低品質煤及煤泥物料高效脫灰脫水提質

張錦龍，樊有林，常 艇，楊 凡，閆光輝,3，張 博,3

(1.國能包頭能源有限責任公司，內蒙古 包頭 014000；2.中國礦業大學 化工學院，江蘇 徐州 221116；3.煤炭加工與高效潔凈利用教育部重點實驗室(中國礦業大學)，江蘇 徐州 221116；)

0 引 言

2020年，全年能源消費總量為49.8億t標準煤，其中，煤炭消費占能源消費總量的56.8%[1]。煤炭作為我國主體能源的格局短時間內不會改變。煤炭為我國經濟社會發展做出巨大貢獻的同時，也帶來了環境污染問題，煤炭的清潔高效利用是實現低碳經濟的關鍵[2-3]。

煤炭分選是實現煤炭清潔利用的主要方式[4]。目前，常用的煤炭分選方式主要有濕法分選和干法分選2種。常用的粗粒級煤炭濕法分選主要有重介淺槽分選、跳汰分選[5-7]，但其不適用于易泥化煤炭的分選，且需配備煤泥水處理系統；細粒煤濕法分選常采用重介旋流器分選和浮選[8-9]，但均會增加產品水分，降低煤炭熱值。常用的干法分選主要有空氣重介干法分選和復合式干法分選[10-12]，干法分選不會增加產品水分，但其對<6 mm煤炭分選精度較差，不適用于細粒煤炭的分選[13]。

此外，隨著優質煤礦資源的漸趨萎縮、機械化采礦程度的提高和地質條件的變化，煤炭分選過程中產生的末原煤含量增加，且易產生次生煤泥[14-15]。

復合式干法分選機已經得到了廣泛應用，青龍煤礦通過復合式干選機，靈活調整產品規格，以20～50 mm小塊煤和50～80 mm大塊煤產品為主要利潤來源，創造了較好的經濟效益并達到了理想效果[16]；尚莊煤業通過FGX-12型干選機對劣質原煤粗加工，當精煤熱值在17.6～19.7 MJ/kg時，可獲得最佳經濟效益[17]；對黑山露天礦采用復合式主再選工藝試驗后，13～0 mm精煤產品煤質明顯提升[18]。

石圪臺選煤廠通過煤泥干燥系統，在900～1 100 ℃ 高溫煙氣下，干燥后煤泥水分降低了16.20%，發熱量提升了3.43 kJ，采取煤泥干燥手段可有效降低煤泥水分[19]。寶日希勒褐煤通過熱壓干燥提質研究，探究給料量、干燥溫度等因素下的最佳脫水條件，最佳水分質量分數可達5%～8%[20]。

針對選煤廠分選過程中產生的低品質煤(末煤和煤泥)含水量過高的問題，筆者研究了低品質煤(末煤和煤泥)的干燥過程，確定末煤和煤泥所需的溫度和干燥時間，為末煤和煤泥的工業干燥提供理論基礎和技術參考。

1 原煤性質及工藝分析

試驗煤樣取自李家壕煤礦，原煤遇水易泥化，末煤分選過程會產生大量煤泥，增加煤泥水系統負荷，降低產品熱值，增加分選成本。根據GB/T 212—2008《煤的工業分析方法》，對煤泥及末煤進行工業分析，測試結果見表1。

表1 煤泥和末煤工業分析

由表1可知，煤泥Ad為15.14%、St,d為0.60%，Qgr,d為25.13 MJ/kg，為低灰、低硫中高發熱量煤，末煤Ad為9.00%、St,d為0.69%，Qgr,d為27.08 MJ/kg，屬特低灰、低硫中高發熱量煤，具有較高的利用價值，但煤泥及末煤均具有較高水分，煤泥Mad為9.54%，Mt為45.00%，末煤Mad為10.97%，Mt為26.85%，過高的水分使得煤泥/末煤的實際發熱量較低，難以進行后續的加工利用，因此脫水提質是解決煤泥/末煤利用問題的關鍵。

采用水分測定儀，分析煤泥在不同條件下水分逸失規律，揭示煤泥干燥過程中水分遷移規律；通過熱重分析儀測量煤泥/末煤顆粒不同干燥階段的干燥速率，分析不同賦存形式水分的傳熱與傳質形式，探索干燥過程中傳熱方式與水分逸出路徑，分析測試設備如圖1所示。

圖1 測試分析儀器

選煤廠分選工藝如圖2所示，原煤經φ100 mm分級篩分級獲得>100 mm和<100 mm原煤，<100 mm 原煤給入φ6 mm弛張篩，分別獲得<6 mm和6～100 mm原煤，由于<6 mm煤炭分選效果不理想，將<6 mm原煤給入復合式干法分選機，分別獲得精煤與矸石；>100 mm原煤破碎后與6～100 mm原煤共同給入重介淺槽分選機，分別獲得精煤和矸石，分選介質經介質系統和煤泥水處理系統處理獲得合格介質、煤泥和循環水，維持系統正常運轉。

圖2 選煤廠工藝流程

選煤廠生產過程中，末原煤產率約占30%，塊煤分選后產生的次生煤泥量約占原煤總量的5%，即高含水低品質煤約占原煤總量的35%，且高含水低品質煤熱值較低，無法單獨銷售，亟需通過煤炭提質來降低煤炭水分，增加經濟效益。

2 低品質煤脫水提質

2.1 低品質水分賦存及煤熱解特性

對<6 mm末煤和煤泥進行水分賦存狀態分析，將溫度設定為40 ℃，質量及脫水率隨時間變化如圖3所示，隨干燥時間的增加，末煤和煤泥質量逐漸降低，脫水率逐漸增加。干燥時間達30 h時，末煤脫水率達17.38%，隨時間繼續增加，末煤脫水率基本維持穩定，在36 h時，脫水率為17.84%。干燥時間達36 h時，煤泥脫水率達38.00%，隨時間繼續增加，煤泥脫水率基本維持穩定，在42 h時，脫水率為39.20%。表明在此末煤中，以外水賦存的水分質量分數為17.84%，在煤泥中，表明煤泥以外水形式賦存質量分數為39.20%。

圖3 不同干燥時間下樣品質量及脫水率變化

將干燥后的末煤、煤泥破碎至<3 mm，在105～110 ℃下干燥直至質量維持恒定，干燥后末煤質量降低了10.97%，干燥后煤泥質量降低了9.54%，表明末煤和煤泥中以內水賦存的水分質量分數為10.97% 和9.54%。

對比末煤和煤泥水分賦存規律，煤泥外水含量高于末煤，兩者以內水形式賦存的水分含量相似。在干燥過程中，末煤和煤泥的質量降低速率均呈逐漸降低趨勢，主要原因為：煤樣水分含量高時，較多的水分受熱量作用，失重率較大。此外，煤泥失重率較末煤大，與干燥過程中失重率逐漸降低相似，水分較低時，受到干燥作用的水分相對較少，失重率較低。

基于末煤和煤泥的水分賦存狀態及不同賦存方式的水分含量，影響干燥速率的因素為溫度，為確定末煤和煤泥中的物質分解溫度，對末煤和煤泥樣品進行熱重分析。

為了準確測量物質的質量變化及變化速率，將末煤破碎至<100目(150 μm)，在105 ℃下進行2 h干燥處理后進行熱重分析，熱解溫度范圍為室溫～850 ℃，升溫速率為5 ℃/min，末煤的TG及DTG曲線如圖4所示，100 ℃和300 ℃下氣相色譜質譜(GC-MS)曲線如圖5所示。

圖4 末煤的TG及DTG曲線

圖5 氣相色譜質譜(GC-MS)

由圖4可知，末煤的TG曲線逐漸降低，表明末煤中水分及大分子隨溫度升高逐漸熱解。根據TG曲線變化規律，末煤熱解過程(TG-DTG曲線)可分為3個階段，分別為室溫～101.9、101.9～305.7、305.7～850.0 ℃。

第1階段(101.9 ℃前)：隨溫度升高，末煤中水分蒸發，末煤質量逐漸降低，在75 ℃左右末煤質量變化速率達到最大，煤中部分組分發生熱解，主要逸出物質為十甲基環五硅氧烷、螺內酯、丙脂等，末煤質量逐漸降低，但末煤質量降低較少，約7%，表明僅有少部分物質發生熱解；第2階段(101.9～305.7 ℃)：溫度升高，末煤質量略降低，并未產生明顯變化，在200 ℃左右末煤質量變化速率最小，質譜結果表明逸出的物質主要為蓖麻醇酸、烷基、癸酸甲酯等，在此溫度范圍內末煤中大分子未發生明顯裂解；第3階段(305.7～850.0 ℃)：溫度超過305.7 ℃后，末煤質量迅速下降，末煤發生熱解，在450 ℃左右時熱解速率達到最大。

與末煤分析方法相似，煤泥的TG及DTG曲線如圖6所示，100和300 ℃下氣相色譜質譜(GC-MS)曲線如圖7所示。

圖6 煤泥的TG及DTG曲線

圖7 氣相色譜質譜(GC-MS)

由圖6可知，煤泥熱解過程(TG-DTG曲線)可分為3個階段。第1階段(101.9 ℃前)：隨溫度升高，煤泥中水分蒸發，煤泥質量逐漸降低，在55 ℃左右煤泥質量變化速率達到最大，煤中部分組分發生熱解，主要逸出物質為八甲基環四氧硅烷、十甲基環五硅氧烷、十二甲基環六硅氧烷等，煤泥質量逐漸降低，但煤泥質量降低較少，約10%，表明僅有少部分物質發生熱解；第2階段(101.9～305.7 ℃)：溫度升高，煤泥質量并未產生明顯變化，在200 ℃左右煤泥質量變化速率達到最小，表明在此溫度范圍內煤泥中大分子未發生明顯裂解，質譜結果表明逸出的物質主要為烷基、輪烯、環庚三烯、八甲基環四氧硅烷、十甲基環五硅氧烷、十二甲基環六硅氧烷、三甲基七硅氧烷；第3階段(305.7～850.0 ℃)：溫度超過305.7 ℃ 后，煤泥質量迅速下降，煤泥發生熱解，在459 ℃左右時煤泥熱解速率達到最大。

根據不同溫度下物質逸出規律判斷煤炭熱解特性，末煤與煤泥熱解結果相似，在105 ℃前主要為水分逸出階段，105～306 ℃時，存在部分物質熱解，但熱解物質含量較低，其原始質量未發生明顯變化，溫度超過306 ℃時，大分子逐漸熱解，原始質量逐漸降低，此時煤炭性質發生改變，無法在該溫度下進行干燥。

2.2 低品質煤脫水提質

采用紅外快速水分測定儀對末煤進行干燥脫水研究，設定溫度為80、85、90、95、100、105、120、150及180℃，記錄不同溫度下末煤脫水率變化，如圖8(a)所示，不同溫度下末煤最大脫水率及達到最大脫水率所需的時間如圖8(b)所示。

圖8 不同溫度下末煤干燥規律

由圖8可知，末煤在80、85、90、95、100、105、120、150及180 ℃溫度下的最大脫水率分別為21.66%、23.41%、24.39%、24.76%、25.43%、26.85%、26.85%、26.85%、26.85%，達到最大脫水率的時間分別為55、45、40、40、40、40、40、40、40 min。隨溫度升高，末煤最大脫水率先增加后保持穩定，達到最大脫水率所需的時間先減少后維持穩定。溫度較低時，脫水率較低。80 ℃時，脫水率在55 min時達到最大21.66%，且不隨時間的增加繼續增加，表明80 ℃下無法使水分完全逸出，剩余水分與煤中其他分子相結合，在80 ℃溫度下無法分解。在105 ℃時，末煤最大脫水率為26.85%，且脫水率不隨溫度和時間的增加而增加，表明此時末煤完全脫水。隨溫度繼續升高，達到最大脫水率所需時間不變，表明溫度達到105 ℃時末煤水分完全逸出臨界點，繼續升高溫度未對末煤干燥過程產生影響。

對煤泥進行干燥試驗研究，試驗條件與末煤相同，不同溫度下煤泥脫水率變化如圖9(a)所示，不同溫度下煤泥最大脫水率及達到最大脫水率所需時間如圖9(b)所示。

圖9 不同溫度下煤泥干燥規律

由圖9可知，末煤在80、85、90、95、100、105、120、150及180 ℃時的最大脫水率分別為36.35%、41.56%、41.97%、42.50%、43.63%、45.00%、45.00%、45.00%、45.00%，達到最大脫水率的時間分別為125、100、95、80、75、70、70、70、70 min。隨溫度升高，煤泥最大脫水率先增加后保持穩定，達到最大脫水率所需時間先減少后維持穩定。溫度較低時，脫水率較低，80 ℃時，脫水率在125 min時達到最大36.35%，85 ℃時，脫水率在100 min時達到最大41.56%，且不隨時間的繼續增加而增加，表明在低溫條件(80～100 ℃)下水分無法完全逸出，剩余水分與煤炭中其他分子結合，在80～100 ℃無法分解。105 ℃、70 min時，煤泥最大脫水率為45.00%，且脫水率不隨溫度和時間的繼續增加而增加，表明此時煤泥完全脫水。隨溫度繼續升高，達到最大脫水率所需時間不變，表明105 ℃時，已達到煤泥水分完全逸出臨界點，繼續增加溫度未對煤泥干燥過程產生影響。

與末煤相比，煤泥干燥所需時間較長，主要原因是煤泥含水率較高，實現水分的完全逸出所需時間較長。對比圖8(b)和圖9(b)，末煤和煤泥實現水分完全逸出的溫度均為105 ℃，時間分別為40和70 min，且脫水率不隨溫度和時間繼續變化，表明105 ℃為實現完全脫水的臨界溫度。溫度超過90 ℃ 時，末煤達到最大脫水率所需時間均為40 min，末煤最大脫水率隨溫度的增加逐漸增加直至穩定，表明存在水分子的逸出區間分別為90～95、95～100、100～105 ℃。105 ℃前，煤泥的最大脫水率和達到最大脫水率所需時間均在變化，主要原因為與末煤相比，煤泥水分較高，溫度升高對水分的逸出速率影響相對較大，隨時間呈降低趨勢。

3 低品質煤脫灰提質

除水分外，灰分是影響原煤熱值的又一重要因素，為改善選煤廠中低品質煤熱值較低的問題，對原煤中的細粒級煤炭進行脫灰提質研究，探究復合式干法分選技術對細粒級煤炭可能的有益效果，為選煤廠的工藝優化提供參考。

3.1 原煤性質

為了確定<6 mm原煤含量，對原煤進行篩分分析，其粒度分布見表2。

表2 原煤粒度組成

原煤中主導粒級為100～>13 mm，產率為40.76%，6～>0.5 mm原煤質量分數為23.10%，灰分為21.32%。

對6～>0.5 mm細粒級煤炭進行浮沉試驗，結果見表3。從表3可知煤樣中密度為>1.80 g/cm3組分產率為14.23%，此密度級為矸石。從浮沉密度級中可以看出<1.30 g/cm3時灰分最低為6.89%，灰分隨密度增大而增大，密度>1.80 g/cm3時達到最大值38.32%?？芍ㄟ^重力分選能有效脫除煤中矸石，實現提質降灰。

表3 6～0.5 mm細粒煤浮沉試驗結果

3.2 復合式干法分選機分選試驗

復合式干法分選機是目前應用較廣泛的一種干法分選設備，物料在分選過程中受振動和氣流綜合作用，實現按密度分離。分選床體振幅、振動頻率、氣速及安裝參數等條件會影響分選效果，其中振動頻率與分選效果緊密相關，是實際分選過程中調節最多的參數。因此通過試驗探究了振動頻率對6～>0.5 mm原煤分選效果的影響。

試驗過程中沿床面橫向從入料端至矸石端方向依次劃分為5段，分別對每一段物料進行取樣稱重、化驗，得到各段分選產品的產率及灰分。試驗結果如圖10所示，隨振動頻率f的增加，1、2段產率逐漸降低，第3段產率受振動頻率影響不明顯，產率集中在23%左右；4、5段產率逐漸增加，振動頻率f=38 Hz時，第5段產率最高達15.67%。整體來看，隨頻率增加，不同位置產率變化趨勢不同，1、2段靠近入料端，隨振動頻率增加，振動能量逐漸增加，煤炭顆粒受到的振動作用逐漸增強，更多的煤炭顆粒運動至出料端，即4、5段。在不同頻率下，各段的灰分分布趨勢基本相同，越靠近矸石端灰分越高。隨振動頻率增加各段灰分逐漸降低，精煤端物料產率逐漸降低，高灰分煤炭顆粒逐漸移至矸石端，使精煤端灰分逐漸降低，在矸石端，低頻率下的矸石物料灰分較高，隨頻率增加，灰分較低的矸石逐漸移至矸石端，使矸石端產率逐漸升高，灰分逐漸降低。振動頻率為38 Hz時，第1段灰分最低，為7.54%。綜合考慮煤炭灰分及產率，取前2段作為精煤產品，振動頻率為36 Hz時，精煤產率為45.48%，灰分為10.36%。

圖10 不同頻率下不同段的產率和灰分

4 結 論

1)在末煤和煤泥中，以外水賦存的水分質量分數分別為17.84%和39.20%，以內水賦存的水分質量分數分別為10.97%和9.54%。末煤和煤泥熱重分析表明，101 ℃前，煤中僅有少部分物質熱解，表明水分干燥過程中，煤中其他物質損失較小。溫度達到306 ℃時，末煤和煤泥的大分子逐漸熱解，質量逐漸降低。末煤和煤泥熱重分析的質量變化規律一致，具有相同的熱解特性。

2)隨溫度的增加，末煤和煤泥最大脫水率逐漸增加，達到最大脫水率所需時間逐漸減少。末煤和煤泥水分完全逸出的臨界溫度均為105 ℃。105 ℃、40 min時，末煤達到最大脫水率26.85%，實現水分完全逸出。105 ℃、70 min時，煤泥達到最大脫水率45.00%，實現水分完全逸出。

3)隨著振動頻率增加，復合式干法分選機前2段產率逐漸降低，第3段產率受振動頻率影響不明顯，后2段產率逐漸增加。頻率增加使得各段產率分布逐漸趨于均勻，同時各段灰分逐漸降低，在振動頻率為36 Hz時，精煤灰分為10.36%，產率達到45.48%。