褐煤洗选加工降灰提质研究现状

董 洁，赵 贺

(内蒙古煤矿设计研究院有限责任公司，内蒙古 呼和浩特 010000)

我国褐煤资源储量丰富，占据全球煤炭储量的40%，目前已探明的保有储量为1.311×105Mt，在全国煤炭总储量中约占13%[1]，但多属老年褐煤，具有高灰高水的特征，灰分一般为20%～40%，全水分一般为20%～50%[2-3]，且挥发分高、热值低、易自燃，使得褐煤进一步深加工利用作为高附加值产品受到很大的制约[4]。随着褐煤资源开发力度的加大，褐煤提质的相关研究和实践探索也越来越多，但是大部分提质研究主要针对褐煤水分高而进行的，例如褐煤脱水干燥、低温热解等技术工艺[5]。同时从国内现代化的褐煤干燥提质、干馏提质的运行范例及试验数据来看，其原煤为灰分较低的褐煤，或直接采用分选降灰后的褐煤，以保证提质后产品的稳定质量。褐煤煤化程度低，块末煤采用常规水介质分选易泥化，加工成本高；干法分选对入选原煤性质有一定的限制条件，且分选精度略低；细粒煤泥由于表面含氧官能团较多，表面疏水性差，常规浮选药耗大，分选效果差。因此降灰成为褐煤提质和优化利用亟待解决的问题。

1 褐煤脱灰必要性

燃烧对煤的质量要求较低，但是在煤的燃烧过程中矿物质作为惰性稀释物，对煤的反应性、热值、黏结性和膨胀性等工艺性能产生消极影响；燃烧后将增加飞灰和灰渣热损失，影响传热和增大热流阻力，加剧设备的磨损，扩大环境污染。矿物质的存在，除了可能产生的催化作用外，还会降低煤的燃烧效率和锅炉的热效率[6]。据统计，发电用煤灰分每降低1个百分点，每度电可减少2～5 g标准耗煤，全国每年则可减少CO2的排放量为1 500～3 750万t[7]。

水煤浆作为重要的洁净煤技术，制浆用煤的灰分在原则上没有什么严格限定，但是煤中矿物质对水煤浆性质的影响主要是其亲水性和可溶离子的浓度，其影响是双重的。煤灰分越低，越利于制浆浓度的提高，而灰分高，则影响煤的可磨性与粒度级配，降低煤中有效可燃组分的比例。而且，无论是气化用水煤浆还是燃用水煤浆，灰分高都会增加设备喷嘴等易磨损件的磨损[8]。

气化用煤和燃煤一样对煤的要求比较宽松，虽然灰分不直接参加气化反应，却会消耗煤在氧化反应中产生的反应热，灰分高会增加气化炉的比煤热、比氧耗，对各种煤气化技术都不利[9]。煤中矿物质在多数的煤转化工艺中，都是消极的因素，影响煤转化的终端产品的质量与过程效率，在褐煤直接液化中，要求灰分<5%，制活性炭则要求灰分<10%。而我国自然灰分低于10%的褐煤占很少数，并且尚未发现类似澳大利亚等国家的灰分低于2%的超低灰褐煤，因此降灰提质成为我国褐煤扩大加工利用途径的必经之路[5]。

2 褐煤洗选加工现状

低阶煤主要作为动力煤使用，其洗选加工工艺主要着眼于块煤的降灰和提高发热量两方面。多数褐煤生产煤矿在满足市场客户的需要下，对原煤进行筛分破碎后，即可进行分级销售[10]。20世纪60年代，由于内蒙古平庄西露天矿高灰劣质褐煤数量多，因此建立了我国第一座褐煤选煤厂，生产实践证明褐煤洗选可有效提高产品质量，得到了满足用户需求的产品。平庄西露天矿选煤厂最初采用>50 mm块煤重介排矸，<50 mm优质煤直销，劣质煤跳汰分选工艺流程[11-12]。在此基础上平庄矿区又相继建立了古山、红庙、风水沟矿等选煤厂。另外，我国东北还有伊敏河、霍林河等近十座选煤厂，大多采用块煤洗选、末煤直销、煤泥压滤的工艺[13]。然而在多年的生产实践中暴露出来的褐煤洗选加工的主要问题则是褐煤易泥化。煤炭泥化会导致煤泥水处理困难、粉煤粘连溜槽仓壁以及洗耗大。针对该问题，关于褐煤洗选加工工艺的优化与改造主要有以下两种不同观点。

(1)褐煤易泥化，则减少或避免洗选加工数量。例如，合格原煤、<13 mm末煤直接销售，但是这种做法仅在煤质稳定、用户要求不高的情况下可行。另外则是褐煤采用干法分选的方式，从而避免泥化和煤泥水处理的问题。例如60 t/h的复合式干选设备在平庄煤业六家矿应用表明，选后块煤发热量提高了2.09～3.34 MJ/kg；平庄风水沟矿在选用240 t/h复合干法分选机后，将原煤发热量提高至14.63 MJ/kg，灰分降将至30.6%；内蒙古霍林河宝发煤业原煤在干法分选后发热量提高1.67 MJ/kg[13-14]；霍林河南露天矿采用块煤射线智能分选和混煤风力分选生产工艺，取得了较好分选效果，环保效益和社会效益显著[16]。而对于云南昭通年轻褐煤，戴少康提出“块煤筛分、风力排矸+混末煤机械脱水”的分选方案，推断选后产品煤灰分可下降6个百分点左右[15]。

在缺水的褐煤产区干法分选在节约用水方面有着重要的意义，但是干法分选精度相较传统水介质分选差，且要求混末煤外在水分在7%以下。

(2)在洗选过程中褐煤易泥化，且主要发生在较高密度级，因此泥化作用也可作为一种选煤方法[10]。邓晓阳[17]则认为应从褐煤本质上深入研究，区分煤和矸石的泥化特性差异，利用这种差异进行褐煤洗选加工，以具有我国高灰高水易泥化褐煤特征的内蒙古锡林浩特4号煤为例，提出“重力分选+泥化分选过程”的洗选降灰新理念。

王永田[18]提出一种褐煤泥化与洗选的工艺，采用一种泥化设备将褐煤进行预先泥化，然后进行50、0.5 mm筛分分级，由浅槽重介系统分选>50 mm粒级物料，由跳汰系统分选50～0.5 mm粒级物料，分别得到不同粒级的精煤和矸石产品；煤泥水则作沉降处理。该工艺可有效解决褐煤易泥化的问题。

代志伟[19]针对胜利褐煤泥化特点，通过分选试验验证了预先泥化工艺的可行性，提出了“>3 mm预先泥化脱泥跳汰分选、<3 mm不分选工艺”，跳汰试验表明：预先泥化后的褐煤泥化程度明显降低，分选指标较优，产生的煤泥水浓度小，在分选密度为1.6 g/cm3时，精煤灰分为17.57%，预测产率为51.21%。

我国褐煤选煤厂主要是露天矿的配套工程，因此选煤设备一般大型化，可以减少褐煤在各个选煤环节的滞留时间，避免引起褐煤的破碎及泥化[11]。尽管褐煤洗选加工具有特殊性，但是目前并没专门针对褐煤研发的分选设备。

褐煤本身高灰高水煤质特性的限制，其商品煤价格较低，多数褐煤生产煤矿仅对原煤进行筛分破碎后即分级销售；在分选加工工艺的选择上应力求工艺简洁、加工成本低，块煤洗选+末煤直销+煤泥压滤工艺以及块煤射线智能分选+末煤复合干法分选工艺是当前褐煤分选加工较多采用的。

3 国内外细粒褐煤浮选降灰研究

褐煤煤泥变质程度低，含氧官能团较多，表面疏水性较差，易造成油类捕收剂在其表面铺展困难，因而常规浮选药耗大、分选效果差[20-21]，但是关于褐煤浮选的研究却从没有停止过。

3.1 热处理浮选

土耳其研究人员认为不同的煤种在受热处理后，疏水性的改变是不同的，为此分别对三种煤质特性不同的褐煤采用微浮选和测定Zeta电位的方法[22-23]进行研究，观察热处理后研究对象的可浮性的变化。对于含氧基少且灰分高的褐煤，可浮性无改变，其他褐煤的Zeta电位有了很大变化，可浮性得到改善。热处理后疏水性的改变在于煤表面结合水分子的含氧基[24]。

土耳其的SOYAK对褐煤进行不同时长的热处理后，分别进行浮选试验，煤样可选性与加热时间呈正相关，其中可燃体回收率由11%增加至83.4%，灰分由7.5%降到5.74%，硫分由2.5%降到1.52%；未经热处理煤样与在105 ℃热处理4 h的煤样亲水性指数分别为17.25和2.87，热处理后煤样的红外光图谱表明，表面羟基官能团的吸收峰明显减弱，即经过热处理后的褐煤浮选性可以得到显著的改善[25]。

3.2 油团聚浮选

油团聚浮选法是在20世纪初期的油团聚法的基础上发展而来，是选择絮凝和浮选相结合的分选方法[26]。日本学者村田逞诠指出煤的润湿性与煤质和造粒(油团聚)存在关系。对于羧基含量超过一定限度的褐煤，其油团聚性能较差。研究试验将烷醇酰胺型非离子表面活性剂N-24添加在非造粒性的美国贝尔艾尔褐煤上，试验煤样在造粒性提高的同时，黏结剂油用量降低；预先采用NaOH处理的试验煤样，则可以得到进一步的灰分降低[27]。

罗道成等对大同褐煤油团聚浮选影响因素进行研究表明，在8%(占煤重)的NaOH电解质溶液预处理60 min后的褐煤煤样中添加0.04%(占煤重)的非离子表面活性剂(甲基二乙醇酰胺)和20%(占煤重)的黏结剂油(C重油)后，在起泡剂(仲庚醇)用量为150 g/t的条件下进行浮选，获得了较好的效果[28]。

3.3 添加表面活性剂浮选

VAMVUKA D和AGRIDIOTIS V重点研究了表面活性剂添加对提高褐煤可浮性的影响，试验分别在添加阳离子表面活性剂(十四烷基三甲基溴化铵，TTAB)、十二烷胺(DDA)、阴离子表面活性剂(十二烷基磺酸钠，SDS)以及非离子表面活性剂(二乙基己醇)的条件下进行，结果表明添加阳离子表面活性剂的煤样浮选效果优于其他，与煤油联合使用后的试验效果更佳[29]。

YAKUP CEBECI对不同药剂制度下的Yozgat Ayridam褐煤进行了浮选试验研究，在煤油作为捕收剂的条件下，进行空白试验、添加乳化剂Acorga M5640(AC)以及添加乳化剂(AC)+表面活性剂(Flotigol CS，CS)试验，浮选精煤的回收率分别为32.03%、54.38%以及89.45%。试验结果表明，乳化剂和表面活性剂的加入均使得煤油的分散度提高，加快了煤油在煤表面的铺展速度[30]。

KELEBEK S[31]进行了褐煤浮选药剂之间的相互作用的析因试验研究。将表面活性剂(十二烷胺，DDA)、捕收剂(煤油)、浮选pH值作为影响精煤可燃体回收率和灰分的三个考察因素，结果表明对精煤可燃体回收率影响较大的是捕收剂(煤油)和表面活性剂(DDA)，其次是pH值。其中药剂在煤表面的吸附位置、表面活性剂与煤油的竞争配合关系以及起泡剂的选用是影响试验结果的重要因素。

3.4 褐煤反浮选

另外，研究人员对褐煤进行了反浮选研究。宁可佳[32]以内蒙古宝日希勒褐煤为研究对象，试验表明，十二胺对褐煤的反浮选效果优于十八胺和十六烷基三甲基溴化铵，进行连续多次的反浮选可以得到低灰分(10.20%)、高回收率(70%以上)的精煤，分选效果较好。

褐煤的煤质特性是导致其浮选分选效果远不如烟煤，且浮选成本较高，但褐煤的可浮性又与矸石存在本质的不同，通过热处理、浮选环境调节、添加表面活性剂，均可使褐煤的可浮性得到改善。

4 细粒褐煤油泡浮选

中国矿业大学王永田教授把油泡浮选技术引入低阶煤浮选，将油泡浮选技术与柱浮选技术有机结合，以内蒙古东部白音华矿区褐煤为研究对象进行了低阶煤浮选探索试验。试验分别以原煤和在干燥提质过程中产生的粉煤作为试验对象，通过煤样基本性质分析确定试验煤样具有浮选降灰的可行性，同时进行药剂乳化浮选、微泡浮选以及油泡柱浮选等不同的探索研究，以实现降低药耗和褐煤提质的双重目标。

通过对煤样基本性质进行试验分析可知，褐煤浮选降灰具有可行性，但常规浮选药剂消耗过大。褐煤浮选药耗大的主要原因：一是表面含氧官能团多，易与水分子之间形成氢键，使得水化膜排列紧密，烃类油则不易在煤粒表面铺展开，而是以油滴形式存在；二是褐煤孔隙度发达，毛细现象显著，孔隙吸水吸油均会造成药剂消耗大；三是烃类油在水中不易分散。

试验将烃类油加热气化和旋流-静态微泡浮选柱射流吸气有机结合在一起的。烃类油通过加热气化成粒径<2 μm的雾珠，与空气一同吸入气泡发生器中，由喷嘴喷出形成高速流体，在冲击和压缩的过程中，由于气-油界面张力小于气-水的界面张力，气泡表面更易铺展为油膜而非水化膜，形成带有油膜的气泡进入浮选柱中。

试验以煤油泡作为捕收剂，采用实验室旋流-静态微泡浮选柱对煤样进行药剂量探索试验。药剂用量对油泡浮选柱浮选效果的影响如图1所示。

图1 药剂用量对浮选效果的影响

由图1可知：油泡浮选柱浮选可以降低微泡浮选中细泥机械夹带对浮选结果的影响，捕收剂药剂消耗可降至4 kg/t，将入料灰分为27.50%的褐煤降灰至15.64%，与添加表面活性剂的乳化药剂柱浮选试验结果相当。

试验还对使用不同浮选方式处理过的煤样进行润湿性和表面Zeta电位分析，结果如图2所示。

图2 不同药剂处理对煤样表面Zeta电位的影响

由图2可知：乳化药剂可以改善褐煤表面的疏水性，而油泡浮选基本不改变煤粒表面疏水性，却得到与浮选柱乳化浮选相当的浮选效果，证明了油泡柱浮选对于疏水性差、细粒含量大的褐煤分选的高效性[33]。

油泡浮选技术与柱浮选技术的有机结合，是细粒褐煤浮选获得较低的精煤灰分和较好的浮选效果的关键。分析认为，柱浮选产生的微泡提高了细粒物料的分选效率，油泡浮选加快了浮选速度，有效降低了细粒分选中的细泥夹带，并且烃类油通过附着在气泡上而被高度分散，同时实现了药耗的降低。

5 结论

(1)我国褐煤资源丰富，多属年老褐煤，其高灰分高水分的特性，是造成褐煤利用途径单一的主要因素。降灰提质是我国褐煤扩大加工利用途径的必经之路。

(2)我国褐煤主要用于燃烧，洗选加工比例较低，当前褐煤分选加工较多采用块煤洗选+末煤直销+煤泥压滤工艺以及块煤射线智能分选+末煤复合干法分选工艺。

(3)褐煤变质程度低，含氧官能团较多，表面疏水性较差，易造成油类捕收剂在其表面铺展困难，但褐煤的可浮性与矸石存在本质的不同，通过热处理、浮选环境调节、添加表面活性剂，均可使褐煤的浮选性得到改善。

(4)细粒褐煤的油泡柱浮选探索试验展现了两种技术的结合对于细粒物料高效分选的优势，为其他低阶煤、氧化煤和氧化矿物的分选提供了参考和新的思路。

(5)在全球能源日趋紧张的形势下，褐煤资源开发强度加大，随着煤炭洁净、高效利用技术的推广，褐煤的经济价值以及加工技术会越来越受到重视，降灰脱水后的优质褐煤的优化利用前景将更加宽广。