宁东矿区洗选精煤煤岩组分分离研究

刘 朋

(神华宁夏煤业集团有限责任公司 选配煤中心，宁夏 银川 750409)

近年来，随着我国能源发展重心向西北转移，西部如神东矿区、榆神矿区以及宁东矿区在能源供应中的比例越来越大，该地区煤炭的利用也由原来的单一动力煤，向气化、液化等多途径利用发展。上述矿区的煤种大多以高挥发分的长焰煤、弱粘煤-不粘煤为主，惰质组含量高达25%～70%，而惰质组活性极低，对炼焦、气化、液化等领域的应用产生不利影响，而它却是制备炭材料的优秀原料[1]。相关煤直接液化试验表明不粘煤-弱粘煤在脱除部分惰质组后，液化转化率可大幅提高[2]。因此，为拓展宁东矿区煤种的利用范围，提高能源的利用效率，通过探讨按煤岩组分分选的可能，将低活性的惰质组分离，发挥煤岩各组分各自的特点，使得物尽其用，是今后选煤工业的研究方向之一。

煤岩组分的分选方法主要有手选、浮选法、浮沉法、浮沉离心法、重液密度梯度离心分离法以及磁选、静电选等[3]。煤岩各组分真相对密度差异较小，其大致范围如下：壳质组1.22～1.27g/cm3，镜质组1.26～1.38g/cm3，1.38～1.40g/cm3密度级组分中同时含有镜质组和惰质组，1.40g/cm3以上高密度级组分中含有更多的惰质组，不同煤种的煤岩组分的密度临界值略有差异[4]。因此，选取易于实现的浮沉离心法按比重液密度为1.26g/cm3、1.29g/cm3、1.34g/cm3、1.38g/cm3进行浮沉离心分离，从而探讨宁东矿区煤化工用煤按煤岩组分工业洗选分离的可行性，为煤炭资源能够更加高效合理利用提供理论依据。

1 实 验

1.1 实验步骤与分析

取宁东矿区具有代表性的羊场湾煤矿配套的羊场湾洗煤厂生产的洗选精煤(主要供给煤化工基地气化用煤，其镜质组含量占51.7%，惰质组含量占41.4%)为实验对象煤样，以下简称原料煤(煤质指标见表1)，进行如下操作：

表1 原料煤及浮沉组分的工业分析及元素分析 %

1)煤样经破碎机-粉碎机磨矿至0.5mm以下，再在球磨机中磨矿。用筛孔直径0.125mm、0.076mm、0.043mm的标准筛对磨矿产物进行湿法筛分，得到0.125～0.076mm，0.076～0.043mm和-0.043mm三个粒度级的煤样(+0.125mm颗粒研磨后过筛直至全部透筛)，并在小于50℃温度下烘干，装入磨口瓶内以防氧化。

2)称取上述-0.125mm的三个粒度级的煤样各20g，选用合适的离心罐依次加入1.26g/cm3、1.34g/cm3、1.38g/cm3三个密度级的氯化锌比重液用玻璃棒充分搅拌，让煤样被密度液浸润，再加入同一级的密度液至离心管高度的2/3处，用搅拌机搅拌3～5min转速300r/min，使煤颗粒充分离散在密度液中，然后再加入同级密度液，液面高度据离心罐口约5mm，并用离心棒轻搅混匀。

3)把对称的3个离心罐分别放在托盘天平两边平衡质量，然后置于离心机的对称位置上，起动离心机，逐级平稳升速，达到2400r/min后离心至少10min，待离心机停稳后，取出离心罐。

4)分离离心罐中的浮、沉物时，先用玻璃棒沿离心罐壁轻轻拨动浮物，然后迅速地将离心罐中的浮物及密度液倒入同一烧杯内，用洗瓶冲洗离心罐壁上粘着的浮物粒，切勿将沉物冲入烧杯。在布氏漏斗内铺上滤纸，以密度液润湿，开动真空泵使其紧贴漏斗。将烧杯内的浮物及密度液倒入布氏漏斗内过滤，并回收密度液。取下布氏漏斗，将滤液上的煤样用洗瓶冲洗至烧杯中，继续用蒸馏水冲洗留在煤粒上的密度液，用布氏漏斗滤干。

5)将各粒度级煤样依次分别加入1.26g/cm3、1.29g/cm3、1.34g/cm3、1.38g/cm3四个密度级(浮沉法离心分离)的氯化锌比重液中，按第二步离心分离，干燥并计算其产率。

1.2 产物测定

运用显微镜下观察统计法，研究镜质组和惰质组在不同破碎程度下的分布形态和解离规律，分析确定煤岩组分分选的最佳解离粒度，并与不同破碎程度下煤岩显微组分的重力分选结果进行对比，为富惰质组煤的高效利用提供技术指导[5]。测定各个组分的真相对密度，进行元素分析，工业分析和红外光谱分析，阐明各组分的结构特征，阐明各浮沉组分的显微煤岩组分含量。

参照国标《煤的显微组分和矿物测定方法》(GB/T 8899—1998)进行单体解离度测定的样品光片的制备，即首先将待测煤样与虫胶按照一定比例混合，采用热胶法制备粉煤光片，经粗磨、细磨及抛光等作业流程后，置于40℃的干燥箱内干燥4h；然后将该光片置于偏光显微镜Leica DM4500P的油镜下，白光入射，根据显微组分的镜下特征差异进行组分判定，并用数点法统计体积分数。

2 结果与讨论

2.1 粒度对各组分收率的影响

由于煤的结构成分复杂，煤岩组分一般不以单体颗粒的形式出现，而采取磨矿解离的方法可使煤与矿物之间达到一定程度的解离，是提高煤岩组分解离度、实现煤炭合理利用的必要手段[6]。将制备好的0.125～0.076mm，0.076～0.043mm和-0.043mm三个粒度级的煤样，分别用1.26g/cm3、1.29g/cm3、1.34g/cm3、1.38g/cm3四个密度级的氯化锌重液依次进行浮沉法离心分离，其各密度级的收率如图1所示。

图1 不同粒度级煤各密度级的浮沉产率

由图1可知，在1.29～1.34g/cm3密度级中，煤样粒度较大的0.125～0.076mm粒度级的产物产率与另两个粒度级相比产率高8.7%，在1.34～1.38g/cm3密度级中产物产率与另两个粒度级相比低10%左右。1.34～1.38g/cm3密度级接近于镜质组与惰质组的临界密度，而惰质组更容易富集在高密度级组分中，这说明较细的磨矿粒度有利于惰质组的富集。对于低变质程度的烟煤惰质组质脆、易碎，在破碎过程中较镜质组和壳质组易碎裂成为细粒，这说明充分磨矿解离是提高显微煤岩组分中惰质组解离度的必要条件。

2.2 各浮沉组分的工业分析及元素分析

取-0.043mm粒度级通过浮沉法离心分离的各密度级产物(以下简称：离心产物)进行工业分析和元素分析，可反映不同显微组分在元素组成和分子结构方面的差异。通常在煤的显微煤岩组分中碳含量应以惰质组最高，壳质组其次，镜质组稍低于壳质组[7]。由表1可知：分离出的各组分中1.26g/cm3～1.34g/cm3密度级的C和N含量最高，S含量最低；各组分的C元素含量由高至低排列：1.26～1.34g/cm3> 1.34～1.38g/cm3>-1.26g/cm3>+1.38g/cm3；这在一定程度上说明分离过程进行的不够充分，在-1.26g/cm3、1.26g～1.34g/cm3和1.34g～1.38g/cm3密度级组分中含有一定量的惰质组成分。

对于同一种煤的不同显微组分而言，一般挥发分产率以壳质组最高，镜质组其次，惰质组最低[8]。从表中工业分析数据看出，各组分挥发分含量为1.26～1.34g/cm3>1.34～1.38g/cm3>-1.26g/cm3>+1.38g/cm3，与C含量的关系一致。这在一定程度上说明镜质组和壳质组富集在-1.38g/cm3密度级的各产物中，+1.38g/cm3密度级中含量较少。

2.3 原料煤及浮沉离心各产物的煤岩分析

实验对象原料煤及离心产物的显微煤岩分析结果见表2。原料煤和各密度级显微煤岩组分都主要是以镜质组和惰质组为主，区别在于煤岩组分相对于原料煤在各密度级中富集程度不同，其中原料煤的镜质组含量占51.7%，惰质组含量占41.4%；通过浮沉法离心分离，-1.26g/cm3密度级惰质组含量31.2%，壳质组相对得到富集，含量由原料煤的0.6%升至6.1%；1.26～1.34g/cm3密度级惰质组含量为32.3%，镜质组含量为64.6%，较原料煤的镜质组含量提高12.9%；1.34～1.38g/cm3密度级惰质组含量为55.4%，镜质组含量和壳质组含量都远低于其他密度级；+1.38g/cm3密度级惰质组含量为63.9%，较原料煤的惰质组含量提高22.5%；说明设定好分选密度可以将原料煤中惰质组分富集到高密度产物中，达到分离活性组分和惰性组分的目的。

表2 原料煤及浮沉组分的显微煤岩分析

3.4 原料煤及浮沉离心各产物红外光谱分析

原料煤及离心产物的红外光谱图及特征吸收峰，如图2所示，其特征峰强度见表3。

图2 原料煤及各密度级组分的FTIR图

波数/cm-1归属原料煤-1.26g/cm31.26～1.34g/cm31.34～ 1.38g/cm3+1.38g/cm33580～31002970～29202880～28001650～15801580～14001300～12001050～970860820752—OH,—NH,—NH2的伸缩振动—CH3,—CH2的伸缩振动—C—H(Al) 的伸缩振动C=C(Ar) 的伸缩振动,—OH,—COC=C(Ar) 的伸缩振动—CH3,—CH2C—O,Ar—O—Ar,R—O—R的伸缩振动—OH、C6H5OH的伸缩振动苯环的面外弯曲振动,单个氢原子苯环的面外弯曲振动,两个氢原子苯环的面外弯曲振动,四个氢原子sssvssmwwwwvsmmvsmmmwwwvsssvssmwwmwmwwsssvsmmwvswwvsvsvsvswmm

注：vs—很强；s—强；m—中等；w—弱。

在FTIR谱图中，-1.26g/cm3、1.26～1.34g/cm3和1.38g/cm3沉物均在3112～3570cm-1处与羟基、氨基振动吸收峰相符合；已有的研究表明镜质组及惰质组在3112～3570cm-1都有一个大而宽的吸收峰，这是游离或多分子缔合O—H或OH—N的伸缩振动吸收[9]。3570cm-1的峰是游离—OH或苯环π—OH缔合羟基的振动吸收，3400cm-1是OH—O—H…特征吸收。N—H键伸缩振动在各组分3300cm-1的振动吸收峰也较强烈。2897～2999cm-1对应脂肪烃CH3、CH2、CH的对称与不对称伸缩振动，各密度级组分在这个区域均出现强的肩峰吸收。1520～1682cm-1的强吸收，主要由氢键缔合的羰基和有氧取代的芳烃骨架振动引起。惰质组在1700cm-1的吸收峰提示芳香族酸酐的存在[10]，与图2中1.34～1.38g/cm3和+1.38g/cm3沉物振动吸收峰相对应。镜质组在1660cm-1归因于醌或酮的羰基振动，与原料煤、-1.26g/cm3和1.26～1.34g/cm3振动吸收峰相对应。1600cm-1是氧取代芳烃的C=C伸缩振动的特征峰。1.34～1.38g/cm3和1.38g/cm3沉物产物在1392～1520cm-1的CH3对称振动和CH2剪切振动吸收峰及700～900cm-1苯环面外弯曲振动的吸收峰明显强于原料煤和-1.26g/cm3和1.26 ～1.34g/cm3产物。

离心浮沉法分离的1.34 ～1.38g/cm3和+1.38g/cm3沉物的FTIR谱图的特征吸收峰与惰质组特征吸收峰相符。这说明离心浮沉法分离重产物惰质组得到一定程度的富集，达到了分离脱除大部分惰质组的目的。

4 结 论

本文应用高惰质组的羊场湾洗煤厂精煤产品经过磨矿后各浮沉产物的产率的关系得出充分磨矿解离是提高惰质组解离度的必要条件；分离产物的工业分析结果与已知各煤岩组分的C元素和挥发分关系对比发现，镜质组和壳质组应富集在-1.38g/cm3密度级的各产物中，说明惰质组富集在+1.38g/cm3密度级中。离心浮沉法分离的1.34～1.38g/cm3产物和+1.38g/cm3沉物的FTIR谱图的特征吸收峰与惰质组特征吸收峰相符，说明惰质组富集在离心浮沉法分离的重产物中。

将原料煤磨矿至-0.043mm，按1.34g/cm3和1.38g/cm3-密度级通过浮沉离心法能够分选出惰质组含量仅为32.23%和40.35%的产品及惰质组含量达到57.31%和63.9%的产物，实现了一定程度上分离脱除惰质组的目的，但实现工业级的煤岩组分分选存在如下问题：

1)使煤岩组分得到充分分离的前提是磨矿解离，工业级的磨矿除能耗高之外，煤炭磨碎后制约了产品的应用范围。

2)目前还没有能够大规模按1.34～1.38g/cm3密度级精确分选细粒级精煤的分选设备。

3)工业级煤岩组分分离的经济性限制了煤炭按煤岩组分分选的工业应用。