影響半焦制粉產(chǎn)能的因素研究

常甜，郝亮亮，侯志勇，高偉

（陜西煤業(yè)化工新型能源科技股份有限公司神木分公司，陜西 神木 719300）

半焦是煤經(jīng)過干餾得到的產(chǎn)物，又稱蘭炭。中國半焦的產(chǎn)區(qū)主要為陜西、內(nèi)蒙、寧夏和新疆。陜西的產(chǎn)能主要集中在榆林，其中神木約3 500萬噸，府谷約2 400萬噸，榆陽約300 萬噸。無煙煤消耗量逐年增加，資源日漸稀缺，半焦因其含碳量高、燃燒穩(wěn)定的特點具有代替無煙煤的可行性。巣昌耀等[1]研究了煤與半焦混合燃燒特性，結(jié)果顯示，隨著半焦添加量的增加，混合燃料的可燃性指數(shù)和燃燒特性指數(shù)都減少，說明半焦的存在會減弱物料的燃燒性能，得出半焦的添加比例應控制在15%以內(nèi)。李小炯[2]研究了在分別使用煤和半焦作為燃料時，鍋爐運行相同負荷下，半焦的初始氮氧化物及硫化物排放量均低于煤粉，而且半焦燃燒的過程更具有穩(wěn)定性，可作為單一燃料使用。張明昌[3]以半焦為燃料，使用MPS-HP-II 型磨煤機針對半焦磨粉特性，設計出合理的選型方案，使用高耐磨性材料解決耐磨件壽命問題，成功應用于煤粉鍋爐。越來越多的企業(yè)開始探索將半焦代替煤炭的可行性，在部分煉鋼廠中，已形成半焦代替少量無煙煤的噴吹工藝。但是由于半焦可磨性較差等原因，導致半焦制粉的產(chǎn)能低。本文從半焦的熄焦工藝和自身性質(zhì)出發(fā)，研究提高其磨粉產(chǎn)能的方法。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

實驗樣品為神木地區(qū)煙煤及其所制半焦，按照GB/T 212—2008進行工業(yè)分析，數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示，原煤揮發(fā)分為34.44%，固定碳51.31%，半焦A 揮發(fā)分10.93%，固定碳68.33%，半焦B 揮發(fā)分12.96%，固定碳65.36%。半焦具有低揮發(fā)分、高固定碳的特點，這是由于半焦經(jīng)過干餾，導致部分揮發(fā)分析出，相應地，固定碳含量有所增加。在半焦生產(chǎn)工藝中多采用清水熄焦，因此半焦的水分較原煤有所增加。將半焦與煤制成0.63～1.25 mm 的粒級備用（除微波改性實驗外均以半焦B為實驗原料）。

表1 工業(yè)分析

1.2 可磨性指數(shù)測定實驗

可磨性指數(shù)可以表示物料被粉碎的難易程度，按照GB/T 2565—2014 測定可磨性指數(shù)，篩分出粒度為0.63～1.25 mm 之間的樣品。將原煤分別按照20%、40%、60%、80%的質(zhì)量比例與半焦均勻混合，準確稱取50.00 g樣品，將樣品放入研磨碗中，將鋼球均勻放置于樣品上，由設定好的程序運轉(zhuǎn)60轉(zhuǎn)后自動停止，將混合物料全部倒入0.074 mm篩子，在振篩機上篩分10 min，準確稱取篩下物的質(zhì)量，根據(jù)標準曲線查找得到對應的可磨性指數(shù)（HGI）。

1.3 配煤混磨實驗

控制配煤比例為0、20%、40%、60%、80%、100%，使用5E-PAM3型制樣機，每次粉碎缽裝樣質(zhì)量為20 g、粒度為0.63～1.25 mm 的樣品，按照GB/T 2565—2014 進行可磨性指數(shù)測定。

1.4 熱重檢測實驗

使用型號為NETZSCH STA 449F3 的熱重分析儀，升溫速率為10℃/min，由室溫升溫至1 000℃，反應氣氛為空氣，流量速率為20 mL/min，根據(jù)實時溫度與樣品重量作出熱重曲線（TG），以及樣品失重速率與實時溫度的關系曲線（DTG）。根據(jù)兩曲線圖得到樣品的著火溫度Ti，最大失重速率對應溫度Tmax，燃盡溫度Th，通過分析三個特征溫度得出樣品的燃燒特性。

1.5 不同篩分方式實驗

控制水分分別為3%、6%、9%、12%、15%，20%，分別使用濕篩與干篩對磨粉后的物料進行篩分，對比不同篩分方式后的篩下物產(chǎn)率，表征顆粒間的作用力。

1.6 微波改性實驗

經(jīng)過破碎、篩分，控制半焦A 的粒度為0.63～1.25 mm 之間，采用微波改性，共五個檔位，微波時間均為5 min，以磨粉后的200目篩下產(chǎn)率作為評價依據(jù)。

2 實驗結(jié)果

2.1 混合物料可磨性

如表2、表3所示，根據(jù)可磨性實驗得到原煤可磨性為62.15，屬于中等可磨等級；半焦可磨性為39.21，屬于難磨等級。將原煤按照不同比例與半焦摻混，隨著可磨性較高的原煤摻配比例增加，混合物料的可磨性逐漸增加。當煤的摻配比例較少時，混合物料的可磨性低于加權平均值，當摻配比例超過60%，混合物料的可磨性逐漸接近并超過加權平均值，見表4，說明摻配一定比例可磨性較好的煤可在一定程度上改善混合物料的可磨性，從而提高制粉產(chǎn)能，但半焦本身的可磨性并未發(fā)生改變，此時在兩種物料中，可磨性較差的半焦起到了“助磨劑”的作用。兩種可磨性相差較大的物料在磨粉過程中，易磨物料摻配比例較高時，難磨物料對易磨物料起到擠壓作用，使易磨物料進一步解離[4]。難磨物料受到的作用力傳遞到易磨物料，促進其表面粉碎[5]。

表2 哈氏可磨性指數(shù)分級

表3 可磨性指數(shù)

表4 混合物料可磨性指數(shù)

顯然，隨著半焦占比增大，混合樣品的可磨性降低。根據(jù)經(jīng)典的Griffith 粉碎理論，固體物質(zhì)的破碎機理主要是由裂紋的產(chǎn)生和拓展所造成。對于脆性材料來說，其在外部沖擊下，可以在材料內(nèi)部產(chǎn)生傳播的應力波，這些應力波會在材料缺陷及裂紋等位置產(chǎn)生應力集中，顆粒則隨著裂紋的發(fā)育而破碎。以高分子聚合物為代表的塑性材料，具有較好的韌性，應力集中只會使材料產(chǎn)生局部變形，輸入的能量被變形過程消耗掉了，沒有形成應力波的擴散，裂紋和缺陷不能充分發(fā)育，從而破碎不顯著。煙煤在熱解過程中經(jīng)歷縮聚以及高溫炭化，內(nèi)部結(jié)構會更加規(guī)整化，熱解半焦內(nèi)部結(jié)構相比原煤也更加緊實，因此推測半焦煤基質(zhì)的塑性弱而脆性強。

圖1 混合物料可磨性指數(shù)曲線圖

2.2 熱重檢測

通過熱重檢測，可得出物質(zhì)在受熱時溫度與質(zhì)量的變化及變化速率，從而反映物質(zhì)的熱穩(wěn)定性和燃燒情況。

根據(jù)熱重曲線可知：半焦著火溫度為470.99℃，最大失重速率對應溫度為604.84℃，燃燼溫度為641.71℃；原煤著火溫度為415.42℃，最大失重速率對應溫度為527.37℃，燃盡溫度為580.79℃。從室溫至300℃是半焦的物理脫水過程，從室溫至260℃是原煤的脫水過程，半焦脫水終溫高于原煤，分析認為是半焦水分較高且孔隙中水分較難脫出導致；隨著燃燒溫度繼續(xù)升高，曲線開始發(fā)生明顯的失重現(xiàn)象，該階段煤和半焦中的揮發(fā)分不斷析出。其中，原煤最先在350℃開始失重，半焦則在更高溫度下開始失重。由于半焦的揮發(fā)分含量較少，與煤相比這一階段缺乏揮發(fā)分析出產(chǎn)生的熱量，該現(xiàn)象表明半焦的著火反應需要在更高溫度下進行。著火溫度半焦較原煤增加了將近55℃，因此理論上半焦的儲存安全性較高。在350℃～610℃范圍內(nèi)，原煤及半焦的TG 曲線發(fā)生劇烈的失重現(xiàn)象，DTG曲線在相應溫度區(qū)間表現(xiàn)出較寬的失重峰，且在500℃～610℃范圍內(nèi)達到最大失重速率，該階段主要發(fā)生揮發(fā)分點火引燃固定碳及固定碳的劇烈燃燒過程，是煤和半焦燃燒的主體部分。從半焦與煤的最大失重速率對應溫度Tmax和燃盡溫度Th對比，半焦在燃燒過程中可產(chǎn)生較高的溫度。從這個角度來看，半焦可以代替煤炭使用（見表5、圖2、圖3）。

圖2 半焦熱重檢測結(jié)果

圖3 原煤熱重檢測結(jié)果

表5 熱重檢測結(jié)果

2.3 不同水分半焦磨粉結(jié)果

控制水分分別為3%、6%、9%、12%、15%、20%，通過濕篩與干篩的方式表征顆粒間的作用力，如表6，由實驗結(jié)果可知，隨著半焦水分增加，干篩與濕篩的篩下物產(chǎn)率差距越大，這是由于粉體顆粒間水分較多，形成液橋。由于表面張力和毛細壓差的作用，顆粒間將有液橋力存在，液橋力比分子作用力約大1～2 個數(shù)量級。因此，顆粒水分較多時產(chǎn)生的凝聚現(xiàn)象主要是液橋力造成。保持顆粒的干燥是有效減少顆粒結(jié)團的重要措施。在干篩時顆粒間由于液橋力的作用團聚在一起，形成大顆粒團聚體，無法透過篩網(wǎng)，在工業(yè)生產(chǎn)過程中堵塞收粉布袋，使布袋兩側(cè)壓差增大，系統(tǒng)出力下降，這也是工藝中除半焦本身可磨性的因素之外，導致磨粉效率低、能耗較高的原因。因此去除半焦中的水分是提高半焦磨粉效率的方法之一。

表6 不同水分半焦磨粉實驗

2.4 SEM檢測

SEM 檢測用來觀測半焦和煤顆粒表面微觀結(jié)構的形態(tài)和組成。如圖4 所示，通過對比煤與半焦的SEM圖，可以明顯看出半焦具有更多的空隙結(jié)構，經(jīng)過熱解，在高溫下生成了更加穩(wěn)定的結(jié)構[6]。在反應初期，在高溫下煤經(jīng)過脫水脫氣，這些物質(zhì)在析出的過程中破壞孔隙結(jié)構，經(jīng)過進一步塑性階段和再凝固階段、縮聚反應，從而導致煤基質(zhì)強度增加，可磨性減小。

圖4 半焦和原煤的SEM

2.5 微波改性實驗

微波改性作為一種高效、綠色、無污染的干燥方法，其指的是在一定的波段下，通過高頻電磁振蕩使物料內(nèi)部的水分子振動，從而達到脫水的效果，物料本身就是發(fā)熱體[7]。與傳統(tǒng)加熱干燥不同，微波干燥無需熱傳導的時間，熱效率較高；微波干燥過程中熱源穩(wěn)定?？琢顐サ萚8]采用微波方式將褐煤進行預處理，結(jié)果表明，經(jīng)過微波干燥的樣品熱解后的固相產(chǎn)物減少。

半焦A 的原始水分為7.29%，控制半焦A 的粒度為0.63～1.25 mm 之間，采用微波改性，共五個檔位，控制微波時間均為5 min，以磨粉后的200 目篩下產(chǎn)率作為評價依據(jù)，結(jié)果見表7。

表7 半焦A微波改性實驗

控制半焦A 水分穩(wěn)定至28%，重復以上實驗步驟，實驗結(jié)果如表8所示。

表8 半焦A第二次微波改性實驗

本實驗分別以原始水分為7.29%、28.65%的半焦分別進行五組不同微波強度的改性、磨粉實驗，原始水分為7.29%時，改性效果最好，即200 目篩下產(chǎn)率由36.68%提高到40.32%；原始水分為28.65%時，改性效果最好，為200目篩下產(chǎn)率37.00%，由于原水水分較高，未進行改性前的磨粉實驗。目前實驗均以微波強度為變量，均在微波強度為第四檔時出現(xiàn)最佳值。經(jīng)過微波改性后，半焦的磨粉效果有所改善，但并不明顯，后續(xù)研究應進一步從微波改性對半焦的作用機理方面入手。

3 結(jié)論

物料自身可磨性和水分是影響半焦制粉產(chǎn)能的主要因素，后續(xù)可從煤制半焦工藝方面進行優(yōu)化，調(diào)整工藝參數(shù)，改善半焦可磨性，如控制半焦生產(chǎn)過程中的干餾溫度適宜，從而有助于半焦粉碎[9]。

（1）當兩種物料的可磨性相差較大，通過摻配一定量可磨性較好的煤，能夠達到改善混合物料可磨性的效果。單獨物料的可磨性沒有改變，加入的煤在磨粉過程中起到“助磨”的作用，促進了半焦的表面粉碎效果。實驗結(jié)果表明，當摻配比例超過60%可明顯提高混合物料的可磨性，此時混合物料的實際可磨性接近加權平均值。

（2）由于半焦的揮發(fā)分含量較少，半焦的著火溫度、最大失重速率對應溫度、燃燼溫度都比煤的略高，說明半焦儲存的安全性較高，而且燃燒時能達到更高的燃燒溫度，將其代替煤炭在使用理論上具有可行性。

（3）較多的水分存在時導致半焦顆粒之間的液橋力增加，顆粒間團聚形成更大的顆粒，在篩分時難以透過篩網(wǎng)，影響篩分效率。在工業(yè)生產(chǎn)中，半焦水分偏高是影響其磨粉產(chǎn)能較低的主要原因之一，高效地去除水分是提高產(chǎn)能的途徑。

（4）半焦是煤經(jīng)過熱解后的產(chǎn)物，在揮發(fā)分析出的過程中形成了孔隙結(jié)構，同時經(jīng)過高溫階段的縮聚反應對半焦結(jié)構的重塑，使這種孔隙結(jié)構更加穩(wěn)定，在實際生產(chǎn)中表現(xiàn)為可磨性相應地下降。

（5）在半焦水分較低時，微波改性對磨粉效果有一定促進作用，但不明顯。因此想要更好地利用微波技術用于半焦表面改性，需要進一步探究半焦性質(zhì)與微波改性的作用機理和規(guī)律。