专家述评
低阶烟煤煤岩显微组分分选及其分质利用研究进展
周安宁 教授
西安科技大学
周安宁，西安科技大学化学与化工学院二级教授、博士生导师，教学名师；煤炭工业技术优秀创新人才，陕西省优秀教师，自然资源部煤炭资源勘察与综合利用重点实验室副主任。中国煤炭工业协会煤炭工业技术委员会委员；西安纳米科技学会副理事长，陕西省煤炭学会煤炭清洁加工与利用专业委员会副主任。1983年在陕西师范大学获理学学士学位；1989年在中国科学院山西煤炭化学研究所获理学硕士学位；1996年在大连理工大学获工学博士学位。2004—2005年公派至美国宾夕法尼大学能源研究所开展合作研究。主要从事能源化工、功能纳米材料、二氧化碳捕集与转化等领域的教学与科研工作。先后主持完成了科技部、国家自然科学基金委、教育部、陕西省科技厅等基金项目，以及陕西煤业化工集团和宁夏煤业集团等企业技术开发与转化项目20余项。在煤基功能材料制备与应用、煤岩显微组分分离、煤炭多联产转化等领域获陕西省政府科技进步奖4项、中国煤炭工业协会科技进步奖2项，在国内外学术期刊发表研究论文200余篇，获发明专利10余项，出版专著5部，获省级教学成果奖1项。
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ZHOU Anning,ZHANG Huaiqing,LI Zhen,et al.Advances in coal macerals separation and quality-based utilization of low-rank bituminous coal[J].Clean Coal Technology，2022,28(7):1-22.
Advances in coal macerals separation and quality-based utilization of low-rank bituminous coal
0 引 言
煤炭资源是我国的主体能源，也是重要的化工原料。尽管我国能源发展正处于油气替代煤炭、非化石能源替代化石能源的双重更替期，新能源和可再生能源对化石能源，特别是对煤炭的增量替代效应明显[1]，但煤炭在我国经济发展中的战略地位依旧不可动摇，是短期内不可替代的稳定主体能源[2]。经预测，煤炭在2025年能源消费中的比例依旧在50%左右，甚至更高[3-4]。而“碳达峰、碳中和”战略目标的提出，对我国煤炭资源的加工利用及煤化工行业的发展提出了新要求。传统的煤炭分选和利用方式已经无法满足当前生态环境的需求，如何清洁利用我国丰富的煤炭资源，尤其是成煤时期晚、挥发分含量高、反应活性高的低阶煤资源，实现利用效率和经济效益最大化，是“双碳”背景下煤炭分选和煤化工产业面临的新的重要课题。
在我国已探明的煤炭储量中，有超过40%的优质低阶烟煤[5-7]，具有低灰、低硫、低磷、高挥发分、高活性、易燃易碎等特点，是理想的动力用煤和化工原料[8]。由于普遍具有惰质组质量分数高(>35%)的缺点，导致其在煤直接液化、热解、催化解聚等过程中表现出能量转化效率和碳转化效率低等不足，同时由于煤岩显微组分嵌布结构的复杂性，给煤岩显微组分的分离富集工作带来了一定的难度和挑战，严重制约了低阶烟煤清洁、高效利用技术的发展[9]。研究表明，不同煤岩显微组分的工艺性能存在较大差异，镜质组和壳质组在煤炭转化过程中具有黏结性、反应活性和油转化率高等优点，是配煤炼焦、热解、液化以及制备煤基复合材料等领域的优质原料[10]；而惰质组的活性极弱或无活性，其含量较高时会导致煤的液化性能和反应活性降低[11-12]、黏结性能和成浆性能差[13-14]，可作为石墨、活性炭等碳材料制备的原料或燃料等[15-16]。目前，传统的选煤方法已经被尝试用于分离富集煤岩显微组分，包括手选法、筛选法、重选法、电选法和浮选法等，主要集中在重选和浮选两方面[17]。但由于煤岩显微组分结构的相似性和嵌布特征的复杂性，常规的分选方法均存在选择性差、富集率低等问题，难以满足低阶烟煤“富镜降惰”的需求[18]。于是，基于传统的选煤或选矿方法衍生出了一系列有针对性的新的煤岩显微组分分选方法和工艺，如强化重力分选法[19]、逆流分选法[20]、电浮选-电凝聚法[21]、油泡浮选法[18]、气流粉碎-分级系统[22]等，能够有效改善传统分选方法的不足，提高煤岩显微组分的分选精度和分离效率。通过有效的煤岩组分分离富集，实现不同煤岩组分的分质转化利用，将有力促进高惰质组煤的绿色高效利用，使我国煤炭加工利用及煤化工行业发生质的蜕变[23-24]。
笔者针对我国低阶烟煤在清洁高效利用方面的困境，将煤岩显微组分特性、煤岩显微组分的测定方法、煤岩显微组分的分离富集手段以及煤岩显微组分分质利用的发展现状4个方面进行全面总结，指出了基于煤岩显微组分分选的煤炭分质利用的发展路径和发展方向，对于低阶烟煤实现煤炭转化利用全过程的“分质转化和梯级利用”具有重要意义。
1 煤岩显微组分特征及测定方法
1.1 煤岩显微组分特征
煤岩显微组分是指在显微镜下可辨别的煤的组成单元，根据成因、形态和物理性质的差异可将其划分为镜质组、壳质组和惰质组三大类[25-27]，如图1所示。镜质组多以条带状结构为主，表面均匀平整，在油浸反射光下呈深灰色到浅灰色[33]。壳质组的形态特殊，反射率低，在不同煤级中差异明显，从低阶烟煤到中阶烟煤，壳质组在油浸光下呈灰黑色到深灰色变化，当镜质组反射率(Ro,max)在1.3%～1.5%时，壳质组的特征、反射率等与镜质组接近，难以被区分[30]。惰质组在油浸光下呈现出明显的灰白色、亮白色到黄白色，反射率、突起和细胞结构保存程度均高于镜质组[34]，通常无荧光或有弱荧光性[31-32，35]。但各组分的反射率都随煤阶演变而逐渐改变[25]。对同一种煤或相同变质程度的煤而言，一般壳质组的密度最低(约<1.25 g/cm3)，镜质组次之(1.25～1.35 g/cm3)，惰质组密度最高(1.35～1.50 g/cm3)，随着煤变质程度的提高，各组分之间的密度差异逐渐变小，且呈增高趋势[36]。
图1 煤中显微组分结构
Fig.1 Macerals structure of coal
不同显微组分之间的分子结构组成存在明显差异，通常情况下，对煤化程度相同的煤而言，惰质组的芳构化程度和缩合环数相对高，脂肪结构较少，具有较高的碳含量。壳质组的变质程度最低，芳香环缩合度最小，脂肪结构丰富，烷基侧链最长，具有相对较高的氢含量。而镜质组则介于二者之间，但镜质组中往往伴随着较高的氧含量[37-38]。且随着煤化程度的增加，各组分的氧和氢含量都呈降低趋势。
1.2 煤岩显微组分含量测定方法
煤岩显微组分的分析鉴定是研究煤岩显微组分性质的基础，基于各组分之间的差异性，可将煤岩显微组分的测定方法分为3类。
1.2.1 打点计数法
GB/T 8899—2013《煤的显微组分组和矿物测定方法》中明确规定了测定煤岩显微组分和无机矿物体积分数的具体方法，该方法主要依靠单偏光、油浸物镜条件下不同显微组分的反射色、显微结构、形态、突起等特征辨别。因此，要求用于煤岩显微组分定量统计的粉煤光片中，样品粒度必须小于1 mm，同时，直径小于0.1 mm的物料不多于10%，显微组分界限清晰、特征分明。其测定的工艺流程如图2所示。
图2 打点计数法煤岩显微组分测定的基本流程
Fig.2 Basic flow of coal macerals determination by measuring method
数点法是目前使用最多，应用最广泛的测定方法，其优点是不受限于煤种，结果精准，代表性较强。但整个测试工艺耗时长、效率低；其次，影响测试结果准确度的核心因素在于测试者的操作及其对煤岩显微组分的识别能力，组分识别的主观性强，对测试者的专业要求较高，受人为主观因素影响较大；而且其工艺流程繁琐，误差来源复杂，测试往往只能单向进行，测试的准确性只能通过复测来评价；对煤样的要求较高，当细粒物含量较多时无法检测。此外，测试过程中人工布点很难做到绝对均匀，也会影响测试结果的客观性和准确性。
1.2.2 图像分析法
图像分析法主要运用图像分析原理，根据煤岩显微组分的不同反光能力，通过对图像的灰度进行分级，建立灰阶与反射率之间的关系，根据煤岩显微组分的反射率和形态参数达到测定煤岩显微组分含量的目的[39]。
图3为煤炭科学研究总院研发的煤岩自动测试系统，该系统利用显微数码相机和自动载物台获取煤岩显微组分图像，减少显微镜下的繁琐操作；结合煤岩组分的反射率及形态学参数界定显微组分，每个测点的测值和相应测试对象可追溯，测试结果可审核；在保证测试准确性和客观性的基础上，提高了测试速度和效率，该系统在煤焦检测判断中表现优异[40-41]。但是显微镜无法直接识别显微组分，对不宜测试点和区域不能及时做出判断和适当调整，没有充分考虑稳定时间对测试结果的影响[42]。同时，由于该系统是打点计数法的升级和自动化，也存在细粒物料识别精度不高问题。
图3 煤岩自动测试系统及岩相图像[40]
Fig.3 Coal macerals automatic determination system and petrographic images[40]
1.2.3 其他间接分析方法
1)基于浮沉离心分离的定量分析法。同一种煤样的显微组分中，壳质组密度最低，镜质组次之，惰质组密度最高。基于浮沉离心分离的定量分析法正是基于煤岩显微组分之间的密度差异，先通过等密度梯度离心法绘制煤样的密度分布图，如图4所示。从图4中可获得壳质组与镜质组、镜质组与惰质组的分离密度边界值，再通过浮沉试验，按分离密度边界值进行显微组分的浮沉分离，称量不同密度级产物质量并计算得到煤岩显微组分的相对含量[43-44]。该方法操作简单，适应性广，可适应于细粒煤的显微组分含量测定；但煤岩显微组分之间难以完全解离，且各密度级之间混杂有少量其他组分，导致测量结果的准确度低。
图4 神府煤密度分布[43]
Fig.4 Shenfu coal density distribution[43]
2)基于煤质特性的回归分析法。煤样性质与煤样的变质程度及其煤岩显微组分含量之间的关系密不可分(图5，图5中数据根据FTIR结果计算得出，其中AR1为A3 000～3 100/A2 800～3 000，AR2为A700～900/A2 800～3 000，DOC1为A3 000～3 100/A1 600，DOC2为A700～900/A1 600，CH2/CH3为A2 900～2 940/A2 940～3 000，生烃能力为A2 800～3 000/(A2 800～3 000 A1 600)，煤成熟度为A1 650～1 800/(A1 650～1 800) A1 600，对于特定煤种或相同煤化程度的煤样，可以建立煤样的相关性质指标与煤岩显微组分含量之间相关关系，通过测定其性质指标达到测量煤岩显微组分含量的目的。
图5 FT-IR光谱中部分性质指标与煤阶及镜质组含量之间的关系[45]
Fig.5 Relationship between some property indexes with coal rank, vitrinite content[45]
李家铸等[46]采用裂解-气相色谱技术对33个煤岩显微组分组成不同的煤样进行了研究，特定谱峰的面积比值与壳质组及镜质组的含量有很好的相关关系，利用裂解色谱参数可以估测煤样中壳质组及镜质组的含量。谢华等[47]以抚顺富含树脂体的煤样为研究对象，根据热重分析过程中不同煤岩显微组分失重的温度差异，通过热重曲线较准确和快速计算确定了煤样中树脂体的含量。张磊等[48]通过对神府低阶烟煤的工业分析和煤岩显微组分含量分析，发现煤样的干燥无灰基挥发分与无矿物基惰质组含量之间存在明显的线性关系，并将其表征为：Vdaf=-0.163 7I 42.255，R2=0.988，据此，可通过测定煤样的挥发分预测其镜质组含量。上述方法均可通过简单的表征实现对煤岩显微组分含量的测定，操作简单快速，解决了煤岩分析中试验量大、工艺繁琐、测试周期长、对煤样粒度要求高等问题，但存在试验结果精确度不高，只针对特定煤种，应用范围窄等缺点。
1.2.4 煤岩显微组分定量测定方法比较
实现煤岩显微组分高效、精准的自动识别与鉴定是煤岩显微组分测定的必然趋势，不同测定方法具有相应的优势和局限性，均能在一定程度上达到测定煤岩显微组分含量的目的。表1系统展示了不同煤岩显微组分定量测定方法的原理和优缺点。研究表明，大部分煤只有粉碎到10 μm以下时，煤中显微组分才能达到良好的解离效果[49]，因此，随着煤岩显微组分解离和分选技术的发展，细粒物料中各组分的定量测定是未来煤岩工作的重点和难点。
2 煤岩显微组分分选方法
2.1 手选法
手选是通过肉眼识别，根据颜色、光泽、硬度和断口等特征，通过分离、富集煤的宏观煤岩成分，达到煤岩显微组分分离富集的目的，通过此法可以获得纯度较高的不同煤岩显微组分，操作简单，不会改变富集产物的物理化学性质，但该方法效率极低，人为操作影响很大，只能应用于实验室用研究样品的制备，无法批量操作。段旭琴等[50]对神府煤经初步手选，富镜质组煤的镜质组质量分数达90%以上，富惰质组煤的惰质组质量分数达85%以上。PATRICK等[51]通过手选法分离出了富镜质组产物，镜质组质量分数达90%～98%。何鑫等[52]通过手选逐步富集法先对神华煤和准东煤的镜煤和丝炭进行富集，再将富集物破碎至1 cm以下进行除杂提纯，最终获得了纯度分别为94.39%和90.16%的神华煤富镜质组和富惰质组，纯度分别为90.07%和85.22%的准东煤富镜质组和富惰质组产物。
2.2 筛选法
筛选法是根据各煤岩显微组分可磨性差异，导致其在相同破碎条件下产物粒度产生的差异而进行分离的一种方法。该方法的基础是煤岩显微组分具有不同的硬度和脆度，在破碎过程中产生不同粒度的物料，通常而言，中等煤化程度烟煤的镜质组显微脆度最大，与之相比，煤化程度升高或降低，其脆度均逐渐下降。对于相同煤化程度的煤，煤岩显微组分的脆度也有差异，一般镜质组最大，惰质组次之，壳质组最小。对于相同煤化程度的煤，强还原程度煤的镜质组比弱还原程度煤的镜质组的显微脆度要高。然而，低煤化程度煤显微组分的显微脆度与中等煤化程度煤不同，曾凡桂等[53]测定了神府大柳塔、柠条塔煤样剥离出的镜煤和丝炭的粉碎特性，结果表明，丝炭的可磨性指数明显大于镜质组，各种丝质体的显微脆度也大；赵世永等[54]对神府低阶烟煤进行了冲击粉碎和气流粉碎，通过浮沉离心分离法测定了粉碎产物的显微组分含量，镜质组主要富集在>0.045 mm中，惰质组则主要富集在<0.045 mm中。门东坡等[55-56]对神东长焰煤和开滦钱家营肥煤进行了不同程度的破碎试验，破碎粒度越小，煤岩显微组分的解离越充分，镜质组在粗粒中的富集效果越明显，惰质组的富集程度会随粒度的减小而升高。
2.3 重选法
重选法是目前选煤领域进行粗粒分选和提纯的有效方法之一，是根据不同显微组分的密度差异进行分离的一种方法。理论上可以根据各煤岩显微组分密度的差异，通过重力分选的方法进行分离富集。因此，在煤岩显微组分分选研究初期，便有学者采用重介旋流器进行分选试验，如蔡昌凤[57]采用重介旋流器对柠条塔煤进行了惰质组脱除试验，惰质组脱除率为52.4%，但镜质组的回收率相对较低，仅为70.56%；赵世永[58]采用先高密度分选(一次分选)后低密度分选(二次分选)的两段分选方式，对神府煤1.0～0.2 mm细粒煤的煤岩显微组分进行重介旋流分选试验，在分选产物中，镜质组富集率可达79.73%，惰质组富集率为72.50%。但由于煤岩显微组分之间的密度差异较小，可选性较差；加上解离粒度相对较细，颗粒之间会产生较强的粒间效应，进一步使煤粒的比重差异相对变小；从而对重液配置的准确性和设备的精密性提出了更高的要求，也影响了分离精度和富集程度。因此，重介旋流器分选还只限于实验室试验，难以进行大规模应用。
2.3.1 等密度梯度离心法
1957年，KREVELEN等[59]提出浮沉分离法，将煤样破碎至68 μm以下，使煤岩显微组分充分解离，再通过有机重液或无机盐溶液进行离心分离，对相应密度范围内的产物进行分离、清洗，获得煤岩显微组分富集产物。鉴于浮沉离心法工艺过于繁琐，1980年，DYRKACZ等[60-62]提出了等密度梯度离心法，在后续几年间不断改进和完善，成功分离出了纯度较高的煤岩显微组分，形成了相对成熟的等密度梯度离心工艺[63-65]。门东坡[66]在最佳破碎粒度下对神东长焰煤、开滦东欢坨气煤和钱家营肥煤煤岩显微组分进行了浮沉分离，分别得到了纯度为86.05%、89.52%和90.54%的富镜质组产物。WANG等[67]以ZnCl2为重介质，从4种不同等级的烟煤中分离出了镜质组质量分数均高于90%的镜质组富集样品。CHANG等[68]从新疆五彩湾煤中分离出了纯度分别为87.80%和91.30%的富镜质组和富惰质组产物。SHEN等[69]对宁东地区的梅花井和羊场湾2种烟煤的煤岩显微组分进行了分离富集，富镜质组产物的纯度分别为90.4%和88.3%，富惰质组产物的纯度分别为88.0%和88.7%。等密度梯度离心法可以在小区间内分离出纯度相对较高的煤岩显微组分富集产物，但由于其处理量小，每次仅能处理15～20 g样品，此方法目前只能用于实验室内获取少量高纯度的试验样品。
2.3.2 强化重力分选法
强化重力分选主要应用于金属矿物分选，衍生出了一系列的分选设备，如Mozley多产品重选机、Falcon离心分选机、Kelsey离心跳汰机、Knelson重力分选机等。目前应用于煤岩显微组分分选的主要为Falcon离心分选机，如图6所示。该设备能产生高倍离心加速度，适用于细粒级低密度差异的矿物分选，与煤岩显微组分分离密度边界值低的特征相契合[71]，富集成本相对较低。
图6 Falcon分选机示意[70]
Fig.6 Schematic diagram of the Falcon[70]
陶有俊等[70]采用Falcon离心分选机对棒磨后的神华低阶烟煤进行强化重力分选试验，镜质组平均回收率达到71.61%，平均富集比为1.15。温雪峰等[71]借助加拿大Falcon离心分选机研究了神东煤在复合力场中煤岩显微组分的富集规律，通过复合力场强化了煤岩显微组分之间的分选行为差异性，分选出精煤的镜质组质量分数和产率分别为70%和80%。此外，其还通过调控低密度旋流分选过程中细煤泥质量分数与组成，获得了镜质组质量分数为76.69%的精煤产品，镜质体回收率达95.52%，并进行了半工业规模(10 t/h)的基于显微组分富集的低密度煤炭旋流分选连续性分选试验，精煤中镜质组质量分数达到76.45%，实现了镜质组的相对富集[72]。张卫驰[73]、羡宇帅[74]、石正祥[75]利用Falcon离心分选机对神华长焰煤显微组分进行了分选试验，镜质组富集比分别为1.15、1.39和1.16，在一定程度上实现了镜质组的相对富集。
2.3.3 逆流分选法
逆流分选机采用水为分选介质，根据不同颗粒在水流中的沉降速度差异达到按密度分选的目的。物料在上升水流和自身重力的作用下在倾斜板上发生分离，轻颗粒随水流上升溢出，重颗粒则返回进行再次分选，通过调节水流速度，可得到不同密度颗粒的上层清液[76-77]，如图7所示。
图7 逆流分选机分选煤岩显微组分示意[20]
Fig.7 Schematic of the maceral separation using the Reflux Classifier[20]
XIE等[18,78-80]采用逆流分选机进行了一系列不同入料粒度的煤岩显微组分分选和研究工作，经过对<212 μm物料的分选，得到了纯度超过80%的富镜质组产物；而从入料为106～212 μm的物料中分选出富镜质组产物的镜质组质量分数为91.2%；对212～500 μm物料，分选出了纯度为96.0%的富镜质组产物。溢流产物中的惰质组含量会随着上升水流的增大而增大，且当入料粒度增大时，为保证具有较高的镜质组回收率，上升水流也应适当增强。逆流分选法仅采用水为分离介质，降低了分选成本，同时也避免了化学处理对后续加工利用可能造成的影响，分选处理量较大，分选结果相对可观；但该方法对水资源的依赖性较强，且需要高效的脱水干燥设备对产物进行处理，增加了生产成本。
2.4 摩擦电选法
煤岩显微组分的摩擦电选是以带不同电荷的显微组分在外电场作用下发生分离为理论基础，其主要依据为煤岩显微组分的电性质差异。使不同显微组分之间互相接触、碰撞和摩擦，或使之与某种特定材料进行摩擦，实现电子转移，产生相反电荷，根据其在高压电场中运动轨迹的差异，实现煤岩显微组分的分离富集[81]，如图8所示。
图8 摩擦电选系统示意[81]
Fig.8 Schematic diagram of tribo-electrostatic separation system[81]
研究表明，不同煤岩显微组分的介电性质及其在电选机上分选行为存在较大差异，相对惰质组而言，镜质组和壳质组的介电常数较小[82-83]。镜质组和惰质组的电阻率几乎相同，但相对介电常数相差较大，镜质组的相对介电常数较低，在摩擦电选分离过程中，表面的正电荷容易丢失，而惰性组表面的负电荷则相对稳固，从而在高压静电场中产生轨迹差异[84]。
HE等[85]探究了镜质组和惰质组与聚酰胺、铜、铝、不锈钢、聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚氯乙烯等6种材料的摩擦带电情况，发现聚酰胺是煤岩显微组分摩擦电选的首选材料，镜质组和惰性组在摩擦荷电后呈现出相反的电荷极性，并通过摩擦电选分离富集了神华低阶烟煤的煤岩显微组分，获得了纯度分别为93.09%和91.27%的富镜质组产物和富惰质组产物，惰质组表面具有较高的含氧基团和亲水基团(酚羟基和羧基)，而镜质组表面则具有高含量的疏水基团(烷基侧链)，两者在高温湿润的环境中更容易实现摩擦电选分离[81]，如图9所示。HOWER等[86]在实验室规模的摩擦静电分离装置中对3种东肯塔基州和2种伊利诺伊盆地煤的显微组分进行分选试验，实现了镜质组相对富集。
图9 不同组分摩擦带电示意[85]
Fig.9 Schematic diagram of triboelectric electrification of different components[85]
摩擦电选是一种干法分选技术，可以避免分选过程对水资源的需求及分选产物的干燥问题，对环境污染小，分选效果较好，但其受表面性质影响，不同地区、不同煤种之间的电性质差异较大，且对于摩擦过程中电子的转移机理尚不明晰，目前只存在于实验室研究，距离工业实施还存在一定差距。
2.5 浮选法
浮选法是当前煤岩组分分离富集中具有工业应用前景的研究方向，深受众多学者青睐，形成了相对丰富的研究成果，并基于此形成了油泡浮选、电浮选-电凝聚法等浮选分离煤岩显微组分的新方法。
2.5.1 常规浮选法
常规浮选主要是根据不同显微组分表面物理化学性质差异，通过其对矿浆中液体和气体的作用不同实现分选，其中相对疏水、亲气的组分，可黏附到气泡上，随气泡上升成为浮物产品，另一部分亲水组分则留在矿浆中，成为沉物产品。龙江等[87]采用油酸为捕收剂、聚乙二醇为起泡剂、十六烷基三甲基溴化铵为表面活性剂对新疆煤的煤岩显微组分进行了浮选分离试验，浮物中镜质组质量分数达到69.7%，较原煤提升了近34%，沉物中惰质组质量分数达到84.9%，较原煤提高了近20%，初步实现了富集煤岩显微组分的目的。SHU等[88]对神府煤岩显微组分的浮选分离富集结果表明，当浮物产率小于69%时，浮物中的镜质组质量分数可达80%以上。HONAKER等[89]通过柱浮选分离伊利诺伊州6号煤的煤岩显微组分，使惰质组质量分数从原煤的7.5%富集到了50%，初步达到了脱除惰质组的目的。蒋莉[90]以煤油为捕收剂、仲辛醇为起泡剂、十六烷基三甲基溴化铵为表面活性剂对红柳林低阶烟煤煤岩显微组分进行浮选分离，得到了镜质组含量和惰质组质量分数分别为85.87%和68.13%的浮物产品和沉物产品。周艳君[91]以十二胺为捕收剂、聚乙二醇为起泡剂对神府煤煤岩组分进行浮选，产物中镜质组和惰质组富集率分别达到83.29%和47.44%。浮选法在煤岩显微组分解离粒度较小的情况下具有较大优势，具有相对较高的富集比。但由于煤显微组分组成的复杂性，不同组分的表面性质差异并不显著，很难达到高选择性浮选。
2.5.2 电浮选-电凝聚法
电浮选是一种在浮选的液相矿浆中通入直流电场，在电场作用下，水相发生解离并经过一系列极化作用，在阴极放出H2，而阳极放出O2的方法，如图10所示，阴极区用氢气泡作载体进行浮选，阳极区则利用氧气泡作载体进行浮选，同时在阳极区由于有氢氧化铝形成，从而存在凝聚作用[92]。
图10 “U”形串联式电浮选装置[21]
Fig.10 Schematic representation of "U" type electro-flotation setup[21]
“U”形串联式电浮选装置不同于常规的单柱式浮选装置和常规电浮选柱，而是采用“U”形电解槽结构，通过盐桥将阴极浮选柱和阳极浮选柱连接起来，形成串联式两段电浮选装置[21]。电浮选过程中的铝电极发生的主要的化学反应为：
阴极：
2e- 2H2O→H2(g) 2OH- ，
(1)
阳极：
Al
Al3 3e-，
(2)
2H2O
O2(g) 4H 4e-。
(3)
赵伟等[44, 93-95]通过上述装置进行了一系列煤岩显微组分分选研究，该装置可以通过控制浮选过程中矿浆pH、电压强度、浮选时间及矿浆浓度来调整浮选回收率及煤岩显微组分富集率，浮物中镜质组含量可达到95%左右。
相较于常规浮选设备，电浮选-电凝聚法分选煤岩显微组分具有较大优势。浮选过程中，电解产生的气泡较小，容易调节，且分布均匀，可以提供有效的接触面积和高效的矿化条件[96]；气泡具有较高的物理化学活性，且表面存在电荷，可以与颗粒表面发生化学作用，改变颗粒的物理化学性质，增强气泡与固体颗粒之间的内聚现象，从而改变颗粒的可浮性。此外，基于其阴极反应可以实现联产制氢。
2.5.3 油泡浮选法
油泡浮选法是用活性油泡(被含有捕收剂的油质薄层所包覆的气泡)作为浮选载体的方法[97]，油膜与颗粒吸附的同时，活性油泡也与颗粒黏附，一步完成了气泡与矿物颗粒的相互作用，与常规浮选相比具有高选择性、低药剂用量等优点。
屈进州等[18,98]采用自行设计的油泡浮选系统(图11)，系统研究了活性油泡对低阶煤的分选能力，分析了油泡浮选的特点和优势，基于煤岩显微组分表面性质的差异，预测了采用油泡浮选分离侏罗纪烟煤煤岩显微组分的可能性和可行性，活性油泡因矿化方式的改变，具有药剂消耗低、回收能力强、浮选选择性好等特点，比气泡优势更大，通过调控油泡表面活性与煤岩组分表面活性位点进行的选择性矿化将更有利于煤岩显微组分的浮选。安泉[99]研究了神府煤镜质组和惰质组的表面结构和性质，探讨了改性油泡对煤岩显微组分作用效果的影响。结果表明：通过改性油泡可以扩大镜质组与惰质组之间的差异性，相较常规浮选而言，油泡浮选可以显著提高镜质组和惰质组的富集率和回收率，且药剂消耗更小。该研究为活性油泡浮选分离富集煤岩显微组分提供了重要支撑，进一步佐证了该方法的可能性。
图11 油泡浮选试验系统示意[18]
Fig.11 Schematic drawing of oily bubble flotation system[18]
2.6 气流粉碎-精细分级系统
用气流粉碎-精细分级系统分离煤岩显微组分的主要根据是不同显微组分的显微硬度和可破碎性存在差异。因此，在气流粉碎的冲击力作用下，煤岩显微组分发生破碎解离，形成不同粒度和密度的颗粒群。这些不同颗粒群按粒度和密度综合效应，在精细分级机中实现有效分离，从而达到煤岩显微组分分离的目的。不同显微组分在气流的冲击作用下充分解离，形成粒度和密度不同的颗粒群；通过精细分级工艺使不同颗粒群按粒度分离，达到分选煤岩显微组分的目的。
图12为西安科技大学自主设计的气流粉碎-精细分级系统，该系统具有超细粉碎和精细分级2个环节。主要包括气流粉碎机、一级分级机、二级分级机、旋风分离器和布袋除尘器等，可形成4种分级产品。压缩空气经过滤干燥后，推动物料通过拉瓦尔喷嘴高速喷射进入粉碎腔，在多股高压气流作用下，高速运动的物料与物料之间或物料与腔体之间发生碰撞、磨擦、剪切而粉碎，在风机抽力作用下符合粒度要求的细颗粒通过分级轮进入分级工艺，粗颗粒则下降返回至粉碎区继续粉碎，进入分级工艺的物料依次通过两级鼠笼式分级机、旋风分离器和布袋除尘装置，形成分级一产品、分级二产品、旋风产品和布袋产品(分级三产品)[101]。
图12 气流粉碎-精细分级系统示意[100]
Fig.12 Schematic diagram of the jet milling-fineness grading system[100]
李振等[20,100，102]基于该系统对煤岩显微组分的解离和分选进行了系统研究，结果表明，镜质组主要富集在分级一产品中，镜质组质量分数可达66.3%，而惰质组则主要富集在旋风产品和布袋产品中，惰质组质量分数可达75.23%；采用多级粉碎分级工艺，可使分级三产品中惰质组质量分数提升至82.8%，达到了“富镜脱惰”的目的。
该系统集解离和分选为一体，可通过调整分级机转速，改变物料在粉碎腔内的停留时间，调控物料的粉碎和解离程度；具有以冲击粉碎为主的独特粉碎腔，与传统气流粉碎机提供的直线或端面冲击式粉碎不同，该系统提供三维空间冲击式粉碎，有效克服了物料在粉碎腔内堆积，未有效粉碎的物料难以去除等缺点[103-104]。此外，冲击产生的高速射流能量在粉碎腔内产生流化状态的气固粉碎和分级循环流，提高了冲击粉碎效率和能量利用率。
2.7 不同煤岩显微组分分选方法比较分析
为进一步明晰不同分选方法的优势与局限性，指明煤岩显微组分分选的发展方向，将上述煤岩显微组分分选方法总结列于表2中。
表2 不同煤岩显微组分分选方法对比
Table 2 Comparison of different coalmacerals separation methods
续表
手选法和等密度梯度离心法可以获得纯度相对较高的煤岩显微组分，但受处理量小、效率低等因素的限制，只能用于实验室制备高纯度试验样品；强化重力法和逆流分选法在煤岩显微组分解离粒度较大、赋存与分布状态简单、对分离产物单一煤岩组分含量要求不高的情况下具有独特优势，可以进行大规模的工业化富集，为煤化工等下游工业企业提供高品质原料，且可以明显降低富集成本。但当煤岩显微组分赋存特征复杂、解离粒度较小时则难以分选出纯度较高的显微组分产物。此时，浮选法则具有较好的工业应用前景，在分离产物的单一组分含量和富集比等方面存在较大优势。但由于不同煤岩显微组分之间的选择性差、分离效率低，煤岩显微组分的常规浮选分离一直处于实验室规模。电浮选和油泡浮选则能够有效改善这一现状，大幅度提升浮选过程中的选择性和浮选效率，可以显著提高镜质组和惰质组的富集率和回收率，具有较大的应用前景。摩擦电选是一种工艺相对成熟的方法，可以有效处理煤岩显微组分的表面性质差异较大的煤样，得到镜质组和惰质组含量相对较高的产物，但其面临着与常规浮选相同的选择性差的问题，对于结构复杂、表面性质差异较小的煤样则难以分离出高纯度的产物。气流粉碎-精细分级系统集解离和分选为一体，以气体为介质，可以避免湿法分选带来的脱水干燥问题，可以有效处理细粒煤样，并针对不同复杂程度煤样的显微组分解离情况进行调控，适应性较强，工艺系统完备。同时，该系统易与煤化工厂原料供给集成，可利用煤化工相关企业的富余高压N2、CO2等气体部分或完全替代空气介质，实现分选介质的密度调控，提升解离效率和分选精度，具有其他分选方法无法比拟的优势。
煤岩显微组分达到充分解离的解离粒度一般小于10 μm，因此，细粒级物料分选必然是煤岩显微组分分选的主要发展方向。电浮选-电凝聚法、油泡浮选法和气流粉碎-精细分级分选法则在未来煤岩显微组分分选的研究中更具优势。
3 基于不同显微组分特性的煤炭分质利用
煤具有多组分性，其不同煤岩显微组分的结构和性质不同，在传统利用方式中，煤炭直接作为燃料或工业原料，对煤岩显微组分分离后的转化利用考虑较少。研究表明，经煤岩显微组分分离所得到的富镜质组产物在热解制氢-焦化、气化、液化、配煤炼焦、制备煤基复合材料等方面具有较大优势，而富惰质组产物则更适合制备活性炭、石墨材料、碳素材料，作为燃料和化工原料等[105]。
3.1 煤炭热解
煤炭热解工艺是实现煤炭高效清洁利用的核心技术，对于改善我国煤炭资源利用形式有重要影响。煤岩显微组分热解特性的研究主要集中在焦油和热解气的收率及成分组成、热解半焦结构特征等方面，表3展示了不同学者对不同地区煤及其显微组分富集物的热解焦油产率，表4为不同煤岩显微组分富集物热解焦油组成情况。
由表3和表4可知，不同地区的煤及其显微组分富集物在煤热解过程中有不同的热解行为和反应活性，但均遵循镜质组富集物>原煤>惰质组富集物的规律，说明镜质组比惰质组在热解过程中具有更高的活跃度和液体反应物产率，更适合作为热解原料。通过富集镜质组产物，能够有效提高热解焦油的产率，并在一定程度上调节热解焦油的组成。基于镜质组和惰质组在烷基侧链、芳香度、缩合芳环结构及含氧官能团上的差异，镜质组低温热解焦油中链烃类及低缩合环类物质较多，惰质组焦油中含氧杂环及稠环芳烃类物质较多，不同显微组分的热解活性和反应机理亦存在较大差异[110]，但由于煤结构的多样性和热解反应的复杂性，针对不同显微组分的热解特性研究很大程度上仍处于宏观层面的产率高低判断，缺乏将热解产物与其结构特征进行关联的研究。
表3 部分地区原煤及其显微组分富集物热解焦油产率
Table 3 Pyrolysis tar yield of coal and macerals enrichment in some areas
表4 神府煤及其显微组分富集物低温热解焦油组成[94]
Table 4 Low temperature pyrolysis tar composition of coalmacerals enrichment[94]
3.2 煤炭气化
不同煤岩显微组分的气化反应活性存在差异，与煤阶及显微组分的结构特性密切相关，并受气化过程中温度、压力及气化催化剂等工艺参数影响。表5总结了部分学者对煤岩显微组分气化特征的研究结果。
由表5可知，不同煤种、不同反应气氛下煤岩显微组分的气化反应活性相差较大，在煤岩显微组成对气化反应性的影响以及煤岩显微组分的气化反应性差异方面，目前还没有一致的结论。由于煤结构的复杂性和不均一性以及选用煤种和试验方法的差异性，甚至得出了相反的结论。也有学者认为，不同煤岩显微组分在煤气化的不同阶段其反应活性不断变化，在气化反应前期，镜质组反应活性高于惰质组，但随着气化反应的进行，镜质组的反应活性逐渐降低，惰质组反应活性逐渐增强，在气化反应后期，成为反应活性最高的组分[69,116]。
表5 部分学者对煤岩显微组分气化特征研究结果
Table 5 Some scholars′ research results on the gasification characteristics of coalmacerals
3.3 煤炭液化
煤的液化效果与煤样的大分子结构和化学性质有本质关联，仅有部分低阶烟煤具备优良的转化效果和较高的油收率。表6总结了部分地区不同煤阶煤的显微组分组成及其液化试验结果。
镜质组和壳质组在受热膨胀、熔融过程中伴有一定量的胶体物质，被称为活性组分；而惰质组加热仅出现膨胀，没有熔融现象和液态产物产出，故称为惰性组分。研究表明，煤岩显微组分的液化反应活性为壳质组>镜质组>惰质组[119-121]。由表6可知，对同一种煤而言，镜质组和壳质组的液化转化率、油产率均高于惰质组，转化率与活性组分含量呈正相关，随煤样煤化程度的增高，液化性能整体呈降低趋势。
表6 部分地区不同煤阶煤显微组分组成及液化试验结果[117-118]
Table 6 Composition of macerals and liquefaction results of different coal rank coals[117-118]
3.4 配煤炼焦
从单种煤炼焦到多种煤配合炼焦是促进焦化工业发展的一个重要成果。现在的焦炉几乎都采用多种煤进行配合炼焦，部分焦化厂的供煤基地甚至多达十多个。煤岩显微组分的性质及组成是炼焦配煤的一项重要依据和考查指标。不同煤岩显微组分具有不同的黏结性和成焦性，壳质组和镜质组的黏结性相对较高，属于活性组分，其质量和数量决定了成焦过程中胶质体的性质，是决定煤炭成焦性能的首要指标；惰质组一般不具有黏结性，或黏结性极差，在加热过程中不会软化熔融成焦，属于惰性组分，在成焦过程中主要起骨架支撑作用，以提高焦炭的强度[122-124]。不同煤化程度煤的活性组分和惰性组分的性质并不完全相同，对惰性颗粒的容纳和黏结能力及其衍生的焦炭光学结构体也存在差异，二者在成焦过程中彼此相互作用，提高焦炭的冷态强度和热态性能[125]。因此，在长期的配煤炼焦实践中，逐渐开发和形成了较多的以煤岩显微组分为基础的煤岩配煤方法，基于此方法实现了部分无黏结性煤或低黏结性煤的配煤炼焦，低阶煤在配煤炼焦中的应用见表7。
表7 低阶煤在配煤炼焦中的应用
Table 7 Application of low-rank coal in coal blending and coking
根据煤岩配煤原理，煤中活性组分和惰性组分的含量是影响煤黏结性和成焦性的主要因素，只有在最佳的活惰比条件下，才能炼制出性能最好的焦炭。康西栋等[135]对26组不同煤样的炼焦试验表明，镜质组反射率在1.12%～1.36%，活性组分质量分数在63.40%～69.40%时，焦炭的机械强度最好。张代林等[136]分析13种不同变质程度的单种煤的煤岩性质以及对应的焦炭性质，发现煤样镜质组质量分数为63.6%时，焦炭的M40最大。事实证明，适量的惰性组分对煤的黏结性和所炼焦炭的强度有显著影响[137-138]。此外，惰性组分的含量还影响着焦炭的最大溶损速率、焦化反应温度[139]、平均质量变化速率[140]和焦炭微晶结构等[141]。但是，目前基于煤岩配煤理论所衍生的配煤方法，均是通过调整不同煤的配入比例来控制配合煤的煤岩显微组成指标，调控难度较大，且在实际生产过程中易产生较大误差。而通过煤岩显微组分分离技术，调控配入煤的活性组分含量，实现调整配合煤煤岩显微组成指标的方法相对简单和精准，通过富集煤中黏结性好的活性组分可以实现低阶煤在配煤炼焦方面更高比例的应用。
3.5 其他应用
除上述应用外，不同煤岩显微组分在燃烧、制备水煤浆和活性炭等方面也存在较大差异。煤燃烧过程中，相较镜质组而言，惰质组具有更高的燃烧活性[142-143]。但惰质组会严重影响水煤浆的成浆性和流变性，水煤浆的成浆性一般会随煤的平均最大镜质组反射率的增加而增加[142]；对不同煤岩显微组分制备活性炭的研究表明，镜质组和惰质组的含量对所制备活性炭的性能影响显著，煤样的镜质组含量越高，所制备活性炭的比表面积越低，而惰质组含量越高，活性炭的比表面积越高。因此，富镜质组煤样可用于制备微孔发达的活性炭，而富惰质组煤样更易制备中孔发达、比表面积高的活性炭，且惰质组含量越高，活性炭的收率越高[144-145]。
3.6 煤岩显微组分分质利用路线
煤岩显微组分分质利用是指基于不同显微组分之间的差异性，采用合适有效的解离手段，使不同组分充分解离；通过不同煤岩显微组分分选方法，根据实际分质转化利用的需求，调控分选过程，实现煤岩显微组分不同程度的富集；根据煤岩显微组分富集产物的性质和结构特征，通过一定比例完全或部分取代特定煤种，实现基于煤岩显微组分特性的煤分质加工与转化利用，其分质利用路线如图13所示。
图13 基于煤岩显微组分分选的煤炭分质利用转化路线
Fig.13 Route to coal differential utilization and conversion based on separation of coal macerals
4 结语与展望
在国家“双碳”战略目标约束条件下，煤炭资源高质量转化利用势在必行。煤岩显微组分的测定、分选和分质利用技术突破，对于实现煤炭资源转型发展，走“原料供给精细化、转化低碳化、产品高端化”发展新途径具有重要现实意义。
1)煤岩显微组分的识别和测定是评价煤岩显微组分富集程度的主要手段，是实现煤岩显微组分高质量分选的技术保障。目前，关于煤显微组分测定的研究已经取得了一定进展，自动识别技术大幅度提高了鉴定效率，降低了人为因素的影响，但受传统图像测定方法的限制，自动测试技术均存在细粒物料无法识别的致命缺陷，难以匹配煤岩显微组分解离粒度细的特点。因此，亟需开发一种基于煤岩显微组分结构特征，不受粒度限制的高效定量方法。
2)煤岩显微组分的分离富集是煤炭分质转化和梯级利用的基础。目前煤岩显微组分分选工作已经取得了一定的进展，形成了以重选法、浮选法和电选法为基础的分选体系。同时，也衍生出了电浮选-电凝聚法、油泡浮选法和气流粉碎-精细分级法，有效改善了传统分选方法在分选效率、富集效率和选择性等方面的局限性。电浮选-电凝聚法和油泡浮选法的高选择性、高富集率和高回收率；气流粉碎-精细分级法的解离、分选调控机制和干法分选特征，使其在众多分选方法中具有独特优势，极具发展前景和开发意义。
3) 通过煤岩显微组分的分离富集，可以充分发挥不同煤岩显微组分在煤炭的热解、气化、液化和炼焦配煤等方面的应用优势，能够最大限度实现煤炭资源的高效清洁分质利用。笔者提出的基于煤岩显微组分分离及其特性的分质利用路线很好契合了国家煤炭清洁高效利用战略需求，是系统化实现煤炭低碳化清洁高效利用的有效策略。
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