低階煙煤煤巖顯微組分分選及其分質利用研究進展

周安寧，張懷青，李 振，屈進州，趙 偉，楊志遠，趙世永

(1.西安科技大學 化學與化工學院，陜西 西安 710054；2.自然資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室，陜西 西安 710021)

0 引 言

煤炭資源是我國的主體能源，也是重要的化工原料。盡管我國能源發展正處于油氣替代煤炭、非化石能源替代化石能源的雙重更替期，新能源和可再生能源對化石能源，特別是對煤炭的增量替代效應明顯[1]，但煤炭在我國經濟發展中的戰略地位依舊不可動搖，是短期內不可替代的穩定主體能源[2]。經預測，煤炭在2025年能源消費中的比例依舊在50%左右，甚至更高[3-4]。而“碳達峰、碳中和”戰略目標的提出，對我國煤炭資源的加工利用及煤化工行業的發展提出了新要求。傳統的煤炭分選和利用方式已經無法滿足當前生態環境的需求，如何清潔利用我國豐富的煤炭資源，尤其是成煤時期晚、揮發分含量高、反應活性高的低階煤資源，實現利用效率和經濟效益最大化，是“雙碳”背景下煤炭分選和煤化工產業面臨的新的重要課題。

在我國已探明的煤炭儲量中，有超過40%的優質低階煙煤[5-7]，具有低灰、低硫、低磷、高揮發分、高活性、易燃易碎等特點，是理想的動力用煤和化工原料[8]。由于普遍具有惰質組質量分數高(>35%)的缺點，導致其在煤直接液化、熱解、催化解聚等過程中表現出能量轉化效率和碳轉化效率低等不足，同時由于煤巖顯微組分嵌布結構的復雜性，給煤巖顯微組分的分離富集工作帶來了一定的難度和挑戰，嚴重制約了低階煙煤清潔、高效利用技術的發展[9]。研究表明，不同煤巖顯微組分的工藝性能存在較大差異，鏡質組和殼質組在煤炭轉化過程中具有黏結性、反應活性和油轉化率高等優點，是配煤煉焦、熱解、液化以及制備煤基復合材料等領域的優質原料[10]；而惰質組的活性極弱或無活性，其含量較高時會導致煤的液化性能和反應活性降低[11-12]、黏結性能和成漿性能差[13-14]，可作為石墨、活性炭等碳材料制備的原料或燃料等[15-16]。目前，傳統的選煤方法已經被嘗試用于分離富集煤巖顯微組分，包括手選法、篩選法、重選法、電選法和浮選法等，主要集中在重選和浮選兩方面[17]。但由于煤巖顯微組分結構的相似性和嵌布特征的復雜性，常規的分選方法均存在選擇性差、富集率低等問題，難以滿足低階煙煤“富鏡降惰”的需求[18]。于是，基于傳統的選煤或選礦方法衍生出了一系列有針對性的新的煤巖顯微組分分選方法和工藝，如強化重力分選法[19]、逆流分選法[20]、電浮選-電凝聚法[21]、油泡浮選法[18]、氣流粉碎-分級系統[22]等，能夠有效改善傳統分選方法的不足，提高煤巖顯微組分的分選精度和分離效率。通過有效的煤巖組分分離富集，實現不同煤巖組分的分質轉化利用，將有力促進高惰質組煤的綠色高效利用，使我國煤炭加工利用及煤化工行業發生質的蛻變[23-24]。

筆者針對我國低階煙煤在清潔高效利用方面的困境，將煤巖顯微組分特性、煤巖顯微組分的測定方法、煤巖顯微組分的分離富集手段以及煤巖顯微組分分質利用的發展現狀4個方面進行全面總結，指出了基于煤巖顯微組分分選的煤炭分質利用的發展路徑和發展方向，對于低階煙煤實現煤炭轉化利用全過程的“分質轉化和梯級利用”具有重要意義。

1 煤巖顯微組分特征及測定方法

1.1 煤巖顯微組分特征

煤巖顯微組分是指在顯微鏡下可辨別的煤的組成單元，根據成因、形態和物理性質的差異可將其劃分為鏡質組、殼質組和惰質組三大類[25-27]，如圖1所示。鏡質組多以條帶狀結構為主，表面均勻平整，在油浸反射光下呈深灰色到淺灰色[33]。殼質組的形態特殊，反射率低，在不同煤級中差異明顯，從低階煙煤到中階煙煤，殼質組在油浸光下呈灰黑色到深灰色變化，當鏡質組反射率(Ro,max)在1.3%～1.5%時，殼質組的特征、反射率等與鏡質組接近，難以被區分[30]。惰質組在油浸光下呈現出明顯的灰白色、亮白色到黃白色，反射率、突起和細胞結構保存程度均高于鏡質組[34]，通常無熒光或有弱熒光性[31-32，35]。但各組分的反射率都隨煤階演變而逐漸改變[25]。對同一種煤或相同變質程度的煤而言，一般殼質組的密度最低(約<1.25 g/cm3)，鏡質組次之(1.25～1.35 g/cm3)，惰質組密度最高(1.35～1.50 g/cm3)，隨著煤變質程度的提高，各組分之間的密度差異逐漸變小，且呈增高趨勢[36]。

圖1 煤中顯微組分結構

不同顯微組分之間的分子結構組成存在明顯差異，通常情況下，對煤化程度相同的煤而言，惰質組的芳構化程度和縮合環數相對高，脂肪結構較少，具有較高的碳含量。殼質組的變質程度最低，芳香環縮合度最小，脂肪結構豐富，烷基側鏈最長，具有相對較高的氫含量。而鏡質組則介于二者之間，但鏡質組中往往伴隨著較高的氧含量[37-38]。且隨著煤化程度的增加，各組分的氧和氫含量都呈降低趨勢。

1.2 煤巖顯微組分含量測定方法

煤巖顯微組分的分析鑒定是研究煤巖顯微組分性質的基礎，基于各組分之間的差異性，可將煤巖顯微組分的測定方法分為3類。

1.2.1 打點計數法

GB/T 8899—2013《煤的顯微組分組和礦物測定方法》中明確規定了測定煤巖顯微組分和無機礦物體積分數的具體方法，該方法主要依靠單偏光、油浸物鏡條件下不同顯微組分的反射色、顯微結構、形態、突起等特征辨別。因此，要求用于煤巖顯微組分定量統計的粉煤光片中，樣品粒度必須小于1 mm，同時，直徑小于0.1 mm的物料不多于10%，顯微組分界限清晰、特征分明。其測定的工藝流程如圖2所示。

圖2 打點計數法煤巖顯微組分測定的基本流程

數點法是目前使用最多，應用最廣泛的測定方法，其優點是不受限于煤種，結果精準，代表性較強。但整個測試工藝耗時長、效率低；其次，影響測試結果準確度的核心因素在于測試者的操作及其對煤巖顯微組分的識別能力，組分識別的主觀性強，對測試者的專業要求較高，受人為主觀因素影響較大；而且其工藝流程繁瑣，誤差來源復雜，測試往往只能單向進行，測試的準確性只能通過復測來評價；對煤樣的要求較高，當細粒物含量較多時無法檢測。此外，測試過程中人工布點很難做到絕對均勻，也會影響測試結果的客觀性和準確性。

1.2.2 圖像分析法

圖像分析法主要運用圖像分析原理，根據煤巖顯微組分的不同反光能力，通過對圖像的灰度進行分級，建立灰階與反射率之間的關系，根據煤巖顯微組分的反射率和形態參數達到測定煤巖顯微組分含量的目的[39]。

圖3為煤炭科學研究總院研發的煤巖自動測試系統，該系統利用顯微數碼相機和自動載物臺獲取煤巖顯微組分圖像，減少顯微鏡下的繁瑣操作；結合煤巖組分的反射率及形態學參數界定顯微組分，每個測點的測值和相應測試對象可追溯，測試結果可審核；在保證測試準確性和客觀性的基礎上，提高了測試速度和效率，該系統在煤焦檢測判斷中表現優異[40-41]。但是顯微鏡無法直接識別顯微組分，對不宜測試點和區域不能及時做出判斷和適當調整，沒有充分考慮穩定時間對測試結果的影響[42]。同時，由于該系統是打點計數法的升級和自動化，也存在細粒物料識別精度不高問題。

圖3 煤巖自動測試系統及巖相圖像[40]

1.2.3 其他間接分析方法

1)基于浮沉離心分離的定量分析法。同一種煤樣的顯微組分中，殼質組密度最低，鏡質組次之，惰質組密度最高。基于浮沉離心分離的定量分析法正是基于煤巖顯微組分之間的密度差異，先通過等密度梯度離心法繪制煤樣的密度分布圖，如圖4所示。從圖4中可獲得殼質組與鏡質組、鏡質組與惰質組的分離密度邊界值，再通過浮沉試驗，按分離密度邊界值進行顯微組分的浮沉分離，稱量不同密度級產物質量并計算得到煤巖顯微組分的相對含量[43-44]。該方法操作簡單，適應性廣，可適應于細粒煤的顯微組分含量測定；但煤巖顯微組分之間難以完全解離，且各密度級之間混雜有少量其他組分，導致測量結果的準確度低。

圖4 神府煤密度分布[43]

2)基于煤質特性的回歸分析法。煤樣性質與煤樣的變質程度及其煤巖顯微組分含量之間的關系密不可分(圖5，圖5中數據根據FTIR結果計算得出，其中AR1為A3 000～3 100/A2 800～3 000，AR2為A700～900/A2 800～3 000，DOC1為A3 000～3 100/A1 600，DOC2為A700～900/A1 600，CH2/CH3為A2 900～2 940/A2 940～3 000，生烴能力為A2 800～3 000/(A2 800～3 000+A1 600)，煤成熟度為A1 650～1 800/(A1 650～1 800)+A1 600，對于特定煤種或相同煤化程度的煤樣，可以建立煤樣的相關性質指標與煤巖顯微組分含量之間相關關系，通過測定其性質指標達到測量煤巖顯微組分含量的目的。

圖5 FT-IR光譜中部分性質指標與煤階及鏡質組含量之間的關系[45]

李家鑄等[46]采用裂解-氣相色譜技術對33個煤巖顯微組分組成不同的煤樣進行了研究，特定譜峰的面積比值與殼質組及鏡質組的含量有很好的相關關系，利用裂解色譜參數可以估測煤樣中殼質組及鏡質組的含量。謝華等[47]以撫順富含樹脂體的煤樣為研究對象，根據熱重分析過程中不同煤巖顯微組分失重的溫度差異，通過熱重曲線較準確和快速計算確定了煤樣中樹脂體的含量。張磊等[48]通過對神府低階煙煤的工業分析和煤巖顯微組分含量分析，發現煤樣的干燥無灰基揮發分與無礦物基惰質組含量之間存在明顯的線性關系，并將其表征為：Vdaf=-0.163 7I+42.255，R2=0.988，據此，可通過測定煤樣的揮發分預測其鏡質組含量。上述方法均可通過簡單的表征實現對煤巖顯微組分含量的測定，操作簡單快速，解決了煤巖分析中試驗量大、工藝繁瑣、測試周期長、對煤樣粒度要求高等問題，但存在試驗結果精確度不高，只針對特定煤種，應用范圍窄等缺點。

1.2.4 煤巖顯微組分定量測定方法比較

實現煤巖顯微組分高效、精準的自動識別與鑒定是煤巖顯微組分測定的必然趨勢，不同測定方法具有相應的優勢和局限性，均能在一定程度上達到測定煤巖顯微組分含量的目的。表1系統展示了不同煤巖顯微組分定量測定方法的原理和優缺點。研究表明，大部分煤只有粉碎到10 μm以下時，煤中顯微組分才能達到良好的解離效果[49]，因此，隨著煤巖顯微組分解離和分選技術的發展，細粒物料中各組分的定量測定是未來煤巖工作的重點和難點。

2 煤巖顯微組分分選方法

2.1 手選法

手選是通過肉眼識別，根據顏色、光澤、硬度和斷口等特征，通過分離、富集煤的宏觀煤巖成分，達到煤巖顯微組分分離富集的目的，通過此法可以獲得純度較高的不同煤巖顯微組分，操作簡單，不會改變富集產物的物理化學性質，但該方法效率極低，人為操作影響很大，只能應用于實驗室用研究樣品的制備，無法批量操作。段旭琴等[50]對神府煤經初步手選，富鏡質組煤的鏡質組質量分數達90%以上，富惰質組煤的惰質組質量分數達85%以上。PATRICK等[51]通過手選法分離出了富鏡質組產物，鏡質組質量分數達90%～98%。何鑫等[52]通過手選逐步富集法先對神華煤和準東煤的鏡煤和絲炭進行富集，再將富集物破碎至1 cm以下進行除雜提純，最終獲得了純度分別為94.39%和90.16%的神華煤富鏡質組和富惰質組，純度分別為90.07%和85.22%的準東煤富鏡質組和富惰質組產物。

2.2 篩選法

篩選法是根據各煤巖顯微組分可磨性差異，導致其在相同破碎條件下產物粒度產生的差異而進行分離的一種方法。該方法的基礎是煤巖顯微組分具有不同的硬度和脆度，在破碎過程中產生不同粒度的物料，通常而言，中等煤化程度煙煤的鏡質組顯微脆度最大，與之相比，煤化程度升高或降低，其脆度均逐漸下降。對于相同煤化程度的煤，煤巖顯微組分的脆度也有差異，一般鏡質組最大，惰質組次之，殼質組最小。對于相同煤化程度的煤，強還原程度煤的鏡質組比弱還原程度煤的鏡質組的顯微脆度要高。然而，低煤化程度煤顯微組分的顯微脆度與中等煤化程度煤不同，曾凡桂等[53]測定了神府大柳塔、檸條塔煤樣剝離出的鏡煤和絲炭的粉碎特性，結果表明，絲炭的可磨性指數明顯大于鏡質組，各種絲質體的顯微脆度也大；趙世永等[54]對神府低階煙煤進行了沖擊粉碎和氣流粉碎，通過浮沉離心分離法測定了粉碎產物的顯微組分含量，鏡質組主要富集在>0.045 mm中，惰質組則主要富集在<0.045 mm中。門東坡等[55-56]對神東長焰煤和開灤錢家營肥煤進行了不同程度的破碎試驗，破碎粒度越小，煤巖顯微組分的解離越充分，鏡質組在粗粒中的富集效果越明顯，惰質組的富集程度會隨粒度的減小而升高。

2.3 重選法

重選法是目前選煤領域進行粗粒分選和提純的有效方法之一，是根據不同顯微組分的密度差異進行分離的一種方法。理論上可以根據各煤巖顯微組分密度的差異，通過重力分選的方法進行分離富集。因此，在煤巖顯微組分分選研究初期，便有學者采用重介旋流器進行分選試驗，如蔡昌鳳[57]采用重介旋流器對檸條塔煤進行了惰質組脫除試驗，惰質組脫除率為52.4%，但鏡質組的回收率相對較低，僅為70.56%；趙世永[58]采用先高密度分選(一次分選)后低密度分選(二次分選)的兩段分選方式，對神府煤1.0～0.2 mm細粒煤的煤巖顯微組分進行重介旋流分選試驗，在分選產物中，鏡質組富集率可達79.73%，惰質組富集率為72.50%。但由于煤巖顯微組分之間的密度差異較小，可選性較差；加上解離粒度相對較細，顆粒之間會產生較強的粒間效應，進一步使煤粒的比重差異相對變小；從而對重液配置的準確性和設備的精密性提出了更高的要求，也影響了分離精度和富集程度。因此，重介旋流器分選還只限于實驗室試驗，難以進行大規模應用。

2.3.1 等密度梯度離心法

1957年，KREVELEN等[59]提出浮沉分離法，將煤樣破碎至68 μm以下，使煤巖顯微組分充分解離，再通過有機重液或無機鹽溶液進行離心分離，對相應密度范圍內的產物進行分離、清洗，獲得煤巖顯微組分富集產物。鑒于浮沉離心法工藝過于繁瑣，1980年，DYRKACZ等[60-62]提出了等密度梯度離心法，在后續幾年間不斷改進和完善，成功分離出了純度較高的煤巖顯微組分，形成了相對成熟的等密度梯度離心工藝[63-65]。門東坡[66]在最佳破碎粒度下對神東長焰煤、開灤東歡坨氣煤和錢家營肥煤煤巖顯微組分進行了浮沉分離，分別得到了純度為86.05%、89.52%和90.54%的富鏡質組產物。WANG等[67]以ZnCl2為重介質，從4種不同等級的煙煤中分離出了鏡質組質量分數均高于90%的鏡質組富集樣品。CHANG等[68]從新疆五彩灣煤中分離出了純度分別為87.80%和91.30%的富鏡質組和富惰質組產物。SHEN等[69]對寧東地區的梅花井和羊場灣2種煙煤的煤巖顯微組分進行了分離富集，富鏡質組產物的純度分別為90.4%和88.3%，富惰質組產物的純度分別為88.0%和88.7%。等密度梯度離心法可以在小區間內分離出純度相對較高的煤巖顯微組分富集產物，但由于其處理量小，每次僅能處理15～20 g樣品，此方法目前只能用于實驗室內獲取少量高純度的試驗樣品。

2.3.2 強化重力分選法

強化重力分選主要應用于金屬礦物分選，衍生出了一系列的分選設備，如Mozley多產品重選機、Falcon離心分選機、Kelsey離心跳汰機、Knelson重力分選機等。目前應用于煤巖顯微組分分選的主要為Falcon離心分選機，如圖6所示。該設備能產生高倍離心加速度，適用于細粒級低密度差異的礦物分選，與煤巖顯微組分分離密度邊界值低的特征相契合[71]，富集成本相對較低。

圖6 Falcon分選機示意[70]

陶有俊等[70]采用Falcon離心分選機對棒磨后的神華低階煙煤進行強化重力分選試驗，鏡質組平均回收率達到71.61%，平均富集比為1.15。溫雪峰等[71]借助加拿大Falcon離心分選機研究了神東煤在復合力場中煤巖顯微組分的富集規律，通過復合力場強化了煤巖顯微組分之間的分選行為差異性，分選出精煤的鏡質組質量分數和產率分別為70%和80%。此外，其還通過調控低密度旋流分選過程中細煤泥質量分數與組成，獲得了鏡質組質量分數為76.69%的精煤產品，鏡質體回收率達95.52%，并進行了半工業規模(10 t/h)的基于顯微組分富集的低密度煤炭旋流分選連續性分選試驗，精煤中鏡質組質量分數達到76.45%，實現了鏡質組的相對富集[72]。張衛馳[73]、羨宇帥[74]、石正祥[75]利用Falcon離心分選機對神華長焰煤顯微組分進行了分選試驗，鏡質組富集比分別為1.15、1.39和1.16，在一定程度上實現了鏡質組的相對富集。

2.3.3 逆流分選法

逆流分選機采用水為分選介質，根據不同顆粒在水流中的沉降速度差異達到按密度分選的目的。物料在上升水流和自身重力的作用下在傾斜板上發生分離，輕顆粒隨水流上升溢出，重顆粒則返回進行再次分選，通過調節水流速度，可得到不同密度顆粒的上層清液[76-77]，如圖7所示。

圖7 逆流分選機分選煤巖顯微組分示意[20]

XIE等[18,78-80]采用逆流分選機進行了一系列不同入料粒度的煤巖顯微組分分選和研究工作，經過對<212 μm物料的分選，得到了純度超過80%的富鏡質組產物；而從入料為106～212 μm的物料中分選出富鏡質組產物的鏡質組質量分數為91.2%；對212～500 μm物料，分選出了純度為96.0%的富鏡質組產物。溢流產物中的惰質組含量會隨著上升水流的增大而增大，且當入料粒度增大時，為保證具有較高的鏡質組回收率，上升水流也應適當增強。逆流分選法僅采用水為分離介質，降低了分選成本，同時也避免了化學處理對后續加工利用可能造成的影響，分選處理量較大，分選結果相對可觀；但該方法對水資源的依賴性較強，且需要高效的脫水干燥設備對產物進行處理，增加了生產成本。

2.4 摩擦電選法

煤巖顯微組分的摩擦電選是以帶不同電荷的顯微組分在外電場作用下發生分離為理論基礎，其主要依據為煤巖顯微組分的電性質差異。使不同顯微組分之間互相接觸、碰撞和摩擦，或使之與某種特定材料進行摩擦，實現電子轉移，產生相反電荷，根據其在高壓電場中運動軌跡的差異，實現煤巖顯微組分的分離富集[81]，如圖8所示。

圖8 摩擦電選系統示意[81]

研究表明，不同煤巖顯微組分的介電性質及其在電選機上分選行為存在較大差異，相對惰質組而言，鏡質組和殼質組的介電常數較小[82-83]。鏡質組和惰質組的電阻率幾乎相同，但相對介電常數相差較大，鏡質組的相對介電常數較低，在摩擦電選分離過程中，表面的正電荷容易丟失，而惰性組表面的負電荷則相對穩固，從而在高壓靜電場中產生軌跡差異[84]。

HE等[85]探究了鏡質組和惰質組與聚酰胺、銅、鋁、不銹鋼、聚對苯二甲酸乙二醇酯和聚氯乙烯等6種材料的摩擦帶電情況，發現聚酰胺是煤巖顯微組分摩擦電選的首選材料，鏡質組和惰性組在摩擦荷電后呈現出相反的電荷極性，并通過摩擦電選分離富集了神華低階煙煤的煤巖顯微組分，獲得了純度分別為93.09%和91.27%的富鏡質組產物和富惰質組產物，惰質組表面具有較高的含氧基團和親水基團(酚羥基和羧基)，而鏡質組表面則具有高含量的疏水基團(烷基側鏈)，兩者在高溫濕潤的環境中更容易實現摩擦電選分離[81]，如圖9所示。HOWER等[86]在實驗室規模的摩擦靜電分離裝置中對3種東肯塔基州和2種伊利諾伊盆地煤的顯微組分進行分選試驗，實現了鏡質組相對富集。

圖9 不同組分摩擦帶電示意[85]

摩擦電選是一種干法分選技術，可以避免分選過程對水資源的需求及分選產物的干燥問題，對環境污染小，分選效果較好，但其受表面性質影響，不同地區、不同煤種之間的電性質差異較大，且對于摩擦過程中電子的轉移機理尚不明晰，目前只存在于實驗室研究，距離工業實施還存在一定差距。

2.5 浮選法

浮選法是當前煤巖組分分離富集中具有工業應用前景的研究方向，深受眾多學者青睞，形成了相對豐富的研究成果，并基于此形成了油泡浮選、電浮選-電凝聚法等浮選分離煤巖顯微組分的新方法。

2.5.1 常規浮選法

常規浮選主要是根據不同顯微組分表面物理化學性質差異，通過其對礦漿中液體和氣體的作用不同實現分選，其中相對疏水、親氣的組分，可黏附到氣泡上，隨氣泡上升成為浮物產品，另一部分親水組分則留在礦漿中，成為沉物產品。龍江等[87]采用油酸為捕收劑、聚乙二醇為起泡劑、十六烷基三甲基溴化銨為表面活性劑對新疆煤的煤巖顯微組分進行了浮選分離試驗，浮物中鏡質組質量分數達到69.7%，較原煤提升了近34%，沉物中惰質組質量分數達到84.9%，較原煤提高了近20%，初步實現了富集煤巖顯微組分的目的。SHU等[88]對神府煤巖顯微組分的浮選分離富集結果表明，當浮物產率小于69%時，浮物中的鏡質組質量分數可達80%以上。HONAKER等[89]通過柱浮選分離伊利諾伊州6號煤的煤巖顯微組分，使惰質組質量分數從原煤的7.5%富集到了50%，初步達到了脫除惰質組的目的。蔣莉[90]以煤油為捕收劑、仲辛醇為起泡劑、十六烷基三甲基溴化銨為表面活性劑對紅柳林低階煙煤煤巖顯微組分進行浮選分離，得到了鏡質組含量和惰質組質量分數分別為85.87%和68.13%的浮物產品和沉物產品。周艷君[91]以十二胺為捕收劑、聚乙二醇為起泡劑對神府煤煤巖組分進行浮選，產物中鏡質組和惰質組富集率分別達到83.29%和47.44%。浮選法在煤巖顯微組分解離粒度較小的情況下具有較大優勢，具有相對較高的富集比。但由于煤顯微組分組成的復雜性，不同組分的表面性質差異并不顯著，很難達到高選擇性浮選。

2.5.2 電浮選-電凝聚法

電浮選是一種在浮選的液相礦漿中通入直流電場，在電場作用下，水相發生解離并經過一系列極化作用，在陰極放出H2，而陽極放出O2的方法，如圖10所示，陰極區用氫氣泡作載體進行浮選，陽極區則利用氧氣泡作載體進行浮選，同時在陽極區由于有氫氧化鋁形成，從而存在凝聚作用[92]。

圖10 “U”形串聯式電浮選裝置[21]

“U”形串聯式電浮選裝置不同于常規的單柱式浮選裝置和常規電浮選柱，而是采用“U”形電解槽結構，通過鹽橋將陰極浮選柱和陽極浮選柱連接起來，形成串聯式兩段電浮選裝置[21]。電浮選過程中的鋁電極發生的主要的化學反應為：

陰極：

2e-+ 2H2O→H2(g) + 2OH-，

(1)

陽極：

(2)

(3)

趙偉等[44, 93-95]通過上述裝置進行了一系列煤巖顯微組分分選研究，該裝置可以通過控制浮選過程中礦漿pH、電壓強度、浮選時間及礦漿濃度來調整浮選回收率及煤巖顯微組分富集率，浮物中鏡質組含量可達到95%左右。

相較于常規浮選設備，電浮選-電凝聚法分選煤巖顯微組分具有較大優勢。浮選過程中，電解產生的氣泡較小，容易調節，且分布均勻，可以提供有效的接觸面積和高效的礦化條件[96]；氣泡具有較高的物理化學活性，且表面存在電荷，可以與顆粒表面發生化學作用，改變顆粒的物理化學性質，增強氣泡與固體顆粒之間的內聚現象，從而改變顆粒的可浮性。此外，基于其陰極反應可以實現聯產制氫。

2.5.3 油泡浮選法

油泡浮選法是用活性油泡(被含有捕收劑的油質薄層所包覆的氣泡)作為浮選載體的方法[97]，油膜與顆粒吸附的同時，活性油泡也與顆粒黏附，一步完成了氣泡與礦物顆粒的相互作用，與常規浮選相比具有高選擇性、低藥劑用量等優點。

屈進州等[18,98]采用自行設計的油泡浮選系統(圖11)，系統研究了活性油泡對低階煤的分選能力，分析了油泡浮選的特點和優勢，基于煤巖顯微組分表面性質的差異，預測了采用油泡浮選分離侏羅紀煙煤煤巖顯微組分的可能性和可行性，活性油泡因礦化方式的改變，具有藥劑消耗低、回收能力強、浮選選擇性好等特點，比氣泡優勢更大，通過調控油泡表面活性與煤巖組分表面活性位點進行的選擇性礦化將更有利于煤巖顯微組分的浮選。安泉[99]研究了神府煤鏡質組和惰質組的表面結構和性質，探討了改性油泡對煤巖顯微組分作用效果的影響。結果表明：通過改性油泡可以擴大鏡質組與惰質組之間的差異性，相較常規浮選而言，油泡浮選可以顯著提高鏡質組和惰質組的富集率和回收率，且藥劑消耗更小。該研究為活性油泡浮選分離富集煤巖顯微組分提供了重要支撐，進一步佐證了該方法的可能性。

圖11 油泡浮選試驗系統示意[18]

2.6 氣流粉碎-精細分級系統

用氣流粉碎-精細分級系統分離煤巖顯微組分的主要根據是不同顯微組分的顯微硬度和可破碎性存在差異。因此，在氣流粉碎的沖擊力作用下，煤巖顯微組分發生破碎解離，形成不同粒度和密度的顆粒群。這些不同顆粒群按粒度和密度綜合效應，在精細分級機中實現有效分離，從而達到煤巖顯微組分分離的目的。不同顯微組分在氣流的沖擊作用下充分解離，形成粒度和密度不同的顆粒群；通過精細分級工藝使不同顆粒群按粒度分離，達到分選煤巖顯微組分的目的。

圖12為西安科技大學自主設計的氣流粉碎-精細分級系統，該系統具有超細粉碎和精細分級2個環節。主要包括氣流粉碎機、一級分級機、二級分級機、旋風分離器和布袋除塵器等，可形成4種分級產品。壓縮空氣經過濾干燥后，推動物料通過拉瓦爾噴嘴高速噴射進入粉碎腔，在多股高壓氣流作用下，高速運動的物料與物料之間或物料與腔體之間發生碰撞、磨擦、剪切而粉碎，在風機抽力作用下符合粒度要求的細顆粒通過分級輪進入分級工藝，粗顆粒則下降返回至粉碎區繼續粉碎，進入分級工藝的物料依次通過兩級鼠籠式分級機、旋風分離器和布袋除塵裝置，形成分級一產品、分級二產品、旋風產品和布袋產品(分級三產品)[101]。

圖12 氣流粉碎-精細分級系統示意[100]

李振等[20,100，102]基于該系統對煤巖顯微組分的解離和分選進行了系統研究，結果表明，鏡質組主要富集在分級一產品中，鏡質組質量分數可達66.3%，而惰質組則主要富集在旋風產品和布袋產品中，惰質組質量分數可達75.23%；采用多級粉碎分級工藝，可使分級三產品中惰質組質量分數提升至82.8%，達到了“富鏡脫惰”的目的。

該系統集解離和分選為一體，可通過調整分級機轉速，改變物料在粉碎腔內的停留時間，調控物料的粉碎和解離程度；具有以沖擊粉碎為主的獨特粉碎腔，與傳統氣流粉碎機提供的直線或端面沖擊式粉碎不同，該系統提供三維空間沖擊式粉碎，有效克服了物料在粉碎腔內堆積，未有效粉碎的物料難以去除等缺點[103-104]。此外，沖擊產生的高速射流能量在粉碎腔內產生流化狀態的氣固粉碎和分級循環流，提高了沖擊粉碎效率和能量利用率。

2.7 不同煤巖顯微組分分選方法比較分析

為進一步明晰不同分選方法的優勢與局限性，指明煤巖顯微組分分選的發展方向，將上述煤巖顯微組分分選方法總結列于表2中。

表2 不同煤巖顯微組分分選方法對比

續表

手選法和等密度梯度離心法可以獲得純度相對較高的煤巖顯微組分，但受處理量小、效率低等因素的限制，只能用于實驗室制備高純度試驗樣品；強化重力法和逆流分選法在煤巖顯微組分解離粒度較大、賦存與分布狀態簡單、對分離產物單一煤巖組分含量要求不高的情況下具有獨特優勢，可以進行大規模的工業化富集，為煤化工等下游工業企業提供高品質原料，且可以明顯降低富集成本。但當煤巖顯微組分賦存特征復雜、解離粒度較小時則難以分選出純度較高的顯微組分產物。此時，浮選法則具有較好的工業應用前景，在分離產物的單一組分含量和富集比等方面存在較大優勢。但由于不同煤巖顯微組分之間的選擇性差、分離效率低，煤巖顯微組分的常規浮選分離一直處于實驗室規模。電浮選和油泡浮選則能夠有效改善這一現狀，大幅度提升浮選過程中的選擇性和浮選效率，可以顯著提高鏡質組和惰質組的富集率和回收率，具有較大的應用前景。摩擦電選是一種工藝相對成熟的方法，可以有效處理煤巖顯微組分的表面性質差異較大的煤樣，得到鏡質組和惰質組含量相對較高的產物，但其面臨著與常規浮選相同的選擇性差的問題，對于結構復雜、表面性質差異較小的煤樣則難以分離出高純度的產物。氣流粉碎-精細分級系統集解離和分選為一體，以氣體為介質，可以避免濕法分選帶來的脫水干燥問題，可以有效處理細粒煤樣，并針對不同復雜程度煤樣的顯微組分解離情況進行調控，適應性較強，工藝系統完備。同時，該系統易與煤化工廠原料供給集成，可利用煤化工相關企業的富余高壓N2、CO2等氣體部分或完全替代空氣介質，實現分選介質的密度調控，提升解離效率和分選精度，具有其他分選方法無法比擬的優勢。

煤巖顯微組分達到充分解離的解離粒度一般小于10 μm，因此，細粒級物料分選必然是煤巖顯微組分分選的主要發展方向。電浮選-電凝聚法、油泡浮選法和氣流粉碎-精細分級分選法則在未來煤巖顯微組分分選的研究中更具優勢。

3 基于不同顯微組分特性的煤炭分質利用

煤具有多組分性，其不同煤巖顯微組分的結構和性質不同，在傳統利用方式中，煤炭直接作為燃料或工業原料，對煤巖顯微組分分離后的轉化利用考慮較少。研究表明，經煤巖顯微組分分離所得到的富鏡質組產物在熱解制氫-焦化、氣化、液化、配煤煉焦、制備煤基復合材料等方面具有較大優勢，而富惰質組產物則更適合制備活性炭、石墨材料、碳素材料，作為燃料和化工原料等[105]。

3.1 煤炭熱解

煤炭熱解工藝是實現煤炭高效清潔利用的核心技術，對于改善我國煤炭資源利用形式有重要影響。煤巖顯微組分熱解特性的研究主要集中在焦油和熱解氣的收率及成分組成、熱解半焦結構特征等方面，表3展示了不同學者對不同地區煤及其顯微組分富集物的熱解焦油產率，表4為不同煤巖顯微組分富集物熱解焦油組成情況。

由表3和表4可知，不同地區的煤及其顯微組分富集物在煤熱解過程中有不同的熱解行為和反應活性，但均遵循鏡質組富集物>原煤>惰質組富集物的規律，說明鏡質組比惰質組在熱解過程中具有更高的活躍度和液體反應物產率，更適合作為熱解原料。通過富集鏡質組產物，能夠有效提高熱解焦油的產率，并在一定程度上調節熱解焦油的組成。基于鏡質組和惰質組在烷基側鏈、芳香度、縮合芳環結構及含氧官能團上的差異，鏡質組低溫熱解焦油中鏈烴類及低縮合環類物質較多，惰質組焦油中含氧雜環及稠環芳烴類物質較多，不同顯微組分的熱解活性和反應機理亦存在較大差異[110]，但由于煤結構的多樣性和熱解反應的復雜性，針對不同顯微組分的熱解特性研究很大程度上仍處于宏觀層面的產率高低判斷，缺乏將熱解產物與其結構特征進行關聯的研究。

表3 部分地區原煤及其顯微組分富集物熱解焦油產率

表4 神府煤及其顯微組分富集物低溫熱解焦油組成[94]

3.2 煤炭氣化

不同煤巖顯微組分的氣化反應活性存在差異，與煤階及顯微組分的結構特性密切相關，并受氣化過程中溫度、壓力及氣化催化劑等工藝參數影響。表5總結了部分學者對煤巖顯微組分氣化特征的研究結果。

由表5可知，不同煤種、不同反應氣氛下煤巖顯微組分的氣化反應活性相差較大，在煤巖顯微組成對氣化反應性的影響以及煤巖顯微組分的氣化反應性差異方面，目前還沒有一致的結論。由于煤結構的復雜性和不均一性以及選用煤種和試驗方法的差異性，甚至得出了相反的結論。也有學者認為，不同煤巖顯微組分在煤氣化的不同階段其反應活性不斷變化，在氣化反應前期，鏡質組反應活性高于惰質組，但隨著氣化反應的進行，鏡質組的反應活性逐漸降低，惰質組反應活性逐漸增強，在氣化反應后期，成為反應活性最高的組分[69,116]。

表5 部分學者對煤巖顯微組分氣化特征研究結果

3.3 煤炭液化

煤的液化效果與煤樣的大分子結構和化學性質有本質關聯，僅有部分低階煙煤具備優良的轉化效果和較高的油收率。表6總結了部分地區不同煤階煤的顯微組分組成及其液化試驗結果。

鏡質組和殼質組在受熱膨脹、熔融過程中伴有一定量的膠體物質，被稱為活性組分；而惰質組加熱僅出現膨脹，沒有熔融現象和液態產物產出，故稱為惰性組分。研究表明，煤巖顯微組分的液化反應活性為殼質組>鏡質組>惰質組[119-121]。由表6可知，對同一種煤而言，鏡質組和殼質組的液化轉化率、油產率均高于惰質組，轉化率與活性組分含量呈正相關，隨煤樣煤化程度的增高，液化性能整體呈降低趨勢。

表6 部分地區不同煤階煤顯微組分組成及液化試驗結果[117-118]

3.4 配煤煉焦

從單種煤煉焦到多種煤配合煉焦是促進焦化工業發展的一個重要成果。現在的焦爐幾乎都采用多種煤進行配合煉焦，部分焦化廠的供煤基地甚至多達十多個。煤巖顯微組分的性質及組成是煉焦配煤的一項重要依據和考查指標。不同煤巖顯微組分具有不同的黏結性和成焦性，殼質組和鏡質組的黏結性相對較高，屬于活性組分，其質量和數量決定了成焦過程中膠質體的性質，是決定煤炭成焦性能的首要指標；惰質組一般不具有黏結性，或黏結性極差，在加熱過程中不會軟化熔融成焦，屬于惰性組分，在成焦過程中主要起骨架支撐作用，以提高焦炭的強度[122-124]。不同煤化程度煤的活性組分和惰性組分的性質并不完全相同，對惰性顆粒的容納和黏結能力及其衍生的焦炭光學結構體也存在差異，二者在成焦過程中彼此相互作用，提高焦炭的冷態強度和熱態性能[125]。因此，在長期的配煤煉焦實踐中，逐漸開發和形成了較多的以煤巖顯微組分為基礎的煤巖配煤方法，基于此方法實現了部分無黏結性煤或低黏結性煤的配煤煉焦，低階煤在配煤煉焦中的應用見表7。

表7 低階煤在配煤煉焦中的應用

根據煤巖配煤原理，煤中活性組分和惰性組分的含量是影響煤黏結性和成焦性的主要因素，只有在最佳的活惰比條件下，才能煉制出性能最好的焦炭。康西棟等[135]對26組不同煤樣的煉焦試驗表明，鏡質組反射率在1.12%～1.36%，活性組分質量分數在63.40%～69.40%時，焦炭的機械強度最好。張代林等[136]分析13種不同變質程度的單種煤的煤巖性質以及對應的焦炭性質，發現煤樣鏡質組質量分數為63.6%時，焦炭的M40最大。事實證明，適量的惰性組分對煤的黏結性和所煉焦炭的強度有顯著影響[137-138]。此外，惰性組分的含量還影響著焦炭的最大溶損速率、焦化反應溫度[139]、平均質量變化速率[140]和焦炭微晶結構等[141]。但是，目前基于煤巖配煤理論所衍生的配煤方法，均是通過調整不同煤的配入比例來控制配合煤的煤巖顯微組成指標，調控難度較大，且在實際生產過程中易產生較大誤差。而通過煤巖顯微組分分離技術，調控配入煤的活性組分含量，實現調整配合煤煤巖顯微組成指標的方法相對簡單和精準，通過富集煤中黏結性好的活性組分可以實現低階煤在配煤煉焦方面更高比例的應用。

3.5 其他應用

除上述應用外，不同煤巖顯微組分在燃燒、制備水煤漿和活性炭等方面也存在較大差異。煤燃燒過程中，相較鏡質組而言，惰質組具有更高的燃燒活性[142-143]。但惰質組會嚴重影響水煤漿的成漿性和流變性，水煤漿的成漿性一般會隨煤的平均最大鏡質組反射率的增加而增加[142]；對不同煤巖顯微組分制備活性炭的研究表明，鏡質組和惰質組的含量對所制備活性炭的性能影響顯著，煤樣的鏡質組含量越高，所制備活性炭的比表面積越低，而惰質組含量越高，活性炭的比表面積越高。因此，富鏡質組煤樣可用于制備微孔發達的活性炭，而富惰質組煤樣更易制備中孔發達、比表面積高的活性炭，且惰質組含量越高，活性炭的收率越高[144-145]。

3.6 煤巖顯微組分分質利用路線

煤巖顯微組分分質利用是指基于不同顯微組分之間的差異性，采用合適有效的解離手段，使不同組分充分解離；通過不同煤巖顯微組分分選方法，根據實際分質轉化利用的需求，調控分選過程，實現煤巖顯微組分不同程度的富集；根據煤巖顯微組分富集產物的性質和結構特征，通過一定比例完全或部分取代特定煤種，實現基于煤巖顯微組分特性的煤分質加工與轉化利用，其分質利用路線如圖13所示。

圖13 基于煤巖顯微組分分選的煤炭分質利用轉化路線

4 結語與展望

在國家“雙碳”戰略目標約束條件下，煤炭資源高質量轉化利用勢在必行。煤巖顯微組分的測定、分選和分質利用技術突破，對于實現煤炭資源轉型發展，走“原料供給精細化、轉化低碳化、產品高端化”發展新途徑具有重要現實意義。

1)煤巖顯微組分的識別和測定是評價煤巖顯微組分富集程度的主要手段，是實現煤巖顯微組分高質量分選的技術保障。目前，關于煤顯微組分測定的研究已經取得了一定進展，自動識別技術大幅度提高了鑒定效率，降低了人為因素的影響，但受傳統圖像測定方法的限制，自動測試技術均存在細粒物料無法識別的致命缺陷，難以匹配煤巖顯微組分解離粒度細的特點。因此，亟需開發一種基于煤巖顯微組分結構特征，不受粒度限制的高效定量方法。

2)煤巖顯微組分的分離富集是煤炭分質轉化和梯級利用的基礎。目前煤巖顯微組分分選工作已經取得了一定的進展，形成了以重選法、浮選法和電選法為基礎的分選體系。同時，也衍生出了電浮選-電凝聚法、油泡浮選法和氣流粉碎-精細分級法，有效改善了傳統分選方法在分選效率、富集效率和選擇性等方面的局限性。電浮選-電凝聚法和油泡浮選法的高選擇性、高富集率和高回收率；氣流粉碎-精細分級法的解離、分選調控機制和干法分選特征，使其在眾多分選方法中具有獨特優勢，極具發展前景和開發意義。

3) 通過煤巖顯微組分的分離富集，可以充分發揮不同煤巖顯微組分在煤炭的熱解、氣化、液化和煉焦配煤等方面的應用優勢，能夠最大限度實現煤炭資源的高效清潔分質利用。筆者提出的基于煤巖顯微組分分離及其特性的分質利用路線很好契合了國家煤炭清潔高效利用戰略需求，是系統化實現煤炭低碳化清潔高效利用的有效策略。