褐煤洗選加工降灰提質研究現狀

董 潔，趙 賀

(內蒙古煤礦設計研究院有限責任公司，內蒙古 呼和浩特 010000)

我國褐煤資源儲量豐富，占據全球煤炭儲量的40%，目前已探明的保有儲量為1.311×105Mt，在全國煤炭總儲量中約占13%[1]，但多屬老年褐煤，具有高灰高水的特征，灰分一般為20%～40%，全水分一般為20%～50%[2-3]，且揮發分高、熱值低、易自燃，使得褐煤進一步深加工利用作為高附加值產品受到很大的制約[4]。隨著褐煤資源開發力度的加大，褐煤提質的相關研究和實踐探索也越來越多，但是大部分提質研究主要針對褐煤水分高而進行的，例如褐煤脫水干燥、低溫熱解等技術工藝[5]。同時從國內現代化的褐煤干燥提質、干餾提質的運行范例及試驗數據來看，其原煤為灰分較低的褐煤，或直接采用分選降灰后的褐煤，以保證提質后產品的穩定質量。褐煤煤化程度低，塊末煤采用常規水介質分選易泥化，加工成本高；干法分選對入選原煤性質有一定的限制條件，且分選精度略低；細粒煤泥由于表面含氧官能團較多，表面疏水性差，常規浮選藥耗大，分選效果差。因此降灰成為褐煤提質和優化利用亟待解決的問題。

1 褐煤脫灰必要性

燃燒對煤的質量要求較低，但是在煤的燃燒過程中礦物質作為惰性稀釋物，對煤的反應性、熱值、黏結性和膨脹性等工藝性能產生消極影響；燃燒后將增加飛灰和灰渣熱損失，影響傳熱和增大熱流阻力，加劇設備的磨損，擴大環境污染。礦物質的存在，除了可能產生的催化作用外，還會降低煤的燃燒效率和鍋爐的熱效率[6]。據統計，發電用煤灰分每降低1個百分點，每度電可減少2～5 g標準耗煤，全國每年則可減少CO2的排放量為1 500～3 750萬t[7]。

水煤漿作為重要的潔凈煤技術，制漿用煤的灰分在原則上沒有什么嚴格限定，但是煤中礦物質對水煤漿性質的影響主要是其親水性和可溶離子的濃度，其影響是雙重的。煤灰分越低，越利于制漿濃度的提高，而灰分高，則影響煤的可磨性與粒度級配，降低煤中有效可燃組分的比例。而且，無論是氣化用水煤漿還是燃用水煤漿，灰分高都會增加設備噴嘴等易磨損件的磨損[8]。

氣化用煤和燃煤一樣對煤的要求比較寬松，雖然灰分不直接參加氣化反應，卻會消耗煤在氧化反應中產生的反應熱，灰分高會增加氣化爐的比煤熱、比氧耗，對各種煤氣化技術都不利[9]。煤中礦物質在多數的煤轉化工藝中，都是消極的因素，影響煤轉化的終端產品的質量與過程效率，在褐煤直接液化中，要求灰分<5%，制活性炭則要求灰分<10%。而我國自然灰分低于10%的褐煤占很少數，并且尚未發現類似澳大利亞等國家的灰分低于2%的超低灰褐煤，因此降灰提質成為我國褐煤擴大加工利用途徑的必經之路[5]。

2 褐煤洗選加工現狀

低階煤主要作為動力煤使用，其洗選加工工藝主要著眼于塊煤的降灰和提高發熱量兩方面。多數褐煤生產煤礦在滿足市場客戶的需要下，對原煤進行篩分破碎后，即可進行分級銷售[10]。20世紀60年代，由于內蒙古平莊西露天礦高灰劣質褐煤數量多，因此建立了我國第一座褐煤選煤廠，生產實踐證明褐煤洗選可有效提高產品質量，得到了滿足用戶需求的產品。平莊西露天礦選煤廠最初采用>50 mm塊煤重介排矸，<50 mm優質煤直銷，劣質煤跳汰分選工藝流程[11-12]。在此基礎上平莊礦區又相繼建立了古山、紅廟、風水溝礦等選煤廠。另外，我國東北還有伊敏河、霍林河等近十座選煤廠，大多采用塊煤洗選、末煤直銷、煤泥壓濾的工藝[13]。然而在多年的生產實踐中暴露出來的褐煤洗選加工的主要問題則是褐煤易泥化。煤炭泥化會導致煤泥水處理困難、粉煤粘連溜槽倉壁以及洗耗大。針對該問題，關于褐煤洗選加工工藝的優化與改造主要有以下兩種不同觀點。

(1)褐煤易泥化，則減少或避免洗選加工數量。例如，合格原煤、<13 mm末煤直接銷售，但是這種做法僅在煤質穩定、用戶要求不高的情況下可行。另外則是褐煤采用干法分選的方式，從而避免泥化和煤泥水處理的問題。例如60 t/h的復合式干選設備在平莊煤業六家礦應用表明，選后塊煤發熱量提高了2.09～3.34 MJ/kg；平莊風水溝礦在選用240 t/h復合干法分選機后，將原煤發熱量提高至14.63 MJ/kg，灰分降將至30.6%；內蒙古霍林河寶發煤業原煤在干法分選后發熱量提高1.67 MJ/kg[13-14]；霍林河南露天礦采用塊煤射線智能分選和混煤風力分選生產工藝，取得了較好分選效果，環保效益和社會效益顯著[16]。而對于云南昭通年輕褐煤，戴少康提出“塊煤篩分、風力排矸+混末煤機械脫水”的分選方案，推斷選后產品煤灰分可下降6個百分點左右[15]。

在缺水的褐煤產區干法分選在節約用水方面有著重要的意義，但是干法分選精度相較傳統水介質分選差，且要求混末煤外在水分在7%以下。

(2)在洗選過程中褐煤易泥化，且主要發生在較高密度級，因此泥化作用也可作為一種選煤方法[10]。鄧曉陽[17]則認為應從褐煤本質上深入研究，區分煤和矸石的泥化特性差異，利用這種差異進行褐煤洗選加工，以具有我國高灰高水易泥化褐煤特征的內蒙古錫林浩特4號煤為例，提出“重力分選+泥化分選過程”的洗選降灰新理念。

王永田[18]提出一種褐煤泥化與洗選的工藝，采用一種泥化設備將褐煤進行預先泥化，然后進行50、0.5 mm篩分分級，由淺槽重介系統分選>50 mm粒級物料，由跳汰系統分選50～0.5 mm粒級物料，分別得到不同粒級的精煤和矸石產品；煤泥水則作沉降處理。該工藝可有效解決褐煤易泥化的問題。

代志偉[19]針對勝利褐煤泥化特點，通過分選試驗驗證了預先泥化工藝的可行性，提出了“>3 mm預先泥化脫泥跳汰分選、<3 mm不分選工藝”，跳汰試驗表明：預先泥化后的褐煤泥化程度明顯降低，分選指標較優，產生的煤泥水濃度小，在分選密度為1.6 g/cm3時，精煤灰分為17.57%，預測產率為51.21%。

我國褐煤選煤廠主要是露天礦的配套工程，因此選煤設備一般大型化，可以減少褐煤在各個選煤環節的滯留時間，避免引起褐煤的破碎及泥化[11]。盡管褐煤洗選加工具有特殊性，但是目前并沒專門針對褐煤研發的分選設備。

褐煤本身高灰高水煤質特性的限制，其商品煤價格較低，多數褐煤生產煤礦僅對原煤進行篩分破碎后即分級銷售；在分選加工工藝的選擇上應力求工藝簡潔、加工成本低，塊煤洗選+末煤直銷+煤泥壓濾工藝以及塊煤射線智能分選+末煤復合干法分選工藝是當前褐煤分選加工較多采用的。

3 國內外細粒褐煤浮選降灰研究

褐煤煤泥變質程度低，含氧官能團較多，表面疏水性較差，易造成油類捕收劑在其表面鋪展困難，因而常規浮選藥耗大、分選效果差[20-21]，但是關于褐煤浮選的研究卻從沒有停止過。

3.1 熱處理浮選

土耳其研究人員認為不同的煤種在受熱處理后，疏水性的改變是不同的，為此分別對三種煤質特性不同的褐煤采用微浮選和測定Zeta電位的方法[22-23]進行研究，觀察熱處理后研究對象的可浮性的變化。對于含氧基少且灰分高的褐煤，可浮性無改變，其他褐煤的Zeta電位有了很大變化，可浮性得到改善。熱處理后疏水性的改變在于煤表面結合水分子的含氧基[24]。

土耳其的SOYAK對褐煤進行不同時長的熱處理后，分別進行浮選試驗，煤樣可選性與加熱時間呈正相關，其中可燃體回收率由11%增加至83.4%，灰分由7.5%降到5.74%，硫分由2.5%降到1.52%；未經熱處理煤樣與在105 ℃熱處理4 h的煤樣親水性指數分別為17.25和2.87，熱處理后煤樣的紅外光圖譜表明，表面羥基官能團的吸收峰明顯減弱，即經過熱處理后的褐煤浮選性可以得到顯著的改善[25]。

3.2 油團聚浮選

油團聚浮選法是在20世紀初期的油團聚法的基礎上發展而來，是選擇絮凝和浮選相結合的分選方法[26]。日本學者村田逞詮指出煤的潤濕性與煤質和造粒(油團聚)存在關系。對于羧基含量超過一定限度的褐煤，其油團聚性能較差。研究試驗將烷醇酰胺型非離子表面活性劑N-24添加在非造粒性的美國貝爾艾爾褐煤上，試驗煤樣在造粒性提高的同時，黏結劑油用量降低；預先采用NaOH處理的試驗煤樣，則可以得到進一步的灰分降低[27]。

羅道成等對大同褐煤油團聚浮選影響因素進行研究表明，在8%(占煤重)的NaOH電解質溶液預處理60 min后的褐煤煤樣中添加0.04%(占煤重)的非離子表面活性劑(甲基二乙醇酰胺)和20%(占煤重)的黏結劑油(C重油)后，在起泡劑(仲庚醇)用量為150 g/t的條件下進行浮選，獲得了較好的效果[28]。

3.3 添加表面活性劑浮選

VAMVUKA D和AGRIDIOTIS V重點研究了表面活性劑添加對提高褐煤可浮性的影響，試驗分別在添加陽離子表面活性劑(十四烷基三甲基溴化銨，TTAB)、十二烷胺(DDA)、陰離子表面活性劑(十二烷基磺酸鈉，SDS)以及非離子表面活性劑(二乙基己醇)的條件下進行，結果表明添加陽離子表面活性劑的煤樣浮選效果優于其他，與煤油聯合使用后的試驗效果更佳[29]。

YAKUP CEBECI對不同藥劑制度下的Yozgat Ayridam褐煤進行了浮選試驗研究，在煤油作為捕收劑的條件下，進行空白試驗、添加乳化劑Acorga M5640(AC)以及添加乳化劑(AC)+表面活性劑(Flotigol CS，CS)試驗，浮選精煤的回收率分別為32.03%、54.38%以及89.45%。試驗結果表明，乳化劑和表面活性劑的加入均使得煤油的分散度提高，加快了煤油在煤表面的鋪展速度[30]。

KELEBEK S[31]進行了褐煤浮選藥劑之間的相互作用的析因試驗研究。將表面活性劑(十二烷胺，DDA)、捕收劑(煤油)、浮選pH值作為影響精煤可燃體回收率和灰分的三個考察因素，結果表明對精煤可燃體回收率影響較大的是捕收劑(煤油)和表面活性劑(DDA)，其次是pH值。其中藥劑在煤表面的吸附位置、表面活性劑與煤油的競爭配合關系以及起泡劑的選用是影響試驗結果的重要因素。

3.4 褐煤反浮選

另外，研究人員對褐煤進行了反浮選研究。寧可佳[32]以內蒙古寶日希勒褐煤為研究對象，試驗表明，十二胺對褐煤的反浮選效果優于十八胺和十六烷基三甲基溴化銨，進行連續多次的反浮選可以得到低灰分(10.20%)、高回收率(70%以上)的精煤，分選效果較好。

褐煤的煤質特性是導致其浮選分選效果遠不如煙煤，且浮選成本較高，但褐煤的可浮性又與矸石存在本質的不同，通過熱處理、浮選環境調節、添加表面活性劑，均可使褐煤的可浮性得到改善。

4 細粒褐煤油泡浮選

中國礦業大學王永田教授把油泡浮選技術引入低階煤浮選，將油泡浮選技術與柱浮選技術有機結合，以內蒙古東部白音華礦區褐煤為研究對象進行了低階煤浮選探索試驗。試驗分別以原煤和在干燥提質過程中產生的粉煤作為試驗對象，通過煤樣基本性質分析確定試驗煤樣具有浮選降灰的可行性，同時進行藥劑乳化浮選、微泡浮選以及油泡柱浮選等不同的探索研究，以實現降低藥耗和褐煤提質的雙重目標。

通過對煤樣基本性質進行試驗分析可知，褐煤浮選降灰具有可行性，但常規浮選藥劑消耗過大。褐煤浮選藥耗大的主要原因：一是表面含氧官能團多，易與水分子之間形成氫鍵，使得水化膜排列緊密，烴類油則不易在煤粒表面鋪展開，而是以油滴形式存在；二是褐煤孔隙度發達，毛細現象顯著，孔隙吸水吸油均會造成藥劑消耗大；三是烴類油在水中不易分散。

試驗將烴類油加熱氣化和旋流-靜態微泡浮選柱射流吸氣有機結合在一起的。烴類油通過加熱氣化成粒徑<2 μm的霧珠，與空氣一同吸入氣泡發生器中，由噴嘴噴出形成高速流體，在沖擊和壓縮的過程中，由于氣-油界面張力小于氣-水的界面張力，氣泡表面更易鋪展為油膜而非水化膜，形成帶有油膜的氣泡進入浮選柱中。

試驗以煤油泡作為捕收劑，采用實驗室旋流-靜態微泡浮選柱對煤樣進行藥劑量探索試驗。藥劑用量對油泡浮選柱浮選效果的影響如圖1所示。

圖1 藥劑用量對浮選效果的影響

由圖1可知：油泡浮選柱浮選可以降低微泡浮選中細泥機械夾帶對浮選結果的影響，捕收劑藥劑消耗可降至4 kg/t，將入料灰分為27.50%的褐煤降灰至15.64%，與添加表面活性劑的乳化藥劑柱浮選試驗結果相當。

試驗還對使用不同浮選方式處理過的煤樣進行潤濕性和表面Zeta電位分析，結果如圖2所示。

圖2 不同藥劑處理對煤樣表面Zeta電位的影響

由圖2可知：乳化藥劑可以改善褐煤表面的疏水性，而油泡浮選基本不改變煤粒表面疏水性，卻得到與浮選柱乳化浮選相當的浮選效果，證明了油泡柱浮選對于疏水性差、細粒含量大的褐煤分選的高效性[33]。

油泡浮選技術與柱浮選技術的有機結合，是細粒褐煤浮選獲得較低的精煤灰分和較好的浮選效果的關鍵。分析認為，柱浮選產生的微泡提高了細粒物料的分選效率，油泡浮選加快了浮選速度，有效降低了細粒分選中的細泥夾帶，并且烴類油通過附著在氣泡上而被高度分散，同時實現了藥耗的降低。

5 結論

(1)我國褐煤資源豐富，多屬年老褐煤，其高灰分高水分的特性，是造成褐煤利用途徑單一的主要因素。降灰提質是我國褐煤擴大加工利用途徑的必經之路。

(2)我國褐煤主要用于燃燒，洗選加工比例較低，當前褐煤分選加工較多采用塊煤洗選+末煤直銷+煤泥壓濾工藝以及塊煤射線智能分選+末煤復合干法分選工藝。

(3)褐煤變質程度低，含氧官能團較多，表面疏水性較差，易造成油類捕收劑在其表面鋪展困難，但褐煤的可浮性與矸石存在本質的不同，通過熱處理、浮選環境調節、添加表面活性劑，均可使褐煤的浮選性得到改善。

(4)細粒褐煤的油泡柱浮選探索試驗展現了兩種技術的結合對于細粒物料高效分選的優勢，為其他低階煤、氧化煤和氧化礦物的分選提供了參考和新的思路。

(5)在全球能源日趨緊張的形勢下，褐煤資源開發強度加大，隨著煤炭潔凈、高效利用技術的推廣，褐煤的經濟價值以及加工技術會越來越受到重視，降灰脫水后的優質褐煤的優化利用前景將更加寬廣。