导读
在对低阶煤及其煤泥的综合利用分析的基础上，指出浮选法处理低阶煤煤泥是一条有效的途径。通过对低阶煤煤泥的可浮性和浮选技术现状进行论述，分析了低阶煤煤泥难以浮选的原因及常规浮选面临的问题，并对我国低阶煤提质加工技术发展进行了展望。
低阶煤是煤化作用初期的产物，含水量和挥发分高、密度小、粘结性差、具有较强的化学反应性，但热稳定性差、发热量低、容易风化和发生自燃。低阶煤主要包括变质程度低的褐煤、长焰煤、不黏煤、弱黏煤以及部分气煤。全世界的低阶煤资源探明储量已超过 4650亿t，占世界煤炭总资源探明储量的 40% 以上。我国的低阶煤资源现探明储量在2000亿 t 以上，约占全国煤炭资源探明储量的 20%，主要分布在新疆和内蒙古自治区，山西、东北三省以及甘肃等地也有较大储量。对储量巨大的低阶煤资源进行提质、加工综合利用，通过一定的手段降低其灰分和含水量，从而提高发热量，或者生产高附加值的产品，对于缓解我国日益紧张的能源压力、降低能耗、保护环境等，具有十分重要的意义，且低阶煤提质有着广阔的发展前景。
1.1 脱水提质
低阶煤脱水提质主要针对我国变质程度低的褐煤和部分含水量高的长焰煤，这部分煤含水量高，也有较高挥发分，而发热量、可磨性指数和灰熔点较低，导致其应用范围受限。因此，通过一定的手段对褐煤等低阶煤资源进行脱水，降低煤中含水量，提高产品煤的发热量，解决煤炭的长距离运输问题，是提高煤炭市场竞争力的关键因素之一。
低阶煤脱水干燥提质主要有蒸发干燥和非蒸发干燥两种技术。蒸发干燥脱水提质是将煤中的水变为气态后脱除；而非蒸发干燥脱水技术则是将煤中的水仍以液态形式脱除，其能耗较蒸发干燥方式小。
蒸发干燥脱水技术主要包括利用热空气或蒸汽干燥、微波干燥以及太阳能干燥技术。热空气干燥以低于 250 ℃ 的热空气为干燥介质，属低温干燥方法，自燃性和爆炸性小，具有安全性高、能耗低、低环境污染等优点。蒸汽干燥法使用饱和的过热蒸汽为干燥介质对高含水煤进行干燥。微波干燥能够有选择地对煤中水分进行脱除，能量利用率高，安全、卫生、无污染，但工作条件较苛刻。太阳能干燥技术以太阳能为能源，可以节约常规能源，且环境污染小，但主要适用于中低温脱水干燥。
非蒸发干燥技术主要包括 HTD 技术和 MTE 技术。将高含水的低阶煤与蒸馏水同时放置于一个密闭的高压反应容器中进行加热的技术即为 HTD 技术，低阶煤内部待脱除水分受蒸馏水产生的饱和蒸汽压作用以液体形式排出。MTE 技术则是通过加热处理和机械挤压联合作用将低阶煤中的水分挤压出来。
中国矿业大学万永周对内蒙古额吉纳旗褐煤的脱水提质进行了研究。对煤进行热压脱水处理的过程中，考察了温度、压力、保压时间等条件对褐煤脱水效果的影响，同时对煤中硫分的脱除也进行了研究。试验结果表明：在温度 160 ℃、压力 7 MPa、保压30 s 的条件下，可以使褐煤中水分脱除率在 60% 以上，煤中含水量最终降到 12.5% 以下；同时全硫分脱除率达到 45% 以上。
1.2 洗选加工提质
褐煤的洗选加工有其特殊性，特别是对于高灰高水易泥化褐煤，原生煤泥量大，并且矸石遇水极易泥化。如果将这部分褐煤进行传统意义上的湿法洗选，往往造成洗水浓度过大，煤泥水处理困难，生产循环水黏度迅速增高，使煤泥回收、洗水净化和闭路循环变得十分困难，大大增加选煤厂的投资和加工费用。我国褐煤的基本特性之一是容易泥化，但是在泥化过程中，矸石和煤存在着明显的差异：矸石泥化后进入煤泥水；而煤较硬不易泥化，仍以块状存在。这实际上是一个洗选降灰过程。基于褐煤的此种特性，邓晓阳在对内蒙锡林浩特 4 号煤进行煤质特征分析的基础上，创新性地提出“重力分选 + 泥化分选”的洗选降灰新理念、新工艺，为高灰高水易泥化褐煤的洗选加工提供了一条新思路。
1.3 煤制油技术
我国是富煤少油的国家，石油进口量逐年大幅度增加，仅次于美国成为世界上第二大石油消费国，如果利用相关技术将我国储量丰富的煤炭转化为石油产品 (即煤制油)，对解决我国石油资源缺乏将是一条值得探索的重要途径。
神华集团在鄂尔多斯地区的煤种多为低变质的长焰煤、不黏煤。为实现煤炭加工的高技术发展，依托其煤炭资源而建设的 100 万 t/a 直接液化煤制油生产线从 2008 年 12 月起开始运行，已生产出了合格的石油产品和化工副产品。内蒙古伊泰集团所处理煤种同样以低阶煤为主，目前其已拥有我国 48 万 t/a 煤间接液化合成油品生产线。
然而煤制油过程需要消耗大量的能源，如直接液化技术每生产 1 t 成品油需要消耗 3～4 t 原煤，间接液化技术则需要 5～7 t 原煤。同时，还需要消耗大量的水资源，如神华集团直接液化项目，消耗 8～9 t 水才能产出 1 t 成品油。此外，煤制油过程对环境污染非常严重，如生产 1 t 成品油排放的温室气体二氧化碳量可达 7～8 t。由此，在高技术推动煤炭产业链延伸的发展背景下，如何充分贯彻节能减排的技术优化思路成为进一步研发的方向。
2 低阶煤煤泥利用现状
煤泥是煤炭洗选过程中产生的副产品，炼焦煤选煤厂的煤泥基本上全部通过浮选法得以回收，而洗选低阶煤的动力煤选煤厂产生的煤泥由于难于浮选而需要对其进行合适的处理。若将其直接掺入煤炭洗选主产品内混合销售，必然降低最终产品质量，影响洗选加工的效果，如掺配不均还会造成商品煤质量波动较大，极端情况下还会造成车皮粘结无法卸车等问题。由此，低阶煤煤泥利用方式或手段的选择成为低阶煤有效利用过程中的重要组成部分。
2.1 煤泥制水煤浆
低阶煤煤泥利用技术之一是将其经过一系列加工制成高灰水煤浆后综合利用。具体利用途径可分为以下 4 种：
(1) 制作成商品水煤浆后单独外运销售；
(2) 罐车或管路输送至当地各现有电站锅炉综合利用燃烧发电，同时改造矿区现有各类工业锅炉，改用高灰水煤浆；
(3) 罐车或管路输送至就地新建配套电站锅炉综合利用燃烧发电；
(4) 直接供应矿区煤化工项目 (如煤直接液化项目、煤制天然气项目、煤制甲醇项目以及煤制二甲醚项目等)。
将低阶煤煤泥制成水煤浆后进行综合利用，可以实现废弃物的资源化转变。将煤泥水和煤泥混合制备水煤浆要比常规制浆工艺更为简单，投资更少。可省去粗碎作业，对粒度要求不严格，不用或少用添加剂，浓度低，稳定期较短。
2.2 煤泥制型煤
低阶煤煤泥利用技术之二是将其制成型煤，作为工业锅炉的燃料，提高燃烧效率，降低烟尘污染，从而达到替代优质块煤的目标。对以低变质的长焰煤、不黏煤为主的神东矿区煤泥成型研究表明，成型过程中选择合适的压力对提高型煤的质量和降低能耗有重要意义。另外，添加沥青可以提高型煤的强度；但加入量超过一定值后，型煤强度会趋于稳定。此外，煤泥成型水分一般要求不能超过 20%，否则产品的质量不能得到保证。但是洗煤厂产出煤泥水分通常在30%以上，这就需要对其预先烘干处理，由此该技术的实施需增加处理成本。
2.3 煤泥燃烧发电
低阶煤煤泥利用技术之三是将其直接用高压泵送到选煤厂配套电厂或矿区燃煤电站燃用；也可将其输送至电厂，利用烟气干燥后直接燃烧发电，该方式可以充分利用锅炉余热加热细煤泥，煤粉直接入炉燃烧，有利于提高电厂综合经济效益。循环流化床燃烧是煤泥燃烧利用的主要方式。
2.4 煤泥作煤化工原料
低阶煤煤泥利用技术之四是将其制造成简易水煤浆或干燥成粉后直接供应矿区煤化工项目 (如煤直接液化项目、煤制天然气项目等)。优点是可以集中就地彻底利用煤泥，避免了长途运输的浪费和污染。在煤气化技术利用过程中的关键问题是高灰煤泥的含碳量较低，对煤气化的经济性影响较大；但国外已有成功的实践，特别是与 IGCC 技术结合更有价值。
2.5 煤泥浮选
通过浮选可以进一步提高煤泥质量，最终提高煤泥发热量，尽量减少回掺后的煤泥对主产品的影响，提高煤泥直接回掺销售的可能性。对低阶煤煤泥进行浮选加工处理，可以提高资源利用效率，提高其附加值，增加煤企的市场竞争力，对提高煤矿经济效益具有非常重要的意义。
不同煤化阶段的煤具有不同的表面物理化学结构，从而表现出不同的可浮性。低阶煤含有较多的含氧官能团且表面孔隙率较高，亲水性强，导致其煤泥表面疏水性差，浮选困难。由此研究高效的低阶煤煤泥浮选技术，将为低阶煤煤泥的资源化利用探索一条新的道路。
3 低阶煤煤泥浮选研究现状
3.1 低阶煤结构模型分析
煤的结构模型是根据煤的各种结构参数进行推断而建立的，可以用来对煤的化学物理结构进行表征，图为低阶煤的结构模型。
图 低阶煤结构模型（ Structural model of low-rank coal）
从图中可以看出，低阶煤分子中存在着大量的含氧官能团，表面疏水性差，且存在大量氧、氮等原子，这些原子荷负电性较强，导致煤粒表面能够形成稳定的水化膜。水化膜稳定，会大大降低煤粒与气泡的碰撞效率，导致煤泥难以浮选。另外，腐植酸大量存在于低阶煤中，无机矿物质在中性和酸性条件下会在油水界面粘附，具有一定的疏水性，会随泡沫浮选造成精煤污染。
3.2 低阶煤煤泥可浮性影响因素分析
影响低阶煤煤泥可浮性的主要因素有：煤泥本身的性质、浮选设备的工作性能、药剂制度及给料制度、液相性质、浮选工艺流程等。在此着重介绍煤化程度及嵌布粒度对煤泥可浮性的影响，并对药剂制度对浮选影响作简单的分析。
3.2.1 煤化程度的影响
在煤化作用的过程中，主要包括煤分子化学和物理两方面的变化。
从煤的化学结构分析，煤主要由大分子芳香核以及核周围的烷基侧链及各种官能团构成。低阶煤中侧链和官能团相对较多，其中以含氧官能团数量最多，使其表面亲水部位较多。村田逞诠对煤含氧官能团和润湿性的关系进行了系统研究，结果表明：羧基电负性大、亲水性较强，羟基其次；含氧极性基团的多少对低变质烟煤表面的润湿性起主导作用。Lucyna Holysz认为矿物的表面自由能与低阶煤可浮性具有一定关系：除了色散力能够影响低阶煤的表面自由能外，还与分子间的各种官能团及矿物组分有关，当煤中碳含量增加，氢氧含量下降，会造成色散力增大，和酸碱作用力减少，即煤的疏水性增强。同样煤表面的负电性会随着含氧的电负性官能团的增多而增多。
从煤的物理结构分析，低阶煤分子含有较多的含氧官能团和非芳香结构，芳香核环数较高阶煤少，因而形成比较疏松的空间结构，具有较大的孔隙率和较高的比表面积。孔隙存在影响其吸附能力，也就是煤中的孔隙度越高而造成的毛细现象越显著。煤表面水化程度会因孔隙吸水现象而加强，导致煤粒表面与浮选药剂的作用发生改变。
3.2.2 矿物杂质和嵌布特性影响
煤中常见矿物质中，氧化物类的石英和碳酸盐类的方解石、白云石及菱铁矿等嵌布粒度较粗，易于除去。石英主要是我国西南晚二叠系煤中的难选矿物，洗选后精煤中的矿物含量往往比原煤还高。黄铁矿的嵌布情况根据煤种而定，如滇东北昭通地区的高硫煤中黄铁矿嵌布粒度极细，采用各种分选方法均难以得到理想的合格精煤产品。黏土类矿物如高岭石、伊利石、蒙脱石等，分布极广，在煤中常呈团块状、颗粒状、浸染状、细分散状等，浸染状和细分散状的黏土较难除去；而且此类矿物很容易在水中泥化，形成高灰细泥，被机械夹带进入精煤，污染精煤质量。华北石炭二叠系的煤样是高岭石和伊利石含量较大，尤其是高岭石的存在造成了其分选困难，精煤中的高岭石含量与原煤相当。
3.2.3 药剂制度对煤泥可浮性的影响
药剂制度对浮选效果可以产生很大的影响，主要包括选用的药剂种类和使用量、不同种类药剂配比、采取的加药方式和设定的加药地点等。
药剂常用的配制方法主要有配制成水溶液、加溶剂配制、乳化、配制悬浮液或乳浊液、气溶胶、皂化、酸化以及电化学处理。因为油水不互溶，非极性油类捕收剂只有以微细油滴形态均匀分散在水中，才能有更大的概率与煤粒实现有效的粘附。提高浮选剂分散性的方式通常有两种，即药剂乳化和气溶胶方式。
加药方式通常可以分为一次加药和分段加药两种加药方式。一次加药是把药剂全部加到调浆设备中，这种加药方式操作简单，但缺点是气泡选择性低且药剂分散性不好。特别是在浮选机的第一室，药剂浓度过大，捕收剂会覆盖在矸石表面导致高灰分颗粒浮出；同时造成后几室药量不足，影响浮选效果。生产中一般采用分段加药方式，特别是细泥含量较多时更应该采取分段加药方式。分段加药是按比例将药剂分成几份后分别加到调浆设备及浮选机中。这种加药方式使药剂的作用得到充分的发挥，容易洗选出合格精煤，且煤泥浮选速度容易控制、方便调整。
3.3 低阶煤煤泥浮选研究
低阶煤的浮选在常规浮选条件下进行时，会出现药耗大、回收率低等一系列问题。国内外研究者针对参与浮选的各个组分进行优化改良，以探求适合低阶煤煤泥的浮选条件。
3.3.1 药剂乳化
乳化处理是提高浮选药剂在矿浆中分散程度的有效方法。可以通过使用搅拌器、均质器、胶体磨、射流泵或超声波发生器等实现药剂的乳化。
大量试验证明，乳化药剂的高分散性是降低低阶煤浮选药耗的可尝试的途径之一。S. Janus研究油团聚在低阶煤和氧化煤分选中的作用时，采用了乳化煤油以强化分选效果。Feridun Boylu[20]在对浮选泡沫中水分回收率研究时，同样将低阶煤的捕收剂定为乳化柴油 (EDO)，并通过两段添加乳化油的方法，获得了理想的浮选指标。
3.3.2 特殊捕收剂
有研究者针对低阶煤表面含氧官能团多的特点，采用氧化性的捕收剂或含有极性氧化官能团的分子，使氢键与煤表面的含氧官能团结合，从而实现增大煤表面疏水性的目的。G. H. Harris 等指出非离子型表面活性物四氢呋喃 (THF-3) 对褐煤浮选来说是一种有效的捕收剂。Renhe Jia在此研究的基础上，认为THF 同系物将是低阶煤和氧化煤浮选的有效捕收剂，并将 THF 同系物以及柴油分别作为捕收剂对低阶煤进行试验，结果表明：THF 同系物的浮选指标均优于柴油，且药耗低；含有苯环的 THF 同系物 THF-17en的浮选效果最好，可燃体回收率在 80% 以上；同时分析指出该捕收剂浮选效果优于柴油的原因，一方面是极性的含氧官能团能够与煤表面的含氧官能团形成氢键，另一方面是非极性的碳氢链可以分散煤表面的水分子而与煤中的碳氢部分结合，并且由于强烈的 π键，含苯环分子相对于其他脂肪族分子可以与煤中芳香核结合得更紧密。
3.3.3 表面改性
煤表面改性是通过物理化学的方法来优化和改变其性能的技术。煤的表面改性技术有电磁表面改性、超声波改性、微波改性、电化学改性、药剂改性以及机械力改性等。已有研究表明，通过表面改性技术的实施可对低阶煤的浮选效果产生一定的促进作用。
M-COL 系统煤炭表面改质机是日本三井造船株式会社研究开发的一种新型矿浆预处理设备，属于机械力改性的一种，已在盘江金佳选煤厂、山西焦煤东曲矿选煤厂、山西潞安司马煤业选煤厂工业应用。表面改质机通过高剪切作用在煤炭表面产生综合的机械力化学效应，激活难浮煤的疏水性表面，使更多的新鲜表面得以暴露，药剂可以更好地与煤粒表面发生粘附，从而使可浮性差的煤种和细粒煤泥得以浮选。
采用电化学法对煤进行表面改性，除了降低其含氧官能团的数量、提高其可浮性外，还能在黄铁矿表面产生亲水性的物质，达到浮选脱硫的目的。朱红等人采用金属腐蚀电偶法来强化煤和黄铁矿表面改性，活泼金属的平衡电位低于矿浆电位，与煤粒形成微电池，煤为阴极而使含氧官能团被还原；黄铁矿表面发生氧化还原反应将疏水的 S 变为亲水的 S2-，试验采用了不同煤阶的煤进行金属腐蚀电偶法强化处理，发现含氧官能团如羟基、羧基和羰基等数量均有所减少，从而煤粒表面的疏水性增强。用超声波对矿浆进行处理可以改变矿物表面电位、矿浆 pH 值和温度，石焕等对 5 种不同煤样进行了超声波辐射处理，并进行浮选试验。试验表明：超声波改性后可以提高煤的可浮性，但并不一定适合所有煤种。
3.3.4 热浮选
低阶煤在受热处理时疏水性会得到改善。采用浮选和测定 Zeta 电位的方法，可以考察热处理后不同低阶煤可浮性的改变情况。试验表明：对含氧基少的煤热处理后可浮性基本不变；其他煤则经过热处理后可浮性改善，Zeta 电位发生很大变化。低温加热其实是煤表面疏水与亲水的平衡过程，随着热处理的进行，羧基等含氧官能团被逐渐破坏，使煤变得疏水；而烃基链却随着热处理而被氧化，产生新的酚类和羧基，又使煤变得亲水。目前，热处理提高可浮性的机理被认为是减少了煤表面和微孔中结合的水分子以及含氧基。
M. Cinar对土耳其低阶煤煤样按 0、0.5、1、2 和 4 h 的时间在 105 ℃ 下进行热处理后研究其可浮性变化规律，结果发现：随着加热时间的增加，精煤的可燃体回收率先快速增加，而后又有所降低，整个过程可燃体回收率从 11% 增加到 83.4%，灰分从 7.5% 降到 5.74%，硫分从 2.5% 降到 1.52%，可以看出这种低阶煤经过热处理后浮选性能得到了显著的改善。G. Atesok 等将烟煤的焦炭加在低煤化程度的 Soma 煤中进行干磨作业，然后在 300～600 ℃ 的温度范围内加热并进行浮选，结果表明：可燃体回收率从 22.1% 上升到 89.9%，精煤灰分从 11.8% 降到10.1%。
3.3.5 反浮选
制水煤浆是低阶煤煤泥的综合利用途径之一，水煤浆要求煤粒分散、稳定，而常规浮选过程中添加的药剂会造成煤泥的团聚和凝结。为了解决这个矛盾，Kejian Ding对某低阶煤进行反浮选试验研究，采用十二烷基-三甲基-氯化铵 (DTAC) 作为捕收剂，可以有效地将煤与矸石进行分离，但是捕收剂的药剂量需要 6 kg/t 干煤泥。
3.3.6 油团聚 (造粒)
油团聚的原理是，通过机械搅拌使煤粒在水中悬浮，借助于另外一种非互溶的溶液如烃类油，有选择地将煤粒润湿，以吸附形式使煤粒间以架桥方式相连结。疏水性煤粒很快团聚到一起，无机矿物质等表面亲水性物质留在矿浆中，从而实现选择性浮选。由于油团聚过程能选择性润湿矿粒，并改变物料疏水性，因而被应用于煤炭脱硫降灰，金、辉钼矿和氧化矿浮选，废纸脱墨，水处理等领域。
村田逞诠对不同煤种的煤造粒后的润湿性进行研究，指出当煤中羧基的含量超过一定的限度后，造粒将无法实现，但造粒仍是低阶煤分选的一种手段。罗道成等采用 NaOH 溶液对褐煤进行处理后，采用极少量的非离子表面活性剂甲基二乙醇酰胺和少量的黏结性油与褐煤同时置于浮选机内，选用仲庚醇作为起泡剂，得到了较好的浮选效果指标。Cebeci Y 和Sonmez I 等人对 Yozgat-Ayridam 的褐煤进行油团聚研究时发现：Acorga M5397 (几种烷基芳香烃化合物的混合物) 或者 KEX (乙基钾黄药) 被加入到团聚油中，可进一步使团聚效果得到强化，可以达到 73.96%的精煤回收率，且褐煤中的黄铁矿也得到了一定程度的脱除。
4 结语
低阶煤在我国煤炭储量及产量中占比很高，但由于我国低阶煤提质方面的研究一直较为落后，致使其利用效率较低。为实现低阶煤炭资源的有效释放，保障我国煤炭工业的可持续发展，必须提高能源利用率，加快发展低阶煤提质技术成为重要举措之一。在这个过程中，强化低阶煤泥的可浮性研究是浮选开发低阶煤资源的关键。虽然国内外研究者在低阶煤煤泥浮选条件的优化探究方面已有了大量研究成果，但是在浮选过程强化与高效分离机制的研究方面仍有所缺乏，对于低阶煤的浮选速率模型还鲜有报道。基于此，开展对低阶煤可浮性和浮选速率模型的研究，把握和控制浮选过程的重要参数，成为实现低阶煤大规模高效提质的关键之一。
目前由于我国低阶煤提质加工利用还处在起步阶段，为了加快提升煤炭转换效率，挖掘资源潜力，仅靠国内煤炭技术企业自主开发是不够的，还需要适度引进国外先进煤炭技术企业，通过引进、消化、吸收和创新，发展和提升国内煤炭技术水平，从而稳步推进我国低阶煤提质加工技术发展。
