炼焦中煤解离精煤的炼焦性能与煤岩学分析*

夏文成 王天威

(1.中国矿业大学化工学院，221116 江苏徐州；2.天津美腾科技股份有限公司，300380 天津)

0 引 言

我国煤炭资源储量丰富，煤种众多，但炼焦用煤资源较为稀缺。为解决这一问题，以及促进我国炼焦煤资源可持续利用，提高稀缺煤种的回收率和利用率，从炼焦中煤中回收具有炼焦价值的精煤一直是选煤工作者的重点工作[1-3]。煤是由古代植物在一定地质条件下，经过煤化作用而形成的生物岩，由于成煤植物本身的差别及在成煤过程中所受的生物化学作用不同，煤在显微镜下具有不同的岩相组成[4]。不同煤岩组分的热解[5]、气化[6-7]、燃烧[8]、吸附[9]、加氢液化[10]和溶剂萃取[11]特性和孔结构[12]都会有其独特性。对于炼焦中煤高值利用而言，将其破碎、解离、分选，从中回收炼焦精煤是炼焦煤选煤厂提高精煤回收率的有效手段[13-14]。然而，研究者们仅考察了炼焦中煤解离精煤的灰分和产率指标，极少关注其炼焦的可行性。

本实验以解离精煤和重介精煤的性质对比为目的，研究了两者炼焦的可行性差异，并从两者显微煤岩组分的差异解释了其炼焦性能的差异，为炼焦中煤破碎解离再选精煤作为炼焦用煤的可行性提供新的视角。

1 实验部分

1.1 实验煤样

山西吕梁聚德选煤厂的煤种为焦煤，其重介精煤产品的灰分要求在10.0%～10.5%。分别取该选煤厂的三产品重介旋流器重介精煤和重介中煤，重介精煤和重介中煤的粒度均为1 mm～50 mm。将1 mm～50 mm的重介精煤先用颚式破碎机(XPC-150×250，南昌健峰矿机制造有限公司制造)闭路破碎至13 mm以下后，再用对辊破碎机(XPZ-Φ200×125，南昌健峰矿机制造有限公司制造)闭路破碎至0.25 mm以下作为精煤煤样。筛取3 mm～6 mm粒级的重介中煤，分别使用1.6 g/cm3和1.8 g/cm3密度的有机溶剂根据GB/T 478-2008《煤炭浮沉实验方法》进行大浮沉实验，最终选用3 mm～6 mm粒级中的1.6 g/cm3～1.8 g/cm3密度级的重选中间产品，使用棒磨机闭路磨矿至0.25 mm以下作为中煤煤样。

按照GB/T 478-2008《煤炭浮沉试验方法》将研磨后的中煤分离，采用苯、四氯化碳和三溴甲烷3种有机溶剂，分别配制成1.30 g/cm3，1.40 g/cm3，1.50 g/cm3，1.60 g/cm3和1.80 g/cm3密度的重液，然后采用矿用离心沉淀机对试样进行分离(转速为2 000 r/min，离心时间为10 min，离心管规格为4 mL×250 mL)。称取4份样品，每份20 g。浮沉完成后，对各密度级的浮沉样品进行过滤、烘干、称重、制样、烧灰。小浮沉实验结果如图1所示。由图1可以看出，当浮物累计灰分为10%时，浮物累计产率为30.77%，此时的分离密度为1.52 g/cm3。因此，试验过程中直接配制1.52 g/cm3的有机重液，然后对研磨后的中煤进行浮沉分离，浮沉分离后的浮物经过滤、烘干后作为解离精煤煤样。

图1 浮物累计产率和灰分曲线

1.2 工业分析与元素分析

按照GB/T 212-2001《煤的工业分析方法》和GB/T 31391-2015《煤的元素分析》分别测定中煤、重介精煤和解离精煤的水分、灰分、挥发分、固定碳、硫分、碳、氢、氧、氮等元素含量。

1.3 炼焦性能测定

胶质层指数和黏结指数是判定煤种和评价煤炭炼焦可行性的重要指标。按照GB/T 479-2000《烟煤胶质层指数测定方法》和GB/T 5447-2014《烟煤黏结指数测定方法》，分别测定重介精煤和解离精煤的胶质层最大厚度Y、最终收缩度X和黏结指数G。

1.4 显微煤岩类型测试

将中煤、重介精煤和解离精煤分别用酒精清洗、烘干后制备成光片，对光片进行酒精洗涤，清除光片表面灰尘等吸附物，待光片自然晾干后，将其粘在样品托上进行测试。实验使用德国DMRXP-MPV-SP显微光度计，将光片置于光学显微镜油浸物镜下，使视域亮度适中，成像清晰。从试样的一端开始，按0.5 mm步长沿固定方向移动，并鉴定位于十字丝交点下的显微组分或矿物，计入相应计数键中。当一行统计结束后，以0.5 mm的行距沿固定方向移动一步，继续另一行的统计，直到测点布满全片为止。当遇胶结物时，显微组分中的细胞空腔、空洞、裂隙及无法辨认的微小颗粒作无效点，不予统计[15]。

2 结果与讨论

2.1 工业分析和元素分析

中煤、重介精煤和解离精煤的工业分析和元素分析结果见表1。由表1可以看出，中煤的灰分为33.68%，表明中煤含有大量的有机组分，可能满足破碎解离再选的条件。中煤的硫分为1.82%，解离精煤的硫分为1.38%，低于重介精煤的硫分，表明中煤的硫分主要以无机硫的形态分布在矿物组分中，中煤经过破碎解离后，其硫分会随着有机组分和矿物组分的分离而自行富集在矿物组分中，这是解离精煤硫分低于重介精煤硫分的主要原因。

表1 中煤和重介精煤及解离精煤的工业分析和元素分析

在工业生产实际中，研究者们主要关注通过不同的解离方法实现中煤有机组分和无机组分的深度解离与分离，在满足灰分指标的条件下尽可能地提高精煤的回收率，从而提升选煤厂的经济效益。由表1还可以看出，重介精煤和解离精煤的灰分分别为10.03%和10.01%，灰分相近，并且两者的工业分析和元素分析结果基本一致。从工业分析和元素分析的角度，两者的性质几乎没有差异。从炼焦煤选煤厂精煤产品的用途上讲，其精煤产品主要作为原料用于生产焦炭，但是从中煤产物中回收的解离精煤，其炼焦性能却不受重视。本研究后续主要关注重介精煤和解离精煤的炼焦性能和煤岩学差异。

2.2 炼焦性能

表2所示为重介精煤和解离精煤的胶质层指数和黏结指数。根据GB/T 5751-2009《中国煤炭分类》判别标准，指标满足w(Vdaf)>20.0%～28.0%，G>65，Y≤25.0的煤种为焦煤，表1和表2表明山西吕梁聚德选煤厂入选煤种为焦煤。解离精煤的挥发分略低于重介精煤的挥发分，然而其胶质层指数和黏结指数指标显著低于重介精煤的相应指标。解离中煤无法在烟煤的分类范畴中找到其对应的煤种，所以解离精煤并不符合炼焦煤的指标需求。从炼焦中煤中回收了一定量的解离精煤，虽然增加了精煤产品的产率，但同时降低了精煤产品的质量。因此，在考察解离精煤的灰分指标的同时，更应该注重考察解离精煤的炼焦性能指标。

表2 重介精煤和解离精煤的胶质层指数和黏结指数

2.3 煤岩组分

表3所示为中煤、重介精煤和解离精煤的煤岩组分和矿物组分。由表3可知，不同煤样有机质的煤岩亚显微组分有很大的差异。中煤有机质中的主要亚显微组分为结构镜质体2、基质镜质体和半丝质体，含量分别为24.1%，20.9%和23.1%；重介精煤有机质中的主要亚显微组分为基质镜质体、碎屑镜质体和半丝质体，含量分别为40.3%，29.4%和16.4%；解离精煤有机质中的主要亚显微组分为基质镜质体和半丝质体，含量分别为44.8%和23.8%。与重介精煤相比，解离精煤的镜质组含量降低16.0%，惰质组含量增加17.7%。解离精煤镜质组含量降低主要是因为碎屑镜质体的减少，惰质组含量增加主要是因为半丝质体和碎屑惰质体的增加。图2所示为中煤的矿物组分照片。由图2可以看出，中煤的矿物嵌布粒度、嵌布形状和嵌布方式非常复杂，方解石和黄铁矿填充在黏土矿物的裂隙中，黏土浸染基质镜，这些矿物间很难通过简单破碎进行解离[15-18]。

不同的煤岩组分源于不同成煤物质间不同的生物化学作用，其中镜质组主要由植物的木质纤维组织经凝胶化作用转化而成，惰质组由植物遗体经丝炭化作用转化而成[10]，不同的显微组分具有不同的物理化学特性[4]，所以解离精煤和重介精煤煤岩组分的差异决定了其炼焦性能的差异。

表3 中煤和重介精煤及解离精煤的煤岩组分和矿物组分

图2 中煤的矿物组分照片

3 结 论

1)解离精煤和重介精煤的工业分析和元素分析各项指标相近，但两者炼焦性能存在巨大差异。根据解离精煤的挥发分、胶质层指数和黏结指数指标可以判定解离精煤的煤种为焦煤，然而无法在烟煤的分类范畴中找到解离精煤对应的煤种。

2)解离精煤和重介精煤的镜质组含量分别为57.1%和73.1%，惰质组含量分别为38.1%和20.4%，与重介精煤相比，解离精煤的镜质组含量降低16.0%，惰质组含量增加17.7%。解离精煤和重介精煤煤岩组分差异是导致两种精煤胶质层指数和黏结指数差异显著的主要原因。