华北石炭二叠纪肥煤梯度密度分选产物的黏结特性实验研究

郑 毅

(兖州煤业股份有限公司 选煤管理中心，山东 邹城 273500)

0 引 言

我国炼焦煤已查明的资源储量约为2 800亿t，仅占中国煤炭资源总量的27%。其中经济可采的炼焦煤储量仅646亿t左右，还不到炼焦煤查明资源储量的20%，真正可生产和建井的资源量比例较低[1]。在中国的炼焦煤资源中，低变质程度的气煤和1/3焦煤占中国炼焦煤资源的45.73%，焦煤和瘦煤(包括贫瘦煤)各占23.61%和15.89%，肥煤(包括气肥煤)所占比例相对最少(仅为12.81%)[2]。

肥煤是炼焦配煤中的基础煤种之一，热解过程中可产生较多的胶质体，黏结性能好，可在较多地配入弱黏结性气煤和瘦煤等情况下生产出合乎质量要求的焦炭。加热过程中肥煤能产生大量的胶质体，其热稳定性比气煤和1/3焦煤好，黏度大，在半焦收缩的过程中可产生较大的内应力，故产生一定的横裂纹后焦炭易碎成碎块，用肥煤炼出的焦炭其熔融性好[3]。

虽近年来我国炼焦煤产业取得了长足的发展，但也存在不少问题。我国炼焦精煤生产中，基础炼焦配煤即焦煤和肥煤产量的比例不足。我国的炼焦煤资源主要赋存于石炭二叠纪，随着上组煤(山西组)煤炭资源的大量开采，下组煤的灰分、硫分显著增高，炼焦煤的煤质有下降趋势，对我国炼焦煤产业的可持续发展带来不利影响[4]。

以下对华北石炭二叠纪煤田某肥煤矿区的煤质特性进行详细研究，并利用梯度密度分选实验，研究肥煤不同密度级产物的黏结特性，以期对肥煤用作炼焦配煤提供数据支撑。

1 实验研究

1.1 实验用煤的煤质特征

实验用肥煤选自华北某石炭二叠纪煤田，按照国家标准分别测试灰分、全硫、挥发分、黏结指数、镜质体反射率以及煤岩显微组分含量，详见表1。

表1 实验用肥煤的煤质特性

Table 1 The characteristics of the fat coal used for experiment

Ad/%St,d/%Vdaf/%GR.I显微组分/%镜质组惰质组壳质组矿物Romax/%24.161.4623.927765.920.4-13.71.31

1.2 梯度密度分选实验

对原煤进行-1.40 g/cm3减灰实验，测试精煤样品的灰分、全硫、挥发分、黏结指数、胶质层指数、自由膨胀序数(CSN)、奥阿膨胀度、吉氏流动度、镜质体反射率以及煤岩显微组分含量。

借鉴密度梯度离心等方法[5-7]，以ZnCl2为分选介质并进行梯度密度分选实验。实验所采用的密度级分别为1.28 g/cm3、1.30 g/cm3、1.32 g/cm3、1.34 g/cm3、1.36 g/cm3、1.38 g/cm3和1.40 g/cm3，分别测试黏结指数和奥阿膨胀度。

2 结果与讨论

2.1 精煤与原煤的煤质对比

经过-1.40 g/cm3减灰后，精煤的煤质特征及煤岩特征见表2、表3。

表2 实验用肥精煤的煤岩特征

Table 2 The petrographic characteristics of washed fat coal for experiment

显微组分/%镜质组惰质组壳质组矿物Romax/%95.71.0-3.31.31

表3 实验用肥精煤的煤质特征

Table 3 The characteristics of washed fat coal for experiment

Ad/%St,d/%Vdaf/%GR.IY/mmCSNb/%MF/ddpm8.860.7925.2292.7268172.527000

经过对比可知，肥煤浮煤的灰分比原煤明显降低，浮煤的镜质组含量比原煤明显富集[8-11]，导致浮煤的挥发分产率比其原煤增高1.30%，浮煤的黏结指数(GR.I)比原煤高20个单位。

2.2 梯度分选产物的黏结特性

肥煤梯度密度分选实验结果见表4，其黏结指数、奥阿膨胀度以及奥阿膨胀度特征温度随密度级的变化规律如图1～图3所示。黏结性指标均以-1.28 g/cm3级浮煤的值最高，其b值可达243.3%，GR.I值为99.6；密度为1.28 g/cm3～1.30 g/cm3级、1.30 g/cm3～1.32 g/cm3级浮煤的b值则依次降至229.2%、174.2%，GR.I值也同样依次降至98.2、97.5，而到1.38 g/cm3～1.40 g/cm3级浮煤的b值降为90.8%，GR.I值降为85.6。ΔT越大,表明其黏结性越好。奥阿膨胀度的T3和ΔT则均随着分离密度级的增加而降低,如-1.28 g/cm3级和1.28 g/cm3～1.30 g/cm3级浮煤的ΔT均为130 ℃，密度为1.30 g/cm3～1.32 g/cm3级以后的各级浮煤的ΔT则依次降至127 ℃、114 ℃、108 ℃和107 ℃。

表4 肥煤梯度分选产物的黏结特性

Table 4 The plastic characteristics of the gradient separation of the fat coal

密度级/(g·cm-3)GR.Ib/%软化温度T1/℃膨胀温度T2/℃固化温度T3/℃ΔT/℃-1.2899.6243.33624054951301.28～1.3098.2229.23644084941301.30～1.3297.5174.23694134911271.32～1.3497.0172.53604134741141.34～1.3696.0153.33684064771081.36～1.3896.1145.83714164781071.38～1.4085.690.8368417477109<1.40(平均)92.7172.5363411477114

注:T3与T1之差值为ΔT。

图1 肥煤的黏结指数随密度级的变化规律

图2 肥煤的奥阿膨胀度随密度级的变化规律

图3 肥煤的膨胀度特征温度随密度级的变化规律

以肥煤的黏结指数(GR.I)和奥阿膨胀度(b)与浮沉密度级(L)进行回归分析，可得:

GR.I=144.14-35.14LR2=0.912

b=1716.6-1 152.14LR2=0.916

3 结 论

(1)经过减灰后浮煤的镜质组含量比原煤明显富集，导致浮煤的挥发分产率比其原煤增高1.30%，浮煤的黏结指数(GR.I)比原煤高20个单位。

(2)该煤黏结性指标均以-1.28 g/cm3级浮煤的最高，其b值达243.3%，GR.I值为99.6；黏结指数(GR.I)和奥阿膨胀度(b)随浮沉密度级(L)升高基本呈线性降低的趋势，GR.I=144.14-35.14L(R2=0.912)，b=1 716.6-1 152.14L(R2=0.916)。

(3)软化温度、膨胀温度和固化温度随密度级的变化不明显，但ΔT越大，表明其黏结性越好，ΔT随着分离密度级的增加而降低。