燕子山矿山西组富孢子煤显微组分特征及其解离特性研究

2020-03-12朱超杜美利杨瑞杨敏朱晨浩刘雷

应用化工 2020年1期

朱超，杜美利，杨瑞，杨敏，朱晨浩，刘雷

(西安科技大学化学与化工学院国土资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室，陕西西安 710054)

煤中的有机显微组分决定煤的加工利用价值，具有不同含量的显微组分的煤能决定不同的工艺性质[1-2]。因此分离和富集含有不同特性的煤岩组分就具有重要意义[3-5]，这为煤炭的进一步深加工提供了重要依据。目前煤岩显微组分的分离主要分为化学方法和物理方法。其中由于化学方法对煤岩显微组分具有较大破坏，所以一般采用物理法对煤岩进行分离和富集。物理法主要包括手选、筛选、重力选、浮选、电磁选等方法[6-12]。龙江等利用浮选法对新疆煤煤岩组分分离富集的研究[13]；赵伟等研究AlCl3在煤岩组分浮选中的作用[14]；Dyrkacz等在重液离心的基础上开发了等密度梯度离心分离技术(DGC)[15]。

1 实验部分

1.1 原料与仪器

样品原料以燕子山山西组4#304盘区8401工作面煤样作为实验对象，其工业分析和元素分析见表1，其中灰分为31.35%，挥发分28.77%，属于富灰中高挥发分煤。

表1 煤的工业分析和元素分析Table 1 Proximate and ultimate analysis of sample

注：质量分数。

Leica DM4500P偏光显微镜；TDL-40B离心机。

1.2 煤岩组分解离特性实验

实验方案见图1，利用鄂式破碎机将实验煤样破碎至10 mm以下，在通过棒磨机将破碎煤样粉碎至-0.5，-0.25，-0.125，-0.074 mm，然后根据国标《煤岩分析样品制备方法》(GB/T 16773—2008)进行煤岩光片的制备，将制备好的煤岩光片进行粗磨、细磨及抛光后，参照国标《煤的显微组分和矿物质测定方法》(GB/T 8899—2013)进行煤岩光片的测定，在偏光显微镜的油镜下测量其各显微组分含量，利用反射白光入射，通过显微镜下组分差异，进行组分判定。同时利用数点统计法，测定煤岩显微组分含量，并统计计算其解离度，确定其最佳解离度。

图1 不同破碎粒度样品解离规律实验流程Fig.1 Test procedure of liberation characteristicunder different crushing degree

1.3 原煤浮沉实验

浮沉实验之前利用浮沉离心分离技术，实现煤岩组分的定量分析。取40 g煤样，粒度>120目，分成均匀4份，将样品装入离心机的4槽离心试管中做等密度梯度离心实验，其密度液的浓度依次从小到大为1.10，1.13，1.16，1.19，1.22，1.25，1.28，1.31，1.34，1.37，1.40，1.43 g/cm3，以密度为横坐标，相应密度区间内煤样质量为纵坐标，绘出密度图，找出两个切点，确定壳质组、镜质组和惰质组的密度级范围。参照国标《煤炭浮沉试验方法》(GB/T 478—2008)，根据其密度分布配制不同浓度ZnCl2溶液对不同粒度级的煤样进行离心浮沉实验，依次从小到大加入重液分离获得产品，对产品进行过滤、热水洗涤、烘干，最后称量收集。将分离后的产品制备成煤岩光片，统计其不同显微组分含量。为后续分离壳质组提供参考依据。

1.4 壳质组中孢粉的分离

孢粉是壳质组中的主要亚显微组分，根据《孢粉分析鉴定》(SY/T 5915—2000)进行孢粉的分离和富集。根据浮沉实验可知，选择富集壳质组煤样，利用密度为1.25，1.23，1.20，1.18，1.16，1.14，1.12，1.10 g/cm3的密度液，通过转速为2 500 r/min的离心机进行分离，在离心机分离后静置2 h，在显微镜下通过逐点计数统计孢粉的含量，确定出孢粉含量的主要密度级。

2 结果和讨论

2.1 煤岩显微组分的解离特性

2.1.1 原煤显微组分特征燕子山煤的煤岩显微组分分析结果见表2，根据表中数据可知镜质组平均最大反射率为0.74，属于低阶煤，煤中主要以基质镜质体、丝质体、孢子体组成，其中镜质组含量最高，其中壳质组含量占10.49%。原煤中部分显微组分特征见图2。

表2 燕子山山西组煤显微组分定量统计Table 2 Quantitative statistical results of marceral of Shanxi formatiom of Yanzishan %

注：R°镜质体随机反射率；V1均质镜质体；V2基质镜质体；SF 半丝质体；F 丝质体；Sp 孢子体；Sub 木栓质体；Cu 角质体；M 矿物质。

图2 不同煤岩显微组分特征Fig.2 Marceral characteristic of different coal rocks

图2a是荧光下的大孢子体，大孢子体形态上呈现扁平体，折曲处出现钝圆形，粒径>150 μm；图2b是荧光下众多小孢子体组成的小孢子群，其尺寸大小30～80 μm；图2c是原煤中含量最高的镜质组，在反射光下多呈现为灰色，无突起；图2d是荧光下的孢子体和角质体，角质体主要呈现细长条带状，外缘较为光滑，多呈断片平行层理分布。由图2可知，富孢子煤中主要显微组分的特征和尺寸大小，可为富孢子煤的后期分离富集提供依据。

2.1.2 煤岩组分分布规律表3是不同破碎粒级煤岩显微组分产物产率和各自组分的单体和连生体含量，其中单体解离度的计算方法如下：

表3 不同破碎程度煤岩组成Table 3 Maceral composition under different crushing degree

由表3中不同破碎粒度煤岩的镜质组、惰质组和壳质组的组分含量可知，0.5～0.2 mm粒级中壳质组为8.46%，惰质组为34.59%，镜质组为56.63%，然而到<0.074 mm中壳质组为19.65%，惰质组为53.92%，镜质组为26.43%。通过上述数据可以看出，在细粒度中惰质组含量和壳质组含量增加，而镜质组含量减少。这就说明惰质组和壳质组质软、易碎，而镜质组质脆、不易粉碎，这与前人对于低变质煤的解离规律研究一致。

2.1.3 单体煤岩组分分布规律为探究不同破碎粒度煤样的单体煤岩解离规律，按照表2的煤岩解离规律做出单体煤岩组分解离度随产品粒度变化的分布规律。图3是煤样随煤岩破碎粒度变化的单体解离规律变化。

图3 不同破碎程度下煤样的单体解离度与产品粒级的关系Fig.3 Relationship between free fractional degree of maceraland sample size under different crushing degree

由图3可知，随着破碎程度的增加，其镜质组、惰质组和壳质组的单体解离度逐渐增大，当破碎粒度为0.5～0.2 mm时，镜质组、惰质组和壳质组的解离度分别为46.72%，38.17%和51.77%，到破碎至<0.074 mm，其解离度分别变为86.27%，90.14%和85.88%；这说明在<0.074 mm时，其镜质组、惰质组和壳质组均已获得高效的解离；通过图像比较可知壳质组破碎粒度为0.125～0.074 mm和<0.074 mm时，其壳质组的解离度仅由82.28%提高到85.88%，因此壳质组的解离主要集中于>0.074 mm 破碎粒级中。同时基于在实际生产中细粒级分离难度较大，因此其壳质组的最佳解离粒度集中在0.125～0.074 mm。

2.2 原煤浮沉实验

2.2.1 不同破碎粒级煤样浮沉实验通过利用浮沉离心技术所测数据制成燕子山密度分布图，确定了不同显微组分的密度界限，其中壳质组和镜质组的密度界限为1.25 g/cm3，镜质组和惰质组的密度界限为1.37 g/cm3，同时由相关文献可知，密度高于1.45 g/cm3样品主要为无机矿物质组成，因此不予考虑。

图4 燕子山煤密度分布图Fig.4 Density distribution of Yanzishan coal

根据图4的密度分布图，进行不同破碎粒度煤样的浮沉实验，其结果见表4。

由表4可知，当粒度为0.5～0.2 mm时，密度级<1.25 g/cm3的含量为7.92%，1.25～1.37 g/cm3的含量为50.04%，1.37～1.45 g/cm3的含量为22.68%；而在粒度为<0.074 mm时，密度级<1.25 g/cm3的含量为11.06%，1.25～1.37 g/cm3的含量为36.67%，1.37～1.45 g/cm3的含量为46.51%。根据表4可知，随着破碎粒级的增大，壳质组和惰质组的含量均增加；而随着破碎粒度的增大，镜质组的含量降低。

表4 不同破碎程度煤样的浮沉结果Table 4 Float-sink results of coal samples under different crushing degree

2.2.2 不同破碎粒度煤样浮沉显微组分表5为不同破碎程度下煤样不同显微组分含量随其密度的变化关系。

表5 不同破碎粒度煤样浮沉煤岩分析Table 5 Petrographic analysis of coal samples under different crushing degree

由表5可知，当在4种特定破碎粒度下，镜质组含量随着密度的增大先增加后减少、惰质组含量逐渐增大、壳质组含量逐渐减小；当以<1.25 g/cm3密度级产品中的壳质组含量作为研究对象，随着破碎程度的逐渐增加，破碎煤样粒度由0.5～0.2 mm降低至<0.074 mm时，产品的壳质组含量逐渐增加，所以说明经过破碎作用，壳质组单体数量逐渐增加，煤岩显微组分解离效果增加；当破碎程度增加至某一粒级后，破碎程度的继续加深对产品含量的影响很小，如<0.125 mm的破碎煤样的<1.25 g/cm3密度级产品的壳质组含量为89.93%；而对<0.074 mm的破碎煤样的<1.25 g/cm3密度级产品的壳质组含量仅为90.19%；因此，从实际生产的能耗角度考虑，煤岩显微组分的最优解离粒度为0.125～0.074 mm。