高可磨指數(shù)煤種引起中速磨機排渣口吐料原因探究

王宇哲 鄒 沖 鄭雅青 白中輝 俞 楠

(1.北京首鋼股份有限公司，2.西安建筑科技大學(xué)冶金工程學(xué)院)

高爐噴煤可降低焦炭消耗，調(diào)節(jié)爐況，促進高爐穩(wěn)定順行，強化高爐冶煉[1-3]。制粉系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運行是保證高爐噴煤指標(biāo)的關(guān)鍵。

隨著高爐利用系數(shù)和煤比的提高，較多高爐匹配的制粉系統(tǒng)生產(chǎn)能力不足，影響了噴煤指標(biāo)。采用高可磨性指數(shù)煤種是提高制粉能力最有效的辦法[4-9]。然而，某企業(yè)制粉車間磨煤過程中頻繁出現(xiàn)排渣口吐煤嚴(yán)重而不出粉煤的狀況。制粉車間已通過單一煤種試驗，排除了中速磨煤機的設(shè)備問題，最終驗證出磨煤機吐煤是因一種常見的高可磨性貧瘦煤(哈氏可磨指數(shù)為100左右)的配加所引起。而此種煤已長期在高爐噴吹過程中使用，在該企業(yè)配加比例為40%左右，探究產(chǎn)生此問題的原因有助于避免磨煤工序停滯，并對噴吹煤種選擇提供借鑒。

1 實驗樣品和實驗方法

化驗部門對產(chǎn)生問題的煤礦煤質(zhì)已進行了長期監(jiān)控，研究分別對磨機非正常及正常工作狀態(tài)下的煤樣和殘渣進行收集。其中非正常狀態(tài)下的煤樣標(biāo)記為CA，而正常工作的兩個不同時期的煤樣標(biāo)記為CB和CC。

煤樣破碎采用對輥粉碎機，進一步磨細(xì)樣品采用哈氏可磨儀，同步測定不同轉(zhuǎn)動圈數(shù)下粒度組成。煤樣的粒度分布采用激光粒度分析儀濕法測定，分散劑為去離子水激光粒度分析，分散方法為超聲攪拌法。

對原煤按照GB/T 16773-2008中《煤巖分析樣品制備方法》取試樣顆粒進行多次過篩破碎，使所有顆粒均可通過1.0 mm的試驗篩。采用熱膠法制備煤磚，取破碎好的樣品7 g左右與XQF-01型煤巖專用鑲嵌粉按體積比煤∶鑲嵌粉=1.5∶1冷態(tài)均勻混合后加熱攪拌至粘結(jié)成球狀后快速移入磨具內(nèi)熱壓成型。冷卻后靜止一段時間，再進行研磨、拋光直至表面無劃痕。使用MSP 9000C型全自動智能型煤焦顯微分析系統(tǒng)在油浸物鏡下測定光片鏡質(zhì)組隨機反射率分布及均值。為確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對制備的3個合格光片進行測定，取三次測定均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 基礎(chǔ)煤質(zhì)分析

煤樣性質(zhì)見表1。CA、CB和CC三批次煤樣的工業(yè)分析和熱值結(jié)果較為接近，一般而言，一種煤礦的成分在短時間不會大幅波動。CA-煤渣除水分低外，其它指標(biāo)與CA相近，說明煤樣在中速磨機中受熱煙氣干燥作用而部分脫水；煤樣和煤渣的可磨性指數(shù)均在98～100，表明其可磨性能較為接近。可見，部分批次煤樣在中速磨機排渣口吐料并不是此種煤的工業(yè)分析和可磨性指數(shù)改變引起。

表1 煤樣性質(zhì)

不同煤樣及渣樣的灰成分也未發(fā)現(xiàn)明顯差異(表2)，這說明中速磨機排渣口吐料并非是煤中礦物質(zhì)組成發(fā)生改變引起的。

表2 煤樣的灰成分 %

2.2 破碎過程分析

在實驗室對輥破碎機破碎過程中發(fā)現(xiàn)，實驗煤樣在破碎出口產(chǎn)物中出現(xiàn)較多薄片形的餅狀物質(zhì)，而在相同條件下利用對輥破碎機破碎其它煤樣并未出現(xiàn)過此種物質(zhì)。此種狀態(tài)物質(zhì)在CA、CB和CC破碎產(chǎn)物中所占比例分別為36.5%、10.26%和11.44%，說明CA樣品與后兩批樣品的粉碎機制明顯不同。

煤在磨煤機中進行破碎時，受到研磨、錘擊和擠壓等多種外力共同作用，而中速磨煤機中的粗顆粒主要靠研磨輥壓成粉，與對輥過程有一定相似性。對于硬度較低的煤種而言，在受到垂直方向碾壓后易于形成餅狀結(jié)構(gòu)，細(xì)小顆粒則變成薄片，不易形成粉狀物質(zhì)，此結(jié)構(gòu)在輥縫間不易翻轉(zhuǎn)，是磨煤過程中的不利物質(zhì)。據(jù)此推測，餅狀物質(zhì)比例較高的CA對磨機影響較大，而CB和CC較少出現(xiàn)餅狀物質(zhì)，對磨機影響較小，這也說明不同批次煤的破碎性質(zhì)發(fā)生了改變。

2.3 磨煤過程分析

CA、CB及兩種噴吹煤在哈氏可磨儀不同轉(zhuǎn)動圈數(shù)下74 μm篩下物質(zhì)量如表3所示。在標(biāo)準(zhǔn)測試條件60圈下，CA和CB的篩下物質(zhì)量高于煙煤和無煙煤，這與其可磨性指數(shù)測試結(jié)果基本一致。當(dāng)轉(zhuǎn)動圈數(shù)增加到180圈時，四種樣品的篩下物質(zhì)量均提高，但CA提高的比例更大。當(dāng)轉(zhuǎn)動圈數(shù)提高到300圈后，CA篩下物比例不斷下降，其它三個樣品的比例則上升。CA在繼續(xù)研磨過程中出現(xiàn)的小粒度占比不增反降現(xiàn)象與其特殊的表面結(jié)構(gòu)有關(guān)。

表3 不同轉(zhuǎn)動圈數(shù)下小于74 μm的樣品質(zhì)量 g

粉碎過程是一種分散與聚合的可逆反應(yīng)過程。物質(zhì)顆粒粉碎過程中，顆粒表面的化學(xué)鍵斷裂和不斷重新組合，隨著顆粒不斷粉碎和顆粒斷裂面的生成，顆粒表面出現(xiàn)不飽和的化學(xué)鍵并帶有電荷的結(jié)構(gòu)單元，使顆粒處于亞穩(wěn)定的狀態(tài)，在條件合適時重新粘合或者顆粒與顆粒再聚合起來形成大顆粒。對于硬度較低的煤種而言，盡管其顆粒容易粉碎，但是顆粒之間重新粘合的概率更高，這將導(dǎo)致“黏磨”現(xiàn)象的產(chǎn)生[10-12]。CA在轉(zhuǎn)動圈數(shù)更高的條件下小粒度比例減少符合顆粒粘附并聚集的典型規(guī)律，CA將難以達(dá)到高爐噴吹所需的小于200目所占比例大于70%左右的粒度要求。

為了進一步評估“黏磨”現(xiàn)象的影響，對哈氏可磨儀儀器所得的小于74 μm的CA和煙煤進行激光粒度測試，結(jié)果如圖1所示。CA在超聲波分散30 s后顆粒粒度仍大于70 μm以上，這可能是由于顆粒表面較大的不飽和化學(xué)鍵引起粉體團聚；當(dāng)進一步增加超聲分散時間到60 s后，顆粒粒度顯著降低，基本處于74 μm以下。而煙煤在30和60 s的超聲分散條件下粒度分布差異不大。以上結(jié)果表明，CA獨特的表面結(jié)構(gòu)導(dǎo)致顆粒之間的吸附力增大，進而增強顆粒之間團聚。在磨機中，這種團聚作用對顆粒的粉碎和粉體的進一步磨細(xì)會造成不利影響，這可能是CA在磨機中吐渣嚴(yán)重的重要原因。

圖1 不同超聲分散時間下煤樣的激光粒度測試結(jié)果

2.4 混煤制粉過程分析

由于此高爐采用貧瘦煤和煙煤混合噴吹方式進行噴吹，制粉過程中不同比例CA對混煤制粉的影響也應(yīng)進行評估，不同比例混煤后74 μm篩下物粒度組成，如圖2所示。煙煤比CA的可磨性低，在充分超聲分散條件下，煙煤粒度大于CA。在煙煤中混合CA比例低于50%時，隨著CA比例的增加，混合樣的粒度整體下降，D50(累計粒度分布百分?jǐn)?shù)達(dá)到50%時所對應(yīng)的粒徑)和D90(累計粒度分布百分?jǐn)?shù)達(dá)到90%時所對應(yīng)的粒徑)參數(shù)均逐漸下降；然而，當(dāng)CA的比例超過50%時，混合煤的粒度開始增加，D50和D90均開始上升，由于激光粒度測試過程中粉體已充分分散，此趨勢的改變應(yīng)為磨煤過程中兩種煤的相互作用引起的。由于CA的表面不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)較多，對煙煤產(chǎn)生了較大的吸附作用，當(dāng)CA的比例提高到一定程度，細(xì)小CA顆粒自身及在煙煤顆粒上的重新聚集對煙煤顆粒的粉碎起到了保護作用，因此整體粒度偏大，粒度特征參數(shù)也增大。

圖2 不同比例混煤后74 μm篩下物粒度組成(可磨儀轉(zhuǎn)動60圈，超聲分散60 s)

中速磨使用CA經(jīng)驗表明當(dāng)比例達(dá)到40%時即可產(chǎn)生顯著的吐煤現(xiàn)象。雖然與實驗室的轉(zhuǎn)變比例50%略有不同，但兩者現(xiàn)象結(jié)合均可說明混煤中CA在一定比例時會對磨煤造成不利影響。

2.5 巖相分析

煤的巖相分析是判定煤種差異的經(jīng)典方法。三種煤樣的顯微組分見表4?？梢钥闯鯟B與CC的鏡質(zhì)組占比、活性組分占比和活惰比基本一致，而CA的活惰比比CB和CC高約0.35，鏡質(zhì)組占比高約7個百分點，活性組分高約7個百分點左右。

表4 三種煤樣的顯微組分

CA和CB及CC的隨機反射率存在較大差異：CA為無煙煤傾向，而后兩種為貧煤傾向。據(jù)此判斷，CA與CB及CC顯微組分明顯不同，即近期該煤礦的煤質(zhì)發(fā)生了改變。由于不同煤層的煤化程度和物理性質(zhì)存在差異，但在采掘過程中并未進行有效區(qū)分，導(dǎo)致了原煤在應(yīng)用端可磨性能的差異。

此外，在制作觀察光片過程中亦發(fā)現(xiàn)CA與CB、CC存在差異，主要表現(xiàn)在光片拋光面上的劃痕形狀。CB和CC制成的光片殘余劃痕較少，而CA制成的光片殘余劃痕較多。其它煤制成的光片上未明顯發(fā)現(xiàn)此類情況。此現(xiàn)象也說明CA的硬度發(fā)生了改變。

綜上所述，通過顯微組分和鏡質(zhì)組反射率的差異證明此煤礦的煤質(zhì)發(fā)生了改變，引起煤的硬度差異，在磨煤過程中碾壓得到了更多餅狀物質(zhì)，降低了磨煤機磨輥的工作效率，進而導(dǎo)致吐煤嚴(yán)重?？赡バ灾笖?shù)高于100的煤已屬于極易磨煤，在磨機選型規(guī)范中，這種煤在中速磨的使用范圍的臨界范圍之外，應(yīng)特別控制此種煤的配加比例。此外，對于高可磨性煤，哈氏可磨性指數(shù)測定結(jié)果指導(dǎo)意義下降，研究中均為高可磨性的煤種呈現(xiàn)了不同的研磨效果。最后，應(yīng)該加強對重點煤種煤質(zhì)的監(jiān)控，除常規(guī)的工業(yè)分析、熱值、可磨性等性質(zhì)的測試之外，建議加入煤的顯微組成和鏡質(zhì)組反射率的分析。

3 結(jié)論

(1)中速磨機排渣口吐料不是因為該批次此種煤的工業(yè)分析和可磨性指數(shù)改變引起的。

(2)對于硬度較低的煤種而言，在受到垂直方向碾壓后易于形成餅狀結(jié)構(gòu)，在輥縫之間不易翻轉(zhuǎn)，成為磨煤過程中的不利物質(zhì)。

(3)CA在粉碎中出現(xiàn)的小粒度占比不增反降現(xiàn)象與其特殊的表面性質(zhì)有關(guān)。對于硬度較低的煤種而言，盡管其顆粒容易粉碎，但是顆粒之間重新粘合的概率更高，這將導(dǎo)致“黏磨”現(xiàn)象的產(chǎn)生，此現(xiàn)象可導(dǎo)致混煤制粉過程中其他煤種可磨性降低。

(4)通過顯微組分和鏡質(zhì)組反射率分析證明此煤礦的煤質(zhì)發(fā)生了改變，進而導(dǎo)致煤的物理性質(zhì)差異，應(yīng)加強來源煤的巖相分析。