孟 凡 彩

(兗州煤業(yè)股份有限公司 選煤管理中心， 山東 鄒城 273500)

煤粒的粉碎過程是體積粉碎、表面粉碎2種模式的疊加[1]。在體積粉碎過程中，整個(gè)顆粒均受到粉碎而生成粒度較大的中間顆粒，中間顆粒再被進(jìn)一步粉碎形成粒徑更小的顆粒；表面粉碎僅在顆粒的表面產(chǎn)生破壞，從顆粒表面不斷剝下微粉成分，粉碎產(chǎn)物粒度分布較大。粉碎產(chǎn)物的粒度分布具有二重性，粗粉產(chǎn)物、細(xì)粉產(chǎn)物分別由體積粉碎、表面粉碎而形成[2]。目前，評(píng)價(jià)煤的粉碎性能采用煤的哈氏可磨性指數(shù)(HGI)來評(píng)價(jià)，但根據(jù)HGI測(cè)試原理，測(cè)試過程限定0.63 mm～1.25 mm粒度范圍，而對(duì)更大粒徑煤的破碎特征表征不足[3]。

實(shí)際上，高爐噴吹煤粉的制備可分為破碎和研磨2個(gè)階段。碎礦的產(chǎn)品粒度大于5 mm，破碎力以壓碎為主，根據(jù)產(chǎn)品粒度不同，可分為粗碎、中碎和細(xì)碎；制粉的入料粒度為5 mm以下，破碎力以沖擊及磨剝?yōu)橹?，分為粗磨和?xì)磨2個(gè)階段[4]。破碎的過程相對(duì)簡(jiǎn)單，而研磨過程中原料煤的性質(zhì)及設(shè)備選型對(duì)噴吹煤粉的粒度組成有重要影響[5]。

目前工業(yè)研磨機(jī)械主要有球磨機(jī)和中速磨。球磨機(jī)可研磨硬度較高的煤，但產(chǎn)粉率相對(duì)較低。隨著高爐向大型化方向的發(fā)展，球磨機(jī)將被逐漸淘汰，而中速磨為未來發(fā)展方向[6]。中速磨制粉效率高，但不適合研磨高變質(zhì)無煙煤(如晉城、京西等)，產(chǎn)粉率及電力消耗等相當(dāng)不經(jīng)濟(jì)[7]。

結(jié)合國內(nèi)煤炭相關(guān)磨煤特性研究[8-12]，此次研究率先提出以磨煤特性曲線全方位表征煤的磨煤特性，全面評(píng)價(jià)低變質(zhì)煙煤的制粉特征，并與高變質(zhì)煙煤、無煙煤等典型噴吹煤的磨煤特性進(jìn)行對(duì)比研究，以期對(duì)冶金企業(yè)優(yōu)選高爐噴煤的煤源提供技術(shù)依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)煤樣

實(shí)驗(yàn)所用煤樣采自兗礦集團(tuán)陜蒙基地金雞灘礦、石拉烏素礦和轉(zhuǎn)龍灣礦，按照GB 475—2008《商品煤樣人工采取方法》采集洗精煤樣品，并按照GB 474—2008《煤樣的制備方法》制備煤樣，并分別按照GB/T 211—2007《煤的全水分的測(cè)定方法》、GB/T 212—2008《煤的工業(yè)分析方法》、GB/T 476—2008《煤中碳和氫的測(cè)定方法》、GB/T 19227—2008《煤中氮的的測(cè)定方法》以及GB/T 2565—2014《煤的可磨性指數(shù)測(cè)定方法 哈德格羅夫法》對(duì)煤樣的基本性質(zhì)進(jìn)行測(cè)試。

1.2 磨煤特性評(píng)價(jià)方法

實(shí)驗(yàn)所用的主要設(shè)備為球磨機(jī)和振篩機(jī)。球磨機(jī)型號(hào)為RK/BM -Φ250×300，鋼球總質(zhì)量為15 kg，最大加樣量為5 kg。振篩機(jī)型號(hào)為GM/ZTS -7A，直徑為300 mm。

先采用顎式破碎機(jī)將試驗(yàn)用煤樣全部破碎至小于6 mm，然后再用實(shí)驗(yàn)球磨機(jī)進(jìn)行不同磨煤時(shí)間的磨煤試驗(yàn)，每次試驗(yàn)用煤樣2 kg。兗礦陜蒙基地煤炭由于水分高，磨煤前應(yīng)先對(duì)其用干燥箱干燥。磨煤后記錄總重，然后用1 mm篩子人工篩分，記錄篩上，篩下物重量，保存<1 mm產(chǎn)品，篩上物廢棄；對(duì)<1 mm產(chǎn)品用振篩機(jī)測(cè)定0.074 mm篩和0.147 mm篩的篩上物和篩下物質(zhì)量。以1 mm篩下物的質(zhì)量占入料總質(zhì)量的比例表示成出粉率，以0.147 mm篩下物的質(zhì)量占入料總質(zhì)量的比例表示細(xì)度(R100)、以0.074 mm篩下物的質(zhì)量占入料總質(zhì)量的比例表示細(xì)度(R200)。

2 結(jié)果與討論

2.1 煤質(zhì)分析

實(shí)驗(yàn)煤樣的煤質(zhì)分析結(jié)果見表1。金雞灘煤和石拉烏素煤的全水分約為10%，轉(zhuǎn)龍灣煤的全水分高達(dá)16.9%，因而磨煤特性試驗(yàn)前需對(duì)水分較高的低階煤樣品進(jìn)行干燥，工業(yè)磨煤機(jī)磨煤采用通熱煙氣干燥。該噴吹煤的灰分及哈氏磨性指數(shù)均較低。

表1 實(shí)驗(yàn)煤樣的煤質(zhì)分析

2.2 磨煤特性分析

金雞灘煤、石拉烏素煤和轉(zhuǎn)龍灣煤的磨煤特性試驗(yàn)結(jié)果見表2～表4，出粉率和細(xì)度隨磨煤時(shí)間的變化規(guī)律如圖1～圖3所示。從試驗(yàn)結(jié)果可知，試驗(yàn)煤樣的出粉率、細(xì)度隨著磨煤時(shí)間的增加而增加。

表2 金雞灘煤樣的出粉率、細(xì)度與磨煤時(shí)間的關(guān)系

表3 石拉烏素煤樣的出粉率、細(xì)度與磨煤時(shí)間的關(guān)系

時(shí)間/min出粉率/%細(xì)度 R100 /%細(xì)度 R200 /%3061.4 28.5 16.0 5089.6 40.6 27.0 7096.7 63.1 39.0 8099.1 88.9 56.7 9010094.3 75.1 10010098.9 87.3 11010010092.2

在磨煤初始階段主要是大顆粒煤的破碎過程，出粉率(<1 mm比例)隨著磨煤時(shí)間的增加而增加，在該過程中， <1 mm煤粉的細(xì)度卻變化不大。金雞灘和轉(zhuǎn)龍灣煤的轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)在磨煤時(shí)間50 min左右，石拉烏素煤的轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)在70 min左右。

表4 轉(zhuǎn)龍灣煤樣的出粉率、細(xì)度與磨煤時(shí)間的關(guān)系

時(shí)間/min出粉率/%細(xì)度 R100 /%細(xì)度 R200 /%3066.5 29.1 17.0 5088.0 57.9 28.4 7097.8 66.7 44.7 8099.8 88.5 56.5 9099.8 93.1 64.1 10010097.9 85.2 110100100 92.6

圖1 金雞灘煤樣的出粉率、細(xì)度與磨煤時(shí)間的關(guān)系

圖2 石拉烏素煤樣的出粉率、細(xì)度與磨煤時(shí)間的關(guān)系

圖3 轉(zhuǎn)龍灣煤樣的出粉率、細(xì)度與磨煤時(shí)間的關(guān)系

當(dāng)出粉率達(dá)到90%以上時(shí)，<1 mm煤粉的細(xì)度才顯示出增加的趨勢(shì)，且為1個(gè)快速增加的過程。金雞灘煤的磨煤時(shí)間80 min左右，<0.147 mm比例達(dá)到90%以上，磨煤時(shí)間100 min左右，<0.074 mm比例達(dá)到90%以上。最佳磨煤時(shí)間(<0.074 mm比例大于70%)為80 min～90 min。石拉烏素煤的磨煤時(shí)間90 min左右，<0.147 mm比例達(dá)到90%以上，磨煤時(shí)間110 min左右，<0.074 mm比例達(dá)到90%以上。最佳磨煤時(shí)間(<0.074 mm比例大于70%)為80 min～90 min。轉(zhuǎn)龍灣煤的磨煤時(shí)間90 min左右，<0.147 mm比例達(dá)到90%以上，磨煤時(shí)間110 min左右，<0.074 mm比例達(dá)到90%以上。最佳磨煤時(shí)間(<0.074 mm比例大于70%)為100 min～110 min。

3 與其他噴吹煤的磨煤特性對(duì)比

3.1 高變質(zhì)煙煤

我國的高變質(zhì)煙煤噴吹煤以潞安礦區(qū)產(chǎn)量最大，潞安常村礦噴吹煤的磨煤試驗(yàn)結(jié)果見表5及如圖4所示。

表5 潞安常村煤樣的出粉率、細(xì)度與磨煤時(shí)間的關(guān)系

時(shí)間/min出粉率/%細(xì)度 R100 /%細(xì)度 R200 /%2083.0 40.4 27.0 3090.0 44.8 29.8 4096.4 52.0 33.9 5099.1 66.0 38.9 6010093.6 65.7 7010098.1 83.2 8010098.3 90.5 90100 98.4 92.5 10010098.5 93.0

圖4 潞安常村煤的出粉率、細(xì)度與磨煤時(shí)間的關(guān)系

從試驗(yàn)結(jié)果可看出，試驗(yàn)煤樣的出粉率、細(xì)度隨著磨煤時(shí)間的增加而增加。在磨煤初始階段主要為大顆粒煤的破碎過程，出粉率(<1 mm比例)隨著磨煤時(shí)間的增加而增加，在此過程中，<1 mm煤粉的細(xì)度卻變化不大，當(dāng)出粉率達(dá)90%以上時(shí)，<1 mm煤粉的細(xì)度才顯示出增加的趨勢(shì)，且為1個(gè)快速增加的過程。

3.2 無煙噴吹煤

無煙煤按照變質(zhì)程度可分為無煙煤一號(hào)、無煙煤二號(hào)和無煙煤三號(hào)，灰分、硫分符合《高爐噴吹用煤技術(shù)條件》的無煙煤均可用于高爐噴吹。

但目前市場(chǎng)上常見的無煙噴吹煤為無煙煤二號(hào)和無煙煤三號(hào)，現(xiàn)分別對(duì)兩類無煙煤的磨煤特性進(jìn)行研究。

3.2.1無煙煤三號(hào)

陽泉煤是典型的三號(hào)無煙煤，磨煤特性試驗(yàn)結(jié)果見表6及如圖5所示。從試驗(yàn)結(jié)果可看出，試驗(yàn)煤樣的出粉率、細(xì)度隨著磨煤時(shí)間的增加而增加。無煙煤的磨細(xì)和粉碎過程與煙煤的變化趨勢(shì)不相同。無論是出粉率(<1 mm比例)還是細(xì)度(<0.147 mm比例和<0.074 mm比例)，其隨磨煤時(shí)間的變化基本上呈線性變化特征，無粒度變化突變點(diǎn)。磨煤時(shí)間100 min左右，<0.147 mm比例達(dá)90%以上， <0.074 mm比例達(dá)80%以上。最佳磨煤時(shí)間(<0.074 mm比例大于70%)為90 min～100 min。

表6 陽泉無煙煤的出粉率、細(xì)度與磨煤時(shí)間的關(guān)系

時(shí)間/min出粉率/%細(xì)度 R100 /%細(xì)度 R200 /%3046.8 42.4 32.3 5061.2 51.8 36.8 7075.7 66.5 61.2 8082.0 75.6 66.2 9086.4 80.5 70.3 10090.187.376.2

圖5 陽泉無煙煤的出粉率、細(xì)度與磨煤時(shí)間的關(guān)系

3.2.2無煙煤二號(hào)

晉城煤是典型的二號(hào)無煙煤，磨煤特性試驗(yàn)結(jié)果見表7及如圖6所示。

表7 晉城無煙煤的出粉率、細(xì)度與磨煤時(shí)間的關(guān)系

時(shí)間/min出粉率/%細(xì)度 R100 /%細(xì)度 R200 /%3040.6 31.5 22.4 5053.8 49.4 33.9 7065.1 62.0 49.5 8073.0 70.0 58.8 9082.2 79.1 67.3 10090.2 86.6 75.2

圖6 晉城無煙煤的出粉率、細(xì)度與磨煤時(shí)間的關(guān)系

從試驗(yàn)結(jié)果可知，試驗(yàn)煤樣的出粉率、細(xì)度隨著磨煤時(shí)間的增加而增加。無煙煤的磨細(xì)和粉碎過程與煙煤的變化趨勢(shì)不相同。無論出粉率(<1 mm比例)還是細(xì)度(<0.147 mm比例和<0.074 mm比例)，其隨磨煤時(shí)間的變化基本上呈線性變化特征，無粒度變化突變點(diǎn)。磨煤時(shí)間100 min左右，<0.147 mm比例達(dá)到85%以上， <0.074 mm比例達(dá)到75%以上。最佳磨煤時(shí)間(<0.074 mm比例大于70%)為100 min～110 min。

3.3 對(duì)比分析

高變質(zhì)煙煤(潞安煤)的磨煤特性較好，HGI及磨煤特性曲線均呈現(xiàn)優(yōu)良的磨碎特性。

低變質(zhì)煙煤與無煙煤的HGI接近，但磨煤特性呈現(xiàn)出較為明顯的差異。兗礦陜蒙基地樣品在磨煤50 min后幾乎全部磨碎，磨煤80 min全部磨細(xì)。而無煙煤的出粉率一直在75%左右，說明無煙煤很難磨碎。由此說明除了可磨性(HGI)外，煤的硬度也是影響煤的磨煤特性的主要因素，高階無煙煤尤甚。兗礦陜蒙基地煤的可磨性(HGI)雖較低，但煤質(zhì)較軟，其磨煤特性優(yōu)于無煙噴吹煤，且對(duì)磨煤設(shè)備的磨損小。

表8 兗礦陜蒙基地噴吹煤與其它噴吹煤的最佳磨煤時(shí)間對(duì)比

樣品磨碎時(shí)間 出粉率>98% /min磨細(xì)時(shí)間 <0.074 mm比例大于70% /min金雞灘7080～90石拉烏素8080～90轉(zhuǎn)龍灣80～9090～100潞安5060～70陽泉>100>100晉城>100>100

由于可磨性實(shí)驗(yàn)的煤樣粒度為0.63 mm～1.25 mm，故HGI不能表征大于1.25 mm煤的破碎特性。而在工業(yè)實(shí)際中，進(jìn)入磨煤機(jī)的不可能全部小于1.25 mm，因此HGI并不能完全表征煤的磨煤特性的好壞，>1.25 mm的原料煤硬度對(duì)煤的破碎性能影響較大，由于無煙煤的硬度較大，其很難被磨碎。

4 結(jié) 論

以上充分考慮煤破碎過程的二元變化特征，率先提出了利用磨煤特征曲線全面表征煤的破碎過程特征，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn):

(1)雖兗礦陜蒙基地煤與無煙煤的HGI均較低，但破碎過程呈現(xiàn)出不同的特征。

(2)低變質(zhì)煙煤的出粉率、細(xì)度隨著磨煤時(shí)間的增加而增加。在磨煤初始階段(50 min內(nèi))主要是大顆粒煤的破碎過程，出粉率(<1 mm比例)隨著磨煤時(shí)間的增加而增加，在此過程中， <1 mm煤粉的細(xì)度卻變化不大，當(dāng)出粉率達(dá)90%以上時(shí)，<1 mm煤粉的細(xì)度才顯示出增加的趨勢(shì)，且是個(gè)快速增加的過程。

(3)高變質(zhì)煙煤的磨煤特性曲線與低變質(zhì)煙煤變化趨勢(shì)相似，因可磨性較好，較易達(dá)到磨細(xì)狀態(tài)。

(4)無煙煤的出粉率(<1 mm比例)與細(xì)度(<0.147 mm比例和<0.074 mm比例)隨磨煤時(shí)間變化基本上呈線性變化特征，無粒度變化突變點(diǎn)。