明原煤硬度不大，50～1 mm各粒度級產(chǎn)率分布比較均勻；-6 mm產(chǎn)率49.13%，平均灰分24.51%，+6 mm平均灰分40.0%，-3 mm產(chǎn)率為34.7%，平均灰分23.41%，進一步說明煤質(zhì)較脆易碎；-1.5 g/cm3含量較多為50.32%，且硫分不高，1.5～1.8 g/cm3產(chǎn)率較低為8.38%，說明夾矸煤含量不多；原煤平均硫分為1.89%，屬中高硫煤，且硫分隨粒度降低大致呈減小趨勢。說明通過破碎可以將其解離從而達到脫硫目的。原煤硫分隨密度先減小后增大，說明通過重力分選可以降低硫分；圖2硫分可選性曲線表明當要求精煤硫分為1%時，理論精煤產(chǎn)率為54.4%，理論分選密度約1.47 g/cm3，±0.1含量為30.24%，原煤可選性等級為難選。

表3 原煤+0.5 mm硫分浮沉實驗表Tab.3 Floating and sinking test table of raw coal +0.5 mm sulfur content

圖2 原煤 +0.5 mm硫分可選性曲線Fig.2 Optional curve of raw coal +0.5 mm sulfur content

沁水煤田高硫煤中黃鐵礦主要以細小的顆粒充填在有機組分間，顆粒大小不等，形狀以原生粒狀、莓狀和簇狀、簇狀集合為主，部分充填在有機組分的細胞結構的細胞腔中，排列非常整齊，高密度級多以黃鐵礦為主，且黃鐵礦呈片狀分布于煤樣之間，低密度級無明顯黃鐵礦，硫酸鹽等賦存，但其硫分偏高，說明其低密度級煤樣中以有機硫分為主。從圖7不同元素在掃描電鏡下分布情況可以看出，由硫元素和鐵元素集中分布可大致推斷該處為硫化亞鐵，同理根據(jù)氧硅鋁等元素聚集可推測該出為矸石，說明通過一定程度破碎能夠使其精煤與黃鐵礦分離，從而通過重力分選達到脫硫目的。

圖3、圖4可知1.4 ～1.6 g/cm3密度級硫分均在1%～1.5%之間，說明通過重力分選可以得到低硫精煤但產(chǎn)率較低，除非進一步破碎解離；+1.7 g/cm3密度級硫分偏高均在2%以上，可推測黃鐵礦夾矸占比較多所致，因此適當提高分選密度能夠脫除部分無機硫分；各粒度級中低密度級硫分差別并不明顯，這多為原煤中有機硫在低密度級中分布均勻且無機硫較少所致。隨著粒度增大，密度越大硫分越高，這個主要是因為未解離的黃鐵礦小顆粒在大粒度級別中越來越富集。在-1.8 g/cm3密度級中各密度級硫分和粒度基本呈線性關系，且粒度越大，斜率就越大。+1.8 g/cm3密度級硫分明顯比低于其密度高出許多，且隨粒度不斷增大是由于大塊黃鐵礦結核被破碎成各個粒度級所致，但同時也可看出細粒度級低于粗粒度級，這是因為黃鐵礦結核較煤炭相比硬度較大不易破碎。因此通過破碎可以達到煤矸分離效果。

為探明其硫分嵌布特性，將寺家莊原煤25～13 mm浮沉樣品磨樣制備并送至光學顯微鏡下觀察，主要觀察黃鐵礦顆粒的粒度、數(shù)量、形態(tài)及與有機組分的伴生關系，觀察結果如圖5—7所示：

圖3 原煤25～0.5 mm不同密度硫分分布 圖4 原煤25～0.5 mm硫分與粒度及密度關系Fig.3 Sulfur content distribution of raw coal at different densities of 25～0.5 mm Fig.4 Relationship between grain size and density of raw coal and sulfur content of 25～0.5 mm

圖5 寺家莊25～13 mm +1.8 g/cm3 圖6 寺家莊25～13 mm 1.4～1.5 g/cm3Fig.5 Si jia zhuang 25～13 mm + 1.8 g/cm3 Fig.6 Si jia zhuang 25～13 mm 1.4～1.5 g/cm3

圖7 原煤25～13 mm浮沉樣品掃描電鏡Fig.7 Scanning electron microscope of 25～13 mm floating sample of raw coal

2.2 破碎產(chǎn)品分析

表4與表5為破碎產(chǎn)品25～0 mm浮沉結果，從表4可以看出當+25 mm原煤按照25 mm粒度進行破碎時，破碎產(chǎn)物1.3～1.4 g/cm3產(chǎn)率為31.68%，明顯多于破碎前產(chǎn)率17.17%，該密度級產(chǎn)率提高14.51%(占本級)，說明破碎能夠一定程度提高精煤產(chǎn)率。破碎產(chǎn)物中低密度級硫分偏高，這是可能是因為低密度級中以有機硫為主；從表4結果來看低密度級硫分偏高，進一步說明低密度級中以有機硫為主。

表4 +25 mm破碎至-25 mm， 25～0.5浮沉實驗Tab.4 +25 mm crushing -25 mm， 25～0.5 floating and sinking experiment

表5 +25 mm破碎至-25 mm， -0.5 mm浮沉實驗Tab.5 +25 mm crushing -25 mm， -0.5 mm floating experiments

表6與表7為+25 mm原煤破碎至-13 mm 浮沉實驗結果，根據(jù)表6可以看出-1.5 g/cm3理論產(chǎn)率為55.61%，相較于破碎粒度25 mm理論產(chǎn)率47.56%提高8.05%(占本級)，說明進一步破碎理論產(chǎn)率也會隨之增加，但進一步破碎磨礦能耗較高，因此是否按照13 mm粒度破碎還有待商榷。表7說明破碎后-0.5 mm主要以矸石為主，說明通過破碎使得矸石與煤解離，進而可通過分選除去。

表6 +25 mm破碎至-13 mm， 13～0.5 mm浮沉實驗Tab.6 +25 mm crushing -13 mm， 13～0.5 floating and sinking experiment

表7 +25 mm破碎至-13 mm， -0.5 mm浮沉實驗Tab.7 +25 mm crushing 13 mm， -0.5 mm floating and sinking experiments

表8與表9為破碎產(chǎn)品13～0 mm浮沉實驗，經(jīng)表8、表9得出浮沉產(chǎn)品主要集中在低密度和高密度級兩端且呈現(xiàn)兩頭多中間少的趨勢，說明原煤經(jīng)過破碎可以使其達到煤與矸解離效果；其中各密度級硫分呈兩頭大中間小的趨勢，進一步驗證低密度級硫分主要以有機硫為主，高密度產(chǎn)品則以無機硫為主。

表8 破碎產(chǎn)品 13～0.5 mm浮沉實驗Tab.8 Floating and sinking test of broken products 13～0.5 mm

表9 破碎產(chǎn)品-0.5 mm浮沉實驗Tab.9 Floating and sinking experiments for crushing products -0.5 mm

本研究以硫分為主，因此將破碎前后硫分與浮物累計繪制成圖8—10，通過分析對比探明按照不同破碎方式破碎精煤產(chǎn)率與硫分關系。

圖8 破碎產(chǎn)品25～0 mm硫分累計Fig.8 Sulfur content accumulation of crushed product 25～0 mm

圖9 破碎產(chǎn)品13～0 mm硫分累計Fig.9 Sulfur content accumulation of broken product 13～0 mm

圖10 原煤25～13 mm破碎13 mm浮物累計Fig.10 Floating matter accumulation of raw coal 25～13 mm broken 13 mm

通過圖9(a)與圖8(a)對比可以看出隨著破碎粒度下限增大，精煤產(chǎn)率也隨之增大，其中精煤硫分在1%以下破碎后理論精煤產(chǎn)率明顯高于破碎前產(chǎn)率，說明破碎能夠使得夾矸煤充分解離，從而提高精煤產(chǎn)率，但其破碎能耗也隨之增大，因此是否進一步破碎有待考究；圖8(b)、圖9(b)、圖10(b)分別為破碎產(chǎn)品-0.5 mm硫分累計，可以看出硫分呈兩頭大中間小的趨勢，進一步說明有機硫在低密度富集，并驗證了低密度有機硫較多，高密度則以無機硫為主。

2.3 破碎方案選擇

為研究破碎對精煤產(chǎn)率和精煤硫分影響，本次破碎實驗采用3種破碎方式研究破碎對煤中硫分影響。第一種為+25 mm粒度原煤破碎至-25 mm；第二種破碎方式是+25 mm粒度原煤破碎至-13 mm；第三種是將25～13 mm原煤破碎到-13 mm。

按照表10的算法，匯總了三種破碎方案破碎前后理論精煤產(chǎn)率變化，表中小計的精煤產(chǎn)率依然是按照破碎本級計算。

由圖8、圖9可以看出，當要求精煤硫分較低時，可以通過破碎提高精煤產(chǎn)率；精煤產(chǎn)率較高時，由于原煤易碎，破碎產(chǎn)物中-0.5 mm粒級量較大，而按照寺家莊洗煤廠現(xiàn)有工藝，-0.5 mm粒級是不分選的，從而導致精煤產(chǎn)率降低。

為增加數(shù)據(jù)可比性，將精煤產(chǎn)率進一步按全樣計算，其中原煤中+25 mm粒級占全樣20.40%、25～13 mm粒級占全樣13.83%，折算結果列于表11。

表11結果表明，當要求精煤硫分為1%時，+25 mm原煤破碎至-25 mm，精煤產(chǎn)率能夠提高1.76%；+25 mm原煤破碎至-13 mm，精煤產(chǎn)率可提高3.46%；25～13 mm原煤破碎至-13 mm，精煤產(chǎn)率提高3.85%。

表10 原煤不同破碎方式結果對比Tab.10 Comparison of results of different crushing methods of raw coal

表11 原煤不同破碎方式精煤產(chǎn)率的變化Tab. 11 Changes of yield of cleaned coal by different crushing methods

結合表11試驗結果來看，原煤經(jīng)過不同破碎方式，精煤理論產(chǎn)率均有所提高，且隨著破碎粒度下限減小而增大，但在實際生產(chǎn)過程中，并不是為了精煤產(chǎn)率而無限制地進行破碎，而是結合實際分選設備粒度要求和客戶需求來進行破碎，然而，哪種破碎方式和破碎粒度既具有經(jīng)濟性又具有實用性，需進一步對比研究，故提出以下6種破碎方案：

方案1：原煤不破碎，現(xiàn)有工藝。

方案2：+25 mm原煤不破碎，25～13 mm原煤破碎至13 mm。

方案3：+25 mm原煤破碎25 mm，25～13 mm原煤不破碎。

方案4：+25 mm原煤破碎至13 mm，25～13 mm原煤不破碎。

方案5：+25 mm原煤破碎至25 mm，25～13 mm原煤破碎至13 mm。

方案6：全部按照13 mm破碎。

表12 不同破碎方案精煤提高產(chǎn)率Tab. 12 Iimproved yield of cleaned coal in different crushing schemes

通過不同破碎方案比較可知，從方案1—6破碎難度逐步增大，其理論精煤產(chǎn)率也隨之增加，說明通過一定程度破碎，可以使得精煤解離出來，且破碎程度越大解離量越多。方案6較方案5雖然破碎能夠得到更多理論精煤，但是其破碎難度加大能耗更多且提高產(chǎn)率在1.4%左右，提高經(jīng)濟效益較少，說明進一步破碎意義不大；方案5相比于方案2、3、4而言，其破碎程度并不大且破碎工藝也不復雜，其中當要求精煤硫分為1%時，破碎后理論精煤產(chǎn)率較破碎前增加約八個百分點，顯著提高精煤產(chǎn)率，因此最終確定方案5進行破碎。

2.4 經(jīng)濟效益預估

寺家莊選煤廠年產(chǎn)量600萬噸，因當?shù)匾缶毫蚍植桓哂?%，因此以精煤硫分1%為參考，現(xiàn)有煤炭價格為-13 mm精煤價格為850元/t，-25 mm精煤為1 000元/t進行計算預估，預估結果見表13。

Y=AP1+BP2

(1)

其中:Y為經(jīng)濟效益，A為-13 mm提高產(chǎn)率，P1為對應A價格，B為-25 mm提高產(chǎn)率,P2為對應B價格。

從表13可以得出原煤按照+25 mm破至-25 mm，25～13 mm破至-13 mm進行破碎，預估毛利潤在31 320萬元，顯著提高企業(yè)經(jīng)濟效益。

表13 精煤硫分1%經(jīng)濟預測Tab.13 Economic forecast of 1% sulfur content of cleaned coal

3 結論

(1)沁水煤田高硫煤硫分分布為：低密度煤中以有機硫為主，高密度則以無機硫為主。

(2)六種破碎脫硫方案比較可知，選擇+25 mm原煤破碎至-25 mm，25～13 mm原煤破碎至-13 mm破碎方案脫硫效果最佳。

(3)當要求精煤硫分為1%時，破碎后較破碎前理論精煤產(chǎn)率提高約8個百分點，預估效益為31 320萬元。