煤樣粒徑對(duì)煤質(zhì)分析特性及燃燒特性的影響研究★

王 勇

（山西省地質(zhì)礦產(chǎn)研究院有限公司，山西 太原 030001）

0 引言

煤質(zhì)分析主要分析煤的水分、灰分、揮發(fā)分等物理性質(zhì)及煤的燃燒特性，煤質(zhì)分析結(jié)果決定原煤具體的利用方式和應(yīng)用場景。煤的工業(yè)分析和燃燒特性分析均需要對(duì)原煤進(jìn)行研磨、篩分以滿足實(shí)驗(yàn)要求，煤粉經(jīng)研磨后不同粒度煤樣的比表面積、孔隙率和孔隙結(jié)構(gòu)等性質(zhì)均會(huì)發(fā)生改變，從而影響煤質(zhì)分析結(jié)果[1]和煤的燃燒特性[2]。

因此，本文選取陽泉無煙煤進(jìn)行破碎、研磨和篩分得到不同粒徑煤樣，分析研究不同粒徑煤樣對(duì)其水分、灰分、揮發(fā)分含量及燃燒特性的影響規(guī)律，以期為精細(xì)化煤質(zhì)檢驗(yàn)工作提供借鑒參考。

1 不同粒徑煤樣制備及煤質(zhì)分析方法

本文無煙煤制樣遵循GB474—1996《煤樣的制備方法》，將空氣干燥基無煙煤原煤經(jīng)反復(fù)破碎、研磨和篩分，得到3～6 mm、1～3 mm、0.5～1 mm、0.25～0.5 mm、0.2～0.25 mm、0.074～0.2 mm 共6 種不同粒徑的煤樣以供測試。

本文依據(jù)GB/T30732—2014《煤的工業(yè)分析方法儀器法》，使用MAC-500 型工業(yè)分析儀對(duì)不同粒徑煤樣的水分、灰分、揮發(fā)分進(jìn)行測試。使用STA409 型熱重分析儀對(duì)不同粒徑煤樣的著火溫度（ti）、穩(wěn)燃特性指數(shù)（S）和燃盡特性指數(shù)（Hj）進(jìn)行測試，實(shí)驗(yàn)煤樣質(zhì)量為10 mg，在空氣流量65 mL/min 條件下測試升溫速率為20 ℃/min 時(shí)煤樣從20 ℃提升至1 000 ℃過程中煤樣的熱重曲線TG 和微分熱重曲線DTG，結(jié)合TG 圖、DTG 圖與穩(wěn)燃特性指數(shù)及燃盡特性指數(shù)公式[式（1）、式（2）]分析煤樣粒徑對(duì)煤燃燒特性的影響規(guī)律。

式中：（dG/dτ）max為燃燒峰的最大失重速率；ti為著火溫度；tmax為（dG/dτ）max對(duì)應(yīng)溫度。

式中：ΔT 為DTG 總峰寬溫度差，ΔT=ΔTq+ΔTh；ΔTh為后半峰溫度差。

2 粒徑對(duì)煤工業(yè)分析結(jié)果的影響

2.1 粒徑對(duì)煤水分含量測試結(jié)果的影響

不同粒徑煤樣空氣干燥基水分含量測試結(jié)果如圖1 所示。觀察圖1 可知，煤樣的含水量與煤樣粒徑大小成反比關(guān)系，煤樣粒徑越小，所測得煤樣的含水量越大。無煙煤的變質(zhì)程度較高，結(jié)構(gòu)緊實(shí)，水分主要賦存在有機(jī)質(zhì)的孔隙結(jié)構(gòu)種，內(nèi)在水含量相對(duì)較少，研磨導(dǎo)致煤樣的粒徑不斷減小的過程中，越來越多的有機(jī)質(zhì)暴露出來，致使所測煤樣含水量的不斷上升，該結(jié)果與前人研究一致。

圖1 煤種水分含量與煤樣粒徑的關(guān)系

2.2 粒徑對(duì)煤灰分含量測試結(jié)果的影響

不同粒徑煤樣空氣干燥基灰分含量測試結(jié)果如圖2 所示。由圖2 可知，煤樣的灰分含量與煤樣粒徑大小成正比關(guān)系，煤樣粒徑越小，所測得煤樣的灰分含量越小。灰分是煤中所含不可燃無機(jī)礦物的占比，灰分含量與煤的變質(zhì)程度有直接關(guān)系，煤的變質(zhì)程度越高，灰分含量越少，高變質(zhì)無煙煤的灰分含量相對(duì)較少。煤樣在破碎和研磨過程中，無機(jī)礦物與有機(jī)質(zhì)逐漸分離，篩分導(dǎo)致質(zhì)量較大的無機(jī)礦物與有機(jī)質(zhì)進(jìn)一步分離，煤樣研磨得越細(xì)致，無機(jī)礦物與有機(jī)質(zhì)分離得越充分，致使煤樣粒徑越小，所測得煤樣的灰分含量越少。

圖2 煤中灰分含量與煤樣粒徑的關(guān)系

2.3 粒徑對(duì)煤揮發(fā)分含量測試結(jié)果的影響

揮發(fā)分是煤中有機(jī)質(zhì)和部分礦物質(zhì)隔絕空氣加熱過程中水分校正后的質(zhì)量損失。揮發(fā)分含量與煤的變質(zhì)程度有關(guān)，煤的變質(zhì)程度越高，揮發(fā)分含量越低，高變質(zhì)無煙煤的揮發(fā)分含量相對(duì)較少。不同粒徑煤樣空氣干燥基揮發(fā)分含量測試結(jié)果如圖3 所示。由圖3可知，煤樣的揮發(fā)分含量與煤樣粒徑大小大體呈反比關(guān)系，煤樣的揮發(fā)份含量隨煤樣粒徑的減小而增大。由于煤揮發(fā)分的主要來源是由有機(jī)質(zhì)和部分礦物質(zhì)，煤樣不斷研磨粒徑逐漸減小的過程中無機(jī)礦物與有機(jī)質(zhì)逐漸分離，煤樣中的有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)增加，導(dǎo)致產(chǎn)生揮發(fā)分的基本物質(zhì)含量相對(duì)增加，煤樣粒徑越小，所測得煤樣的揮發(fā)分含量越大。

圖3 煤中揮發(fā)分含量與煤樣粒徑的關(guān)系

對(duì)不同粒徑煤樣的工業(yè)分析結(jié)果可知，煤樣粒徑越小，水分含量和揮發(fā)分含量越大，灰分含量越小，粒徑對(duì)水分、灰分、揮發(fā)分含量的影響將進(jìn)一步影響煤樣的燃燒性能，下文將分析水分、灰分、揮發(fā)分含量隨煤樣粒徑變化對(duì)煤粉燃燒特性的影響。

3 粒徑對(duì)煤燃燒特性的影響

3.1 不同粒徑煤粉的點(diǎn)燃特性分析

煤的著火溫度[3]是指煤由緩慢氧化狀態(tài)轉(zhuǎn)換至高速燃燒狀態(tài)時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度，著火溫度反映煤著火性能的好壞，著火溫度越低煤越容易著火。圖4 所示為不同粒徑煤樣著火溫度的測試結(jié)果。由圖4 可知，煤樣的著火溫度與煤樣粒徑大小成正比關(guān)系，煤樣粒徑越小，著火溫度越低，煤樣越容易著火。一方面，煤樣粒度越小，煤樣的比表面積越大，揮發(fā)分的析出越容易，氧化及燃燒反應(yīng)的表面積越大，氧化及燃燒過程中的熱阻越小；另一方面，煤樣不斷研磨，粒徑不斷變小的過程中，不可燃灰分含量的逐漸減少對(duì)著火溫度的減小有積極作用，而煤樣粒徑減小水分含量的增加對(duì)著火特性的影響相對(duì)較小。

圖4 煤的著火溫度與煤樣粒徑的關(guān)系

3.2 不同粒徑煤粉的燃燒穩(wěn)定性分析

穩(wěn)燃特性指數(shù)[4]是反映煤粉前期燃燒狀況的指標(biāo)，該指數(shù)越大說明煤粉的著火穩(wěn)定燃燒性能越好。圖5 所示為不同粒徑煤樣穩(wěn)燃特性指數(shù)的測試結(jié)果。由圖5 可知，煤樣的穩(wěn)燃特性指數(shù)與煤樣粒徑大小成反比關(guān)系，煤樣粒徑越小，穩(wěn)燃特性指數(shù)越大，煤粉著火穩(wěn)定性越好。煤粉的著火穩(wěn)定性與煤粉的組成有直接關(guān)系，均勻的可燃有機(jī)質(zhì)分布更有利于煤粉的穩(wěn)定燃燒。煤粉研磨至小粒徑過程中揮發(fā)分含量增大、灰分含量減小，煤中揮發(fā)分熱解析出形成多孔性的碳粒結(jié)構(gòu)的過程可以是可燃有機(jī)質(zhì)的分布更加均勻，有利于可燃有機(jī)質(zhì)的穩(wěn)定燃燒，煤粉粒徑變化過程中水分對(duì)穩(wěn)燃特性指數(shù)的影響較小。

圖5 煤的穩(wěn)燃特性指數(shù)與煤樣粒徑的關(guān)系

3.3 不同粒徑煤粉的燃盡特性分析

燃盡特性指數(shù)[5]是反映煤粉燃盡性能好壞的指標(biāo)，該指數(shù)越大說明煤粉越容易燃燒完全。圖6 所示為不同粒徑煤樣燃盡特性指數(shù)的測試結(jié)果。由圖6 可知，煤樣的燃盡特性指數(shù)與煤樣粒徑大小成反比關(guān)系，煤樣粒徑越小，燃盡特性指數(shù)越大，煤粉越容易燃燒完全。其原因在于，煤樣在研磨至小粒徑過程中不可燃無機(jī)礦物逐漸被剝離，煤樣粒徑越小，無機(jī)礦物的剝離越完全，煤樣中可燃有機(jī)質(zhì)的占比越高，煤樣越容易完全燃燒；并且大粒徑煤樣含有的不完全可燃礦物質(zhì)相對(duì)較多，其燃燒時(shí)會(huì)形成一層灰殼，阻礙氧化介質(zhì)擴(kuò)散，對(duì)煤粉的燃燒造成消極影響，反之，小粒徑煤樣燃燒時(shí)灰殼對(duì)燃燒的消極影響很小。

圖6 煤的燃盡特性指數(shù)與煤樣粒徑的關(guān)系

上述研究表明，煤樣粒徑越小，煤樣的著火溫度越低，穩(wěn)燃特性指數(shù)和燃盡特性指數(shù)越大，即煤樣粒徑減小有利于提升煤粉的燃燒性能。

4 結(jié)論

本文系統(tǒng)分析了煤樣粒徑對(duì)煤水分含量、灰分含量、揮發(fā)分含量測試結(jié)果的影響，結(jié)合粒徑對(duì)工業(yè)分析結(jié)果的影響規(guī)律分析煤樣粒徑對(duì)煤樣燃燒特性的影響機(jī)理，結(jié)果表明：

1）煤樣粒徑的變化會(huì)影響其工業(yè)分析結(jié)果。陽泉無煙煤煤樣的水分含量和揮發(fā)分含量隨粒徑的減小而增大，煤樣的灰分含量隨粒徑的減小而減小。煤樣在破碎、研磨至小粒徑過程中有機(jī)質(zhì)暴露面積的增加是水分含量增加的根本原因，不可燃無機(jī)礦物被篩分和剝離導(dǎo)致煤樣的灰分含量的下降和可燃有機(jī)質(zhì)占比的提升，導(dǎo)致煤樣揮發(fā)分含量增加。

2）煤樣粒徑的變化會(huì)影響其燃燒特性。陽泉無煙煤煤樣的著火溫度隨粒徑的減小而降低，粒徑越小灰分含量越少，煤樣的氧化及燃燒反應(yīng)面積越大，煤樣越容易被點(diǎn)燃。煤樣粒徑的減小有利于煤樣的穩(wěn)定著火燃燒和完全燃燒，煤樣的粒徑減小使灰分含量減少、揮發(fā)分含量增加，可燃有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)增加且分布更加均勻，不完全可燃礦物質(zhì)燃燒生成灰殼對(duì)燃燒的消極影響也隨之減小，煤樣粒徑減小導(dǎo)致水分含量增加對(duì)煤樣燃燒性能的影響較小。