韋魯濱，董亞林，邵珠倩，魏 濤，楊熙祖，朱學(xué)帥

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083)

煤炭作為我國主要能源之一，是國民經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展不可或缺的一部分[1]。但高硫煤燃燒過程中會(huì)釋放二氧化硫、三氧化硫、硫化氫等有毒氣體，這些有害氣體形成酸雨不僅造成環(huán)境污染而且還會(huì)對(duì)鐵路建材造成破壞[2-3]；再者煤炭的儲(chǔ)存、加工和利用[4-5]常常被煤中硫分所限制；煤中黃鐵礦被氧化會(huì)釋放大量熱量加速煤的氧化與自燃，對(duì)煤的儲(chǔ)運(yùn)極其不利；煤中硫分還會(huì)降低焦炭質(zhì)量，導(dǎo)致鋼鐵質(zhì)量嚴(yán)重不足，增大高爐出渣量[6-7]，因此煤炭脫硫刻不容緩。

目前煤炭脫硫主要有燃前脫硫、燃中固硫、燃后脫硫三種方式，燃前脫硫普遍被認(rèn)為最為經(jīng)濟(jì)[8]，我國一直以燃前脫硫?yàn)橹饕摿蚴侄?，燃中固硫與燃后脫硫以輔助形式對(duì)其補(bǔ)充[9]。燃前脫硫主要包括物理脫硫、化學(xué)脫硫、生物脫硫等?；瘜W(xué)脫硫需在高溫高壓等嚴(yán)苛條件下進(jìn)行且破壞煤質(zhì)結(jié)構(gòu)[10-12]；生物脫硫主要利用微生物改善黃鐵礦親水性使其脫除，但其脫硫速率較慢且對(duì)溫度、活性較為敏感[13-14]；因此物理脫硫最為經(jīng)濟(jì)。煤炭破碎能夠有效使夾矸煤中的精煤解離出來，通過重力分選不僅提高精煤產(chǎn)率而且能夠達(dá)到脫硫、降低灰分效果[15-16]，對(duì)選煤廠生產(chǎn)效益有較大的提升。因此本研究主要目的通過不同破碎方案比較，綜合選煤廠經(jīng)濟(jì)效益和脫硫效果，最終確定適合沁水煤田選煤廠破碎方案。

1 樣品與方法

1.1 試驗(yàn)煤樣

試驗(yàn)煤樣來自沁水煤田寺家莊選煤廠入選原煤，選煤廠連續(xù)采樣時(shí)間不得少于2 h，原煤采樣時(shí)間一般來說越長越好，因?yàn)檠娱L采樣時(shí)間有利于樣本具有代表性，但是選煤廠生產(chǎn)條件并不是穩(wěn)定不變的，而是在一定的波動(dòng)范圍內(nèi)，因此一味延長采樣時(shí)間也會(huì)使樣品失去代表性。寺家莊選煤廠原煤皮帶末端裝有采樣機(jī)，皮帶走廊下方場(chǎng)地用于制樣，采樣機(jī)以時(shí)間基準(zhǔn)進(jìn)行采樣，采樣時(shí)間為90 min，時(shí)間間隔82 s，采樣過程由時(shí)間繼電器控制電機(jī)帶動(dòng)采樣鏟橫截煤流取樣，煤樣經(jīng)接樣槽進(jìn)入皮帶下方空地，采樣過程均在選煤廠正常生產(chǎn)情況下采取。

1.2 測(cè)試方式

首先在載物盤上粘上雙面膠帶，然后取少量粉末試樣在膠帶并涂至均勻，膠帶邊緣涂上導(dǎo)電銀漿以連接樣品與載物盤，等銀漿晾干進(jìn)行蒸金處理最后采用掃描電鏡分析礦物嵌布特性，整個(gè)過程嚴(yán)格按照《煤的顯微組分組和礦物的測(cè)定方法》(GB/T8899—2013)標(biāo)準(zhǔn)；將原煤浮沉樣品磨樣至20目，再將煤樣、樹脂、固化劑混合攪拌靜置至混合物固結(jié)，隨后磨片、拋光制備成粉煤光片，最后采用反射顯微鏡測(cè)定原煤煤巖組成。通過以上分析測(cè)試，初步考察硫分在煤中的分布特性和解離的難易程度。試驗(yàn)采用光學(xué)顯微鏡與掃描電鏡觀察分析，其參數(shù)見表1。

表1 設(shè)備參數(shù)表Tab.1 Device parameters table

1.3 破碎方案

試驗(yàn)采用三種不同破碎方式組成六種破碎方案，圖1為原煤破碎試驗(yàn)流程，即原煤+25 mm分兩份進(jìn)行破碎解離研究，第一份按照25 mm進(jìn)行破碎，第二份按照13 mm破碎；25～13 mm原煤按照13 mm進(jìn)行破碎，以上破碎產(chǎn)品進(jìn)行篩分浮沉試驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 原煤煤質(zhì)分析

為詳細(xì)了解硫分分布規(guī)律，將煤樣分別按照GB/T477—2008、GB/T 478—2008進(jìn)行篩分浮沉試驗(yàn)，篩分結(jié)果見表2，浮沉結(jié)果見表3；并繪制其硫分可選性曲線見圖2。

圖1 破碎試驗(yàn)流程Fig.1 Crushing experiment flow

表2 原煤篩分試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Screening test results of raw coal

由表2可知，原煤+50 mm產(chǎn)率為7.05%，說明原煤硬度不大，50～1 mm各粒度級(jí)產(chǎn)率分布比較均勻；-6 mm產(chǎn)率49.13%，平均灰分24.51%，+6 mm平均灰分40.0%，-3 mm產(chǎn)率為34.7%，平均灰分23.41%，進(jìn)一步說明煤質(zhì)較脆易碎；-1.5 g/cm3含量較多為50.32%，且硫分不高，1.5～1.8 g/cm3產(chǎn)率較低為8.38%，說明夾矸煤含量不多；原煤平均硫分為1.89%，屬中高硫煤，且硫分隨粒度降低大致呈減小趨勢(shì)。說明通過破碎可以將其解離從而達(dá)到脫硫目的。原煤硫分隨密度先減小后增大，說明通過重力分選可以降低硫分；圖2硫分可選性曲線表明當(dāng)要求精煤硫分為1%時(shí)，理論精煤產(chǎn)率為54.4%，理論分選密度約1.47 g/cm3，±0.1含量為30.24%，原煤可選性等級(jí)為難選。

表3 原煤+0.5 mm硫分浮沉實(shí)驗(yàn)表Tab.3 Floating and sinking test table of raw coal +0.5 mm sulfur content

圖2 原煤 +0.5 mm硫分可選性曲線Fig.2 Optional curve of raw coal +0.5 mm sulfur content

沁水煤田高硫煤中黃鐵礦主要以細(xì)小的顆粒充填在有機(jī)組分間，顆粒大小不等，形狀以原生粒狀、莓狀和簇狀、簇狀集合為主，部分充填在有機(jī)組分的細(xì)胞結(jié)構(gòu)的細(xì)胞腔中，排列非常整齊，高密度級(jí)多以黃鐵礦為主，且黃鐵礦呈片狀分布于煤樣之間，低密度級(jí)無明顯黃鐵礦，硫酸鹽等賦存，但其硫分偏高，說明其低密度級(jí)煤樣中以有機(jī)硫分為主。從圖7不同元素在掃描電鏡下分布情況可以看出，由硫元素和鐵元素集中分布可大致推斷該處為硫化亞鐵，同理根據(jù)氧硅鋁等元素聚集可推測(cè)該出為矸石，說明通過一定程度破碎能夠使其精煤與黃鐵礦分離，從而通過重力分選達(dá)到脫硫目的。

圖3、圖4可知1.4 ～1.6 g/cm3密度級(jí)硫分均在1%～1.5%之間，說明通過重力分選可以得到低硫精煤但產(chǎn)率較低，除非進(jìn)一步破碎解離；+1.7 g/cm3密度級(jí)硫分偏高均在2%以上，可推測(cè)黃鐵礦夾矸占比較多所致，因此適當(dāng)提高分選密度能夠脫除部分無機(jī)硫分；各粒度級(jí)中低密度級(jí)硫分差別并不明顯，這多為原煤中有機(jī)硫在低密度級(jí)中分布均勻且無機(jī)硫較少所致。隨著粒度增大，密度越大硫分越高，這個(gè)主要是因?yàn)槲唇怆x的黃鐵礦小顆粒在大粒度級(jí)別中越來越富集。在-1.8 g/cm3密度級(jí)中各密度級(jí)硫分和粒度基本呈線性關(guān)系，且粒度越大，斜率就越大。+1.8 g/cm3密度級(jí)硫分明顯比低于其密度高出許多，且隨粒度不斷增大是由于大塊黃鐵礦結(jié)核被破碎成各個(gè)粒度級(jí)所致，但同時(shí)也可看出細(xì)粒度級(jí)低于粗粒度級(jí)，這是因?yàn)辄S鐵礦結(jié)核較煤炭相比硬度較大不易破碎。因此通過破碎可以達(dá)到煤矸分離效果。

為探明其硫分嵌布特性，將寺家莊原煤25～13 mm浮沉樣品磨樣制備并送至光學(xué)顯微鏡下觀察，主要觀察黃鐵礦顆粒的粒度、數(shù)量、形態(tài)及與有機(jī)組分的伴生關(guān)系，觀察結(jié)果如圖5—7所示：

圖3 原煤25～0.5 mm不同密度硫分分布 圖4 原煤25～0.5 mm硫分與粒度及密度關(guān)系Fig.3 Sulfur content distribution of raw coal at different densities of 25～0.5 mm Fig.4 Relationship between grain size and density of raw coal and sulfur content of 25～0.5 mm

圖5 寺家莊25～13 mm +1.8 g/cm3 圖6 寺家莊25～13 mm 1.4～1.5 g/cm3Fig.5 Si jia zhuang 25～13 mm + 1.8 g/cm3 Fig.6 Si jia zhuang 25～13 mm 1.4～1.5 g/cm3

圖7 原煤25～13 mm浮沉樣品掃描電鏡Fig.7 Scanning electron microscope of 25～13 mm floating sample of raw coal

2.2 破碎產(chǎn)品分析

表4與表5為破碎產(chǎn)品25～0 mm浮沉結(jié)果，從表4可以看出當(dāng)+25 mm原煤按照25 mm粒度進(jìn)行破碎時(shí)，破碎產(chǎn)物1.3～1.4 g/cm3產(chǎn)率為31.68%，明顯多于破碎前產(chǎn)率17.17%，該密度級(jí)產(chǎn)率提高14.51%(占本級(jí))，說明破碎能夠一定程度提高精煤產(chǎn)率。破碎產(chǎn)物中低密度級(jí)硫分偏高，這是可能是因?yàn)榈兔芏燃?jí)中以有機(jī)硫?yàn)橹鳎粡谋?結(jié)果來看低密度級(jí)硫分偏高，進(jìn)一步說明低密度級(jí)中以有機(jī)硫?yàn)橹鳌?/p>

表4 +25 mm破碎至-25 mm， 25～0.5浮沉實(shí)驗(yàn)Tab.4 +25 mm crushing -25 mm， 25～0.5 floating and sinking experiment

表5 +25 mm破碎至-25 mm， -0.5 mm浮沉實(shí)驗(yàn)Tab.5 +25 mm crushing -25 mm， -0.5 mm floating experiments

表6與表7為+25 mm原煤破碎至-13 mm 浮沉實(shí)驗(yàn)結(jié)果，根據(jù)表6可以看出-1.5 g/cm3理論產(chǎn)率為55.61%，相較于破碎粒度25 mm理論產(chǎn)率47.56%提高8.05%(占本級(jí))，說明進(jìn)一步破碎理論產(chǎn)率也會(huì)隨之增加，但進(jìn)一步破碎磨礦能耗較高，因此是否按照13 mm粒度破碎還有待商榷。表7說明破碎后-0.5 mm主要以矸石為主，說明通過破碎使得矸石與煤解離，進(jìn)而可通過分選除去。

表6 +25 mm破碎至-13 mm， 13～0.5 mm浮沉實(shí)驗(yàn)Tab.6 +25 mm crushing -13 mm， 13～0.5 floating and sinking experiment

表7 +25 mm破碎至-13 mm， -0.5 mm浮沉實(shí)驗(yàn)Tab.7 +25 mm crushing 13 mm， -0.5 mm floating and sinking experiments

表8與表9為破碎產(chǎn)品13～0 mm浮沉實(shí)驗(yàn)，經(jīng)表8、表9得出浮沉產(chǎn)品主要集中在低密度和高密度級(jí)兩端且呈現(xiàn)兩頭多中間少的趨勢(shì)，說明原煤經(jīng)過破碎可以使其達(dá)到煤與矸解離效果；其中各密度級(jí)硫分呈兩頭大中間小的趨勢(shì)，進(jìn)一步驗(yàn)證低密度級(jí)硫分主要以有機(jī)硫?yàn)橹鳎呙芏犬a(chǎn)品則以無機(jī)硫?yàn)橹鳌?/p>

表8 破碎產(chǎn)品 13～0.5 mm浮沉實(shí)驗(yàn)Tab.8 Floating and sinking test of broken products 13～0.5 mm

表9 破碎產(chǎn)品-0.5 mm浮沉實(shí)驗(yàn)Tab.9 Floating and sinking experiments for crushing products -0.5 mm

本研究以硫分為主，因此將破碎前后硫分與浮物累計(jì)繪制成圖8—10，通過分析對(duì)比探明按照不同破碎方式破碎精煤產(chǎn)率與硫分關(guān)系。

圖8 破碎產(chǎn)品25～0 mm硫分累計(jì)Fig.8 Sulfur content accumulation of crushed product 25～0 mm

圖9 破碎產(chǎn)品13～0 mm硫分累計(jì)Fig.9 Sulfur content accumulation of broken product 13～0 mm

圖10 原煤25～13 mm破碎13 mm浮物累計(jì)Fig.10 Floating matter accumulation of raw coal 25～13 mm broken 13 mm

通過圖9(a)與圖8(a)對(duì)比可以看出隨著破碎粒度下限增大，精煤產(chǎn)率也隨之增大，其中精煤硫分在1%以下破碎后理論精煤產(chǎn)率明顯高于破碎前產(chǎn)率，說明破碎能夠使得夾矸煤充分解離，從而提高精煤產(chǎn)率，但其破碎能耗也隨之增大，因此是否進(jìn)一步破碎有待考究；圖8(b)、圖9(b)、圖10(b)分別為破碎產(chǎn)品-0.5 mm硫分累計(jì)，可以看出硫分呈兩頭大中間小的趨勢(shì)，進(jìn)一步說明有機(jī)硫在低密度富集，并驗(yàn)證了低密度有機(jī)硫較多，高密度則以無機(jī)硫?yàn)橹鳌?/p>

2.3 破碎方案選擇

為研究破碎對(duì)精煤產(chǎn)率和精煤硫分影響，本次破碎實(shí)驗(yàn)采用3種破碎方式研究破碎對(duì)煤中硫分影響。第一種為+25 mm粒度原煤破碎至-25 mm；第二種破碎方式是+25 mm粒度原煤破碎至-13 mm；第三種是將25～13 mm原煤破碎到-13 mm。

按照表10的算法，匯總了三種破碎方案破碎前后理論精煤產(chǎn)率變化，表中小計(jì)的精煤產(chǎn)率依然是按照破碎本級(jí)計(jì)算。

由圖8、圖9可以看出，當(dāng)要求精煤硫分較低時(shí)，可以通過破碎提高精煤產(chǎn)率；精煤產(chǎn)率較高時(shí)，由于原煤易碎，破碎產(chǎn)物中-0.5 mm粒級(jí)量較大，而按照寺家莊洗煤廠現(xiàn)有工藝，-0.5 mm粒級(jí)是不分選的，從而導(dǎo)致精煤產(chǎn)率降低。

為增加數(shù)據(jù)可比性，將精煤產(chǎn)率進(jìn)一步按全樣計(jì)算，其中原煤中+25 mm粒級(jí)占全樣20.40%、25～13 mm粒級(jí)占全樣13.83%，折算結(jié)果列于表11。

表11結(jié)果表明，當(dāng)要求精煤硫分為1%時(shí)，+25 mm原煤破碎至-25 mm，精煤產(chǎn)率能夠提高1.76%；+25 mm原煤破碎至-13 mm，精煤產(chǎn)率可提高3.46%；25～13 mm原煤破碎至-13 mm，精煤產(chǎn)率提高3.85%。

表10 原煤不同破碎方式結(jié)果對(duì)比Tab.10 Comparison of results of different crushing methods of raw coal

表11 原煤不同破碎方式精煤產(chǎn)率的變化Tab. 11 Changes of yield of cleaned coal by different crushing methods

結(jié)合表11試驗(yàn)結(jié)果來看，原煤經(jīng)過不同破碎方式，精煤理論產(chǎn)率均有所提高，且隨著破碎粒度下限減小而增大，但在實(shí)際生產(chǎn)過程中，并不是為了精煤產(chǎn)率而無限制地進(jìn)行破碎，而是結(jié)合實(shí)際分選設(shè)備粒度要求和客戶需求來進(jìn)行破碎，然而，哪種破碎方式和破碎粒度既具有經(jīng)濟(jì)性又具有實(shí)用性，需進(jìn)一步對(duì)比研究，故提出以下6種破碎方案：

方案1：原煤不破碎，現(xiàn)有工藝。

方案2：+25 mm原煤不破碎，25～13 mm原煤破碎至13 mm。

方案3：+25 mm原煤破碎25 mm，25～13 mm原煤不破碎。

方案4：+25 mm原煤破碎至13 mm，25～13 mm原煤不破碎。

方案5：+25 mm原煤破碎至25 mm，25～13 mm原煤破碎至13 mm。

方案6：全部按照13 mm破碎。

表12 不同破碎方案精煤提高產(chǎn)率Tab. 12 Iimproved yield of cleaned coal in different crushing schemes

通過不同破碎方案比較可知，從方案1—6破碎難度逐步增大，其理論精煤產(chǎn)率也隨之增加，說明通過一定程度破碎，可以使得精煤解離出來，且破碎程度越大解離量越多。方案6較方案5雖然破碎能夠得到更多理論精煤，但是其破碎難度加大能耗更多且提高產(chǎn)率在1.4%左右，提高經(jīng)濟(jì)效益較少，說明進(jìn)一步破碎意義不大；方案5相比于方案2、3、4而言，其破碎程度并不大且破碎工藝也不復(fù)雜，其中當(dāng)要求精煤硫分為1%時(shí)，破碎后理論精煤產(chǎn)率較破碎前增加約八個(gè)百分點(diǎn)，顯著提高精煤產(chǎn)率，因此最終確定方案5進(jìn)行破碎。

2.4 經(jīng)濟(jì)效益預(yù)估

寺家莊選煤廠年產(chǎn)量600萬噸，因當(dāng)?shù)匾缶毫蚍植桓哂?%，因此以精煤硫分1%為參考，現(xiàn)有煤炭?jī)r(jià)格為-13 mm精煤價(jià)格為850元/t，-25 mm精煤為1 000元/t進(jìn)行計(jì)算預(yù)估，預(yù)估結(jié)果見表13。

Y=AP1+BP2

(1)

其中:Y為經(jīng)濟(jì)效益，A為-13 mm提高產(chǎn)率，P1為對(duì)應(yīng)A價(jià)格，B為-25 mm提高產(chǎn)率,P2為對(duì)應(yīng)B價(jià)格。

從表13可以得出原煤按照+25 mm破至-25 mm，25～13 mm破至-13 mm進(jìn)行破碎，預(yù)估毛利潤在31 320萬元，顯著提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

表13 精煤硫分1%經(jīng)濟(jì)預(yù)測(cè)Tab.13 Economic forecast of 1% sulfur content of cleaned coal

3 結(jié)論

(1)沁水煤田高硫煤硫分分布為：低密度煤中以有機(jī)硫?yàn)橹?，高密度則以無機(jī)硫?yàn)橹鳌?/p>

(2)六種破碎脫硫方案比較可知，選擇+25 mm原煤破碎至-25 mm，25～13 mm原煤破碎至-13 mm破碎方案脫硫效果最佳。

(3)當(dāng)要求精煤硫分為1%時(shí)，破碎后較破碎前理論精煤產(chǎn)率提高約8個(gè)百分點(diǎn)，預(yù)估效益為31 320萬元。