炼焦中煤矿物学特性及再选试验研究.pdf

第 41 卷第 2 期 煤 炭 科 学 技 术 Vol. 41No. 2 2013 年2 月 Coal Science and TechnologyFeb．2013 炼焦中煤矿物学特性及再选试验研究 朱向楠1， 2， 何亚群1， 2， 3， 谢卫宁1， 2， 姜国乐4 1． 中国矿业大学 化工学院， 江苏 徐州221008; 2. 煤炭加工与高效洁净利用教育部重点实验室， 江苏 徐州 221008; 3． 中国矿业大学 现代分析与计算中心， 江苏 徐州221116; 4． 淮北矿业 集团 有限责任公司 淮北选煤厂， 安徽 淮北 235000 摘要 为缓解我国炼焦用煤资源短缺问题， 提高煤炭利用效率， 以淮北选煤厂重介选中煤为研究对 象， 对炼焦中煤的矿物学特性进行了研究。采用 X 射线衍射仪 XRD 和扫描电镜 SEM 分别对煤样 的物相组成和不同密度级煤样的矿物嵌布特征进行了分析， 以确定合理的破碎粒度， 并分析了破碎产 物的解离程度。结果表明 炼焦中煤中的矿物质以黏土类矿物质为主; 扫描电镜对破碎产物解离程度 的分析表明， 将煤样破碎至 － 0. 5 mm 可达到较好的解离效果， 通过分步释放浮选试验得到产率 22. 05、 灰分 12. 93的精煤。 关键词 炼焦中煤; 矿物学特性; 中煤再选; 矿物解离; 浮选 中图分类号 TD94文献标志码 A 文章编号 0253 －2336 2013 02 －0125 －04 Study on Mineralogy Features of Coking Middlings and Re － Preparation ZHU Xiang- nan1， 2， HE Ya- qun1， 2， 3， XIE Wei- ning1， 2， JIANG Guo- le4 1． School of Chemical Engineering and Technology， China University of Mining and Technology， Xuzhou221008， China; 2． MOE Key Lab of Coal Processing and High Efficient Clean Utilization， Xuzhou221008， China; 3． Modern Analysis and Calculation Center， China University of Mining and Technology， Xuzhou221116， China; 4． Huaibei Coal Preparation Plant， Huaibei Mining Group Corporation Ltd． ， Huaibei235000， China Abstract In order to release the shortage problems of the coking coal resources in China and to improve the coal utilization efficiency， talk- ing the heave medium middlings from Huaibei Coal Preparation Plant as a study object， a systematic study was conducted on the mineralogy features of the coking middlings． The X － ray diffraction and the scanning electron microscope were individually applied to analyze the phase composition of the coal samples and the mineral dissemination features of the different density coal samples to determine the rational crushed particle size． The liberation degree of crushed products was analysd． The results showed that the minerals in the coking middlings would be clay mineral mainly． The analysis on the liberation degree of the crushed products with the scanning electron microscope showed that the coal samples crushed to －0. 5 mm could have a good liberation effect． With the progressive released floatation experiment， cleaned coal with production rate of 22. 05 and ash content of 12. 93 could be obtained． Key words coking middlings; mineralogy features; middlings re － preparation; mineral liberation; floatation 收稿日期 2012 －08 －19; 责任编辑 代艳玲 基金项目 国家自然科学基金资助项目 51274196 作者简介 朱向楠 1989 ， 男， 山东莱芜人， 硕士研究生。Tel 15996945389， E － mail zhuxiangnan1989163. com 引用格式 朱向楠， 何亚群， 谢卫宁， 等． 炼焦中煤矿物学特性及再选试验研究［J］ ． 煤炭科学技术， 2013， 41 2 125 －128． 0引言 煤炭作为我国的主要能源， 储量丰富且煤种齐 全， 但煤种分布比例差别很大， 用于炼焦的中等变质 程度的烟煤只占 27. 46， 其中肥煤、 焦煤、 瘦煤分 别占烟煤的 13. 6、 24. 3和 15. 1［1 ］。中煤是煤 炭分选加工过程中的副产品， 产率一般在 5 ～ 15， 灰分一般介于 35 ～ 45。灰分、 硫分偏高 且热值较低的中煤， 在现阶段大部分作为燃料煤用 于发电， 造成稀缺炼焦煤的浪费。中煤分选困难的 原因在于伴生矿物嵌布于煤粒之间， 目前， 中煤的回 收利用主要体现在 2 个方面 基于提高分选精度的 中煤再选工艺和基于解离分选的中煤再选工艺［2 ］。 吕玉庭等 ［3 ］采用自主研发的圆形离心跳汰机和上 喷式浮选柱， 对炼焦中煤进行了破碎分选试验， 取得 了良好的经济指标。张相国等 ［4 ］采用 XLD －750 型 螺旋分选机对破碎后的煤样进行实验室再选试验， 得到了产率为 50. 89、 灰分为 10. 67 的合格精煤 521 DOI10.13199/j.cst.2013.02.131.zhuxn.033 2013 年第 2 期煤 炭 科 学 技 术 第 41 卷 产品。杨毛生等 ［5 ］将中煤破碎， 对 3. 0 ～0. 5 mm 粒 级进行了重介质分选结果预测， 取得了较好的分选 指标。张磊等 ［6 ］利用大锥角旋流器和浮选的方法 对中煤进行了破碎再选试验研究。李萍等 ［7 ］将各 密度级煤样磨细后， 采用絮团 － 浮选工艺， 回收各密 度级煤样中的低灰精煤， 精煤灰分可以降到 8. 14 以下。以上文献均是通过破碎或磨矿的方法达到矿 物质与煤的解离， 大部分是将煤破碎到不同粒级后 再进行浮沉试验， 通过高密度和低密度产物产率的 提高而中间密度级产率降低的方法判断伴生矿物的 解离程度， 进而确定分选方法， 这样不仅工作量大且 有一定的盲目性。煤的矿物学特性是影响分选流程 的重要因素， 基于此， 笔者以淮北选煤厂的重介选中 煤为研究对象， 结合工艺矿物学理论， 通过分析煤样 中矿物质的粒度分布特征， 从而确定合理的破碎粒 度。对破碎粒度的控制上， 在尽可能提高含矿物质 连生体解离的同时， 还应兼顾破碎成本以及后续处 理工艺对于分选粒度下限的要求［8 ］。 1炼焦中煤煤质分析 煤样筛分、 浮沉试验结果见表 1 和表 2。 表 1中煤筛分试验结果 粒级/mm 产率/ 灰分/ 50 ～2510. 1829. 89 25 ～1313. 5328. 74 13 ～639. 6827. 75 6 ～316. 0426. 37 3 ～0. 520. 5729. 33 总计10028. 21 表 2中煤浮沉试验结果 密度级/ gcm －3 50 ～25 mm 产率/ 灰分/ 25 ～13 mm 产率/ 灰分/ 13 ～6 mm 产率/ 灰分/ 6 ～3 mm 产率/ 灰分/ 3 ～0. 5 mm 产率/ 灰分/ 50 ～0. 5 mm 产率/ 灰分/ －1. 3000001. 838. 955. 589. 19001. 629. 08 1. 30 ～1. 409. 4813. 1613. 8714. 067. 8117. 1611. 9114. 517. 819. 799. 4614. 35 1. 40 ～1. 5020. 5415. 3422. 8219. 8820. 5217. 3322. 2117. 9626. 5619. 1122. 3518. 03 1. 50 ～1. 6023. 4227. 5017. 9228. 2822. 5524. 5521. 7125. 1621. 0926. 8521. 5825. 86 1. 60 ～1. 8028. 7636. 2929. 6335. 1432. 3432. 2224. 8133. 9625. 2635. 1928. 9433. 81 1. 8017. 8044. 4615. 7641. 4514. 9538. 9113. 7839. 4319. 2846. 4416. 0541. 80 总计10029. 1910028. 5010026. 8310025. 5510029. 3410027. 61 由表 1 和表 2 可知 煤样各粒级灰分分布较均 匀， 总灰分 28. 21， 属于低灰中煤， 有较高的回收 价值; 13 ～6 mm 粒级产率最大， 为 39. 68; 煤样主 要集中在 1. 40 ～1. 80 g/cm3中间密度级， 低密度级 和高密度级的产率较小， 这说明煤样以煤和矿物质 的连生体为主。 曾凡桂等 ［9 ］认为， 在分选过程中， 聚集状的矿 物质进入尾煤， 而含矿物质少的或不含矿物质的有 机组分进入精煤， 只有呈分散状分布在有机组分中 的矿物质会与有机组分一起进入中煤。中煤中嵌布 的矿物质等成灰组分可以通过解离性破碎的方法与 煤粒分离， 进而采取重选、 浮选等工艺回收低灰精 煤 ［10 ］。世界著名选矿学者 A. F. 塔加尔特认为碎 矿和磨矿的主要任务是将矿物原料粉碎， 以致使大 部分有用矿物得以从脉石中解离出来［11 ］。因此必 须通过破碎的方法使煤与矿物质的充分解离以提高 精煤产率。 2炼焦中煤矿物学分析 2. 1矿物组成分析 为分析煤样中的物相组成， 采用 D8 Advance X 射线衍射仪对淮北选煤厂重介选中煤制备的煤样进 行 X 射线衍射 XRD 测试， 结果如图 1 所示。 图 1煤样的 X 射线衍射图谱 621 朱向楠等 炼焦中煤矿物学特性及再选试验研究2013 年第 2 期 从图 1 可以看出， 该煤样的主要矿物成分为黏 土类矿物高岭石， 此外还含有石英、 伊利石、 蒙皂石、 方解石等矿物， 并含少量的白云石和黄铁矿。当高 岭石破碎过细时会使其吸附能力相对增强， 并且由 于结构单元外层外表 OH － 的存在， 导致高岭石的阴 离子交换能力相对较高， 同时还会在颗粒界面上吸 附有机药剂， 使得高岭石极易随气泡上浮而成为精 煤， 造成精煤灰分偏高。正是由于高岭石的这种性 质， 当其单体细颗粒含量较高时将会使浮选过程受 到干扰， 严重影响分选作业， 使煤泥降灰较为困 难 ［12 ］， 所以在解离过程中要充分考虑到含量较高的 高岭石对分选的影响， 避免煤样的过粉碎。 2. 2中煤中矿物质的嵌布特征 为了解中煤中矿物质的嵌布特征， 采用 Quant- aTM250 环境扫描电子显微镜对产率最大的 13 ～ 6 mm 粒级不同密度级的煤样进行扫描电镜 － 能谱分 析， 能谱分析采用 Bruker QUANTAX400 －10 电制冷 能谱仪， 结果如图 2 所示。 A方解石; B黄铁矿; C黏土类矿物 图 2煤样的扫描电镜图 由图2 可以看出， 中煤中矿物质的嵌布特征以 分散状分布为主。不同矿物在不同密度级产物中 的分布粒度基本相同， 但随着密度的增加其含量 逐渐增加。黏土类矿物在矿物质中含量最高， 在 中煤中的分布以分散状为主， 大部分呈浸染状， 有 的连续分布呈条带状或片状， 其粒度较大， 较易解 离。黄铁矿大部分以细粒分散状的分布为主， 粒 径一般在 10 μm 以下， 要实现充分解离比较困难。 煤样中发现了粒度较大但含量较少的方解石， 较 易实现解离。 由于矿物的嵌布粒度各不相同， 从节能和后续 分选效果考虑， 破碎产物只要求大部分目的矿物破 碎成适于分选的单体矿物， 以及少部分未完全解离 的矿物连生体 ［13 ］。煤中黏土类矿物质的含量较高 且粒度较粗， 又考虑到煤的脆性比其他矿物高， 在破 碎中易于过粉碎， 确定将煤破碎至 0. 5 mm 以下， 用 浮选的方法进行回收。 2. 3破碎产物中伴生矿物解离程度 采用颚式破碎机和 0. 5 mm 筛子组成的闭路破 碎系统将煤破碎至 0. 5 mm 以下， 对破碎产物进行 扫描电镜 － 能谱分析， 破碎产物的扫描电镜结果如 图 3 所示。 D菱铁矿 图 3破碎产物的扫描电镜图 能谱仪是利用不同元素 X 射线光子特征能量 不同这一特点对材料微区进行成分元素种类与含量 分析， 通常配合扫描电子显微镜或透射电子显微镜 使用。结合煤中矿物质所含不同元素的面分布图， 可以明确破碎产物的扫描电镜图中不同颗粒的物 相， 进而分析矿物质的解离程度。由图 3 结合能谱 分析可以看出， －0. 5 mm 产物中含有大量不同粒径 的黏土矿物单体颗粒以及黄铁矿、 菱铁矿、 方解石的 单体颗粒。说明将煤破碎至 －0. 5 mm 达到了较好 的解离。在破碎产物中， 黏土矿物的单体粒度大部 分在 50 μm 以下， 其中包含较多的 10 μm 以下颗 粒， 黄铁矿破碎前后粒度变化不大。 3中煤分选试验 3. 1破碎产物的性质 1 粒度组成。破碎产物的粒度组成见表 3。破 碎产物中各粒级的灰分比较接近但粒度分布不均 匀， 粗粒级含量较高， 0. 5 ～ 0. 125 mm 产率达到 55， 理论上这部分煤泥具有良好的可浮性;－ 0. 045 mm 含量 17. 96， 这部分煤泥对浮选不利， 极细粒级的煤泥会导致浮选精煤灰分升高。 2 小浮沉试验。破碎产物的小浮沉试验结果 见表 4。通过与原煤浮沉试验对比发现， 经过破碎， 高密度级和低密度级产物的产率显著提高，－ 1. 40 g/cm3密度级含量达 34. 28; 1. 80 g/cm3密度级 含量达 24. 63， 中煤经破碎达到了较好的解离。 3. 2分步释放浮选试验 根据 MT/T 1441997选煤实验室分步释放浮 选试验方法 规定， 对破碎至 －0. 5 mm 的中煤产品 进行分步释放浮选试验， 结果见表 5。 721 2013 年第 2 期煤 炭 科 学 技 术 第 41 卷 表 3破碎产物筛分试验结果 粒级/mm产率/ 灰分/ 累计 产率/灰分/ 0. 5 ～0. 2524. 0228. 9724. 0228. 97 0. 25 ～0. 12531. 0227. 8755. 0428. 35 0. 125 ～0. 07513. 9826. 9269. 0228. 06 0. 075 ～0. 04513. 0227. 9382. 0428. 04 －0. 04517. 9628. 7610028. 17 表 4破碎产物小浮沉试验结果 密度级/ gcm －3 产率/灰分/ 浮物累计 产率/灰分/ －1. 3016. 028. 8616. 028. 86 1. 30 ～1. 4018. 2613. 3534. 2811. 25 1. 40 ～1. 5012. 1121. 7746. 3914. 00 1. 50 ～1. 6013. 2127. 8559. 617. 07 1. 60 ～1. 8015. 7738. 7975. 3721. 61 1. 8024. 6348. 0710028. 13 表 5煤样分步释放浮选试验结果 产品 编号 产率/灰分/ 浮物累计 产率/灰分/ 12. 037. 522. 037. 52 27. 7510. 209. 789. 64 312. 2715. 5522. 0512. 93 418. 2421. 6440. 2916. 87 530. 5728. 6170. 8621. 94 629. 1444. 2210028. 43 从表 5 可以看出， 通过分步释放浮选试验得到 了产率 22. 05， 灰分 12. 93 的精煤， 说明煤中矿 物质实现了较好的解离， 与对破碎产物解离程度的 分析相符。15 号精煤的累计产率达到 70. 86， 但灰分为 21. 94， 灰分偏高; 尾煤灰分 44. 22， 灰 分偏低， 这主要是由于一部分因破碎和泥化而产生 的细粒级高岭石浮至精煤所致。与小浮沉试验结果 对比， 浮选的效果并不是很理想， 后续应确定出合理 的药剂制度、 操作参数， 在保证较高的精煤产率的条 件下进一步降低精煤灰分。 4结论 1 淮北选煤厂重介选中煤属低灰中煤， 对中煤 煤样进行 X 射线衍射测试， 发现中煤中的矿物质以 高岭石为主的黏土类矿物为主， 并含少量的方解石、 黄铁矿等其他矿物。 2 对 13 ～6 mm 粒级的煤样， 通过扫描电镜 － 能谱分析矿物质的嵌布特征， 中煤中矿物质的嵌布 特征以分散状分布为主。综合各方面因素确定采用 破碎 － 浮选的方法回收。利用扫描电镜 － 能谱分析 了破碎产物的解离程度， 发现将煤破碎至 －0. 5 mm 达到了较好的解离。将煤样破碎至 0. 5 mm 以下， 通过分步释放浮选试验， 得到了产率 22. 05， 灰分 12. 93的精煤。 3 通过对中煤的矿物学特性进行系统分析， 明 确了其物相组成及矿物质的嵌布特征， 确定了合理 的破碎粒度并对破碎产品的解离程度进行了分析， 从而确定出合理的分选方法， 分析结果与分步释放 浮选结果相符， 为中煤的回收再利用提供了一条新 途径。 参考文献 ［ 1］陈鹏． 煤炭性质、 分类和利用［M］． 2 版 . 北京 化学工业出 版社， 2009 39． ［ 2］Naiyang Ma． Liberation Characteristics of Pyrite and Other Ash － ing Minerals from Coal［D］ ． Salt Lake City The University of Utah， America， 2000． ［ 3］吕玉庭， 王劲草． 中煤破碎再选工艺及技木经济分析［J］ ． 洁净 煤技术， 2007， 13 6 20 －21． ［ 4］张相国， 韩春龙， 沈笑君， 等． 中煤再选的研究与探讨［J］ ． 选煤 技术， 2007， 6 3 45 －48． ［ 5］杨毛生， 郭德． 中煤破碎再选的研究［J］． 煤炭工程， 2010 12 95 －97． ［ 6］张磊， 刘文礼， 马克富， 等． 炼焦中煤再选技术试验研究［J］ ． 煤炭科学技术， 2011， 39 3 125 －128． ［ 7］李萍， 付晓恒， 周建军， 等， 炼焦中煤深度降灰的研究［J］． 洁 净煤技术， 2005， 11 2 18 －21． ［ 8］TAO Xiu － xiang， CAO Yi － jun， LIU Jing， et al． Studies on Char- acteristics and Flotation of a Hard － to － float High － ash Fine Coal ［J］． Procedia Earth and Planetary Science， 2009 1 799 －806． ［ 9］曾凡桂， 王祖讷． 中煤的煤岩学特征［J］ ． 燃料化学学报， 1998， 26 2 165 －169． ［ 10］M Ito， S Owada， T Ota， et al． Experimental Study of Coal Libera- tion Electrical Disintegration Versus Roll － crusher Comminution ［ J］ ． International Journal of Mineral Process， 2009， 92 7 7 － 14． ［ 11］林奇 A J． 破矿和磨矿回路［M］． 北京 原子能出版社， 1983． ［ 12］王市委， 陶秀祥， 吕则鹏， 等． 高灰难选细粒煤泥煤质分析及 其浮选工艺探讨［ J］ ． 中国煤炭， 2010， 36 11 78 －80． ［ 13］杨琳琳， 文书明， 程坤． 磨矿过程中矿物的解离行为分析及 提高单体解离度的方法［ J］ ． 矿冶， 2006， 15 2 13 －16． 821