低品质煤及煤泥物料高效脱灰脱水提质
0 引 言
2020年，全年能源消费总量为49.8亿t标准煤，其中，煤炭消费占能源消费总量的56.8%[1]。煤炭作为我国主体能源的格局短时间内不会改变。煤炭为我国经济社会发展做出巨大贡献的同时，也带来了环境污染问题，煤炭的清洁高效利用是实现低碳经济的关键[2-3]。
煤炭分选是实现煤炭清洁利用的主要方式[4]。目前，常用的煤炭分选方式主要有湿法分选和干法分选2种。常用的粗粒级煤炭湿法分选主要有重介浅槽分选、跳汰分选[5-7]，但其不适用于易泥化煤炭的分选，且需配备煤泥水处理系统；细粒煤湿法分选常采用重介旋流器分选和浮选[8-9]，但均会增加产品水分，降低煤炭热值。常用的干法分选主要有空气重介干法分选和复合式干法分选[10-12]，干法分选不会增加产品水分，但其对<6 mm煤炭分选精度较差，不适用于细粒煤炭的分选[13]。
此外，随着优质煤矿资源的渐趋萎缩、机械化采矿程度的提高和地质条件的变化，煤炭分选过程中产生的末原煤含量增加，且易产生次生煤泥[14-15]。
复合式干法分选机已经得到了广泛应用，青龙煤矿通过复合式干选机，灵活调整产品规格，以20～50 mm小块煤和50～80 mm大块煤产品为主要利润来源，创造了较好的经济效益并达到了理想效果[16]；尚庄煤业通过FGX-12型干选机对劣质原煤粗加工，当精煤热值在17.6～19.7 MJ/kg时，可获得最佳经济效益[17]；对黑山露天矿采用复合式主再选工艺试验后，13～0 mm精煤产品煤质明显提升[18]。
石圪台选煤厂通过煤泥干燥系统，在900～1 100 ℃ 高温烟气下，干燥后煤泥水分降低了16.20%，发热量提升了3.43 kJ，采取煤泥干燥手段可有效降低煤泥水分[19]。宝日希勒褐煤通过热压干燥提质研究，探究给料量、干燥温度等因素下的最佳脱水条件，最佳水分质量分数可达5%～8%[20]。
针对选煤厂分选过程中产生的低品质煤(末煤和煤泥)含水量过高的问题，笔者研究了低品质煤(末煤和煤泥)的干燥过程，确定末煤和煤泥所需的温度和干燥时间，为末煤和煤泥的工业干燥提供理论基础和技术参考。
1 原煤性质及工艺分析
试验煤样取自李家壕煤矿，原煤遇水易泥化，末煤分选过程会产生大量煤泥，增加煤泥水系统负荷，降低产品热值，增加分选成本。根据GB/T 212—2008《煤的工业分析方法》，对煤泥及末煤进行工业分析，测试结果见表1。
表1 煤泥和末煤工业分析
Table 1 Proximate analysis of slime and fine coal
由表1可知，煤泥Ad为15.14%、St,d为0.60%，Qgr,d为25.13 MJ/kg，为低灰、低硫中高发热量煤，末煤Ad为9.00%、St,d为0.69%，Qgr,d为27.08 MJ/kg，属特低灰、低硫中高发热量煤，具有较高的利用价值，但煤泥及末煤均具有较高水分，煤泥Mad为9.54%，Mt为45.00%，末煤Mad为10.97%，Mt为26.85%，过高的水分使得煤泥/末煤的实际发热量较低，难以进行后续的加工利用，因此脱水提质是解决煤泥/末煤利用问题的关键。
采用水分测定仪，分析煤泥在不同条件下水分逸失规律，揭示煤泥干燥过程中水分迁移规律；通过热重分析仪测量煤泥/末煤颗粒不同干燥阶段的干燥速率，分析不同赋存形式水分的传热与传质形式，探索干燥过程中传热方式与水分逸出路径，分析测试设备如图1所示。
图1 测试分析仪器
Fig.1 Test analysis equipments
选煤厂分选工艺如图2所示，原煤经φ100 mm分级筛分级获得>100 mm和<100 mm原煤，<100 mm 原煤给入φ6 mm弛张筛，分别获得<6 mm和6～100 mm原煤，由于<6 mm煤炭分选效果不理想，将
图2 选煤厂工艺流程
Fig.2 Process flow chart of coal preparation plant
选煤厂生产过程中，末原煤产率约占30%，块煤分选后产生的次生煤泥量约占原煤总量的5%，即高含水低品质煤约占原煤总量的35%，且高含水低品质煤热值较低，无法单独销售，亟需通过煤炭提质来降低煤炭水分，增加经济效益。
2 低品质煤脱水提质
2.1 低品质水分赋存及煤热解特性
对<6 mm末煤和煤泥进行水分赋存状态分析，将温度设定为40 ℃，质量及脱水率随时间变化如图3所示，随干燥时间的增加，末煤和煤泥质量逐渐降低，脱水率逐渐增加。干燥时间达30 h时，末煤脱水率达17.38%，随时间继续增加，末煤脱水率基本维持稳定，在36 h时，脱水率为17.84%。干燥时间达36 h时，煤泥脱水率达38.00%，随时间继续增加，煤泥脱水率基本维持稳定，在42 h时，脱水率为39.20%。表明在此末煤中，以外水赋存的水分质量分数为17.84%，在煤泥中，表明煤泥以外水形式赋存质量分数为39.20%。
图3 不同干燥时间下样品质量及脱水率变化
Fig.3 Change of samples quality and dehydration rate under different drying times
将干燥后的末煤、煤泥破碎至<3 mm，在105～110 ℃下干燥直至质量维持恒定，干燥后末煤质量降低了10.97%，干燥后煤泥质量降低了9.54%，表明末煤和煤泥中以内水赋存的水分质量分数为10.97% 和9.54%。
对比末煤和煤泥水分赋存规律，煤泥外水含量高于末煤，两者以内水形式赋存的水分含量相似。在干燥过程中，末煤和煤泥的质量降低速率均呈逐渐降低趋势，主要原因为：煤样水分含量高时，较多的水分受热量作用，失重率较大。此外，煤泥失重率较末煤大，与干燥过程中失重率逐渐降低相似，水分较低时，受到干燥作用的水分相对较少，失重率较低。
基于末煤和煤泥的水分赋存状态及不同赋存方式的水分含量，影响干燥速率的因素为温度，为确定末煤和煤泥中的物质分解温度，对末煤和煤泥样品进行热重分析。
为了准确测量物质的质量变化及变化速率，将末煤破碎至<100目(150 μm)，在105 ℃下进行2 h干燥处理后进行热重分析，热解温度范围为室温～850 ℃，升温速率为5 ℃/min，末煤的TG及DTG曲线如图4所示，100 ℃和300 ℃下气相色谱质谱(GC-MS)曲线如图5所示。
图4 末煤的TG及DTG曲线
Fig.4 Thermogravimetric curve and derivative thermogravimetry curve of fine coal
图5 气相色谱质谱(GC-MS)
Fig.5 Gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS)
由图4可知，末煤的TG曲线逐渐降低，表明末煤中水分及大分子随温度升高逐渐热解。根据TG曲线变化规律，末煤热解过程(TG-DTG曲线)可分为3个阶段，分别为室温～101.9、101.9～305.7、305.7～850.0 ℃。
第1阶段(101.9 ℃前)：随温度升高，末煤中水分蒸发，末煤质量逐渐降低，在75 ℃左右末煤质量变化速率达到最大，煤中部分组分发生热解，主要逸出物质为十甲基环五硅氧烷、螺内酯、丙脂等，末煤质量逐渐降低，但末煤质量降低较少，约7%，表明仅有少部分物质发生热解；第2阶段(101.9～305.7 ℃)：温度升高，末煤质量略降低，并未产生明显变化，在200 ℃左右末煤质量变化速率最小，质谱结果表明逸出的物质主要为蓖麻醇酸、烷基、癸酸甲酯等，在此温度范围内末煤中大分子未发生明显裂解；第3阶段(305.7～850.0 ℃)：温度超过305.7 ℃后，末煤质量迅速下降，末煤发生热解，在450 ℃左右时热解速率达到最大。
与末煤分析方法相似，煤泥的TG及DTG曲线如图6所示，100和300 ℃下气相色谱质谱(GC-MS)曲线如图7所示。
图6 煤泥的TG及DTG曲线
Fig.6 Thermogravimetric curve and derivative thermogravimetry curve of slime
图7 气相色谱质谱(GC-MS)
Fig.7 Gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS)
由图6可知，煤泥热解过程(TG-DTG曲线)可分为3个阶段。第1阶段(101.9 ℃前)：随温度升高，煤泥中水分蒸发，煤泥质量逐渐降低，在55 ℃左右煤泥质量变化速率达到最大，煤中部分组分发生热解，主要逸出物质为八甲基环四氧硅烷、十甲基环五硅氧烷、十二甲基环六硅氧烷等，煤泥质量逐渐降低，但煤泥质量降低较少，约10%，表明仅有少部分物质发生热解；第2阶段(101.9～305.7 ℃)：温度升高，煤泥质量并未产生明显变化，在200 ℃左右煤泥质量变化速率达到最小，表明在此温度范围内煤泥中大分子未发生明显裂解，质谱结果表明逸出的物质主要为烷基、轮烯、环庚三烯、八甲基环四氧硅烷、十甲基环五硅氧烷、十二甲基环六硅氧烷、三甲基七硅氧烷；第3阶段(305.7～850.0 ℃)：温度超过305.7 ℃ 后，煤泥质量迅速下降，煤泥发生热解，在459 ℃左右时煤泥热解速率达到最大。
根据不同温度下物质逸出规律判断煤炭热解特性，末煤与煤泥热解结果相似，在105 ℃前主要为水分逸出阶段，105～306 ℃时，存在部分物质热解，但热解物质含量较低，其原始质量未发生明显变化，温度超过306 ℃时，大分子逐渐热解，原始质量逐渐降低，此时煤炭性质发生改变，无法在该温度下进行干燥。
2.2 低品质煤脱水提质
采用红外快速水分测定仪对末煤进行干燥脱水研究，设定温度为80、85、90、95、100、105、120、150及180℃，记录不同温度下末煤脱水率变化，如图8(a)所示，不同温度下末煤最大脱水率及达到最大脱水率所需的时间如图8(b)所示。
图8 不同温度下末煤干燥规律
Fig.8 Drying law of fine coal at different temperatures
由图8可知，末煤在80、85、90、95、100、105、120、150及180 ℃温度下的最大脱水率分别为21.66%、23.41%、24.39%、24.76%、25.43%、26.85%、26.85%、26.85%、26.85%，达到最大脱水率的时间分别为55、45、40、40、40、40、40、40、40 min。随温度升高，末煤最大脱水率先增加后保持稳定，达到最大脱水率所需的时间先减少后维持稳定。温度较低时，脱水率较低。80 ℃时，脱水率在55 min时达到最大21.66%，且不随时间的增加继续增加，表明80 ℃下无法使水分完全逸出，剩余水分与煤中其他分子相结合，在80 ℃温度下无法分解。在105 ℃时，末煤最大脱水率为26.85%，且脱水率不随温度和时间的增加而增加，表明此时末煤完全脱水。随温度继续升高，达到最大脱水率所需时间不变，表明温度达到105 ℃时末煤水分完全逸出临界点，继续升高温度未对末煤干燥过程产生影响。
对煤泥进行干燥试验研究，试验条件与末煤相同，不同温度下煤泥脱水率变化如图9(a)所示，不同温度下煤泥最大脱水率及达到最大脱水率所需时间如图9(b)所示。
图9 不同温度下煤泥干燥规律
Fig.9 Drying law of slime at different temperatures
由图9可知，末煤在80、85、90、95、100、105、120、150及180 ℃时的最大脱水率分别为36.35%、41.56%、41.97%、42.50%、43.63%、45.00%、45.00%、45.00%、45.00%，达到最大脱水率的时间分别为125、100、95、80、75、70、70、70、70 min。随温度升高，煤泥最大脱水率先增加后保持稳定，达到最大脱水率所需时间先减少后维持稳定。温度较低时，脱水率较低，80 ℃时，脱水率在125 min时达到最大36.35%，85 ℃时，脱水率在100 min时达到最大41.56%，且不随时间的继续增加而增加，表明在低温条件(80～100 ℃)下水分无法完全逸出，剩余水分与煤炭中其他分子结合，在80～100 ℃无法分解。105 ℃、70 min时，煤泥最大脱水率为45.00%，且脱水率不随温度和时间的继续增加而增加，表明此时煤泥完全脱水。随温度继续升高，达到最大脱水率所需时间不变，表明105 ℃时，已达到煤泥水分完全逸出临界点，继续增加温度未对煤泥干燥过程产生影响。
与末煤相比，煤泥干燥所需时间较长，主要原因是煤泥含水率较高，实现水分的完全逸出所需时间较长。对比图8(b)和图9(b)，末煤和煤泥实现水分完全逸出的温度均为105 ℃，时间分别为40和70 min，且脱水率不随温度和时间继续变化，表明105 ℃为实现完全脱水的临界温度。温度超过90 ℃ 时，末煤达到最大脱水率所需时间均为40 min，末煤最大脱水率随温度的增加逐渐增加直至稳定，表明存在水分子的逸出区间分别为90～95、95～100、100～105 ℃。105 ℃前，煤泥的最大脱水率和达到最大脱水率所需时间均在变化，主要原因为与末煤相比，煤泥水分较高，温度升高对水分的逸出速率影响相对较大，随时间呈降低趋势。
3 低品质煤脱灰提质
除水分外，灰分是影响原煤热值的又一重要因素，为改善选煤厂中低品质煤热值较低的问题，对原煤中的细粒级煤炭进行脱灰提质研究，探究复合式干法分选技术对细粒级煤炭可能的有益效果，为选煤厂的工艺优化提供参考。
3.1 原煤性质
为了确定<6 mm原煤含量，对原煤进行筛分分析，其粒度分布见表2。
表2 原煤粒度组成
Table 2 Distribution of the size range of the coal
原煤中主导粒级为100～>13 mm，产率为40.76%，6～>0.5 mm原煤质量分数为23.10%，灰分为21.32%。
对6～>0.5 mm细粒级煤炭进行浮沉试验，结果见表3。从表3可知煤样中密度为>1.80 g/cm3组分产率为14.23%，此密度级为矸石。从浮沉密度级中可以看出<1.30 g/cm3时灰分最低为6.89%，灰分随密度增大而增大，密度>1.80 g/cm3时达到最大值38.32%。可知通过重力分选能有效脱除煤中矸石，实现提质降灰。
表3 6～0.5 mm细粒煤浮沉试验结果
Table 3 Result of the sink-float experiment of 6-0.5 mm size fraction of coal
3.2 复合式干法分选机分选试验
复合式干法分选机是目前应用较广泛的一种干法分选设备，物料在分选过程中受振动和气流综合作用，实现按密度分离。分选床体振幅、振动频率、气速及安装参数等条件会影响分选效果，其中振动频率与分选效果紧密相关，是实际分选过程中调节最多的参数。因此通过试验探究了振动频率对6～>0.5 mm原煤分选效果的影响。
试验过程中沿床面横向从入料端至矸石端方向依次划分为5段，分别对每一段物料进行取样称重、化验，得到各段分选产品的产率及灰分。试验结果如图10所示，随振动频率f的增加，1、2段产率逐渐降低，第3段产率受振动频率影响不明显，产率集中在23%左右；4、5段产率逐渐增加，振动频率f=38 Hz时，第5段产率最高达15.67%。整体来看，随频率增加，不同位置产率变化趋势不同，1、2段靠近入料端，随振动频率增加，振动能量逐渐增加，煤炭颗粒受到的振动作用逐渐增强，更多的煤炭颗粒运动至出料端，即4、5段。在不同频率下，各段的灰分分布趋势基本相同，越靠近矸石端灰分越高。随振动频率增加各段灰分逐渐降低，精煤端物料产率逐渐降低，高灰分煤炭颗粒逐渐移至矸石端，使精煤端灰分逐渐降低，在矸石端，低频率下的矸石物料灰分较高，随频率增加，灰分较低的矸石逐渐移至矸石端，使矸石端产率逐渐升高，灰分逐渐降低。振动频率为38 Hz时，第1段灰分最低，为7.54%。综合考虑煤炭灰分及产率，取前2段作为精煤产品，振动频率为36 Hz时，精煤产率为45.48%，灰分为10.36%。
图10 不同频率下不同段的产率和灰分
Fig.10 Yield and ash content of different segments at different frequencies
4 结 论
1)在末煤和煤泥中，以外水赋存的水分质量分数分别为17.84%和39.20%，以内水赋存的水分质量分数分别为10.97%和9.54%。末煤和煤泥热重分析表明，101 ℃前，煤中仅有少部分物质热解，表明水分干燥过程中，煤中其他物质损失较小。温度达到306 ℃时，末煤和煤泥的大分子逐渐热解，质量逐渐降低。末煤和煤泥热重分析的质量变化规律一致，具有相同的热解特性。
2)随温度的增加，末煤和煤泥最大脱水率逐渐增加，达到最大脱水率所需时间逐渐减少。末煤和煤泥水分完全逸出的临界温度均为105 ℃。105 ℃、40 min时，末煤达到最大脱水率26.85%，实现水分完全逸出。105 ℃、70 min时，煤泥达到最大脱水率45.00%，实现水分完全逸出。
3)随着振动频率增加，复合式干法分选机前2段产率逐渐降低，第3段产率受振动频率影响不明显，后2段产率逐渐增加。频率增加使得各段产率分布逐渐趋于均匀，同时各段灰分逐渐降低，在振动频率为36 Hz时，精煤灰分为10.36%，产率达到45.48%。
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Water occurrence characteristics and dehydration of low quality coal and slime
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