原煤篩分沉浮特性的試驗研究

徐高飛

（霍州煤電團柏煤礦白龍洗煤廠，山西 霍州 031412）

0 引 言

煤炭作為分布最廣的化石燃料，其儲量占到世界化石燃料可采資源量的66.8%。煤炭作為重要的基礎能源被廣泛應用于發電、化工、冶煉、建材、民用等領域[1]。但是，煤炭一方面作為工業的基礎為人類帶來能源，同時在利用的時候也伴身著諸多問題，儲量逐漸枯竭，大氣污染，氣候變化，水源緊張，耕地面積流失[2]。如果不對煤炭清潔利用，將對我們居住的地球造成不可挽回的破壞。煤炭洗選加工是煤炭生產和高效利用過程中不可缺少的一個重要環節，是實現煤炭清潔利用、節能減排和可持續健康發展的基礎和前提。煤炭洗選加工是根據原煤（毛煤）、礦物雜質和煤矸石的粒度、密度、硬度、潤濕性等物理化學性質的差別，采用機械篩分、物理選煤、物理化學選煤、化學選煤和微生物選煤等處理方法，清除原煤中的雜質，排除矸石，實現降低灰分、硫分和水分，從而提高煤炭回收率，回收伴生物礦，改善煤炭質量[3]，按照市場所需求的產品分選加工生產出不同規格品種及不同用途的煤炭產品，以供不同用戶的過程，是煤炭達潔凈、高效利用的目的及后續深加工的必要前提。本文擬通過原煤的篩分沉浮試驗來得到煤粒級變化過程中硫灰分的變化特征，進而對原煤脫硫灰的可行性進行評價，同時為原煤脫硫灰的方法提供現實依據。

1 煤中硫灰分介紹

煤中的硫賦存形式為有機硫，與自然界中有機硫的一般組成結構相比，煤中有機硫組成相對較為復雜。通常，低變質煤和高變質煤中的有機硫組成成分分別以脂肪族和環狀的為主。隨著煤變質程度的不同，煤中有機硫化合物類型也在逐步改變，在早期的成巖階段煤中有機硫化合物主要為飽和型化合物，而在晚期的成巖階段煤中有機硫化合物以噻吩硫化合物為主。煤中的無機硫以硫鐵礦硫和單質硫為主，硫鐵礦主要指的是黃鐵礦，而目前脫去煤中的無機硫就是要脫去黃鐵礦。不同的煤種中有機硫和無機硫的含量有差異。據不完全統計，在全國范圍內的高硫煤中硫分含量平均為2.81%，其中無機硫和有機硫分別占1.75%和1.06%。

煤中的灰分一般指的是煤體燃燒后其中的礦物質形成的殘渣，同樣煤體的變質程度不同灰分含量就不同，組成成分也有差別。具體地說，灰分可分為內在灰分和外在灰分，前者是原生礦物質形成的，后者是煤炭開采過程中混入的外在礦物質形成的。煤體中的可燃成分隨著灰分所占比例的提高而減小，同時灰分也是有害物質，會減小煤炭燃燒的熱值。國內主要通過物理化學方法來脫去煤中的灰分，以減小對環境的污染以及降低煤炭燃燒成本。

2 原煤化學性質

通過對原煤進行工業分析、元素分析以及形態硫分析可得：原煤硫分和灰分所占比例分別為3.47%和27.01%，硫分較高，灰分屬于中灰分，無機硫以黃鐵礦為主。基于國標的煤炭沉浮試驗方法，本文進行了原煤的篩分沉浮試驗，對得到的精煤進行硫灰分成分測試，進而得到這兩種組分隨著粒級的變化趨勢。

3 原煤的篩分試驗

通過原煤的篩分試驗得到了不同粒度煤的含量，如表1所示，同時還可以得到不同粒級下硫灰分的含量，如圖1所示。

表1 原煤篩分得到的不同粒級結果統計表

圖1 不同粒級下硫灰分的含量示意圖

從表1中可以看出，原煤篩分后，原煤粒度在0～0.5mm以及0.5～3mm范圍 內的含量相等，均為24%；粒度在3～6mm之間的含量相對較低，僅為7%。以13mm為界，粒度在13mm以下的含量為72%，比例較高，總體上說明本次試驗所用原煤易碎，故在破碎過程中要避免過碎而導致的泥化現象。

在圖1中，W表示不同粒級含量的百分比，Ad表示灰分含量，Sad表示硫分含量。從圖中可以發現，原煤灰分含量幾乎隨著粒級的減小而不斷減小，當粒級在6～50mm范圍內時，灰分變化不明顯；當粒度在0.5～6mm范圍內時，灰分減小速率較快；而后又逐漸趨于穩定，灰分含量最小值為18.5%，由此可見原煤較脆，大粒級中灰分含量高，而小粒級中灰分含量較低。對于原煤硫分來說，隨著粒級的變化，硫分含量表現為拱狀，當粒級在6～13mm之間時，硫分含量最大，為4.5%；而粒級在0～0.5mm之間時，硫分含量最小，為2.9%，總體上，在不同粒級范圍內分布的硫分含量較為平均。

4 原煤的沉浮試驗

通過原煤的沉浮試驗得到的回收率與密度級間的關系如圖2所示，從圖中可以看出，在1.3～1.5g/cm3范圍內原煤回收率最大，該區域為低密度區；在1.5～1.7g/cm3范圍內原煤回收率最小，該區域為中密度區；此后不同粒級煤的回收率隨著密度級的增加而緩慢增大。另一方面，在低密度范圍內，不同粒級煤的回收率與粒度呈負相關關系，而在高密度范圍內，不同粒級煤的回收率與粒度呈正相關關系。總而言之，在低密度范圍內不同粒級煤的可選性為難選，同時難選程度隨著粒級的增大而減小。

圖2 回收率與密度級間的關系示意圖

通過原煤的沉浮試驗得到的不同粒級煤的灰分與密度級間的關系如圖3所示，從圖中可以看出，隨著密度級的增大，不同粒級煤的灰分變化趨勢相同，均表現為線性關系，而且同一密度級下不同粒級煤灰分的含量也趨于相同，由此可見煤灰分脫出的效果受煤粒度變化的影響很小。

通過原煤的沉浮試驗得到的不同粒級煤的硫分與密度級間的關系如圖4所示，從圖中可以看出，不同粒級煤硫分的變化趨勢隨密度級的改變而基本相同，只是在同一密度級下不同粒級煤硫分的含量不同。當密度級在1.4g/cm3以下時，各粒級煤硫分基本保持在大約2.7%的水平，而密度級在1.4～1.8g/cm3范圍內不同粒級煤硫分的含量差異較大，密度級在1.8g/cm3以上時不同粒級煤硫分的含量突然增加，這是受到煤內部所含換鐵礦的影響，這種黃鐵礦可能與矸石共生，也可能為高密度解離得的。總而言之，原煤中有機硫集中在1.4g/cm3以下的密度級中，而黃鐵礦集中在1.8g/cm3以上的密度級。

圖3 不同粒級煤的灰分與密度級間的關系示意圖

圖4 不同粒級煤的硫分與密度級間的關系示意圖

5 原煤脫硫灰的可行性評價

通過上述試驗得到的0.5～50mm粒級下原煤的可選性特征如圖5所示，由此可得到原煤可選性劃分等級，見表2。

從圖5和表2中可以看出，整體上，隨著精煤灰分的增大，原煤可選難度在減小，可選性提高；當精煤灰分為14%時，可選等級最高，可選性最佳。由上述分析可知，硫分脫出受密度級的影響較小，而且由于精煤灰分高，故同時實現脫硫灰是不可能的。當密度級在1.4g/cm3以下時，灰分很高，脫灰難度較大。當密度級在1.8g/cm3以上時，硫分含量高，可以通過機械方法脫出該部分煤的硫分，而密度級較小時硫分含量相對較低，通過機械方法脫出的效果不好，可通過化學方法進行脫出。

表2 原煤可選性劃分等級結果統計表

6 結束語

通過原煤的篩分沉浮試驗來得到了煤粒級變化過程中硫灰分的變化特征，進而對原煤脫硫灰的可行性進行了評價，得到主要結論如下：

1）原煤易碎，故在破碎過程中要避免過碎而導致的泥化現象。在不同粒級范圍內分布的原煤硫分含量較為平均。

2）在低密度范圍內不同粒級煤的可選性為難選，同時難選程度隨著粒級的增大而減小，煤灰分脫出的效果受煤粒度變化的影響很小。原煤中有機硫集中在1.4g/cm3以下的密度級中，而黃鐵礦集中在1.8g/cm3以上的密度級。

3）當精煤灰分為14%時，可選等級最高，可選性最佳。當密度級在1.4g/cm3以下時，脫灰難度較大；當密度級在1.8g/cm3以上時，可以通過機械方法脫硫，而密度級較小時通過機械方法脫硫的效果不好。