2種單煤混合粉磨對(duì)煤粉礦物分布影響規(guī)律研究

吳鎖貞，王慶松，程健林，高 通，楊云飛，張 洪

(1.江蘇方天電力技術(shù)有限公司，江蘇 南京 211100；2.中國礦業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

0 引 言

電力工業(yè)是用煤大戶，我國絕大部分電廠將2種或更多煤炭摻配、混合粉磨再噴入鍋爐燃燒，以達(dá)到改變煤燃燒特性、結(jié)渣特性和降低成本的目的[1]。煤粉中礦物質(zhì)直接影響煤粉燃燒、結(jié)渣和超細(xì)顆粒物形成特性，傳統(tǒng)上假定礦物質(zhì)均勻分布在有機(jī)顯微組分中[2]，導(dǎo)致鍋爐燃燒過程中分層結(jié)渣、選擇性沉降等現(xiàn)象難以解釋[3]。隨著計(jì)算機(jī)控制掃描電子顯微鏡(CCSEM)的發(fā)展，礦物質(zhì)在煤粉中不均勻分布的觀點(diǎn)逐漸得到認(rèn)同[4-6]，煤粉顆粒被分為純有機(jī)質(zhì)顆粒、礦物-有機(jī)質(zhì)交聯(lián)體顆粒和獨(dú)立礦物顆粒3種類型。Cloke等[7]、張洪等[8-9]發(fā)現(xiàn)不同類型煤粉顆粒燃燒特性、煤焦結(jié)構(gòu)和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)不同，而Yan等[4]、劉小偉等[10]、Huang等[11]研究發(fā)現(xiàn)，煤粉顆粒類型直接影響粉煤灰和PM2.5的形成以及鍋爐結(jié)渣情況。

煤粉顆粒組成特性是研究煤粉燃燒和氣化特性的最重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，但目前對(duì)單煤煤粉中礦物質(zhì)分布規(guī)律研究較多，對(duì)混煤煤粉中礦物質(zhì)分布規(guī)律及機(jī)理研究較少[12]，且都是采取先分別粉磨再混合工藝實(shí)驗(yàn)室研究配煤[13-14]，與生產(chǎn)實(shí)際不符。本文選取熔點(diǎn)、變質(zhì)程度差異較大的晉城無煙煤和準(zhǔn)東煤摻配，模擬電廠生產(chǎn)工藝先混合、后粉磨制備煤粉，研究混合粉磨對(duì)混煤煤粉中礦物質(zhì)分布影響規(guī)律，為深入研究混煤燃燒和氣化特性、成灰和結(jié)渣規(guī)律奠定基礎(chǔ)。

1 材料與試驗(yàn)方法

1.1 原料

試驗(yàn)選取新疆準(zhǔn)東(ZD)和山西晉城(JC)原煤，其工業(yè)分析和元素分析結(jié)果見表1，熔融性分析結(jié)果見表2。

表1 準(zhǔn)東和晉城原煤工業(yè)分析和元素分析

表2 準(zhǔn)東和晉城原煤熔融溫度

由表1、2可知，準(zhǔn)東煤變質(zhì)程度低，揮發(fā)分較高，灰分低，是優(yōu)質(zhì)的動(dòng)力煤，但煤灰灰熔融溫度較低，結(jié)渣傾向大[15]；晉城煤變質(zhì)程度較高、揮發(fā)分產(chǎn)率低，煤灰具有較高的熔點(diǎn)[16]。

1.2 混煤煤粉制備

本文模擬電廠實(shí)際生產(chǎn)，采取“先混后磨”工藝制備混煤煤粉。將準(zhǔn)東和晉城原煤分別破碎到3 mm以下，再按照ZD、JC質(zhì)量比70∶30、50∶50、30∶70配合、混合粉磨，通過調(diào)整粉磨時(shí)間控制各混煤煤粉樣品細(xì)度在150 mm方孔篩篩余(10±2)%，所得混煤煤粉樣品依次編號(hào)為H7030、H5050和H3070。

1.3 煤粉浮沉分離

按GB/T 478—2008《煤炭浮沉試驗(yàn)方法》將苯、四氯化碳和三溴甲烷按照不同比例混合配制成密度1.3～2.0 g/cm3的有機(jī)重液，對(duì)各煤粉樣品進(jìn)行全浮沉分離。

稱取30 g煤粉樣品放入重液管內(nèi)，加入重液、攪拌分散，再放入離心機(jī)內(nèi)，調(diào)整轉(zhuǎn)速到2 100 r/min，離心10 min后取出，過濾并回收濾液。將濾餅放入干燥箱中，在70～80 ℃下干燥3 h，取出冷卻，達(dá)到空氣干燥狀態(tài)時(shí)再進(jìn)行稱重。

考慮部分密度級(jí)產(chǎn)率較小，將產(chǎn)率低、灰分相近的密度級(jí)合并，將準(zhǔn)東原煤粉煤樣品分為<1.6、1.6～1.7和>1.7 g/cm3三個(gè)密度級(jí)，依次記為ZD1、ZD2、ZD3；將晉城原煤粉煤樣品分為<1.6、1.6～1.7、1.7～2.0 g/cm3和>2.0 g/cm3四個(gè)密度級(jí)，依次記為JC1、JC2、JC3、JC4；將混煤煤粉樣品分為<1.6、1.6～1.7、1.7～1.8、>1.8 g/cm3四個(gè)密度級(jí)。

按照國標(biāo)GB/T 212—2008《煤的工業(yè)分析方法》對(duì)各子樣進(jìn)行工業(yè)分析。

1.4 顯微觀察

將不同密度煤粉制成光片，用德國萊卡公司MPV-sp顯微鏡，以546 nm波長觀察煤的有機(jī)和無機(jī)顯微組分。

1.5 化學(xué)組成分析

采用X射線熒光光譜儀(XRF)分析煤粉樣品煤灰化學(xué)組成，所用儀器為德國Bruker公司生產(chǎn)的S8-TIGER型X射線熒光光譜分析儀，測(cè)定條件為Rh靶，加速電壓為40 kV，電流67 mA。

2 結(jié)果和分析

2.1 混煤煤粉的密度組成

煤粉顆?？煞譃榧冇袡C(jī)顆粒、有機(jī)-無機(jī)交織體和獨(dú)立存在的礦物質(zhì)3種顆粒。變質(zhì)程度不同的純有機(jī)煤粉顆粒密度在1.3～1.7 g/cm3，黏土、石英、方解石類礦物顆粒密度在2.4～2.6 g/cm3，硫鐵礦密度在4.9～5.2 g/cm3[17]，而有機(jī)-無機(jī)交織體的密度介于1.7～2.4 g/cm3。因此煤粉密度反映了礦物質(zhì)在煤粉中存在狀態(tài)。準(zhǔn)東、晉城原煤煤粉密度組成如圖1所示。

圖1 準(zhǔn)東和晉城原煤煤粉密度組成Fig.1 Density compositions of ZD and JC pulverized coal

由圖1可知，準(zhǔn)東原煤煤粉樣品中<1.5 g/cm3密度組分含量最高，達(dá)到了總產(chǎn)率的61.49%；隨密度提高，對(duì)應(yīng)密度組分含量呈線性下降趨勢(shì)；>1.6 g/cm3各密度級(jí)別含量基本相同，均小于10%。與準(zhǔn)東煤粉相比，晉城原煤粉煤各密度級(jí)別分布趨勢(shì)相同但較為均勻，<1.5 g/cm3組分含量最高，達(dá)到30.48%；隨密度提高，對(duì)應(yīng)密度級(jí)別組分含量呈平緩下降趨勢(shì)，其中1.7～1.8 g/cm3密度級(jí)含量最低，為14.48%。這與張衡等[15]、張鵬啟等[16]研究結(jié)果一致。

3種不同配比混煤煤粉密度組成與其加權(quán)計(jì)算值對(duì)比如圖2所示。

圖2 3種混煤的密度組成與加權(quán)計(jì)算值對(duì)比Fig.2 Density composition of three coal blend and their weight averaged value

由圖2可知，與2個(gè)原煤煤粉粒度組成分布特點(diǎn)完全不同，3種不同配比混煤煤粉樣品密度組成呈峰形分布，其中1.5～1.6 g/cm3密度級(jí)含量最高，為46%～47%。原煤加權(quán)計(jì)算密度組成也呈峰形分布，且發(fā)生相似偏移。1.4～1.5 g/cm3密度組分實(shí)測(cè)含量明顯低于其加權(quán)計(jì)算值，3個(gè)混煤樣品差異波動(dòng)在8.28%～16.08%；1.5～1.6 g/cm3密度實(shí)測(cè)含量明顯大于原煤加權(quán)計(jì)算值，差異波動(dòng)在21.96%～23.49%；而>1.6 g/cm3密度組分含量的實(shí)測(cè)值大都低于加權(quán)平均計(jì)算值，差異為7.33%～12.90%。

2.2 混煤不同密度煤粉的組成

準(zhǔn)東煤原煤揮發(fā)分為25.54%，而晉城煤原煤揮發(fā)分僅為6.31%，2種原煤煤粉不同密度級(jí)別子樣揮發(fā)分和灰分測(cè)定結(jié)果見表3。

表3 準(zhǔn)東和晉城原煤煤粉不同密度級(jí)子樣的揮發(fā)分變化

由表3可知，隨著密度提高，準(zhǔn)東煤粉揮發(fā)分下降。隨著密度提高，其中礦物含量提高，揮發(fā)分下降。隨密度提高，晉城原煤煤粉樣品揮發(fā)分升高是純有機(jī)質(zhì)揮發(fā)分和礦物燒失量綜合反映。由于晉城煤粉中礦物質(zhì)以石英、高嶺石、方解石等形式存在[16]，其中高嶺石燒失量20%，而方解石燒失量為44%，所以>2.0 g/cm3密度子樣燒失量高達(dá)12.24%，遠(yuǎn)高于晉城原煤低密度子樣揮發(fā)分4.27%。

3種混煤不同密度子樣揮發(fā)分實(shí)測(cè)值與根據(jù)原煤比例和密度子樣揮發(fā)分加權(quán)計(jì)算值對(duì)比如圖3所示。

圖3 3種混煤的揮發(fā)分實(shí)測(cè)值與單種煤理論加權(quán)計(jì)算值對(duì)比Fig.3 Volatile content of three blended coal and their calculated weight-averaged results

由圖3可知，3種混煤樣品不同密度子樣揮發(fā)分實(shí)測(cè)值與加權(quán)計(jì)算值明顯不同，但呈現(xiàn)相似的變化規(guī)律。以H5050混煤樣品為例，≤1.5 g/cm3密度組分實(shí)測(cè)揮發(fā)分都低于理論計(jì)算值，而1.5～1.8 g/cm3密度組分實(shí)測(cè)揮發(fā)分高于加權(quán)計(jì)算值。由于準(zhǔn)東煤揮發(fā)分遠(yuǎn)高于晉城煤，說明混煤≤1.5 g/cm3密度組分中晉城煤實(shí)際所比遠(yuǎn)大于配比值，而1.6～1.7 g/cm3密度組分準(zhǔn)東煤所比高于配比值。通過光學(xué)顯微鏡可以直觀觀察混煤不同密度級(jí)別子樣中2種原煤的比例關(guān)系[18]，結(jié)果如圖4所示。

圖4 原煤及混煤煤粉(H5050)各密度級(jí)光學(xué)顯微鏡觀察Fig.4 Opticalmicroscopic observation of raw coal and mixed coal(H5050) at different density levels

由圖4可知，晉城原煤煤粉顆粒呈白色，因?yàn)闊o煙煤煤化程度高、反射率高；準(zhǔn)東煤化程度低，反射率低，煤粉顆粒呈灰色。值得注意的是，無機(jī)礦物硫鐵礦顆粒反射率高，在顯微鏡下呈亮白色?；烀篐5050按準(zhǔn)東∶晉城=50∶50配比，但在<1.6 g/cm3密度子樣樣品中，白色晉城煤粉顆粒數(shù)量明顯多于灰色準(zhǔn)東煤粉顆粒；在1.6～1.7 g/cm3和1.7～1.8 g/cm3兩個(gè)密度級(jí)別子樣中，準(zhǔn)東粉煤顆粒占主導(dǎo)地位；在>1.8 g/cm3密度子樣可以看到灰色準(zhǔn)東粉煤顆粒和白亮?xí)x城煤粉顆粒都存在，其中明亮顆粒略占多數(shù)，還有大量獨(dú)立存在的礦物質(zhì)顆粒。顯微鏡觀察結(jié)果與圖3揮發(fā)分測(cè)定結(jié)果完全吻合，說明混合粉磨改變了混煤煤粉密度組成。

張洪等[8,17]研究煤粉中礦物分布規(guī)律時(shí)發(fā)現(xiàn)，粉磨過程中煤中不同組分破碎程度不同，脆性大的組分易磨碎以小顆粒存在，而韌性大的組分不易磨細(xì)，以大顆粒存在。對(duì)于混煤，將2種不同變質(zhì)程度煤研磨時(shí)，高變質(zhì)程度晉城煤硬度大但較脆，低變質(zhì)程度準(zhǔn)東煤韌性大，晉城煤更易磨細(xì)，有機(jī)質(zhì)和礦物質(zhì)分離更徹底，而準(zhǔn)東煤不易磨細(xì)，多存在于中密度組分中。這是工業(yè)粉磨條件下混煤中礦物質(zhì)分布和原煤不同的根本原因。

2.3 混煤不同密度煤粉化學(xué)組成

化學(xué)組成直接影響煤灰熔融性，準(zhǔn)東和晉城原煤煤粉不同密度級(jí)別子樣煤灰化學(xué)組成如圖5所示。

圖5 準(zhǔn)東、晉城原煤煤粉不同密度子樣煤灰化學(xué)成分Fig.5 Chemical composition of coal ash fromdifferent density samples of ZD,JC coal

由圖5可知，準(zhǔn)東、晉城煤粉樣品不同密度子樣化學(xué)成分和全煤相比發(fā)生了明顯分化，這與前人研究結(jié)果一致[15-16]。以混煤H5050為例，研究混合粉磨對(duì)不同密度子樣煤灰化學(xué)組成的影響，結(jié)果見表4。

表4 混煤H5050灰成分實(shí)際值與理論計(jì)算值對(duì)比

由表4可知，混煤煤粉不同密度子樣煤灰化學(xué)成分實(shí)測(cè)值和加權(quán)平均計(jì)算值發(fā)生了變化，其中<1.6 g/cm3組分變化最明顯，實(shí)測(cè)SiO2、Al2O3、Na2O 含量實(shí)測(cè)值明顯高于加權(quán)平均計(jì)算值，而CaO、SO3含量實(shí)測(cè)值明顯低于加權(quán)平均計(jì)算值；>1.6 g/cm3各子樣煤灰化學(xué)組成變化規(guī)律與<1.6 g/cm3組分相反。對(duì)比圖4單煤化學(xué)組成，對(duì)于<1.6 g/cm3子樣，晉城煤灰中SiO2、Al2O3含量明顯高于準(zhǔn)東煤，而CaO、MgO、SO3含量明顯等于準(zhǔn)東煤，說明混煤<1.6 g/cm3子樣中晉城煤實(shí)際比例高于原煤配比；>1.6 g/cm3子樣情況正好相反，這與2.1、2.2節(jié)研究結(jié)論一致。

堿酸比(B/A)與煤灰熔融性有較好相關(guān)性[19]，表4結(jié)果表明，混合粉磨制備的煤粉樣品不同密度子樣煤灰熔融性更趨于相同。

3 結(jié) 論

1)通過3種混煤實(shí)測(cè)密度組成與加權(quán)計(jì)算的密度組成對(duì)比，發(fā)現(xiàn)混合粉磨對(duì)混煤煤粉的密度組成產(chǎn)生較大程度的偏析，<1.5 g/cm3和>1.7 g/cm3密度組分比重下降，而1.5～1.6 g/cm3密度組分大幅度上升。

2)3種混煤實(shí)測(cè)揮發(fā)分與加權(quán)平均值比較和顯微鏡發(fā)現(xiàn)，晉城無煙煤富集于混煤<1.5 g/cm3密度組分中，準(zhǔn)東粉煤主要富集在中高密度組分中，尤其是1.6～1.7 g/cm3密度區(qū)間。

3)混煤不同密度子樣實(shí)測(cè)化學(xué)組成和加權(quán)平均比較發(fā)生較大差異，其中<1.6 g/cm3組分變化最明顯，SiO2、Al2O3、Na2O含量實(shí)測(cè)值明顯高于加權(quán)平均計(jì)算值，而CaO、SO3含量實(shí)測(cè)值明顯低于加權(quán)平均計(jì)算值；但總體上趨于平均。

4)機(jī)理分析表明，不同煤種易磨性不同是混煤組成和性質(zhì)產(chǎn)生分化的根本原因。