王 偉

(神東煤炭集團(tuán)公司，陜西 榆林 719315)

0 引 言

SO2被公認(rèn)為當(dāng)前3種主要大氣污染物之一。2018年我國SO2排放量為1 651.6萬t，是目前急需解決的空氣污染問題之一[1-3]。神東煤炭基地是國家規(guī)劃建設(shè)的14個(gè)大型煤炭基地之一[4]，其所屬的神東礦區(qū)原煤產(chǎn)量占全國的6%左右，對保障國家能源安全起重要作用。隨著開采規(guī)模的擴(kuò)大，開采深度增加，原煤硫分不斷增高，硫分逐漸成為影響神東礦區(qū)商品煤質(zhì)量的不利因素[5-6]。廣泛深入研究煤中硫的賦存形式及分布規(guī)律，對開發(fā)新的脫硫方法及煤的合理加工利用有重要的現(xiàn)實(shí)意義，因此煤中硫及其分布特點(diǎn)的研究受到關(guān)注[7-9]。陳鵬[10]指出中國煤中硫含量變化甚大，從最低含硫量0.2%到最高8%以上均有，從地域分布看，硫含量有自北往南、自東向西增加的趨勢。劉英杰等[11]研究指出西北地區(qū)為我國低硫煤分布區(qū)域，通常全硫含量在0.50%以下，硫分主要來自成煤原始植物中的蛋白質(zhì)，多以有機(jī)硫?yàn)橹?，硫鐵礦硫次之，硫酸鹽硫最低。王偉[12]指出神東礦區(qū)商品煤以特低硫煤(全硫含量小于0.5%)為主，占比為88%。朱子祺等[13]指出大柳塔礦原煤全硫含量按粒度分布不均勻，全硫中以黃鐵礦硫?yàn)橹鳎急?0%以上。隨著近幾年神東礦區(qū)開采規(guī)模的不斷擴(kuò)大，一些含硫高煤層，尤其是過煤層接續(xù)處存在較多高硫煤，這對分選加工及商品煤質(zhì)量造成了一定壓力，因此系統(tǒng)分析入選原煤硫分隨粒度、密度及嵌布狀況的變化規(guī)律對于制定適宜的分選參數(shù)和合理的分選工藝十分必要?；诖吮疚倪x取了神東礦區(qū)主力礦井之一的大柳塔選煤廠入選原煤進(jìn)行煤質(zhì)分析，了解硫分的組成情況、隨粒度、密度的賦存情況及嵌布結(jié)構(gòu)特征，將硫分分布與實(shí)際生產(chǎn)相結(jié)合，以期為后續(xù)選煤廠工藝完善與調(diào)節(jié)提供基礎(chǔ)支撐。

1 試驗(yàn)內(nèi)容與方法

1.1 試驗(yàn)原料

原料取自大柳塔煤礦選煤廠原煤倉。大柳塔選煤廠位于神府東勝礦區(qū)中部，是一座特大型群礦型選煤廠，生產(chǎn)能力為34.00 Mt/a。大柳塔煤礦是神東礦區(qū)的主力礦井，具有代表性，根據(jù)GB/T 214—2007《煤中全硫的測定》、GB/T 31391—2015《煤的元素分析的規(guī)定》，對入選原煤進(jìn)行工業(yè)分析、元素分析，結(jié)果見表1。

表1 大柳塔選煤廠入選原煤工業(yè)分析和元素分析

由表1可知，大柳塔礦原煤全硫含量為0.79%，屬于長焰煤，中灰、低硫煤，原煤品質(zhì)較好。原煤硫含量與商品煤要求接近，必須通過分選穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量。

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容

1)原煤硫分粒度分布

將采取的原煤晾曬烘干后，混勻縮分成2份，一份備用，一份用于分析原煤的粒度組成。按照GB/T 477—2008《煤炭篩分試驗(yàn)方法》分別進(jìn)行原煤的自然級大篩分、自然級小篩分及破碎級篩分試驗(yàn)。將各粒級樣品分為3份：一份用于指標(biāo)分析，一份備用，一份進(jìn)行浮沉試驗(yàn)。全硫、形態(tài)硫指標(biāo)按照GB/T 215—2003《煤中各種形態(tài)硫的測定方法》進(jìn)行。

2)原煤硫分密度分布

對1)所得各粒級樣品進(jìn)行浮沉試驗(yàn)。浮沉試驗(yàn)參照GB/T 478—2008《煤炭浮沉試驗(yàn)方法》進(jìn)行，對樣品進(jìn)行系統(tǒng)分析，得到各粒度級和密度級的產(chǎn)率與灰分、全硫、形態(tài)硫含量。為了直觀顯示硫分在整個(gè)原煤中的分布規(guī)律，計(jì)算了各粒級不同密度級原煤的硫分分布率，以考察原煤中全硫在不同粒級、不同密度級物料中的分布情況。硫分分布率計(jì)算公式[14]為

(1)

式中，ηij為第i個(gè)粒度級j個(gè)密度級全硫分布率，%；γij為第i個(gè)粒度級j個(gè)密度級物料的產(chǎn)率，%；cij為第i個(gè)粒度級j個(gè)密度級物料中的硫含量，%；n為粒度級個(gè)數(shù)；m為浮沉級個(gè)數(shù)。

3)原煤硫分嵌布結(jié)構(gòu)分析

采用手選方式取得了典型含硫礦物的塊狀原煤，對樣品進(jìn)行切片、磨拋、拋光制作。利用Quanta250*掃描電子顯微鏡在低真空模式下采用800倍的放大倍數(shù)以及加速電壓25.0 kV觀察含硫礦物樣品表面微觀形貌。并采用Quantax 400-10型能量色散譜儀分析元素組成，了解含硫礦物的賦存狀態(tài)直觀觀察含硫礦物的存在形式與嵌布狀態(tài)，判斷原煤脫硫的尺度與難度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 全硫粒度分布規(guī)律

原煤自然級大篩分結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，原煤粒度組成分布向粗粒級集中，塊煤比例高，>13 mm粒級的塊原煤占比達(dá)到52.13%，說明原煤煤質(zhì)較硬，采煤過程中不易粉碎。隨原煤粒度的降低，樣品灰分逐漸升高，由21.32%增加到32.28%，進(jìn)一步說明原煤中有機(jī)質(zhì)硬度較大，矸石較脆，在綜采過程中矸石更多向細(xì)顆粒富集。<0.5 mm部分產(chǎn)率為9.15%，灰分為32.28%，存在一定程度的泥化現(xiàn)象。

圖1 大柳塔選煤廠入選原煤自然級大篩分結(jié)果

隨粒度減小，各粒級硫分呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，尤其>50 mm和<0.5 mm粒級硫分分別達(dá)到了0.95%、0.70%，硫分含量明顯高于其他粒級，說明硫分向粗細(xì)顆粒集中，分選過程要特別注意塊煤和細(xì)煤泥的脫硫效果。特別是原煤自然級>50 mm硫分高，而其含量占比達(dá)到27.31%。大柳塔選煤廠采用了塊煤淺槽、跳汰+末煤重介旋流器的主體工藝，生產(chǎn)過程中原煤中>50 mm部分未破碎直接進(jìn)入分選環(huán)節(jié)，這部分塊煤硫分若以無機(jī)硫?yàn)橹?，則會(huì)隨精煤進(jìn)入商品煤，造成商品煤硫分升高，因此不能采用分級分選，需根據(jù)后續(xù)形態(tài)硫分析結(jié)果進(jìn)一步分析。若粗粒級中硫分以無機(jī)硫?yàn)橹鳎瑧?yīng)考慮采用降低入選下限，在物料進(jìn)入分選環(huán)節(jié)前進(jìn)行破碎解離，保證脫除其他無機(jī)礦物的同時(shí)，降低精煤中硫分。

鑒于此，將大柳塔原煤>50 mm部分破碎至<50 mm，并分析破碎后硫分的粒度組成情況，結(jié)果如圖2所示。

圖2 大柳塔選煤廠入選原煤破碎級粒度組成

由圖2可知，破碎級物料主導(dǎo)粒級為50～25 mm，占比達(dá)到61.67%，硫分為0.96%，這與先前分析的神東礦區(qū)原煤抗碎強(qiáng)度較高有關(guān)，破碎后原煤保持自身粒度的能力較強(qiáng)，破碎產(chǎn)生細(xì)泥含量低，含量不足2%，不增加煤泥水系統(tǒng)處理增加。破碎后各粒級硫分隨粒級降低而波動(dòng)升高，尤其是6～0.5、<0.5 mm粒級硫分含量超過1%，經(jīng)過破碎后由于矸石部分較脆易向細(xì)顆粒部分富集，造成細(xì)粒級硫分含量升高。說明破碎后含硫礦物實(shí)現(xiàn)了一定程度的解離，但解離程度還需結(jié)合浮沉結(jié)果分析。

2.2 全硫密度分布規(guī)律

原煤綜合級浮沉試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，神東礦區(qū)原煤屬于優(yōu)質(zhì)動(dòng)力煤，原煤中矸石以頂?shù)装蹇梢婍窞橹?，且煤層較厚，內(nèi)灰低[15-16]。大柳塔選煤廠入選原煤主導(dǎo)密度級為<1.4 g/cm3，產(chǎn)率為75.15%，灰分為5.67%，硫分為0.34%，一般認(rèn)為<1.4 g/cm3原煤中灰分主要由同生礦物轉(zhuǎn)化而成，也稱為內(nèi)灰，因此大柳塔選煤廠原煤內(nèi)灰較低、同生礦物含量較低。當(dāng)分選密度為<1.5 g/cm3時(shí)，精煤產(chǎn)率81.66%。原煤中間密度級1.5～1.8 g/cm3含量極低，產(chǎn)率為3.76%，灰分為27.74%，因此沒有必要生產(chǎn)中煤，原煤只需排除矸石就能達(dá)到產(chǎn)品要求。>1.8 g/cm3灰分為78.08%，矸石較純，連生體較少。隨著浮沉密度增大，原煤硫分含量先緩慢增加，當(dāng)浮沉密度超過1.6 g/cm3后，全硫含量迅速增加。這可能是由于煤中含硫組分以無機(jī)礦物為主且整體解離情況較好，因此在低密度級原煤中無機(jī)礦物含量較低，且隨密度升高，增幅不大，而高密度級中無機(jī)礦物含量迅速增加，造成硫分快速增大。因此實(shí)際生產(chǎn)過程中需盡可能降低精煤的帶矸率，保證精煤不受矸石污染。

圖3 大柳塔選煤廠入選原煤各密度級分布

各粒級浮沉結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，隨浮沉密度升高，各粒級物料硫分均逐漸升高。浮沉密度1.3～1.8 g/cm3，浮沉密度相同時(shí)，粗顆粒硫分整體高于細(xì)粒級，而在>1.8 g/cm3，浮沉密度相同時(shí)，除了>50 mm粒級外，粗顆粒硫分低于細(xì)粒級，說明隨著粒級上限降低，含硫礦物的解離程度逐漸增高，更多的含硫無機(jī)礦物向高密度物料集中，因此細(xì)顆粒原煤的低密度級硫分更低，高密度級硫分高于粗顆粒。而>50 mm粒級主要是由于全硫含量較高，造成其各密度級的硫分都高于其他粒級。

圖4 大柳塔選煤廠入選原煤各粒度級密度組成

原煤中硫分在不同粒度級各密度級物料中的分布情況如圖5所示。由圖5可知，隨著浮沉密度升高，不同粒級的硫分分布率均呈現(xiàn)先升高后降低再升高的趨勢，中間密度級硫分分布率極低，主要分布在>1.8 g/cm3和<1.4 g/cm3密度級，且在高密度級中分布最高。中間密度級硫分分布率低主要是由于其產(chǎn)率很低，高密度級產(chǎn)率雖然不高，但硫分較高，造成硫分分布率升高，說明原煤中以無機(jī)硫?yàn)橹?。整體看來，200～50 mm低密度級硫分分布率和6.0～0.5 mm 高密度級硫分分布率明顯高于其他粒級，分別達(dá)到了27.88%、33.87%，因此實(shí)際生產(chǎn)過程中應(yīng)特別注意粗粒級的解離效果和細(xì)粒級的排矸效果。

圖5 大柳塔選煤廠入選原煤硫分在不同粒級各密度級分布

2.3 形態(tài)硫分布規(guī)律

根據(jù)前文分析基本判定大柳塔選煤廠入選原煤中硫分以無機(jī)硫?yàn)橹饕嬖谛问?，但具體含量以及不同密度級物料的全硫組成還需結(jié)合形態(tài)硫測試結(jié)果分析。將原煤各粒度進(jìn)行采樣、分析，形態(tài)硫分布結(jié)果如圖6所示，可知原煤中含硫組分以黃鐵礦硫?yàn)橹?，占比超過60%、有機(jī)硫和硫酸鹽硫含量相近。黃鐵礦硫含量隨粒度變小呈先增大后減少趨勢，說明原煤中粗顆粒硫分含量相對較高，且以黃鐵礦硫?yàn)橹鳎绶钱a(chǎn)品結(jié)構(gòu)需要，不出塊煤的選煤廠應(yīng)盡可能降低分選上限，將原煤中粗粒級部分進(jìn)行破碎解離，有利于實(shí)現(xiàn)含硫礦物的解離分選。有機(jī)硫、硫酸鹽硫與之相反。

圖6 大柳塔選煤廠入選原煤各粒級形態(tài)硫分布

原煤各密度形態(tài)硫分布結(jié)果如圖7所示，可知隨著密度級的增加，黃鐵礦硫、硫酸鹽硫含量逐漸增加，有機(jī)硫含量逐漸降低，說明低密度中硫分以有機(jī)硫?yàn)橹鳎呙芏燃壷辛蚍忠渣S鐵礦硫?yàn)橹?，這與煉焦煤及其他文獻(xiàn)研究結(jié)果類似[14]，由于有機(jī)硫無有效方法大規(guī)模脫除，因此選煤廠應(yīng)該盡可能將原煤中黃鐵礦硫解離，降低低密度級物料中黃鐵礦含量。

圖7 大柳塔選煤廠入選原煤各密度級形態(tài)硫分布

2.4 含硫礦物嵌布

原煤中含硫組分主要是黃鐵礦硫，脫除黃鐵礦硫是選煤廠保證原煤質(zhì)量的重點(diǎn)。為了解原煤中含硫礦物的賦存狀態(tài)，對手選代表性塊狀樣品切片進(jìn)行掃描電鏡及與能譜測試分析，結(jié)果如圖8所示。由圖8(a)可知，硫酸鹽主要存在形式為石膏，呈粒狀嵌布在煤樣中；有機(jī)硫均勻分布在碳元素周圍，脫除難度大。由圖8(b)可知，黃鐵礦硫主要呈細(xì)脈狀分布，充填在煤中裂隙狀之間，屬于后生礦物，嵌布粒度在0.1 mm左右。由圖8(c)可知，團(tuán)塊狀黃鐵礦晶粒表面均一光潔，形態(tài)完整，這類黃鐵礦也屬于后生礦物[7]。

圖8 大柳塔選煤廠入選原煤電鏡掃描與能譜分析

3 結(jié) 論

1)大柳塔選煤廠入選原煤屬中灰、低硫煤。隨粒度減小，各硫分呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，細(xì)粒級和粗粒級硫分含量明顯高于其他粒級，硫分向粗細(xì)顆粒集中，且粗粒級原煤中硫分以黃鐵礦硫?yàn)橹?，因此分選工藝的制定需考慮進(jìn)一步降低分選上限，并加強(qiáng)細(xì)煤泥的提質(zhì)效果。

2)浮沉密度在1.3～1.8 g/cm3時(shí)，同密度條件下，粗顆粒硫分高于細(xì)粒級；而在>1.8 g/cm3，粗顆粒硫分低于細(xì)粒級，說明隨著粒級上限的降低，含硫礦物的解離程度逐漸增高，更多的含硫無機(jī)礦物向高密度物料集中。

3)隨著浮沉密度的增加，硫分分布率均呈現(xiàn)先升高后降低再升高的趨勢，中間密度級硫分分布率極低，主要分布在>1.8 g/cm3密度級和<1.4 g/cm3密度級。整體看來，200～50 mm低密度級硫分分布率和6.0～0.5 mm高密度級硫分分布率明顯高于其他粒級，實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)特別注意粗粒級的解離效果和細(xì)粒級的排矸效果。

4)含硫組分以黃鐵礦硫?yàn)橹?，占比超過60%，有機(jī)硫和硫酸鹽硫含量相近。隨著浮沉密度的升高，黃鐵礦硫、硫酸鹽硫含量逐漸增加，有機(jī)硫含量逐漸降低。硫酸鹽的主要為石膏，呈粒狀嵌布；黃鐵礦硫呈細(xì)脈狀、粒狀分布，嵌布粒度0.1 mm左右，易于破碎解離。