原煤筛分沉浮特性的试验研究

徐高飞

（霍州煤电团柏煤矿白龙洗煤厂，山西 霍州 031412）

0 引 言

煤炭作为分布最广的化石燃料，其储量占到世界化石燃料可采资源量的66.8%。煤炭作为重要的基础能源被广泛应用于发电、化工、冶炼、建材、民用等领域[1]。但是，煤炭一方面作为工业的基础为人类带来能源，同时在利用的时候也伴身着诸多问题，储量逐渐枯竭，大气污染，气候变化，水源紧张，耕地面积流失[2]。如果不对煤炭清洁利用，将对我们居住的地球造成不可挽回的破坏。煤炭洗选加工是煤炭生产和高效利用过程中不可缺少的一个重要环节，是实现煤炭清洁利用、节能减排和可持续健康发展的基础和前提。煤炭洗选加工是根据原煤（毛煤）、矿物杂质和煤矸石的粒度、密度、硬度、润湿性等物理化学性质的差别，采用机械筛分、物理选煤、物理化学选煤、化学选煤和微生物选煤等处理方法，清除原煤中的杂质，排除矸石，实现降低灰分、硫分和水分，从而提高煤炭回收率，回收伴生物矿，改善煤炭质量[3]，按照市场所需求的产品分选加工生产出不同规格品种及不同用途的煤炭产品，以供不同用户的过程，是煤炭达洁净、高效利用的目的及后续深加工的必要前提。本文拟通过原煤的筛分沉浮试验来得到煤粒级变化过程中硫灰分的变化特征，进而对原煤脱硫灰的可行性进行评价，同时为原煤脱硫灰的方法提供现实依据。

1 煤中硫灰分介绍

煤中的硫赋存形式为有机硫，与自然界中有机硫的一般组成结构相比，煤中有机硫组成相对较为复杂。通常，低变质煤和高变质煤中的有机硫组成成分分别以脂肪族和环状的为主。随着煤变质程度的不同，煤中有机硫化合物类型也在逐步改变，在早期的成岩阶段煤中有机硫化合物主要为饱和型化合物，而在晚期的成岩阶段煤中有机硫化合物以噻吩硫化合物为主。煤中的无机硫以硫铁矿硫和单质硫为主，硫铁矿主要指的是黄铁矿，而目前脱去煤中的无机硫就是要脱去黄铁矿。不同的煤种中有机硫和无机硫的含量有差异。据不完全统计，在全国范围内的高硫煤中硫分含量平均为2.81%，其中无机硫和有机硫分别占1.75%和1.06%。

煤中的灰分一般指的是煤体燃烧后其中的矿物质形成的残渣，同样煤体的变质程度不同灰分含量就不同，组成成分也有差别。具体地说，灰分可分为内在灰分和外在灰分，前者是原生矿物质形成的，后者是煤炭开采过程中混入的外在矿物质形成的。煤体中的可燃成分随着灰分所占比例的提高而减小，同时灰分也是有害物质，会减小煤炭燃烧的热值。国内主要通过物理化学方法来脱去煤中的灰分，以减小对环境的污染以及降低煤炭燃烧成本。

2 原煤化学性质

通过对原煤进行工业分析、元素分析以及形态硫分析可得：原煤硫分和灰分所占比例分别为3.47%和27.01%，硫分较高，灰分属于中灰分，无机硫以黄铁矿为主。基于国标的煤炭沉浮试验方法，本文进行了原煤的筛分沉浮试验，对得到的精煤进行硫灰分成分测试，进而得到这两种组分随着粒级的变化趋势。

3 原煤的筛分试验

通过原煤的筛分试验得到了不同粒度煤的含量，如表1所示，同时还可以得到不同粒级下硫灰分的含量，如图1所示。

表1 原煤筛分得到的不同粒级结果统计表

图1 不同粒级下硫灰分的含量示意图

从表1中可以看出，原煤筛分后，原煤粒度在0～0.5mm以及0.5～3mm范围 内的含量相等，均为24%；粒度在3～6mm之间的含量相对较低，仅为7%。以13mm为界，粒度在13mm以下的含量为72%，比例较高，总体上说明本次试验所用原煤易碎，故在破碎过程中要避免过碎而导致的泥化现象。

在图1中，W表示不同粒级含量的百分比，Ad表示灰分含量，Sad表示硫分含量。从图中可以发现，原煤灰分含量几乎随着粒级的减小而不断减小，当粒级在6～50mm范围内时，灰分变化不明显；当粒度在0.5～6mm范围内时，灰分减小速率较快；而后又逐渐趋于稳定，灰分含量最小值为18.5%，由此可见原煤较脆，大粒级中灰分含量高，而小粒级中灰分含量较低。对于原煤硫分来说，随着粒级的变化，硫分含量表现为拱状，当粒级在6～13mm之间时，硫分含量最大，为4.5%；而粒级在0～0.5mm之间时，硫分含量最小，为2.9%，总体上，在不同粒级范围内分布的硫分含量较为平均。

4 原煤的沉浮试验

通过原煤的沉浮试验得到的回收率与密度级间的关系如图2所示，从图中可以看出，在1.3～1.5g/cm3范围内原煤回收率最大，该区域为低密度区；在1.5～1.7g/cm3范围内原煤回收率最小，该区域为中密度区；此后不同粒级煤的回收率随着密度级的增加而缓慢增大。另一方面，在低密度范围内，不同粒级煤的回收率与粒度呈负相关关系，而在高密度范围内，不同粒级煤的回收率与粒度呈正相关关系。总而言之，在低密度范围内不同粒级煤的可选性为难选，同时难选程度随着粒级的增大而减小。

图2 回收率与密度级间的关系示意图

通过原煤的沉浮试验得到的不同粒级煤的灰分与密度级间的关系如图3所示，从图中可以看出，随着密度级的增大，不同粒级煤的灰分变化趋势相同，均表现为线性关系，而且同一密度级下不同粒级煤灰分的含量也趋于相同，由此可见煤灰分脱出的效果受煤粒度变化的影响很小。

通过原煤的沉浮试验得到的不同粒级煤的硫分与密度级间的关系如图4所示，从图中可以看出，不同粒级煤硫分的变化趋势随密度级的改变而基本相同，只是在同一密度级下不同粒级煤硫分的含量不同。当密度级在1.4g/cm3以下时，各粒级煤硫分基本保持在大约2.7%的水平，而密度级在1.4～1.8g/cm3范围内不同粒级煤硫分的含量差异较大，密度级在1.8g/cm3以上时不同粒级煤硫分的含量突然增加，这是受到煤内部所含换铁矿的影响，这种黄铁矿可能与矸石共生，也可能为高密度解离得的。总而言之，原煤中有机硫集中在1.4g/cm3以下的密度级中，而黄铁矿集中在1.8g/cm3以上的密度级。

图3 不同粒级煤的灰分与密度级间的关系示意图

图4 不同粒级煤的硫分与密度级间的关系示意图

5 原煤脱硫灰的可行性评价

通过上述试验得到的0.5～50mm粒级下原煤的可选性特征如图5所示，由此可得到原煤可选性划分等级，见表2。

从图5和表2中可以看出，整体上，随着精煤灰分的增大，原煤可选难度在减小，可选性提高；当精煤灰分为14%时，可选等级最高，可选性最佳。由上述分析可知，硫分脱出受密度级的影响较小，而且由于精煤灰分高，故同时实现脱硫灰是不可能的。当密度级在1.4g/cm3以下时，灰分很高，脱灰难度较大。当密度级在1.8g/cm3以上时，硫分含量高，可以通过机械方法脱出该部分煤的硫分，而密度级较小时硫分含量相对较低，通过机械方法脱出的效果不好，可通过化学方法进行脱出。

表2 原煤可选性划分等级结果统计表

6 结束语

通过原煤的筛分沉浮试验来得到了煤粒级变化过程中硫灰分的变化特征，进而对原煤脱硫灰的可行性进行了评价，得到主要结论如下：

1）原煤易碎，故在破碎过程中要避免过碎而导致的泥化现象。在不同粒级范围内分布的原煤硫分含量较为平均。

2）在低密度范围内不同粒级煤的可选性为难选，同时难选程度随着粒级的增大而减小，煤灰分脱出的效果受煤粒度变化的影响很小。原煤中有机硫集中在1.4g/cm3以下的密度级中，而黄铁矿集中在1.8g/cm3以上的密度级。

3）当精煤灰分为14%时，可选等级最高，可选性最佳。当密度级在1.4g/cm3以下时，脱灰难度较大；当密度级在1.8g/cm3以上时，可以通过机械方法脱硫，而密度级较小时通过机械方法脱硫的效果不好。