2种单煤混合粉磨对煤粉矿物分布影响规律研究

吴锁贞，王庆松，程健林，高 通，杨云飞，张 洪

(1.江苏方天电力技术有限公司，江苏 南京 211100；2.中国矿业大学 化工学院，江苏 徐州 221116)

0 引 言

电力工业是用煤大户，我国绝大部分电厂将2种或更多煤炭掺配、混合粉磨再喷入锅炉燃烧，以达到改变煤燃烧特性、结渣特性和降低成本的目的[1]。煤粉中矿物质直接影响煤粉燃烧、结渣和超细颗粒物形成特性，传统上假定矿物质均匀分布在有机显微组分中[2]，导致锅炉燃烧过程中分层结渣、选择性沉降等现象难以解释[3]。随着计算机控制扫描电子显微镜(CCSEM)的发展，矿物质在煤粉中不均匀分布的观点逐渐得到认同[4-6]，煤粉颗粒被分为纯有机质颗粒、矿物-有机质交联体颗粒和独立矿物颗粒3种类型。Cloke等[7]、张洪等[8-9]发现不同类型煤粉颗粒燃烧特性、煤焦结构和反应动力学不同，而Yan等[4]、刘小伟等[10]、Huang等[11]研究发现，煤粉颗粒类型直接影响粉煤灰和PM2.5的形成以及锅炉结渣情况。

煤粉颗粒组成特性是研究煤粉燃烧和气化特性的最重要基础数据，但目前对单煤煤粉中矿物质分布规律研究较多，对混煤煤粉中矿物质分布规律及机理研究较少[12]，且都是采取先分别粉磨再混合工艺实验室研究配煤[13-14]，与生产实际不符。本文选取熔点、变质程度差异较大的晋城无烟煤和准东煤掺配，模拟电厂生产工艺先混合、后粉磨制备煤粉，研究混合粉磨对混煤煤粉中矿物质分布影响规律，为深入研究混煤燃烧和气化特性、成灰和结渣规律奠定基础。

1 材料与试验方法

1.1 原料

试验选取新疆准东(ZD)和山西晋城(JC)原煤，其工业分析和元素分析结果见表1，熔融性分析结果见表2。

表1 准东和晋城原煤工业分析和元素分析

表2 准东和晋城原煤熔融温度

由表1、2可知，准东煤变质程度低，挥发分较高，灰分低，是优质的动力煤，但煤灰灰熔融温度较低，结渣倾向大[15]；晋城煤变质程度较高、挥发分产率低，煤灰具有较高的熔点[16]。

1.2 混煤煤粉制备

本文模拟电厂实际生产，采取“先混后磨”工艺制备混煤煤粉。将准东和晋城原煤分别破碎到3 mm以下，再按照ZD、JC质量比70∶30、50∶50、30∶70配合、混合粉磨，通过调整粉磨时间控制各混煤煤粉样品细度在150 mm方孔筛筛余(10±2)%，所得混煤煤粉样品依次编号为H7030、H5050和H3070。

1.3 煤粉浮沉分离

按GB/T 478—2008《煤炭浮沉试验方法》将苯、四氯化碳和三溴甲烷按照不同比例混合配制成密度1.3～2.0 g/cm3的有机重液，对各煤粉样品进行全浮沉分离。

称取30 g煤粉样品放入重液管内，加入重液、搅拌分散，再放入离心机内，调整转速到2 100 r/min，离心10 min后取出，过滤并回收滤液。将滤饼放入干燥箱中，在70～80 ℃下干燥3 h，取出冷却，达到空气干燥状态时再进行称重。

考虑部分密度级产率较小，将产率低、灰分相近的密度级合并，将准东原煤粉煤样品分为<1.6、1.6～1.7和>1.7 g/cm3三个密度级，依次记为ZD1、ZD2、ZD3；将晋城原煤粉煤样品分为<1.6、1.6～1.7、1.7～2.0 g/cm3和>2.0 g/cm3四个密度级，依次记为JC1、JC2、JC3、JC4；将混煤煤粉样品分为<1.6、1.6～1.7、1.7～1.8、>1.8 g/cm3四个密度级。

按照国标GB/T 212—2008《煤的工业分析方法》对各子样进行工业分析。

1.4 显微观察

将不同密度煤粉制成光片，用德国莱卡公司MPV-sp显微镜，以546 nm波长观察煤的有机和无机显微组分。

1.5 化学组成分析

采用X射线荧光光谱仪(XRF)分析煤粉样品煤灰化学组成，所用仪器为德国Bruker公司生产的S8-TIGER型X射线荧光光谱分析仪，测定条件为Rh靶，加速电压为40 kV，电流67 mA。

2 结果和分析

2.1 混煤煤粉的密度组成

煤粉颗粒可分为纯有机颗粒、有机-无机交织体和独立存在的矿物质3种颗粒。变质程度不同的纯有机煤粉颗粒密度在1.3～1.7 g/cm3，黏土、石英、方解石类矿物颗粒密度在2.4～2.6 g/cm3，硫铁矿密度在4.9～5.2 g/cm3[17]，而有机-无机交织体的密度介于1.7～2.4 g/cm3。因此煤粉密度反映了矿物质在煤粉中存在状态。准东、晋城原煤煤粉密度组成如图1所示。

图1 准东和晋城原煤煤粉密度组成Fig.1 Density compositions of ZD and JC pulverized coal

由图1可知，准东原煤煤粉样品中<1.5 g/cm3密度组分含量最高，达到了总产率的61.49%；随密度提高，对应密度组分含量呈线性下降趋势；>1.6 g/cm3各密度级别含量基本相同，均小于10%。与准东煤粉相比，晋城原煤粉煤各密度级别分布趋势相同但较为均匀，<1.5 g/cm3组分含量最高，达到30.48%；随密度提高，对应密度级别组分含量呈平缓下降趋势，其中1.7～1.8 g/cm3密度级含量最低，为14.48%。这与张衡等[15]、张鹏启等[16]研究结果一致。

3种不同配比混煤煤粉密度组成与其加权计算值对比如图2所示。

图2 3种混煤的密度组成与加权计算值对比Fig.2 Density composition of three coal blend and their weight averaged value

由图2可知，与2个原煤煤粉粒度组成分布特点完全不同，3种不同配比混煤煤粉样品密度组成呈峰形分布，其中1.5～1.6 g/cm3密度级含量最高，为46%～47%。原煤加权计算密度组成也呈峰形分布，且发生相似偏移。1.4～1.5 g/cm3密度组分实测含量明显低于其加权计算值，3个混煤样品差异波动在8.28%～16.08%；1.5～1.6 g/cm3密度实测含量明显大于原煤加权计算值，差异波动在21.96%～23.49%；而>1.6 g/cm3密度组分含量的实测值大都低于加权平均计算值，差异为7.33%～12.90%。

2.2 混煤不同密度煤粉的组成

准东煤原煤挥发分为25.54%，而晋城煤原煤挥发分仅为6.31%，2种原煤煤粉不同密度级别子样挥发分和灰分测定结果见表3。

表3 准东和晋城原煤煤粉不同密度级子样的挥发分变化

由表3可知，随着密度提高，准东煤粉挥发分下降。随着密度提高，其中矿物含量提高，挥发分下降。随密度提高，晋城原煤煤粉样品挥发分升高是纯有机质挥发分和矿物烧失量综合反映。由于晋城煤粉中矿物质以石英、高岭石、方解石等形式存在[16]，其中高岭石烧失量20%，而方解石烧失量为44%，所以>2.0 g/cm3密度子样烧失量高达12.24%，远高于晋城原煤低密度子样挥发分4.27%。

3种混煤不同密度子样挥发分实测值与根据原煤比例和密度子样挥发分加权计算值对比如图3所示。

图3 3种混煤的挥发分实测值与单种煤理论加权计算值对比Fig.3 Volatile content of three blended coal and their calculated weight-averaged results

由图3可知，3种混煤样品不同密度子样挥发分实测值与加权计算值明显不同，但呈现相似的变化规律。以H5050混煤样品为例，≤1.5 g/cm3密度组分实测挥发分都低于理论计算值，而1.5～1.8 g/cm3密度组分实测挥发分高于加权计算值。由于准东煤挥发分远高于晋城煤，说明混煤≤1.5 g/cm3密度组分中晋城煤实际所比远大于配比值，而1.6～1.7 g/cm3密度组分准东煤所比高于配比值。通过光学显微镜可以直观观察混煤不同密度级别子样中2种原煤的比例关系[18]，结果如图4所示。

图4 原煤及混煤煤粉(H5050)各密度级光学显微镜观察Fig.4 Opticalmicroscopic observation of raw coal and mixed coal(H5050) at different density levels

由图4可知，晋城原煤煤粉颗粒呈白色，因为无烟煤煤化程度高、反射率高；准东煤化程度低，反射率低，煤粉颗粒呈灰色。值得注意的是，无机矿物硫铁矿颗粒反射率高，在显微镜下呈亮白色。混煤H5050按准东∶晋城=50∶50配比，但在<1.6 g/cm3密度子样样品中，白色晋城煤粉颗粒数量明显多于灰色准东煤粉颗粒；在1.6～1.7 g/cm3和1.7～1.8 g/cm3两个密度级别子样中，准东粉煤颗粒占主导地位；在>1.8 g/cm3密度子样可以看到灰色准东粉煤颗粒和白亮晋城煤粉颗粒都存在，其中明亮颗粒略占多数，还有大量独立存在的矿物质颗粒。显微镜观察结果与图3挥发分测定结果完全吻合，说明混合粉磨改变了混煤煤粉密度组成。

张洪等[8,17]研究煤粉中矿物分布规律时发现，粉磨过程中煤中不同组分破碎程度不同，脆性大的组分易磨碎以小颗粒存在，而韧性大的组分不易磨细，以大颗粒存在。对于混煤，将2种不同变质程度煤研磨时，高变质程度晋城煤硬度大但较脆，低变质程度准东煤韧性大，晋城煤更易磨细，有机质和矿物质分离更彻底，而准东煤不易磨细，多存在于中密度组分中。这是工业粉磨条件下混煤中矿物质分布和原煤不同的根本原因。

2.3 混煤不同密度煤粉化学组成

化学组成直接影响煤灰熔融性，准东和晋城原煤煤粉不同密度级别子样煤灰化学组成如图5所示。

图5 准东、晋城原煤煤粉不同密度子样煤灰化学成分Fig.5 Chemical composition of coal ash fromdifferent density samples of ZD,JC coal

由图5可知，准东、晋城煤粉样品不同密度子样化学成分和全煤相比发生了明显分化，这与前人研究结果一致[15-16]。以混煤H5050为例，研究混合粉磨对不同密度子样煤灰化学组成的影响，结果见表4。

表4 混煤H5050灰成分实际值与理论计算值对比

由表4可知，混煤煤粉不同密度子样煤灰化学成分实测值和加权平均计算值发生了变化，其中<1.6 g/cm3组分变化最明显，实测SiO2、Al2O3、Na2O 含量实测值明显高于加权平均计算值，而CaO、SO3含量实测值明显低于加权平均计算值；>1.6 g/cm3各子样煤灰化学组成变化规律与<1.6 g/cm3组分相反。对比图4单煤化学组成，对于<1.6 g/cm3子样，晋城煤灰中SiO2、Al2O3含量明显高于准东煤，而CaO、MgO、SO3含量明显等于准东煤，说明混煤<1.6 g/cm3子样中晋城煤实际比例高于原煤配比；>1.6 g/cm3子样情况正好相反，这与2.1、2.2节研究结论一致。

碱酸比(B/A)与煤灰熔融性有较好相关性[19]，表4结果表明，混合粉磨制备的煤粉样品不同密度子样煤灰熔融性更趋于相同。

3 结 论

1)通过3种混煤实测密度组成与加权计算的密度组成对比，发现混合粉磨对混煤煤粉的密度组成产生较大程度的偏析，<1.5 g/cm3和>1.7 g/cm3密度组分比重下降，而1.5～1.6 g/cm3密度组分大幅度上升。

2)3种混煤实测挥发分与加权平均值比较和显微镜发现，晋城无烟煤富集于混煤<1.5 g/cm3密度组分中，准东粉煤主要富集在中高密度组分中，尤其是1.6～1.7 g/cm3密度区间。

3)混煤不同密度子样实测化学组成和加权平均比较发生较大差异，其中<1.6 g/cm3组分变化最明显，SiO2、Al2O3、Na2O含量实测值明显高于加权平均计算值，而CaO、SO3含量实测值明显低于加权平均计算值；但总体上趋于平均。

4)机理分析表明，不同煤种易磨性不同是混煤组成和性质产生分化的根本原因。