煤炭化学脱灰过程中矿物元素迁移规律的研究

刘海燕，荆 波，李彩艳

(兖矿水煤浆气化及煤化工国家工程研究中心有限公司，山东滕州 277527)

煤炭作为地球上储量最丰富的化石燃料被广泛应用于各个领域，煤中的灰分是限制其应用的重要因素。化学脱灰法是目前比较常用的脱灰方法，通过酸碱与煤中的矿物质进行化学反应，生成可溶性的盐，进而脱除煤中的矿物质。国内众多研究人员从20世纪80年代中期开始采用化学脱灰的方法进行超洁净煤的制备[1-3]，前期的研究人员对脱灰过程和脱灰机理进行了研究，如刘宗炎分别对Auscoal工艺及Gravimelt工艺生产超洁净煤的工艺技术、产品性质及成本进行了分析[4]，赵海铭通过单因素试验研究了影响中煤化学脱灰效果的几个因素[5]。笔者通过化学脱灰法处理不同产地的煤粉，研究化学脱灰过程中矿物元素的迁移变化规律，从而指导煤脱灰在工业中的应用。

1 试验部分

1.1 样品制备

选取产地不同的煤种进行研究，即分别选用山东煤A、内蒙煤B和陕西煤C作为研究对象，采用化学脱灰的方法制备超洁净煤。具体操作如下：将煤进行破碎、筛分，确保粒径在75 μm以下。称取一定量的煤，与一定浓度的氢氧化钠溶液混合，在高温高压反应器内反应一定的时间。碱处理后的煤粉经过滤获得滤饼，对滤饼进行2次酸洗后，再进行2次水洗，即获得超洁净煤。按照GB/T 212—2008对原煤进行工业分析。

1.2 样品测试

采用德国布鲁克的S8 TIGER型X射线荧光光谱仪(XRF)分析煤的高温灰的成分；采用美国利曼Prodigy XP型电感耦合等离子体原子发射光谱仪(ICP-AES)对化学脱灰过程中产生的滤液进行分析；采用AMICS系统分析煤中的矿物成分，AMICS系统由电子扫描电镜、能谱仪、AMICS软件三部分组成。

2 结果与讨论

2.1 工业分析

3种原煤基本煤质的分析结果见表1。

表1 3种原煤的煤质工业分析结果 %

由表1煤质工业分析结果可知：3种不同产地煤的灰分不同，以A煤中的灰分最高，B煤中的灰分最低。

2.2 高温灰成分

3种原煤高温灰成分的分析结果见表2。

表2 3种原煤高温灰成分的分析结果(质量分数) %

通过表2可以看出：3种产地不同煤的高温灰成分不同，A煤中硅铝氧化物所占比例为75.2%，高于其他2种煤；B煤中的氧化铁所占比例为34.18%，高于其他2种煤；C煤中的氧化硅和氧化钙含量比较高。

2.3 矿物元素迁移规律的研究

对化学脱灰过程中产生的碱浸出液、2次酸洗液和2次水洗液进行处理，处理后进ICP-AES测试煤中主要矿物元素的含量。结合工业分析数据和XRF数据，对化学脱灰过程中离子的脱除率进行计算，A煤、B煤、C煤在化学脱灰过程中主要矿物元素的脱除率分别见表3、表4、表5。

表3 A煤在化学脱灰过程中主要矿物元素的脱除率 %

通过表3可以看出：A煤在化学脱灰过程中，碱浸出过程仅能脱除少量的铝和硅，主要是将高岭石转化为羟基方钠石，在后续的酸洗过程中进行脱除，矿物质脱除的主要化学反应在一次酸洗，因此大部分矿物元素脱除集中在一次酸洗后。

A煤在化学脱灰后的基本煤质分析结果显示：脱灰后干燥基灰分Ad为0.93%，干燥无灰基挥发分Vdaf为36.82%，空气干燥基水分Mad为7.28%。根据矿物分析结果来看，未脱除的矿物质主要以石英、黄铁矿和金红石等形式存在。这主要是因为金红石、石英等一些化学性质稳定的矿物质，在脱灰过程中不会发生变化。由于黄铁矿在此反应条件下反应缓慢[6-9]，所以会造成黄铁矿的残留。

表4 B煤在化学脱灰过程中主要矿物元素的脱除率 %

通过表4可以看出：B煤在化学脱灰过程中，碱浸出过程仅能脱除少量的铝和硅，主要的脱除还是集中在后续的酸洗过程。

B煤在化学脱灰后的基本煤质分析结果显示：脱灰后干燥基灰分Ad为0.75%，干燥无灰基挥发分Vdaf为34.02%，空气干燥基水分Mad为2.05%。根据矿物分析结果来看，未脱除的矿物质主要以石英、黄铁矿和金红石等形式存在。

表5 C煤化学脱灰过程中主要矿物元素的脱除率 %

通过表5可以看出：在化学脱灰过程中，C煤和前2种煤相似，主要矿物元素的脱除集中在一次酸洗后，经过化学脱灰过程，大部分含铝的矿物质被脱除，剩余少量含铁、钙和钛的矿物质。

C煤在化学脱灰后的基本煤质分析结果显示：脱灰后干燥基灰分Ad为0.57%，干燥无灰基挥发分Vdaf为38.18%，空气干燥基水分Mad为13.28%。根据矿物分析结果来看，未脱除的矿物质主要以黄铁矿、硫酸钙和金红石等形式存在。

3 结语

化学脱灰可以有效脱除煤中的矿物质，通过研究发现，碱浸出过程主要脱除煤中部分含铝、硅的矿物，煤中矿物质的溶出脱除主要在酸洗工序中，主要矿物质与硫酸反应转化成硫酸盐和硅酸，在酸洗滤液中溶出脱除，而水洗工序主要脱除残余的硫酸盐类矿物。在化学脱灰过程中，消解过程虽然不能大量脱除矿物元素，但对高岭石的转变起到至关重要的作用，必须在制备过程中严格控制消解条件及酸洗条件，才能保证整个化学脱灰的脱除率。