微波预处理对炼焦中煤破碎解离特性的影响

朱向楠,陶有俊,何亚群,罗 成,孙启潇,王 旭

(1.中国矿业大学煤炭加工与高效洁净利用教育部重点实验室,江苏徐州 221008;2.中国矿业大学化工学院,江苏徐州 221008)



微波预处理对炼焦中煤破碎解离特性的影响

朱向楠1,2,陶有俊1,2,何亚群1,2,罗 成1,2,孙启潇1,2,王 旭1,2

(1.中国矿业大学煤炭加工与高效洁净利用教育部重点实验室,江苏徐州 221008;2.中国矿业大学化工学院,江苏徐州 221008)

摘 要:为探究微波预处理对炼焦中煤磨矿性质的影响,采用颚式破碎机及棒磨机对炼焦中煤进行破碎试验。预处理前、后煤样的背散射图像分析结果表明:微波诱导煤样产生微米级裂缝,煤样的可磨性显著提高。挤压破碎条件下,经不同时间微波预处理煤样的破碎产物具有近似的粒度分布,微波预处理并没有改善煤样的破碎特性。磨矿试验结果表明:微波预处理可以显著的改善煤样的细磨效果,微波预处理时间、给矿量及磨矿时间对磨矿细度的交互作用明显,建立了3种因素对磨矿细度的模型关系。在相同的粒度要求条件下,微波预处理可以显著的降低磨矿时间。能耗分析结果表明:预处理时间为3 min时,磨矿过程综合能耗可以降低31.24%。磨矿产物密度分析结果表明:磨矿时间相同时,由于微波助磨作用及选择性加热作用,磨矿产物的解离度随预处理时间的延长而增大,预处理时间为3 min时,精煤灰分为10%条件下,精煤产率提高9个百分点。

关键词:炼焦中煤;微波预处理;背散射成像;挤压破碎;磨矿解离

责任编辑:张晓宁

朱向楠,陶有俊,何亚群,等.微波预处理对炼焦中煤破碎解离特性的影响[J].煤炭学报,2015,40(8):1942-1948.doi:10.13225/ j.cnki.jccs.2014.1554

我国以煤为主的能源结构决定了实现煤炭的清洁利用是中国实现低碳经济的关键。高灰高硫的炼焦中煤是选煤过程中的中间产物,现阶段主要用于再选回收精煤及火力发电。无论通过何种方式的利用,通过磨矿实现矿物质的解离或增大煤粒比表面积是提高利用效率的首要前提。磨矿效率的提高对降低生产成本及节能减排目标的实现具有重要影响[1-2]。建立磨机的动力学模型及模拟内部流场,为提高磨煤机的磨煤效率提供了大量基础信息[3-8],文献[9]借助稀相气固流化床对磨机返料的分选进行了探索。

微波预处理是已被证明了的、提高矿石磨矿效率的有效方法。微波具有独特的选择性加热方式、均匀辐射以及热效率高、能耗低等特点,是利用不同矿物质之间介电常数及热膨胀系数的差异,在不同矿物质的交界面诱导产生裂缝,从而降低矿石的应力强度及矿石的磨矿功指数,为提高磨矿效率提供了一种新的研究思路。

微波预处理可以有效地改善金属矿石的磨矿特性[10-14]。在煤炭加工领域,微波技术也有广泛的应用[15-18]。运用微波预处理技术提高煤炭可磨性在国外已经做了大量有益的研究[19],Ruisánchez E等通过改变微波预处理的模式在实验室条件下使磨矿功耗降低了40%[20]。Samanli S通过对褐煤进行微波预处理,磨矿实验结果表明煤样的磨矿速率及可磨性指数均得到显著提高[21]。Harrison和Rowson研究表明,煤样经650 W,2.45 GHz微波处理后,其磨矿功指数降低了30%,认为这是由于黄铁矿和煤中孔隙中的水过度加热形成的裂缝造成的[22]。有文献[23]表明,对于低变质程度的煤,磨矿功指数最高可降低50%,将微波辅助磨煤应用于工业生产的研究已有报道[24-25]。

利用微波技术提高炼焦中煤可磨性的研究鲜有报道,本文对炼焦中煤进行微波预处理,探讨微波预处理在挤压破碎及棒磨条件下对炼焦中煤磨矿性质的影响,探讨了微波预处理时间、给矿量及磨矿时间对磨矿细度的影响,建立了3种因素与磨矿细度之间的模型关系。借助X-射线衍射和扫描电镜对炼焦中煤的矿物质组成和微波预处理前后的表面形貌进行检测,并对微波预处理提高煤炭可磨性的机理进行了初步的探索。

1 试 验

1.1 煤样分析

试验煤样取自淮北某选煤厂重介选中煤(Aad= 28.21%,w(St) = 3.12%,Mad= 7.86%),煤种为肥煤。为明确煤样的矿物质组成,采用D8 Advance X-射线衍射仪对煤样进行X-射线衍射分析(图1),可知煤样的主要矿物成分为黏土类矿物高岭石,此外还含有石英、蒙皂石、伊利石、方解石等矿物,并含少量的黄铁矿和白云石等。黏土矿物、石英及方解石等矿物质属于微波穿透体,吸收微波能力很弱;含量较少的黄铁矿属于微波吸收体,吸收微波能力最强;此外,煤结构中含有的水分是一种极性分子,具有良好的微波吸收能力。

图1　煤样的X射线衍射图谱Fig.1 X-ray diffraction patterns of raw coal

1.2 试验方法

1.2.1 微波预处理试验

按照GB 474—1996《煤样的制备方法》制备煤样。每次称取1 000 g煤样装入玻璃容器中,采用LG MG5307DSV型微波炉(2.45 GHz,输入功率900 W)进行预处理,预处理时间为0,0.5,1,2,3, 4 min。预处理完成后将煤样冷却至室温,装入试样袋中封存。

1.2.2 表面形貌测试

采用环境扫描电子显微镜(SEM,QuantaTM250, America)对微波预处理前后煤样的表面形貌进行检测,考察微波预处理对煤样表面形貌的影响。

将环氧树脂与煤样混合后固化24 h后进行抛光,调整扫描电镜的参数,以实现煤和背景的区分。由于树脂与微波的反应特性未知,出于安全因素考虑,此次检测煤样仅在微波场中处理10 s。

1.2.3 破碎试验

采用SP-100×60型颚式破碎机(调节排矿口宽度至最低)对经不同时间微波预处理的煤样进行破碎至-0.5 mm,对破碎产物进行筛分,考察在挤压破碎条件下微波预处理对煤样破碎特性的影响。

1.2.4 磨矿试验

将未经预处理煤样的破碎产物进行不同时间的微波预处理,采用XMB-70型棒磨机对破碎产物进行磨矿试验。对磨矿产物进行粒度分析,考察微波预处理时间、给矿量和磨矿时间对磨矿细度的影响,建立3个因素与磨矿细度之间的模型关系,并对微波预处理对磨矿能耗的影响进行分析。

2 结果和讨论

2.1 微波预处理对表面形貌的影响

微波预处理前、后煤样的表面形貌如图2所示。

图2中不同亮度的区域代表不同的矿物质,由图2可知,煤样经过微波处理后,表面出现了的裂缝,表明微波可以诱导煤样表面产生裂缝,其尺寸处于微米级。但由于在微波场中处理时间仅有10 s,故裂缝产生的数量不多。由于煤样中的矿物质具有不同的介电常数,造成了其对微波的反应特性不尽相同,在微波场中不同矿物质之间会形成局部温差,且因热膨胀系数的不同而在晶格间产生应力,致使在不同矿物之间产生裂缝,使煤样的应力强度降低,并改善了矿石的可磨性。裂缝产生的机理有待进一步的研究。

2.2 微波预处理对炼焦中煤可磨性指数的影响

对经过不同预处理时间的煤样进行可磨性指数的测定,结果如图3所示。

图3　微波预处理对炼焦中煤可磨性指数的影响Fig.3 Effect of MW pretreatment on HGI values

由图3可知,微波预处理对煤样的机械力学性质有显著影响,可磨性指数随微波预处理时间的延长而迅速增大。预处理时间小于1 min时,可磨性指数的增长幅度较小,在这个时间段内,微波能量被矿物质和水分等吸收,煤样温度升高,微波助磨作用初步显现。预处理时间在1~2 min时,煤样温度持续升高,微波选择性加热作用诱导产生的裂缝数量逐渐增多,煤样的可磨性指数显著提高,微波助磨作用显著。当预处理时间大于2 min时,可磨性指数的增长幅度明显放缓,说明在此阶段内煤样的应力降低程度幅度放缓。

2.3 微波预处理对炼焦中煤破碎特性的影响

对经过不同时间微波预处理的煤样进行破碎试验,并对破碎产物进行筛分,结果如图4所示。

图4　破碎产物的粒度分析Fig.4 Size analysis of broken product

从图4可以看出,经不同微波预处理时间煤样的破碎产物具有近似的粒度分布,表明在挤压破碎条件下,微波预处理对炼焦中煤的破碎特性影响甚微。微波预处理在一定程度上改变了煤样的机械力学性质,降低了煤的应力强度,但这种应力强度的减小程度远远小于颚式破碎机颚板对煤颗粒的挤压力,所以在挤压破碎条件下,微波对煤样性质的改变并不会对炼焦中煤的破碎特性产生较大的影响。

2.4 微波预处理对磨矿速率的影响

采用XMB-70型棒磨机对经不同时间微波预处理的煤样进行磨矿试验,滚筒容积为2.0 L,给矿量为200,250,300,350,400 g,磨矿时间为10 min。对磨矿产物进行筛分,并计算-0.125 mm粒级产率,结果如图5所示。

图5　微波预处理时间对-0.125 mm粒级产率的影响Fig.5 Effect of microwave pretreatment on yield of -0.125 mm

从图5可以看出,微波预处理可以显著的促进炼焦中煤的细磨。随着预处理时间的延长,-0.125 mm粒级产物产率有明显的提高,但两者不呈线性关系,当预处理时间为1~3 min时,其增长幅度最为显著;当预处理时间低于1 min及超过3 min时其增长幅度明显放缓。以给矿量300 g为例,-0.125 mm粒级产率从未经过预处理的44.14%提高到预处理3 min时的58.03%,增长幅度为31.47%。预处理时间从3 min提高到20 min时,预处理时间提高了近6倍, 但-0.125 mm粒级产率的增长幅度仅为9.81%。综合能量输入及目标粒级产率的变化规律,预处理时间为3 min左右较为适宜。

图6　磨矿10 min时,给矿量对-0.125 mm粒级产率的影响Fig.6 Effect of feeding quantity on yield of -0.125 mm with 10 min grinding

由图6可知,磨矿时间为10 min时,在不同的预处理时间条件下,磨矿细度与给矿量呈反比例关系,且其线性关系明显。

为更好地呈现目标粒级产率随预处理时间和给矿量的变化趋势,运用MATLAB软件,给矿量步长为2.5 g,预处理时间步长为0.05 min,采用cubic算法,对目标粒级(-0.125 mm)产率进行差值,结果如图7所示。

图7　磨矿10 min时,-0.125 mm粒级产率差值Fig.7 Difference chart of -0.125 mm yields with 10 min grinding

从图7可知,随着预处理时间的延长,目标粒级产率增大,随着给矿量的降低,目标粒级产率增大,二者的交互作用明显。

在相同的实验条件下,更长磨矿时间(20,30, 40,60 min)磨矿实验结果仍呈现同样的规律。

2.5 微波预处理对磨矿能耗的影响

借助季霍诺夫推导磨矿动力学方程的过程,建立微波预处理时间、磨矿时间及给矿量对磨矿细度的关系模型。

令γ(x,,t)为任意粒度x在磨矿时间t的微分分布,K(x,t)为粒度x的负累积积分分布,则

γB(D,d)为粒度为D的粒子破碎为[d,D]粒级的微分分布,在0

γ(D,t)为在磨矿时间t、粒度D的微分分布,则

在磨矿过程中,粒度x的质量分数随磨矿时间t的变化量,等于被磨物料中大于x的粒子磨成粒度x的质量分数减去被磨物料中粒度为x的粒子磨成较它细的粒子的质量分数,则

式中,f(x),f(D)分别为粒度D和粒度x的破碎速率系数;Dmax为推导过程中的最大粒级;r为粒径为x的颗粒破碎后的产物粒径。

在磨矿过程中,小于粒度x粒子的负累积产率随磨矿时间的延长而增加的速率,等于[x,Dmax]粒级磨细至小于x的累积产率,则

式(1),(2)不依据任何试验结果,仅是产率、累积产率、磨矿速率及物质平衡等概念综合而成,因而具有普遍意义[26]。

根据高丁-胡基摆式破碎仪的试验和磨矿动力学,得到

式中,α为关于给矿量Q和预处理时间τ的函数,定义函数:

式(3)变为

则磨矿动力学的形式为

其解为

(1)实现了新能源汽车电池和智能空调的集成化管理，通过对电池能源损失的热量进行二次利用，在确保汽车电池正常工作的基础上，将电池耗能过程中所产生的热量进行充分利用，有效降低智能空调在工作时的能耗。

由破碎产物的粒度分析可知, K ( x, 0) = 32.54%。

定义函数:

运用Matlab软件对式(8)求解4个参数:A = 0.039 2,B=-0.397 5,C=1.447 3,E=0.286 3。

则

将式(9)代入到式(7),得到最终的模型为

由表1可知,预测平均误差均在6%以下,R2均大于98%,预测精度较高。

表1　磨矿产物产率预测精度分析Table 1 Accuracy analysis of prediction productionrate of grinding product

在给矿量300 g条件下,考察磨矿时间和预处理时间对磨矿细度的影响。运用Matlab软件,磨矿时间步长为0.8 min,预处理时间步长为0.05 min,采用cubic算法,对目标粒级产率进行差值,结果如图8所示。

图8　不同预处理时间及磨矿时间条件下目标粒级产率差值Fig.8 Difference chart of -0.125 mm yields at different pretreatment time and grinding time

将-0.125 mm粒级产率大于80%为磨矿可操作范围,在不同的磨矿时间及预处理时间条件下,磨矿可操作范围如图9所示,图中蓝色区域为可操作范围。

图9　不同磨矿时间和预处理时间条件下的可操作范围Fig.9 Size of operation at different pretreatment time and grinding time

从图9可以看出,在相同的粒度要求条件下,随着预处理时间的延长,磨矿时间逐渐缩短,当预处理时间为2~3 min时,微波助磨的作用最为显著。相比于未处理煤样,当煤样经过3 min预处理,其磨矿时间由大于30 min降低到低于20 min。

由式(10)可知,当给矿量为300 g,预处理时间为0和3 min,目标粒级产率为80%时,求得磨矿时间t1=34 min,t2=19 min。预测结果和实验相吻合。

在实验室规模条件下,对微波预处理对磨矿能耗的影响进行分析。在相同粒度要求下,通过单纯的磨矿降低煤样粒度的能耗主要为棒磨机的功耗E1;微波助磨过程的能耗E2包括微波预处理功耗E0′和棒磨机功耗E0两部分。由试验过程可知,微波炉功率为900 W,每次预处理煤样质量为1 000 g;棒磨机功率0.37 kW,每次入磨物料为(2×300) g (双滚筒)。在-0.125 mm产率为80%条件下,微波预处理时间为3 min时,磨矿时间由34 min降至19 min。

式中,P1为磨矿机功率,kW;P2为微波炉功率,kW;q为每次预处理煤样质量,g;η为能耗降低率。

实验结果说明,在实验室条件下,-0.125 mm粒级产率为80%时,煤样经预处理后磨矿过程的综合能耗可以降低31.24%。

2.6 微波预处理对炼焦中煤磨矿产物解离的影响

磨矿目的是使中煤里的矿物质和煤的连生体达到解离。为考察微波预处理磨矿产物解离度的影响,对经不同微波预处理时间煤样的磨矿产物进行浮沉试验,结果如图10所示,图中M0表示预处理时间为0 min的煤样,依此类推。

图10　磨矿产物的浮物累积产率曲线Fig.10 Cumulative yield vs.density and ash of grinding products with different pretreatment time

从图10可知,经过不同微波预处理时间的煤样经过相同时间的磨矿,磨矿产物的密度组成有较大差异,低密度级和高密度级产率基本呈现随着预处理时间的延长而增大的趋势。在精煤灰分为10%时,随预处理时间的延长,磨矿产物的精煤理论产率分别为18.11%, 20.81%, 22.91%, 26.83%, 27.11%, 28.42%,说明微波预处理煤样的磨矿产物达到了更好的解离。一方面,这是由于煤样经过预处理可以获得更细的磨矿粒度;另一方面,微波预处理的选择性加热作用可以使不同矿物质的交界处产生裂缝,有利于矿物质的解离。

3 结 论

(1)微波预处理诱导具有不同介电常数及热膨胀系数的矿物质之间产生大量的微米级裂缝,裂缝的产生降低了煤样的应力强度,煤样可磨性得到显著提高。

(2)在挤压破碎条件下,经不同时间微波预处理煤样的破碎产物粒度分布接近,微波预处理并不能显著改善炼焦中煤的破碎特性。

(3)磨矿试验结果表明,微波预处理可以有效促进炼焦中煤的细磨,微波预处理时间、给矿量和磨矿时间对磨矿细度的交互作用明显。预处理时间为2~3 min时,细粒级(-0.125 mm)产率增长最快。给矿量与磨矿细度成反比。

(4)在实验室条件下,-0.125 mm粒级产率为80%时,相比于未处理煤样,经3 min微波预处理煤样的磨矿时间从34 min降低到19 min,综合能耗降低31.24%。

(5)微波助磨作用和选择性加热作用可以有效促进矿物质的解离。磨矿时间20 min时,在精煤灰分为10%的条件下,精煤的产率随预处理时间的延长而增大,预处理时间为3 min时,精煤的产率提高了9个百分点。

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Zhu Xiangnan,Tao Youjun,He Yaqun,et al.Effect of microwave pretreatment on broken dissociation characteristics of coking middlings [J].Journal of China Coal Society,2015,40(8):1942-1948.doi:10.13225/ j.cnki.jccs.2014.1554

Effect of microwave pretreatment on broken dissociation characteristics of coking middlings

ZHU Xiang-nan1,2,TAO You-jun1,2,HE Ya-qun1,2,LUO Cheng1,2,SUN Qi-xiao1,2,WANG Xu1,2

(1.Key Laboratory of Coal Processing and Efficient Utilization of Ministry of Education,China University of Mining & Technology,Xuzhou 221008,China; 2.School of Chemical Engineering and Technology,China University of Mining & Technology,Xuzhou 221008,China)

Abstract:Crushing experiments of coking middlings with microwave pretreatment were carried out by jaw crusher and rod mill for the study of the effect of microwave pretreatment on broken dissociation characteristics.The BSE images of coal before and after microwave pretreatment show that micron cracks were induced by microwave radiation,which can significantly improve the grindability of coal.Under the condition of extrusion,the crushing products of coal samples with different pretreatment times have similar particle size distribution,thus the crushing characteristics cannot be improved by microwave pretreatment.The results of grinding tests show that the microwave pretreatment can significantly promote the fine grinding of coal samples,microwave pretreatment time,feeding quantity and grinding time have significant interaction effect on grinding fineness,the relationship model between three factors with the grinding fineness was established.Microwave pretreatment can significantly reduce the grinding time with same size requirements,the results of energy consumption analysis show that energy consumption can be reduced by 31.24% for the coal with three minutes microwave pretreatment comparing with untreated coal.Density analysis results of grinding products show that thebook=8,ebook=238dissociation of minerals can be improved by microwave pretreatment due to selective heating and microwave assisted grinding characteristic.Yield of clean coal with 10% ash content increases by nine percentage with three minutes microwave pretreatment.

Key words:coking middlings;microwave pretreatment;backscattered electron image;extrusion and rupture;dissociation characteristics

通讯作者:陶有俊(1964—),男,安徽滁州人,教授。E-mail:tyj9000@126.com

作者简介:朱向楠(1989—),男,山东莱芜人,博士研究生。E-mail:zhuxiangnan1989@ 163.com。

基金项目:国家自然科学基金资助项目(51374206);教育部博士学科点专项基金资助项目(20130095110010);国家自然科学基金创新群体资助项目(51221462)

收稿日期:2014-11-13

中图分类号:TQ520;TD94

文献标志码:A

文章编号:0253-9993(2015)08-1942-07