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        煤樣粒徑對煤質(zhì)分析特性及燃燒特性的影響研究★

        2023-09-05 04:42:46
        山西化工 2023年8期

        王 勇

        (山西省地質(zhì)礦產(chǎn)研究院有限公司,山西 太原 030001)

        0 引言

        煤質(zhì)分析主要分析煤的水分、灰分、揮發(fā)分等物理性質(zhì)及煤的燃燒特性,煤質(zhì)分析結(jié)果決定原煤具體的利用方式和應(yīng)用場景。煤的工業(yè)分析和燃燒特性分析均需要對原煤進(jìn)行研磨、篩分以滿足實(shí)驗(yàn)要求,煤粉經(jīng)研磨后不同粒度煤樣的比表面積、孔隙率和孔隙結(jié)構(gòu)等性質(zhì)均會發(fā)生改變,從而影響煤質(zhì)分析結(jié)果[1]和煤的燃燒特性[2]。

        因此,本文選取陽泉無煙煤進(jìn)行破碎、研磨和篩分得到不同粒徑煤樣,分析研究不同粒徑煤樣對其水分、灰分、揮發(fā)分含量及燃燒特性的影響規(guī)律,以期為精細(xì)化煤質(zhì)檢驗(yàn)工作提供借鑒參考。

        1 不同粒徑煤樣制備及煤質(zhì)分析方法

        本文無煙煤制樣遵循GB474—1996《煤樣的制備方法》,將空氣干燥基無煙煤原煤經(jīng)反復(fù)破碎、研磨和篩分,得到3~6 mm、1~3 mm、0.5~1 mm、0.25~0.5 mm、0.2~0.25 mm、0.074~0.2 mm 共6 種不同粒徑的煤樣以供測試。

        本文依據(jù)GB/T30732—2014《煤的工業(yè)分析方法儀器法》,使用MAC-500 型工業(yè)分析儀對不同粒徑煤樣的水分、灰分、揮發(fā)分進(jìn)行測試。使用STA409 型熱重分析儀對不同粒徑煤樣的著火溫度(ti)、穩(wěn)燃特性指數(shù)(S)和燃盡特性指數(shù)(Hj)進(jìn)行測試,實(shí)驗(yàn)煤樣質(zhì)量為10 mg,在空氣流量65 mL/min 條件下測試升溫速率為20 ℃/min 時煤樣從20 ℃提升至1 000 ℃過程中煤樣的熱重曲線TG 和微分熱重曲線DTG,結(jié)合TG 圖、DTG 圖與穩(wěn)燃特性指數(shù)及燃盡特性指數(shù)公式[式(1)、式(2)]分析煤樣粒徑對煤燃燒特性的影響規(guī)律。

        式中:(dG/dτ)max為燃燒峰的最大失重速率;ti為著火溫度;tmax為(dG/dτ)max對應(yīng)溫度。

        式中:ΔT 為DTG 總峰寬溫度差,ΔT=ΔTq+ΔTh;ΔTh為后半峰溫度差。

        2 粒徑對煤工業(yè)分析結(jié)果的影響

        2.1 粒徑對煤水分含量測試結(jié)果的影響

        不同粒徑煤樣空氣干燥基水分含量測試結(jié)果如圖1 所示。觀察圖1 可知,煤樣的含水量與煤樣粒徑大小成反比關(guān)系,煤樣粒徑越小,所測得煤樣的含水量越大。無煙煤的變質(zhì)程度較高,結(jié)構(gòu)緊實(shí),水分主要賦存在有機(jī)質(zhì)的孔隙結(jié)構(gòu)種,內(nèi)在水含量相對較少,研磨導(dǎo)致煤樣的粒徑不斷減小的過程中,越來越多的有機(jī)質(zhì)暴露出來,致使所測煤樣含水量的不斷上升,該結(jié)果與前人研究一致。

        圖1 煤種水分含量與煤樣粒徑的關(guān)系

        2.2 粒徑對煤灰分含量測試結(jié)果的影響

        不同粒徑煤樣空氣干燥基灰分含量測試結(jié)果如圖2 所示。由圖2 可知,煤樣的灰分含量與煤樣粒徑大小成正比關(guān)系,煤樣粒徑越小,所測得煤樣的灰分含量越小。灰分是煤中所含不可燃無機(jī)礦物的占比,灰分含量與煤的變質(zhì)程度有直接關(guān)系,煤的變質(zhì)程度越高,灰分含量越少,高變質(zhì)無煙煤的灰分含量相對較少。煤樣在破碎和研磨過程中,無機(jī)礦物與有機(jī)質(zhì)逐漸分離,篩分導(dǎo)致質(zhì)量較大的無機(jī)礦物與有機(jī)質(zhì)進(jìn)一步分離,煤樣研磨得越細(xì)致,無機(jī)礦物與有機(jī)質(zhì)分離得越充分,致使煤樣粒徑越小,所測得煤樣的灰分含量越少。

        圖2 煤中灰分含量與煤樣粒徑的關(guān)系

        2.3 粒徑對煤揮發(fā)分含量測試結(jié)果的影響

        揮發(fā)分是煤中有機(jī)質(zhì)和部分礦物質(zhì)隔絕空氣加熱過程中水分校正后的質(zhì)量損失。揮發(fā)分含量與煤的變質(zhì)程度有關(guān),煤的變質(zhì)程度越高,揮發(fā)分含量越低,高變質(zhì)無煙煤的揮發(fā)分含量相對較少。不同粒徑煤樣空氣干燥基揮發(fā)分含量測試結(jié)果如圖3 所示。由圖3可知,煤樣的揮發(fā)分含量與煤樣粒徑大小大體呈反比關(guān)系,煤樣的揮發(fā)份含量隨煤樣粒徑的減小而增大。由于煤揮發(fā)分的主要來源是由有機(jī)質(zhì)和部分礦物質(zhì),煤樣不斷研磨粒徑逐漸減小的過程中無機(jī)礦物與有機(jī)質(zhì)逐漸分離,煤樣中的有機(jī)質(zhì)含量相對增加,導(dǎo)致產(chǎn)生揮發(fā)分的基本物質(zhì)含量相對增加,煤樣粒徑越小,所測得煤樣的揮發(fā)分含量越大。

        圖3 煤中揮發(fā)分含量與煤樣粒徑的關(guān)系

        對不同粒徑煤樣的工業(yè)分析結(jié)果可知,煤樣粒徑越小,水分含量和揮發(fā)分含量越大,灰分含量越小,粒徑對水分、灰分、揮發(fā)分含量的影響將進(jìn)一步影響煤樣的燃燒性能,下文將分析水分、灰分、揮發(fā)分含量隨煤樣粒徑變化對煤粉燃燒特性的影響。

        3 粒徑對煤燃燒特性的影響

        3.1 不同粒徑煤粉的點(diǎn)燃特性分析

        煤的著火溫度[3]是指煤由緩慢氧化狀態(tài)轉(zhuǎn)換至高速燃燒狀態(tài)時對應(yīng)的溫度,著火溫度反映煤著火性能的好壞,著火溫度越低煤越容易著火。圖4 所示為不同粒徑煤樣著火溫度的測試結(jié)果。由圖4 可知,煤樣的著火溫度與煤樣粒徑大小成正比關(guān)系,煤樣粒徑越小,著火溫度越低,煤樣越容易著火。一方面,煤樣粒度越小,煤樣的比表面積越大,揮發(fā)分的析出越容易,氧化及燃燒反應(yīng)的表面積越大,氧化及燃燒過程中的熱阻越?。涣硪环矫?,煤樣不斷研磨,粒徑不斷變小的過程中,不可燃灰分含量的逐漸減少對著火溫度的減小有積極作用,而煤樣粒徑減小水分含量的增加對著火特性的影響相對較小。

        圖4 煤的著火溫度與煤樣粒徑的關(guān)系

        3.2 不同粒徑煤粉的燃燒穩(wěn)定性分析

        穩(wěn)燃特性指數(shù)[4]是反映煤粉前期燃燒狀況的指標(biāo),該指數(shù)越大說明煤粉的著火穩(wěn)定燃燒性能越好。圖5 所示為不同粒徑煤樣穩(wěn)燃特性指數(shù)的測試結(jié)果。由圖5 可知,煤樣的穩(wěn)燃特性指數(shù)與煤樣粒徑大小成反比關(guān)系,煤樣粒徑越小,穩(wěn)燃特性指數(shù)越大,煤粉著火穩(wěn)定性越好。煤粉的著火穩(wěn)定性與煤粉的組成有直接關(guān)系,均勻的可燃有機(jī)質(zhì)分布更有利于煤粉的穩(wěn)定燃燒。煤粉研磨至小粒徑過程中揮發(fā)分含量增大、灰分含量減小,煤中揮發(fā)分熱解析出形成多孔性的碳粒結(jié)構(gòu)的過程可以是可燃有機(jī)質(zhì)的分布更加均勻,有利于可燃有機(jī)質(zhì)的穩(wěn)定燃燒,煤粉粒徑變化過程中水分對穩(wěn)燃特性指數(shù)的影響較小。

        圖5 煤的穩(wěn)燃特性指數(shù)與煤樣粒徑的關(guān)系

        3.3 不同粒徑煤粉的燃盡特性分析

        燃盡特性指數(shù)[5]是反映煤粉燃盡性能好壞的指標(biāo),該指數(shù)越大說明煤粉越容易燃燒完全。圖6 所示為不同粒徑煤樣燃盡特性指數(shù)的測試結(jié)果。由圖6 可知,煤樣的燃盡特性指數(shù)與煤樣粒徑大小成反比關(guān)系,煤樣粒徑越小,燃盡特性指數(shù)越大,煤粉越容易燃燒完全。其原因在于,煤樣在研磨至小粒徑過程中不可燃無機(jī)礦物逐漸被剝離,煤樣粒徑越小,無機(jī)礦物的剝離越完全,煤樣中可燃有機(jī)質(zhì)的占比越高,煤樣越容易完全燃燒;并且大粒徑煤樣含有的不完全可燃礦物質(zhì)相對較多,其燃燒時會形成一層灰殼,阻礙氧化介質(zhì)擴(kuò)散,對煤粉的燃燒造成消極影響,反之,小粒徑煤樣燃燒時灰殼對燃燒的消極影響很小。

        圖6 煤的燃盡特性指數(shù)與煤樣粒徑的關(guān)系

        上述研究表明,煤樣粒徑越小,煤樣的著火溫度越低,穩(wěn)燃特性指數(shù)和燃盡特性指數(shù)越大,即煤樣粒徑減小有利于提升煤粉的燃燒性能。

        4 結(jié)論

        本文系統(tǒng)分析了煤樣粒徑對煤水分含量、灰分含量、揮發(fā)分含量測試結(jié)果的影響,結(jié)合粒徑對工業(yè)分析結(jié)果的影響規(guī)律分析煤樣粒徑對煤樣燃燒特性的影響機(jī)理,結(jié)果表明:

        1)煤樣粒徑的變化會影響其工業(yè)分析結(jié)果。陽泉無煙煤煤樣的水分含量和揮發(fā)分含量隨粒徑的減小而增大,煤樣的灰分含量隨粒徑的減小而減小。煤樣在破碎、研磨至小粒徑過程中有機(jī)質(zhì)暴露面積的增加是水分含量增加的根本原因,不可燃無機(jī)礦物被篩分和剝離導(dǎo)致煤樣的灰分含量的下降和可燃有機(jī)質(zhì)占比的提升,導(dǎo)致煤樣揮發(fā)分含量增加。

        2)煤樣粒徑的變化會影響其燃燒特性。陽泉無煙煤煤樣的著火溫度隨粒徑的減小而降低,粒徑越小灰分含量越少,煤樣的氧化及燃燒反應(yīng)面積越大,煤樣越容易被點(diǎn)燃。煤樣粒徑的減小有利于煤樣的穩(wěn)定著火燃燒和完全燃燒,煤樣的粒徑減小使灰分含量減少、揮發(fā)分含量增加,可燃有機(jī)質(zhì)含量相對增加且分布更加均勻,不完全可燃礦物質(zhì)燃燒生成灰殼對燃燒的消極影響也隨之減小,煤樣粒徑減小導(dǎo)致水分含量增加對煤樣燃燒性能的影響較小。

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