稀缺主焦煤重介中煤解離特性的研究

劉 鋒，馬芳源，丁晴晴

(1.淮北礦業(集團)有限責任公司 淮北選煤廠，安徽 淮北 235000；2.中國礦業大學 化工學院，江蘇 徐州 221116)

我國稀缺煉焦類煤炭十分匱乏，整體資源分布不均勻是我國煉焦煤的一大特點。雖然煉焦煤市場供需矛盾突出，然而我國煉焦煤資源利用一直存在嚴重的問題，這使得煉焦煤不能有效得到合理的開發和利用。特別是一些煉焦中煤被用作動力煤消耗，這是我國煉焦煤被浪費的原因之一[1-3]。煉焦中煤進一步分選回收對提高煉焦煤的合理利用具有重要意義，同時能夠有效地提高選煤廠的經濟效益[4-5]。面對煉焦煤稀缺的現狀，業內人士已經深刻意識到煉焦中煤合理開發利用的重要性。

目前，我國針對煉焦中煤合理回收利用的技術極不完善，尤其是煤巖性質差異大的煉焦中煤，煉焦中煤的解離粒度、分選流程、分選裝備需要大量的試驗和生產實踐以便進行全面的分析與研究。因此，從煉焦中煤中進一步提取合格的煉焦精煤是實現稀缺煉焦煤有效利用的方法，這就需要在分選技術或者分選流程方面有著新的突破。淮北選煤廠是原設計能力為2.4 Mt/a的大型煉焦煤選廠，原煤入料為優質主焦煤[6-9]。2004年，經過改造后處理能力增加至4.5 Mt/a，采用無壓三產品重介質旋流器分選+煤泥重介分選、浮選、加壓過濾脫水+尾煤壓濾的聯合分選工藝。在經濟效益方面，煉焦中煤高效回收是降低企業生產成本的有效途徑[10-12]。

研究煉焦重介中煤的解離特性是確保后續回收合格煉焦煤產品的基礎。鑒于其煤巖組成，決定解離粒度的差異。根據不同的重介中煤解離度差異，才能進一步確定合理的回收技術和回收工藝。因此，研究重介中煤的解離對提高精煤產率至關重要。

1 試驗煤樣分析

1.1 粒度組成

試驗煤樣來自淮北選煤廠三產品重介質旋流器中煤脫介篩篩上產品。對中煤試樣進行了篩分試驗，其粒度分布結果如圖1所示。

圖1 試樣粒度分布結果

由圖1可知：試樣粒級含量差異顯著，3.0～0.5 mm的產品含量最高，達到了40.97%；而<3.0 mm的產品含量為42.46%。依據<0.5 mm的煤泥含量僅為1.49%，表明對試樣具有良好的脫泥效果；此外，通過試樣的各粒級灰分可以看出，各個粒級的灰分分布較為均勻，試樣平均灰分為31.37%。值得一提的是，<0.5 mm的粒級灰分最高為38.50%，在后續分選過程中可能會產生矸石泥化現象。

1.2 密度組成

對試樣進行浮沉試驗，結果如圖2所示，可選性曲線如圖3所示。 由圖2可知，該中煤組成中，主導密度級為1.4～1.6 g/cm3，產率為48.69%，且灰分為23.86%，中間產物1.4～1.8 g/cm3密度級產率高達82.46%，總體灰分并不是很高，說明該中煤有著進一步解離、提取精煤的可能；<1.4 g/cm3的低密度級累計理論精煤灰分為12.52%，精煤灰分不達標，也需要進一步破碎解離后才能選出合格的精煤產品。

圖2 試樣密度組成

圖3 試樣的可選性曲線

試樣的可選性曲線如圖3所示。由圖3可知：灰分特性曲線(λ)較陡，浮物累計曲線(β)、沉物累計曲線(θ)幾乎相互平行，這說明該試樣中分離出低灰尾煤難度較大；根據密度曲線(δ)，密度范圍1.4～1.8 g/cm3曲線斜率存在顯著變化，因此煤主要賦存在該密度范圍內。此外，當精煤灰分為12%時，對應的精煤產率為8%左右。δ±0.1含量≈66%，該試樣可選性等級為極難選。綜上所述，該試樣直接分選很難獲得合格的精煤產品，有必要對試樣進行再次破碎以確保達到更高的解離度。

1.3 礦物組成分析

中煤試樣煤炭的賦存狀態對進一步破碎過程的解離效果具有重要的影響，煤炭的賦存形態決定了中煤深度回收的工藝。通過X射線衍射儀分析了試樣中的礦物組成，如圖4所示。由圖4可知，高嶺土、石英和方解石是試樣中的主要黏土礦物，此外試樣中還伴生少量白云石、黃鐵礦等礦物。綜上所述，在后續的破碎解離過程中，應精確地控制產品細度，避免在后續分選過程中黏土礦物罩蓋從而影響分選。

圖4 XRD分析結果

重介中煤礦物質的嵌布特性對解離粒度的確定具有重要指導意義，利用背散射圖像和能譜儀(德國Bruker，Quanyax400-10)對淮北選煤廠重介中煤礦物質嵌布特性進行了分析，礦物質的嵌布特征如圖5所示。

圖5 重介中煤礦物質的嵌布特征

由圖5可知，礦物質的嵌布特性可以分為聚集狀與分散狀兩類，這與煤的成因相關。圖5(a)呈現了分散狀的礦物質(白色區域)，其嵌布粒度介于十微米至數十微米不等，分散在煤顆粒中，往往需要較細的磨礦粒度才能達到充分的解離。圖5(b)呈現了聚集狀的礦物質(白色區域)，嵌布粒度介于數十微米至數百微米，若要實現煤和礦物質的充分解離，較細的磨礦細度也是必要的。

2 破碎解離試驗

中煤解離粒度是后期深度分選的關鍵性指標。把中煤試樣破碎成不同破碎粒度上限的產品，通過比較不同破碎粒度上限產品的粒度、密度特性來確定試樣的最佳解離粒度。根據前文可知，試樣中整體具有粒度細、灰分在各個粒度范圍均勻分布的特點。試樣破碎至一個合適的粒度才能進行深度回收，破碎粒度過粗可能無法實現煤顆粒單體解離，過細則泥化現象會更為嚴重。因此選擇破碎粒度上限為6、3、1、0.5 mm分別進行了粒度和密度組成分析。

2.1 不同破碎粒度上限的產品粒度組成

將試樣混合均勻、縮分，進行不同破碎粒度上限的破碎試驗研究。通過對輥式破碎機對試樣進行破碎，使用篩孔為6 mm的篩子對破碎后產品進行篩分，篩上產品返回對輥式破碎機，直到試樣均破碎至6 mm以下。依據上述方法，分別用篩孔為3、1、0.5 mm的篩子進行篩分，試驗結果如圖6所示。 由圖6可知，<0.5 mm粒級產品含量隨著破碎粒度上限的減小而增加，但其灰分反而降低。對于>0.5 mm粒級產品而言，其灰分隨著破碎粒度上限減小而增加，這種現象表明破碎具有選擇性。>0.5 mm粒級產品中，矸石相對于碳質礦物不容易破碎，從而促使<0.5 mm粒級產品中的灰分降低。然而，通過對比不同破碎粒度上限>0.5 mm粒級產品、<0.5 mm粒級產品的灰分發現，灰分差異不是很大，這說明破碎過程的選擇性相對較弱，矸石礦物和煤顆粒的破碎差異較小。

圖6 不同破碎粒度上限的產品粒度組成

2.2 不同破碎粒度上限的試樣密度組成

2.2.1 破碎粒度上限為6 mm試樣密度組成

用篩孔為0.5 mm的篩子將破碎粒度上限為6 mm的產品進行篩分，分成以0.5 mm為界的兩個粒級產品，對上述兩個粒級產品進行浮沉試驗，結果見表1，可選性曲線如圖7所示。

表1 破碎粒度上限為6 mm的煤樣浮沉試驗結果

圖7 破碎粒度上限為6 mm的煤樣可選性曲線

由表1可知，>0.5、<0.5 mm粒級產品在兩端密度級范圍含量低，而中間密度級含量高，這表明破碎粒度上限為6 mm的產品并不能實現煤炭顆粒的單體解離。對于>1.8 g/cm3密度級產物，<0.5 mm粒級產品含量較高。相反，>0.5 mm粒級中含量較低，這表明高灰礦物確實得到了一定程度的解離，使其累積在<0.5 mm的粒級產品中。由圖7可以看出，6 mm作為上限粒度不能獲得解離度較好的產品。

2.2.2 破碎粒度上限為3 mm試樣密度組成

用篩孔為0.5 mm的篩子將破碎粒度上限為3 mm的產品進行篩分，分成以0.5 mm為界的兩個粒級產品，對上述兩個粒級產品進行浮沉試驗來考查試樣的密度組成，試驗結果見表2，可選性曲線如圖8所示。

表2 破碎粒度上限為3 mm的煤樣浮沉試驗結果

圖8 破碎粒度上限為3 mm的煤樣的可選性曲線

由表2可知，<0.5 mm粒級的低密度產物產率比3～0.5 mm粒級低密度產物產率高出0.32個百分點，>1.8 g/cm3密度級產率在<0.5 mm粒級中含量較高。然而，3～0.5 mm粒級中，中間密度產物產率仍很高，這部分產物占比為40.85%。由圖8可知，當精煤灰分為12%的情況下，精煤的理論產率可達到24%左右。與破碎粒度上限為6 mm的情況相比，理論產率提高了14個百分點。

2.2.3 破碎粒度上限為1 mm煤樣密度組成分析

用篩孔為0.5 mm的篩子將破碎粒度上限1 mm的產品進行篩分，分成以0.5 mm為界的兩個粒級產品，對上述兩個粒級產品進行浮沉試驗，試驗結果見表3，可選性曲線如圖9所示。

表3 破碎粒度上限為1 mm的煤樣浮沉試驗結果

圖9 破碎粒度上限為1 mm的煤樣可選性曲線

由表3可知，在試樣破碎粒度上限為1 mm的情況下，<0.5 mm含量達到了65.79%，<0.5 mm粒級中低密度物產率增加較明顯，灰分也相對降低，>1.8 g/cm3密度級產物產率在<0.5 mm粒級高出1～0.5 mm粒級可達5.96%。相應地，在<0.5 mm產品中灰分也要顯著高于1～0.5 mm產品，這表明試樣發生了明顯的解離從而進入了<0.5 mm產品中。根據圖9的曲線，在精煤灰分為12%的條件下，可獲得產率為32%的精煤產品。相比于破碎粒度上限為3 mm的情況，產率顯著增加。

由圖9可知，在破碎粒度上限為1 mm的情況下，低密度產物、高密度產物、中間密度物產率增加趨勢十分明顯。就灰分而言，高密度范圍的產品灰分明顯高于破碎前對應的密度范圍。

此外，隨著破碎粒度上限的減小，灰分升高。特別是<1.3 g/cm3密度級的產品隨破碎粒度上限的減小使得灰分顯著增加；試樣破碎前與破碎粒度上限為6 mm的產品比較可以看出，中間密度以及高密度產品灰分增加，而<1.3 g/cm3密度級的產品灰分反而降低。造成這種情況的原因是易碎的脈石礦物被有效解離出來，鑒于篩上產品返回連續破碎使得破碎過程的選擇性更顯著。進一步講，煤炭的脆性要更高，從而導致高灰的產品保持在>0.5 mm的產品中。另一方面，破碎粒度上限的減小使得破碎過程的選擇性效果增強。所以，>0.5 mm產品中，低密度產品的灰分呈現增加的情況。

2.2.4 破碎粒度上限為0.5 mm密度組成

在<1 mm產品進一步破碎為<0.5 mm的情況下，可得破碎粒度上限為0.5 mm的浮沉試驗結果見表4，可選性曲線如圖10所示。

表4 破碎粒度上限為0.5 mm的煤樣浮沉試驗結果

由表4可知，<1.4 g/cm3密度級的產品產率從19.98%增加到20.97%，提高了0.99個百分點。>1.8 g/cm3密度級的產品從16.41%增加到18.33%，提高了1.92個百分點。即<1 mm的產品進一步破碎至<0.5 mm的產品可以大幅度改善煤的解離效果。由圖10可知，在精煤灰分為12%的條件下，可獲得精煤產率大約為35%。相比于破碎前，精煤產率提高了4個百分點。這進一步說明了<1 mm產品破碎至<0.5 mm產品有效提高了精煤產率。

圖10 破碎粒度上限為0.5 mm的煤樣可選性曲線

根據上述分析結果表明：破碎粒度上限越低，高密度和低密度產品產率越高，相應地中間密度范圍的產品產率降低，但煤炭的解離程度越高；在破碎過程的能耗方面，破碎過程中應盡可能保證低能耗實現較高的解離度，這就需要確保破碎過程的選擇性更好；在深度分選工藝方面，過細的入料產品會對分選過程造成一定困難，同時煤泥水處理效率也會降低；而在煉焦煤的性能方面，精煤產品的細度也會對最終焦炭的品質有所影響。如果精煤粒度過細，由于其超大的比表面積會造成活性組分增加，最終直接影響煤的黏結性。綜上所述，破碎粒度上限確定為0.5 mm。

2.3 不同破碎粒度上限下解離對比分析

破碎前及不同破碎粒度上限下不同密度級產率、灰分的變化情況如圖11所示。由圖11可知，破碎粒度上限降低，低密度、高密度級產品占比都有所提高，而中間密度級產品占比卻降低。在<6 mm產品進一步破碎到<0.5 mm產品的情況下，中間密度級的產品產率減少了13.40個百分點；<1.4 g/cm3密度級的產品產率從15.23%增加到20.97%，提高了5.74個百分點。>1.8 g/cm3密度級的產品產率從10.67%提高至18.33%，整體增加了7.66個百分點。當灰分為12%時，可由圖7—圖10可看出破碎粒度上限為6、3、1、0.5 mm時理論精煤產率分別為14%、24%、32%、35%。

圖11 不同破碎粒度上限下不同密度級產率和灰分的變化

綜上所述，破碎粒度上限的減小導致的差異主要表現在密度組成，即中間密度產品產率降低顯著，而高密度級和低密度級產品產率增加。相應地，解離程度越來越充分。實際上，當破碎粒度上限達到一定值時，密度組成變化差異非常小，說明幾乎所有煤炭已經得到了充分的解離。由圖11可以看出：破碎粒度上限由1 mm下降至0.5 mm時，<1.3 g/cm3密度級產率增加了0.49個百分點，<1.4 g/cm3密度級產率增加了0.99個百分點，灰分均有所降低；中間密度級含量減少了2.91個百分點。由此可知，該重介中煤仍有進一步解離的空間，但是增幅不會太大，綜合考慮到破碎磨礦成本、脫水及后續作業的復雜性，以及<0.5 mm處選別方式的多樣性，認為該重介中煤破碎再選的適宜粒度可控制為<0.5 mm。

3 結論

(1)中煤試樣的粒度組成表明該試樣主要粒度在3～0.5 mm的范圍，其試樣產率為40.97%。此外，中煤試樣的另一大特點為泥含量很低，僅為1.49%，試樣中各個粒級產品灰分相對均勻，且隨粒度范圍的降低灰分整體呈現先增后降的規律。

(2)中煤試樣煤炭顆粒成細顆粒分布，難以分選，通過直接深度分選不可能獲得合格的精煤產率；若要實現煤和礦物質的充分解離，磨礦細度較細，實際生產需要充分考慮經濟成本和生產工藝的合理性。

(3)針對試樣進行了6、3、1、0.5 mm不同破碎粒度上限的破碎試驗，隨著破碎粒度上限越小，煤炭的解離程度越好，理論精煤產率呈現增加趨勢。通過對比破碎前產品和破碎粒度上限為0.5 mm的產品可選性曲線可知，理論產率從8%增加至35%。

此外，中間密度產品含量的降低使得煤炭解離度越來越高。綜合考慮到破碎磨礦成本、脫水及后續作業的復雜性，以及考慮到<0.5 mm煤選別方式的多樣性，該重介中煤再選的破碎適宜粒度可控制為<0.5 mm。