油团聚法制备超低灰煤的研究进展

柴社居，李桂春

(黑龙江科技大学 矿业工程学院，黑龙江 哈尔滨 150022)

油团聚法制备超低灰煤的研究进展

柴社居，李桂春

(黑龙江科技大学 矿业工程学院，黑龙江 哈尔滨 150022)

介绍了油团聚法制备超低灰煤的工艺方法，阐述了煤的结构特性和表面性质，煤的粒径，团聚油的性质、种类及用量，搅拌时间与搅拌速度等因素对团聚效果的影响，并对油团聚法制备超低灰煤的发展趋势与未来前景进行了论述。

油团聚；超低灰煤；油团-浮选法；油团-筛分法；团聚油；搅拌

我国是煤炭消费大国，在一次能源消费结构中，煤炭消费占到了70%[1]。但是，煤炭在加工利用过程中，产生了许多污染物，导致环境污染严重，究其原因主要是由于煤炭的灰分、硫分等含量普遍较高而造成的。为了减少污染，节省能源，应尽可能采取洁净煤技术。另外，中国石油储量贫乏，当前的主要措施是储油、节油、代油，故扩大煤基燃料代油的开发是合乎国情的。其中，油团聚法制备的超低灰煤，可将其制成超低灰水煤浆，在燃气轮机以及柴油机中代替柴油进行燃烧，才减少国内石油的用量。

油团聚法是一种重要的煤炭脱灰技术。用油团聚法制备超低灰煤，既可减少环境污染，节约能源，又可以利用该方法所制得的超低灰煤制备水煤浆等，提高煤的利用率，以煤代油，减轻国内石油储量的贫乏程度。由此可见，用油团聚法制备超低灰煤具有很好的应用前景。

1 油团聚工艺方法

油团聚脱灰法是依据矿物与煤表面疏水性的差异，进而实现分选的一种选煤方法[2]。具体是在磨细的煤浆中加入团聚油，对煤浆进行搅拌，团聚油将疏水的煤粒润湿，与此同时微细粒煤之间进行相互碰撞，并被团聚油“团”成非常小的煤粒聚团物，而亲水的矿物质则分散在水中，这样就把煤粒聚团物与矿物质很好地分离出来，从而达到分选的目的[3]。

现阶段，油团聚工艺方法主要有两种：一种是油团-浮选法，另一种油团-筛分法(OTP法)。两种方法主要原理都是利用煤中的有机质与无机矿物亲水性的不同，进而把它们分离开[4]。

1.1 油团-浮选法

油团-浮选法主要工艺流程是：首先，采用颚式破碎机将煤破碎至3 mm左右，再用球磨机将煤磨至1 mm以下，制成浓度为30%左右的微细粒煤浆；然后，用瓷球磨湿磨到所需的粒度，再稀释到一定的浓度，在加入团聚油的同时，也加入调整剂进行调整，通过高速搅拌，形成疏水的团聚物；之后再通过浮选等一系列的方法把煤粒团聚物和其他的矿物质分开。该方法与OTP法相比，可以大幅度地降低油团聚过程中的用油量，并且此法得到的产物机械夹带低，水分也较低。

1.2 油团-筛分法

油团-筛分法(OTP法)工艺流程为：将粒度小于10 cm的煤破碎到一定程度(<200 μm)，制成一定浓度和密度的微细粒煤浆，再将其平均粒径磨到7 μm左右，稀释成浓度为15%的煤浆；之后，加入团聚油，一同送到混合器中，经强烈搅拌，煤粒在团聚油的作用下形成了具有一定粒度及强度的聚团物，亲水的矿物质则分散于水中；最后，经过脱水与筛分，得到最终产物，并回收其中的团聚剂。筛下水经过一系列的澄清处理以后还可继续使用。

2 油团聚法制备超低灰煤的影响因素

2.1 煤的结构特性和表面性质

Murata等[5]探讨了煤表面的碳氧型氧对油团聚技术的影响，研究发现：如果煤的表面含有大量的碳氧型氧，则煤粒很难直接发生油团聚。郭崇涛等[6]对铁法、阜新和大同煤分别使用大港重油在70 ℃、pH值为5 ～6的条件下进行油团聚，发现大同煤的脱灰效率高于铁法与阜新煤，但其可燃质回收率略低于阜新煤。Timpe等[7]以褐煤为试验煤样，发现如果先将褐煤用热水干燥处理，则可以改善其油团聚的性能。Markus Zcw Shi等[8]在探讨年轻煤油团聚脱灰过程中，先将年轻煤用油酸钠等试剂进行处理，发现这样可以使年轻煤的油团聚性能得到进一步的改善。杨巧文等[9]在探究煤的结构特性对制备超低灰精煤的影响过程中，对不同的煤种进行了分析，发现如果煤表面的含氧量较多，则煤粒不出现团聚，应先加入一些调整剂，使煤的表面性质发生一定变化改善其性质后，煤粒才可能出现团聚行为。Tuncay Uslu等[10]将超声乳化前后的煤分别进行了油团聚实验，发现乳化后煤的灰分和硫分的去除率明显优于前者；并观察了乳化后煤颗粒的破碎、形成的裂隙以及孔隙等，发现超声对煤的破碎作用导致其粒度减小和表面裂缝，去除了煤表面的氧化层，产生了孔隙，当碳含量增大时，煤中氧含量减少；同时，煤表面和氧化层中的黏土和其他脉石矿物也减少，有利于油团聚的进行。

可见，在制备超低灰煤的过程中，煤的结构特性和表面性质极为重要，选择何种煤以及煤表面性质的处理，是油团聚制备超低灰煤的前提与基础。不同性质的煤对应的最佳团聚油种类、用量及所添加的药剂等都不同，直接影响油团聚的工艺条件，因此在制备之前一定要选择性质适宜的煤，这样有利于超低灰煤的制备。

2.2 煤的粒径

Gandolfi等[11-12]研制了一种新的设备，它能同时进行油团聚与研磨的操作，可脱掉煤中2/3的灰分，脱灰效果比一般设备好。郭崇涛等人[6]将煤在球磨机中分别研磨不同时间后，对粒径不同的煤用大港重油进行油团聚脱灰试验，结果表明：随着研磨时间不断增加，脱灰效率也不断地提高，但可燃质回收率会有所下降。杨巧文等[13]用十种不同的煤进行油团聚脱灰研究，发现煤的脱灰效果不但与矿物质在煤中的分布情况和存在形式有关，而且还与煤的粒径有关，煤粒粒径越小，矿物质就越容易与煤中有机质发生分离。李蒙俊等[14]在利用湖南白沙烟煤制备超低灰煤过程中，探讨了煤的粒径对油团聚脱灰的影响，发现煤的表面性质随煤的粒径的减小而不断变化，且对分离过程的影响很大；但是，煤的粒径不能过小，否则磨煤时间长，磨机功耗和所需成本就会增多。Ercan Sahinoglu等[15]利用阿尔特温-土耳其煤种探讨了不同用油量条件下不同粒径对可燃体回收率、灰分和硫分去除率的影响，发现随着煤的粒径和用油量的增大，团聚物粒径明显增大。Ercan Sahinoglu等[16]在探讨筛分粒度对粉煤团聚影响的过程中，研究了团聚物性能与筛分粒度的关系以及最佳团聚条件，发现大多数团聚物颗粒尺寸介于给料粒度与略高于给料粒度之间。

综上可见，磨煤所需时间和产物的灰分有一个相对平衡点，既要使煤粒粒径足够小、夹带的铁质较少，又要使磨机的功耗较少，这个平衡点将随着产品质量的不同而变化。

2.3 团聚油的性质、种类及用量

2.3.1 团聚油的性质

Capes及其合作者[17]认为，团聚油密度是油团聚制备超低灰煤过程中的一个重要因素。当油密度过高时，所添加的油不能分散成油滴，煤的表面就难以充分润湿，也就很难使煤充分团聚起来；相反，如果油密度过低，其粘度也会变低，不能形成稳定的团聚物。Ignasiak等[18]用少量煤油和柴油对重油密度进行调节，然后用其团聚次烟煤，发现可以使煤中灰分降低一半。Blaschke[19]在用烃含量较高的柴油作为团聚剂团聚变质程度不同的煤的过程中，发现煤粒表面亲水性较大时，脱灰的效率反而降低。Timpe等[7]在探讨不同油对脱灰效率影响的过程中，发现如果使用轻油作为团聚油，则煤粒只能形成一些乳胶体系，不能形成分散的团聚物；但如果用石油苯、对二甲苯调节重油密度时，团聚时间减少，脱灰效果明显。

2.3.2 团聚油的种类

杨巧文等[13]根据现有的团聚剂，结合所用煤种变质程度的高低，选用了价格便宜、选择性强、易回收的戊己烷作为团聚剂，探讨了团聚剂用量对油团聚深度脱灰的影响。付晓恒等[20]在研究用油团聚方法降低炼焦精煤的灰分和硫分的过程中，将煤焦油进行乳化，然后用它分选重选中煤，发现可分选出灰分较低的煤，团聚物中的焦油还能回收，同时此法脱硫的效果也非常好。G.H.V.C. Chary等[21]使用植物油对印度烟煤进行油团聚试验，发现粉煤回收率较高。Kim van Netten等[22]在粉煤的油团聚动力学研究中，采用油包水乳浊液作为非混相结合液取代了传统的纯油方法，团聚时间减少了2倍，团聚剂用量减少了5倍。

2.3.3 团聚油的用量

刘文新等[23]对油团聚法脱灰进行了研究，发现将家庭食用后的废油以及煤炭液化中性油作为团聚油，当油的添加量超过20%时，绝大部分的煤可以进行回收，脱灰效率可达到了20% 左右。杨巧文等[24]对油团聚过程中煤粒聚团的形态进行了探讨，通过不同的用油量，探讨了油的用量对聚团粒度分布的影响，研究结果表明：随着油用量增加，聚团的平均粒度增大，精煤灰分也降低；但用油量不能太大，否则选择性变差，导致产品灰分升高，同时成本也会较高。

2.4 搅拌时间与搅拌速度

美国新墨西哥能源研究院通过一系列的实验发现，当油团聚时间为5～8 min时，煤的脱灰效率最高；反之，长时间的搅拌会将已形成的微团聚物破碎，降低了煤的可燃质回收率。杨巧文等[24]研究了搅拌时间对油团聚的影响，发现增大煤浆搅拌时间，聚团形态会发生很大变化，聚团的平均粒度也会不断变大，精煤灰分随之减小。Pawlak等[18]在研究油团聚动力学时，发现加快搅拌速度，有利于油和煤的充分接触，脱灰效率会不断升高。Timpe等[7]经过实验也总结出了相似的结果：在油团聚过程中，搅拌的速度较大，脱灰的效果就会较明显。但搅拌强度过大时，会对已经形成的微团聚物造成一定程度的破坏，反而降低了煤的可燃质回收率。

由以上文献分析可得，对于不同的油团聚工艺，如果团聚时间过短，则形成的是絮凝块，其絮团内部含较多的水分，使得煤与矿物质不能有效分离；相反，时间过长就会大大降低煤的可燃质回收率。因此，要想更好地提高煤的油团聚脱灰效率，就必须合理地选择油团聚时间和搅拌速度。

2.5 其他因素

2.5.1 用水量、浓度以及煤浆的密度

李蒙俊等[14]在探讨油团聚技术制备超低灰煤的影响因素的过程中，通过改变粉碎时的水量发现，若添加的水量较少，矿浆则太稠，大大降低了脱灰效率；反之，矿浆又太稀，这样脱灰效率也不高。杨巧文等[13]在研究煤深度脱灰过程的主要影响因素时，发现若矿浆浓度低，精煤灰分明显降低，但煤浆浓度不宜太低，否则其处理量小、生产率低。郭崇涛等人[6]用大港重油对不同煤浆密度的铁法煤进行团聚试验，发现煤浆密度不能太低，太低会限制油团聚过程中煤粒与油滴之间的充分接触，使得混合时间较长，同时煤浆密度太低时还需处理大量的循环水。

2.5.2 煤浆pH值和添加剂

Labuschagne等[25]通过大量实验研究了煤浆pH值、油团聚时间和添加剂用量三者之间的关联方程式，发现煤浆pH值对煤的表面性质影响很大。日本专家研究表明：当煤浆pH值为7时，煤的脱灰效率可达到65%以上，若将煤浆pH值调到10.5左右，可使煤和灰进一步分离。Satish Kumar等[26]用田口实验设计方法对东南部煤田的煤样进行了油团聚的优化研究，使用均值方法进行优化，并用多元线性回归方差分析的方法，确定了各工艺参数对结果的影响程度：pH值>搅拌速度>油用量>时间>温度，发现pH值对油团聚的影响至关重要。

尚洪山等[27]在进行煤的油团聚分选过程中，添加了一种特殊的胺类分散剂，结果得到灰分低于1%的超低灰煤。李睿华用W1作为分散剂、煤油作为桥连油、醚醇作为起泡剂对唐山选煤厂的煤泥进行油团聚脱灰，可以把灰分为24.22%的煤泥灰分降为12.58%[28]。吴燕等[29]用一些改性剂对超低灰分无烟煤的超细粉碎的影响进行了研究，发现这些改性剂提高了无烟煤超细粉碎效率。朱昆阳等[30]在制备细粒超低灰煤的过程中，以MJ复合药剂作浮选药剂进行实验，研究发现，其脱灰效果明显。

综上所述，用油团聚脱灰法制备超低灰煤的影响因素很多，其中最为重要的因素有：煤的结构特性和表面性质、煤的粒径、团聚剂(油)的种类及用量、添加剂；其次是搅拌时间和速度、煤浆pH值、搅拌强度；而用水量、浓度以及煤浆的密度等对油团聚的影响相对前者较小；同时，煤的结构特性和表面性质直接影响后续团聚剂及添加剂的选择与使用。因此，在油团聚过程中，应选择适宜的煤种，合理利用添加剂，选择合适的团聚剂，以在达到降灰目的、满足制备超低灰分煤的基础上，尽量减少团聚油的用量，提高团聚油的利用率。

3 发展趋势及展望

3.1 发展趋势

(1)制备超低灰煤产品既可以使我国煤炭利用高效发展，还可以解决我国煤炭灰分普遍偏高的问题，满足高质量煤炭产品及以煤代油的需要。同时，油团聚法制备超低灰煤的工艺简单、成本低、易操作、分选效果好，其工业化应用更为广泛，故大规模工业化生产超低灰煤，是国内外科技工作者努力和探索的方向，也是高效、清洁利用煤炭资源的发展趋势。

(2)在用油团聚法制备超低灰煤的过程中，除了煤炭自身性质对其影响非常明显外，所用团聚剂的种类不同，则脱灰效果也明显不同，目前团聚剂联合使用的情况较多。为了更有效地制备超低灰煤，减少团聚剂的消耗，提高回收率，对团聚剂联合使用及新型团聚剂的探索是非常必要的。

(3)在油团聚法制备超低灰煤过程中，对设备(破碎、磨矿)的要求严格，同时油耗量也较高。虽然目前已经有一些效果(破碎、磨矿等效果)较好的设备研发出来，但研发性能更好、油耗量更少、更为经济有效的设备也是油团聚技术的发展趋势。

3.2 展望

(1)当采用OTP法时，筛网尺寸大小对效果影响明显，故可对所得团聚物进行各粒度级的研究，找出各参数间的关系及变化规律，进而确定最佳筛分尺寸。

(2)在制备超低灰煤的过程中，油耗高制约了油团聚的工业发展，因此需针对不同的煤种，合理选择团聚油和添加剂的种类及添加量等，找出各因素间的最佳用量，解决油耗高的问题。

(3)已有研究对煤的其他表面性质(煤粒孔隙、表面氧化层等)对油团聚脱灰效率的影响研究较少，因此应加强这方面的研究，以更深入地了解油团聚机理与规律。

(4)在乳化条件下，油团聚效果比非乳化要好，但目前联合使用团聚油情况下的乳化尚无研究，因此今后可在此方面进行探索，以了解不同团聚油联合使用再乳化条件下的团聚效果和耗油量等。

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Progress of the study on preparation of ultralow-ash coal by oil agglomeration

CHAI She-ju, LI Gui-chun

(College of Mining Engineering, Heilongjiang University of Science and Technology, Harbin 150022, China)

Following an introduction to the preparation of ultralow-ash coal by oil agglomeration, the paper elaborates on the effect on oil agglomeration produced by a number of factors, such as structural characteristics, surface property and size of coal, nature, type and dosage of binding oil, and mixing time and speed, as well as the tread and perspective of this technology.

oil agglomeration; ultralow-ash coal; bulk-oil flotation method; bulk-oil screening method; OTP method; mixing

1001-3571(2016)04-0083-05

TD94

A

2016-05-18

10.16447/j.cnki.cpt.2016.04.023

柴社居(1991— )，男，甘肃省平凉市人，硕士研究生，从事煤炭分选方面的研究。

E-mail: 1595943084@qq.com Tel：18903601614

柴社居，李桂春. 油团聚法制备超低灰煤的研究进展[J]. 选煤技术，2016(4):83-87.