煤可磨性的預(yù)測(cè)模型及影響因素研究進(jìn)展

王 越

(鞍鋼集團(tuán)北京研究院有限公司，北京 102209)

0 引 言

在發(fā)電用煤粉鍋爐、水煤漿氣流床氣化、粉煤氣流床氣化、冶金高爐噴吹和燃料水煤漿等煤炭加工利用領(lǐng)域都需要磨制和使用大量粉煤，粉煤的粒度影響其燃燒和氣化效率[1]。在煤炭科研和工業(yè)應(yīng)用中，一般用煤的可磨性表征煤磨成粉的難易程度?？赡バ灾笖?shù)是煤粉制備工藝及設(shè)備選型、預(yù)測(cè)磨煤機(jī)功率和能源消耗的重要依據(jù)。煤的可磨性也是設(shè)計(jì)煤種和煤源選擇的重要依據(jù)。

煤的可磨性是煤重要的物理-機(jī)械性能，目前僅可磨性指數(shù)隨變質(zhì)程度的變化規(guī)律研究比較充分[2]，采用表觀指標(biāo)構(gòu)建可磨性指數(shù)的預(yù)測(cè)模型精度較差。觀測(cè)磨碎過程中粒度的變化特征，將粒度變化及能量消耗相結(jié)合，建立具有指導(dǎo)意義的可磨性預(yù)測(cè)模型，對(duì)于認(rèn)識(shí)混煤粉碎過程，科學(xué)評(píng)價(jià)磨煤能耗，提高粉煤燃燒和氣化轉(zhuǎn)化利用效率均具有重要意義。

1 煤的可磨性預(yù)測(cè)模型

1.1 表觀指標(biāo)構(gòu)建可磨性指數(shù)的預(yù)測(cè)模型精度較差

煤的可磨性測(cè)試一般采用哈氏可磨性指數(shù)(HGI)測(cè)定方法(GB/T 2565—2014)。煤的可磨性與煤及煤巖組分的強(qiáng)度、硬度、韌度、脆性等物理性質(zhì)、破碎機(jī)理及破碎后的粒度分布等因素密切相關(guān)。目前回歸分析是建立煤可磨性預(yù)測(cè)模型的主要方法，即建立揮發(fā)分產(chǎn)率、灰分、碳含量、氫含量、水分等表觀煤質(zhì)指標(biāo)與HGI的回歸關(guān)系。

研究表明，一些特殊樣品的HGI與煤質(zhì)指標(biāo)之間呈線性關(guān)系[3]。變質(zhì)程度和煤巖組分相似，如美國(guó)肯塔基煤的HGI隨煤灰成分中TiO2和Al2O3含量增加而降低，隨Fe2O3含量增大而增加[4]。對(duì)于以腐植組和礦物質(zhì)為主的土耳其低階煤，HGI隨水溶態(tài)和有機(jī)結(jié)合態(tài)礦物含量增大而增大，隨石英、黏土、碳酸鹽、石膏等外在礦物含量增大而降低[5]。西澳大利亞次煙煤的HGI隨煤中殘余水分含量降低而增大，而隨鏡質(zhì)組含量增加而降低[6]。

雖然目前HGI預(yù)測(cè)模型很多，但采用相同的數(shù)學(xué)模型對(duì)不同煤的HGI預(yù)測(cè)精度較低，相關(guān)系數(shù)往往達(dá)不到顯著水平[16]，甚至出現(xiàn)結(jié)果相互矛盾的情況。

造成此種現(xiàn)象的原因與哈氏可磨性測(cè)試流程有關(guān)。HGI測(cè)試依據(jù)Rittinger磨碎定律，即磨碎所消耗的能量與被磨顆粒增加的表面積成正比。為了保證測(cè)試樣品的表面積符合要求，在樣品制備過程中留取0.63 mm～1.25 mm煤樣，棄去小于0.63 mm的煤樣。事實(shí)上，不同粒度樣品的煤質(zhì)存在偏析[17]，如哈氏可磨性指數(shù)測(cè)試后不同粒度樣品的灰分不同，灰分富集在小顆粒中[18]。煤巖組分在不同粒級(jí)樣品中分布不同，隨著篩分粒級(jí)減小，樣品中殼質(zhì)組含量降低，鏡質(zhì)組、惰質(zhì)組含量增加[19]。

HGI測(cè)試樣品的物理性質(zhì)、巖相組成及礦物質(zhì)分布與原樣并不一致，存在煤質(zhì)偏析，對(duì)原煤煤質(zhì)的代表性不足，因而采用表觀指標(biāo)構(gòu)建可磨性指數(shù)預(yù)測(cè)模型的精度較差。

1.2 混煤與單煤的可磨性指數(shù)不具有可加性

在高爐噴吹[20]、粉煤氣化[21]、燃燒[22]等工業(yè)領(lǐng)域混煤的應(yīng)用越來越廣，混煤煤粉的粒徑分布及粒度均勻性受單種煤的粉碎特性影響。但混煤可磨性指數(shù)與各單煤的可磨性指數(shù)不存在相加性[23]?；烀旱墓峡赡バ灾笖?shù)趨于難磨煤種[24]，采用分段式非線性模型可預(yù)測(cè)混煤的相對(duì)可磨率[25]。僅變質(zhì)程度相近單煤的可磨性指數(shù)與混煤可磨性指數(shù)之間具有可加性[26]。造成此現(xiàn)象的原因與哈氏可磨性測(cè)試受樣品選擇性影響有關(guān)。

事實(shí)上，煤粒的粉碎過程是體積粉碎、表面粉碎2種模式的疊加。體積粉碎過程中，整個(gè)顆粒都會(huì)受到粉碎，生成粒度較大的中間顆粒，中間顆粒再被進(jìn)一步粉碎形成粒徑更小的顆粒；表面粉碎僅在顆粒的表面產(chǎn)生破壞，從顆粒表面不斷剝下微粉成分，粉碎產(chǎn)物粒度分布較大。粉碎產(chǎn)物的粒度分布具有二成分性[27]，粗粉產(chǎn)物是體積粉碎形成的，細(xì)粉產(chǎn)物是表面粉碎形成的。隨著混煤中難磨煤比例增加，混煤煤粉的平均粒徑增大，大顆粒煤粉中富集難磨煤，粗細(xì)煤粉的煤質(zhì)發(fā)生偏析[28]。

HGI測(cè)試過程輸入特定能量，僅能把煤中易磨組分磨細(xì)，而難磨組分保持較大的粒度。對(duì)于單種煤，哈氏可磨性測(cè)試能夠評(píng)價(jià)煤的可磨性。但混煤中各單煤存在選擇性磨碎問題，難磨煤種的粉碎程度要低于易磨煤種。HGI對(duì)于目前廣泛應(yīng)用的混煤粉碎過程缺乏精確的模擬和預(yù)測(cè)。

1.3 可磨性與磨煤機(jī)能量消耗之間為非線性響應(yīng)

在可磨性測(cè)試儀上加裝扭矩儀可以測(cè)試研磨過程中的能量消耗[29]。Shi測(cè)試不同粒級(jí)、不同密度樣品能量消耗與粒徑變化之間的關(guān)系[30,31]，建立煤破碎過程的預(yù)測(cè)模型[32]。Zuo將Shi-Kojovic模型與Ecs(Specific Comminution Energy)結(jié)合，預(yù)測(cè)粉碎過程中粒徑減小程度[33]。破碎后粒度最小10%樣品比例(t10)與消耗能量呈指數(shù)關(guān)系[34]，即磨煤機(jī)的能量消耗與HGI之間為非線性響應(yīng)[35]。Sengupta采用統(tǒng)計(jì)可磨性指數(shù)(Statistical Grindability Index，SGI)預(yù)測(cè)粉碎過程中不同組分的粒度變化特征[36]，通過調(diào)整入料粒度分布可以預(yù)測(cè)特定磨機(jī)出口的粒度組成[37]。

2 煤可磨性的影響因素研究

將煤看作均勻物質(zhì)，并不能科學(xué)地反映煤可磨性的內(nèi)在影響因素。從煤巖學(xué)的角度看，變質(zhì)程度、煤巖組分及礦物質(zhì)含量是決定煤性質(zhì)的3個(gè)因素[38]。國(guó)際煤炭分類(ISO 11760:2005)即以此為劃分依據(jù)。煤巖學(xué)參數(shù)可表征煤的非均質(zhì)性[39,40]：隨著變質(zhì)程度提高，煤內(nèi)部結(jié)構(gòu)及物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生規(guī)律性變化；單種煤的顯微組分性質(zhì)相對(duì)固定，各顯微組分對(duì)物理性質(zhì)及化學(xué)性質(zhì)的影響具有加和性；礦物質(zhì)的性質(zhì)穩(wěn)定，含量和分布對(duì)煤質(zhì)產(chǎn)生影響。

2.1 變質(zhì)程度

煤的可磨性指數(shù)(HGI)隨變質(zhì)程度(以Rran表示)提高而呈拋物線形變化[41]。顯微硬度也是表征變質(zhì)程度的1個(gè)重要指標(biāo)，由煤的顯微硬度可初步估計(jì)煤的可磨性指數(shù)[42]?？赡バ灾笖?shù)隨變質(zhì)程度的變化規(guī)律與煤化作用過程中內(nèi)部結(jié)構(gòu)演化有關(guān)。

2.2 煤巖組成

不同煤巖組分的脆性不同，可磨性指數(shù)也有較大差異。煤巖組分中絲炭最脆，以磨碎絲炭所需相對(duì)能量為1.0，則磨碎鏡煤、亮煤和暗煤所需的能量分別為2.0、3.0和7.5[43]。顯微煤巖類型綜合反映顯微組分和礦物的影響，表征尺度與HGI測(cè)試接近。Hower對(duì)3種肯塔基煤樣顯微煤巖類型對(duì)HGI的影響進(jìn)行了研究，但無法區(qū)分顯微組分及礦物質(zhì)組合的影響[44]。

一般認(rèn)為煤巖顯微組分中惰質(zhì)組的可磨性高于鏡質(zhì)組，而殼質(zhì)組的可磨性最差。Hower等對(duì)美國(guó)肯塔基東部煤的研究表明，HGI隨殼質(zhì)組含量增高而降低，隨鏡質(zhì)組含量增高而增加[45-47]。但并不是所有殼質(zhì)組分均降低煤的HGI,曹炅等[48]對(duì)我國(guó)東北富樹脂體的琥珀煤研究發(fā)現(xiàn)，煤中樹脂體性脆易碎，可磨性較好，易于集中在細(xì)粒級(jí)的物料中。

2.3 礦物質(zhì)

煤中礦物質(zhì)含量、種類及分布對(duì)煤的可磨性有重要影響。Fitton等[49]發(fā)現(xiàn)不同變質(zhì)程度煤，隨礦物質(zhì)含量(以Ad表示)增加,HGI值均趨近于75。張妮妮對(duì)平朔煤的研究也發(fā)現(xiàn)，隨著灰分含量增加,HGI趨向75[50]，利用浮沉實(shí)驗(yàn)獲取不同灰分含量樣品的HGI測(cè)試也證實(shí)此結(jié)論[51]。

礦物質(zhì)的種類對(duì)煤的可磨性指數(shù)影響不同，煤中礦物質(zhì)以黏土礦物為主才會(huì)呈現(xiàn)此種情況。黃鐵礦的HGI僅為47，當(dāng)黃鐵礦占總礦物質(zhì)的7%后，煤的哈氏可磨性急劇下降，嚴(yán)重影響磨煤機(jī)能耗。煤中礦物質(zhì)分布對(duì)可磨性的影響不同。后生礦物顆粒較粗，直接參與了磨碎過程，因而當(dāng)同生礦物與后生礦物共存時(shí)，以后生礦物的影響為主[7]。

3 結(jié) 語

煤的哈氏可磨性指數(shù)測(cè)試過程關(guān)注粉碎過程的比表面積變化，而對(duì)樣品的煤質(zhì)偏析關(guān)注不足，因此造成采用表觀煤質(zhì)指標(biāo)構(gòu)建可磨性指數(shù)預(yù)測(cè)模型精度較差；HGI測(cè)試僅將樣品粉碎至一定程度，由于樣品選擇性的影響，造成混煤與單煤的HGI不具有加和性；磨煤機(jī)的能量消耗與HGI之間為非線性響應(yīng)，給工業(yè)應(yīng)用帶來諸多問題。

煤巖學(xué)參數(shù)可充分表征煤的非均質(zhì)性，后續(xù)研究可以基于煤巖學(xué)基礎(chǔ)理論，從顯微尺度研究變質(zhì)程度、煤巖組分及礦物質(zhì)對(duì)可磨性的影響規(guī)律，建立不同變質(zhì)程度煤巖顯微組分理論可磨性指數(shù)和礦物的理論可磨性指數(shù)，構(gòu)建基于煤巖學(xué)參數(shù)的可磨性指數(shù)預(yù)測(cè)模型。針對(duì)混煤可磨性指數(shù)測(cè)試過程中存在選擇性粉碎的問題，在哈氏可磨性測(cè)試儀上安裝扭矩儀測(cè)試過程能量消耗，利用煤巖顯微鏡實(shí)時(shí)觀測(cè)粉碎過程中煤巖組分的粒度變化特征，將煤巖組分、粒度變化及能量消耗相結(jié)合，建立基于煤巖學(xué)參數(shù)的混煤顆粒粉碎預(yù)測(cè)模型，以此對(duì)科學(xué)評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)磨煤能耗、優(yōu)化粉煤利用提供指導(dǎo)。