基于高压水射流的超细煤粉制备技术及其影响因素研究＊

张玉涛 李亚清 洪侯勋 Greg Galecki 马晓峰

（1.西安科技大学能源学院，陕西省西安市，710054；2.教育部西部矿井开采及灾害防治重点试验室，陕西省西安市，710054；3.北京化工大学，北京市朝阳区，100029；4.密苏里科技大学，美国密苏里州，65401）

1 概述

煤炭是我国的主要能源，在我国一次能源生产和消费结构中占85%以上，由于其丰富的储量和相对低的价格，在我国能源结构中的主体地位未来几十年都不会改变。然而煤中含有大量的有害物质，燃烧时会造成严重的环境污染。此外，煤中的这些不可燃物质会在燃烧过程中以煤灰的形式沉积于锅炉壁上，不仅降低锅炉的热效率，有时甚至会引发爆炸之类的严重安全事故。为了能确保我国煤炭资源的可持续利用，在煤炭燃烧前彻底清除煤中的杂质变得日益重要。据分析，煤中杂质的清除很大程度上取决于前期的破碎工艺是否能有效地将这些杂质解离出来。此外，世界石油储量的日益稀少也加大了对水煤浆的迫切需要，而水煤浆技术发展的一个重要前提就是要制备出粒径小于10μm 的细腻而均匀的超细煤粉。

传统的超细煤制备工艺是个能耗较高的过程，研究发现在传统的破碎过程中，真正用于物料破碎的能量还不到输入能量的4%，剩余96%的能量都白白浪费。目前，球磨机是超细煤粉制备的关键设备，但由于严重的聚集作用，当煤颗粒小于15μm时，球磨机也无法再进一步对其破碎，这成为阻碍水煤浆技术发展的重要因素。造成这种低效的根本原因在于这些传统的破碎技术主要是通过施加大量的压缩力来达到物料破碎的目的，而像煤这种内部布满原生裂隙、孔隙和杂质等缺陷的易碎物料，其抗压能力远远大于抗拉能力。所以，对于这类充满着微小裂隙结构的物料，通过在其内部产生拉伸力要比通过施加压应力使其破碎容易得多。美国密苏里科技大学岩石力学研究中心正是因为注意到了物料拉伸破碎的优势，于20世纪80年代中期，将高压水射流技术应用到物料破碎领域，利用高压水射流进行了木料制浆、废纸制浆、城市固体垃圾处理及煤与矿物的粉碎等试验，取得了良好的效果。

高压水射流破碎技术是将高聚能的水射流以一定的方式作用于静止的物料上，高速的水射流在惯性的作用下迅速穿入物料内部的原生裂隙和节面并在瞬间产生巨大的拉应力，从而使物料内部的裂隙和节面迅速延伸、繁衍和交汇，最终导致物料破碎。因为这种特殊的破碎原理，所以与传统的破碎技术相比，高压水射流破碎技术有两个非常显著的优点：一是高速液体穿透了晶粒的界面，使物料的不同成分之间沿着边界分开；二是物料在瞬间被破碎到了超细的粒度范围，保留了物料不同成分的原始结晶形状和表面光泽度，避免了因长时间打磨并暴露在空气中而导致的表面磨损和污染，这两点对于后续的洗煤过程都非常有利。

本文通过试验研究了高压水射流技术在超细煤粉破碎中的应用，从颗粒尺寸、比表面积、粒径分布以及形貌特征等方面分析了高压水射流粉碎煤体的效果，一定程度上可以为水流磨制备超细煤粉的工艺优化提供理论依据。

2 试验装置及试验条件

2.1 试验装置

试验仪器选用美国密苏里科技大学矿业系岩石力学研究中心自行研制的高压空化射流磨，该射流磨主要由水箱、高压泵、加料装置、混合加速室、空化室及出料装置组成，其结构原理图如图1所示。

图1 高压空化射流磨结构图

由图1可见，水箱的水经高压泵转化为稳定的高聚能水射流射入混合加速室，原煤通过一个和混合加速室垂直安装的进料管给入。在煤进入加速室的瞬间，无数次被高速和高聚能的水射束击中并加速，在该过程中，高聚能水束迅速穿入煤内部的原生裂隙和节面并在其中产生强大的内压，促使其原有的裂隙和缺陷迅速增长、繁衍和交汇，进而导致煤颗粒发生粉碎性破裂；之后将这些高压水束作为载体，携带加速后的煤颗粒通过浆液喷嘴喷射到空化室内的靶物上与靶物发生强烈撞击，从而使煤颗粒遭受二次粉碎，由于在空化室内射流处于淹没状态，所以室内围绕射流产生了强烈的紊流和空化，这种紊乱和空化作用对煤颗粒进行了进一步的粉碎；最后，粉碎后的煤通过出料装置流出，利用激光粒度分析仪和扫描电子显微镜分别分析其粒径和表面特征。

2.2 试验方法及条件

煤样取自美国西弗吉尼亚某矿的无烟煤，将煤样破碎至粒度小于850μm，收集2000g作为原煤煤样，剩余的煤样筛分出低于106 μm、106～212μm、212～355μm 和355～850μm 这4 种粒径的子煤样，以不添加任何其它物料的自来水作为射流介质，所有煤样经空化射流磨分别在射流压力为69 MPa、138 MPa、207 MPa和276 MPa下粉碎，粉碎后的产物经沉降、分离、脱水和干燥程序后取一定量进行粒度和形貌特征分析。试验煤样的工业分析如下：Vad为28.42%、Aad为2.83%、FCad为68.75%、发热量为3.40kJ／g、可磨性指数为74.41%；化学元素分析如下：碳含量为84.32%、氢含量为4.86%、氮含量为1.62%、氧含量为5.55%、硫含量为0.82%。

3 试验结果与讨论

3.1 高压水射流粉碎煤粒径分布分析

原煤在不同射流压力下经射流磨一次粉碎后产物的质量累积分数和质量分数曲线见图2。

图2 不同射流压力下粉碎煤样的粒径分布

由图2可见，原煤的颗粒尺寸较大且粒径分布广泛，在69 MPa的射流压力下，经射流磨一次破碎，大颗粒的质量分数明显减少，同时粒径分布曲线较原煤变窄许多。当射流压力增至207 MPa，经射流磨一次粉碎后的产物中，超细颗粒的数目有了显著的增加。在原煤中30μm 以下的细颗粒仅占9%，粉碎后30μm 以下的细颗粒达到88%以上，且60%以上的颗粒尺寸小于10μm。这些数据充分说明高压水射流在煤粉破碎上具有非常强的能力，能在很短的时间内把最大粒径为850μm的原煤颗粒粉碎至富集于8μm 的细小颗粒。随着射流压力的增加，破碎产物的粒径分布曲线上出现了单-双-单的峰值变化规律。这是由于在空化射流磨中主要有两种破碎机理，一种是拉伸与水楔作用下的粉碎性破裂，另一种是紊流-气蚀作用下的研磨性破裂。研磨性粉碎是超细煤粉产生的主要机理，随着射流压力的增大，射流磨内的紊流和气蚀作用强度之大以至于研磨性粉碎在射流磨中占主导破碎地位。

3.2 高压水射流粉碎煤比表面积分析

不同进料粒度下破碎产物与原煤的比表面积之比随射流压力的变化曲线见图3。对于粒径为355～850μm的煤样，射流压力每增加1 MPa，比表面积的比值增加 0.2； 而对于粒径为106～212μm的煤样，压力每增加1 MPa，比表面积的比值只增加0.1。

图3 破碎后煤样与原煤样比表面积之比随射流压力的变化曲线

由图3可见，在同等压力下进料的粒度越大，破碎产物与原煤的比表面积比值越大。因此，从能耗方面来说，空化射流磨与传统的机械粉碎机一样，进料尺寸越大，输入能量中用于破碎所占的比例越高。这主要是因为在空化射流磨中，煤颗粒破碎主要是通过其内部原生裂纹、孔隙和杂质等缺陷的延伸、繁衍及交汇而实现。Griffith 理论指出物料内部已有的裂隙有助于繁衍和形成新的裂隙，随着煤颗粒尺寸的减小，其内部孔隙、裂隙和节面大量减少，甚至消失，所以与大尺寸的煤颗粒相比，破碎小颗粒的煤样射流磨需要输入更多的能量。同时也可以看出，破碎后与原煤比表面积之比随压力基本上呈线性变化，而且原煤颗粒越大，比表面积的比值增大速率越大。

3.3 高压水射流粉碎煤表面形态分析

原煤在不同射流压力下经射流磨一次粉碎后，煤颗粒的SEM 显微镜分析照片见图4。

由图4中颗粒的外形特征可以看出，69 MPa射流压力下的产品大多拥有尖锐的边角，随着射流压力的增大，产物中颗粒的边角变得越来越圆滑直至呈现出圆弧形。相关专家研究发现，颗粒的破裂机理是决定其产物表面形态的主要因素，粉碎性破裂的产物其边角都比较尖锐，而由于研磨而导致的表面剥裂性破裂，其产物的边角多呈圆弧状。因此在空化射流磨中，当射流压力较低时，煤颗粒主要以粉碎性破裂为主，随着射流压力的增大，由于颗粒之间及颗粒与管壁之间的摩擦剪切作用而导致的剥裂性破裂越来越明显。

图4 不同射流压力下破碎产物的电子显微分析照片

4 结论

（1）高压水射流破碎技术具有很强的超细煤粉制备能力，可以在很短的时间内将最大粒径为850μm原煤破碎至富集于8μm 的超细煤粉，且破碎后的产物粒径分布较窄。

（2）射流压力和进料颗粒尺寸对空化射流磨粉碎煤的效果有很大影响，射流压力越大，产品中细颗粒的质量分数越高，粒径分布越集中。进料颗粒尺寸对射流磨粉碎效率的影响与传统机械破碎机一致，即进料尺寸越小能耗越高。

（3）高压水射流破碎煤体过程中展现出两种不同的破碎机理， 压力较低时，主要呈现粉碎性破裂；随着射流压力的增大，煤颗粒以剥裂性破裂为主。

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