馬 克 富

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100013；2.國家煤炭質(zhì)量檢驗(yàn)檢測中心，北京 100013)

0 引 言

我國能源資源稟賦特點(diǎn)決定煤炭在未來一段時期內(nèi)仍是我國主體能源，在兜住重要能源國內(nèi)生產(chǎn)自給的戰(zhàn)略底線、有效保障國家能源安全、支撐實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)等方面依然將發(fā)揮“壓艙石”和“穩(wěn)定器”的重要作用[1-7]。目前，應(yīng)用于煤炭貿(mào)易結(jié)算、科研、標(biāo)準(zhǔn)制修訂及相關(guān)政策制定等需要的大多數(shù)煤質(zhì)指標(biāo)均由一般分析試驗(yàn)煤樣檢測而獲得，即一般分析試驗(yàn)煤樣制備流程的明確化、規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化是煤炭質(zhì)量檢測結(jié)果準(zhǔn)確性的根本保障。

將煤炭破碎至粒度小于0.2 mm并達(dá)到空氣干燥狀態(tài)，在該狀態(tài)下用于大多數(shù)物理和化學(xué)特性測定的試驗(yàn)煤樣即為一般分析試驗(yàn)煤樣[8]。將煤樣由粒度3 mm破碎至0.2 mm并縮分出一定質(zhì)量的試樣，該操作通常為一般分析試驗(yàn)煤樣制備的最后階段。國內(nèi)煤炭實(shí)驗(yàn)室普遍使用密封式粉碎機(jī)進(jìn)行此最后階段煤樣的研磨，但針對不同煤種的研磨時間在標(biāo)準(zhǔn)與相關(guān)技術(shù)資料中尚未給出明確的定論。研磨時間過短則試樣粒度達(dá)不到小于0.2 mm的要求，而研磨時間過長則易升高試樣的表面溫度，即過長的研磨時間在一定程度上造成試樣氧化，可能會對煤炭的發(fā)熱量[9]、黏結(jié)性[10]測定等產(chǎn)生影響。

筆者針對不同煤種開展不同研磨時間的相關(guān)研究，分析不同煤種隨研磨時間的粒度分布特征和煤質(zhì)特性變化趨勢，總結(jié)給出不同煤種適宜的研磨時間建議。針對不同研磨時間對不同煤種煤質(zhì)特性的影響研究，將為完善煤炭制樣方法國家標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范制樣流程、提高煤炭分析準(zhǔn)確性、推進(jìn)智能化制樣設(shè)備設(shè)計(jì)研發(fā)等提供有力技術(shù)支撐，同時對煤炭檢測機(jī)構(gòu)規(guī)范化開展煤質(zhì)分析極具指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)煤樣

以覆蓋褐煤、煙煤和無煙煤三大類煤種為原則，選擇不同變質(zhì)程度的煤樣開展試驗(yàn)研究，其中選取褐煤樣品1種、煙煤樣品4種(其中YM3、YM4為具有黏結(jié)性的煙煤)、無煙煤樣品1種。

原煤煤質(zhì)特性見表1。

表1 原煤煤質(zhì)特性

由于不同煤種的變質(zhì)程度存在著高、低不同的狀況，因而其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與煤質(zhì)特性均有較大差異。如褐煤的變質(zhì)程度較低、含氧官能團(tuán)豐富、內(nèi)部孔隙發(fā)達(dá)，表現(xiàn)出較高的分析水與揮發(fā)分含量；無煙煤的變質(zhì)程度高、結(jié)構(gòu)緊密、密度大，表現(xiàn)出較低的揮發(fā)分。

1.2 方案設(shè)計(jì)

試驗(yàn)研究方案設(shè)計(jì)如下：

(1) 依據(jù)GB/T 474—2008將選取的5個試驗(yàn)煤樣制備成粒度為3 mm的試樣，并全部通過3 mm圓孔篩，再將每個試樣使用二分器縮分出1.5 kg。

(2) 將分取的試樣置于40 ℃空氣干燥箱中干燥1 h，適當(dāng)空氣干燥后，使用二分器將每個試樣縮分出5份，每份約160 g，剩余試樣留存。

(3) 應(yīng)用密封式制樣粉碎機(jī)，在設(shè)定的45、60、90、120、240 s研磨時間條件下進(jìn)行不同煤種不同時間的研磨試驗(yàn)，研磨容器每次入料80 g，研磨后的樣品放在室溫下晾至空氣干燥狀態(tài)。

(4)將5份研磨后的煤樣用二分器各分為2份，其中一份應(yīng)用煤質(zhì)檢測設(shè)備依據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)對研磨后試樣進(jìn)行分析水、灰分、揮發(fā)分、氫、發(fā)熱量檢測(黏結(jié)性煙煤還需進(jìn)行黏結(jié)指數(shù)、坩堝膨脹序數(shù)的測定);另一份用0.2 mm標(biāo)準(zhǔn)篩進(jìn)行篩分,分別記錄>0.2 mm與≤0.2 mm試樣的質(zhì)量與產(chǎn)率。

2 結(jié)果分析

2.1 研磨時間對粒度分布的影響

不同煤種在不同研磨時間條件下0.2 mm篩上物產(chǎn)率分布如圖1所示。

圖1 不同煤種在不同研磨時間的0.2 mm篩上物產(chǎn)率分布

由圖1可以看出，褐煤HM和無煙煤WYM隨研磨時間的增加，0.2 mm篩上物產(chǎn)率表現(xiàn)出明顯下降后接近于0的趨勢。在研磨時間小于90 s時，0.2 mm篩上物產(chǎn)率較高，尤其在研磨時間為45 s時，2個煤種含有較多的0.2 mm以上煤樣，其中HM與WYM的0.2 mm篩上物產(chǎn)率分別為14.6%和7.3%；在研磨時間大于90 s以后，0.2 mm篩上物產(chǎn)率接近于0。褐煤是變質(zhì)程度最低的煤種，經(jīng)細(xì)碎研磨后多呈片狀，且含水量較高，短時內(nèi)的粉碎效果差；無煙煤是變質(zhì)程度最高的煤種，密度大、硬度高，需要的研磨時間較長。

煙煤YM1～YM4隨著研磨時間的增加，0.2 mm篩上物產(chǎn)率均表現(xiàn)出升高趨勢，其中YM1和YM2升高趨勢較為平緩，YM3和YM4升高趨勢比較明顯，在研磨時間為240 s時，4種煙煤的升高幅度均較大。無黏結(jié)性煙煤YM1和YM2在研磨時間60 s之前，0.2 mm篩上物產(chǎn)率接近于0，隨著研磨時間的增加，0.2 mm篩上物產(chǎn)率反而增加；黏結(jié)性煙煤YM3和YM4在45～240 s研磨時間范圍內(nèi)，均具有一定量的0.2 mm篩上物，60 s之前篩上物產(chǎn)率較小，60 s之后篩上物產(chǎn)率逐漸增大。在研磨試驗(yàn)開展過程中發(fā)現(xiàn)，對于YM1和YM2無黏結(jié)性的煙煤，在60 s之前煤樣比較松散，60 s之后出現(xiàn)結(jié)塊現(xiàn)象；對于YM3和YM4具有黏結(jié)性的煙煤在研磨時間為45 s是即出現(xiàn)結(jié)塊現(xiàn)象，且隨著研磨時間的增加，黏結(jié)性越高的煙煤結(jié)塊現(xiàn)象越嚴(yán)重，說明煤樣的黏結(jié)性及較長的研磨時間均會引起煤樣的結(jié)塊，導(dǎo)致在篩分過程中結(jié)塊煤樣無法通過標(biāo)準(zhǔn)篩，造成篩上物產(chǎn)率增加。該部分的研究對自動化、智能化制樣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研發(fā)比較具有指導(dǎo)性，在傳統(tǒng)人工制樣過程中，篩上物的結(jié)塊可以通過毛刷打散后過篩，而自動化、智能化制樣是封閉系統(tǒng)，煤樣黏壁、結(jié)塊等問題需要妥善解決，防止樣品交叉污染及結(jié)塊裝樣情況發(fā)生。

2.2 研磨時間對分析水檢測結(jié)果的影響

不同研磨時間對不同煤種分析水檢測結(jié)果的影響見表2。

表2 不同煤種分析水檢測結(jié)果

從表2中可看出，褐煤HM和無煙煤WYM隨研磨時間的增加，分析水含量逐漸降低；煙煤YM1～YM4隨研磨時間的增加，分析水含量基本無變化。煤樣的分析水與煤種、環(huán)境條件、粒度有直接關(guān)系，同一煤種試樣在相同環(huán)境中空氣干燥，小顆粒有較大的比表面積，表面、縫隙、毛細(xì)孔中水分更容易蒸發(fā)；大粒度樣品的解離度相對較低，縫隙、毛細(xì)孔中水分蒸發(fā)程度低，造成分析水含量高。通過篩分試驗(yàn)得出HM和WYM在研磨時間60 s之前均具有較高的0.2 mm篩上物產(chǎn)率，所以表現(xiàn)出較高的分析水含量。

2.3 研磨時間對揮發(fā)分檢測結(jié)果的影響

不同研磨時間對不同煤種揮發(fā)分檢測結(jié)果的影響見表3。

表3 不同煤種揮發(fā)分檢測結(jié)果

2.4 研磨時間對發(fā)熱量檢測結(jié)果的影響

不同研磨時間對不同煤種發(fā)熱量檢測結(jié)果的影響見表4。

表4 不同煤種發(fā)熱量檢測結(jié)果

2.5 研磨時間對黏結(jié)指數(shù)與坩堝膨脹序數(shù)的影響

為研究不同研磨時間對黏結(jié)性煙煤的影響，針對不同研磨時間黏結(jié)性煙煤試樣進(jìn)行黏結(jié)指數(shù)與坩堝膨脹序數(shù)的檢測，其檢測結(jié)果隨研磨時間的變化趨勢分別如圖2、3所示。

圖2 不同研磨時間的黏結(jié)指數(shù)分布

由圖2和圖3看出，高、低黏結(jié)性煙煤受研磨時間的影響具有比較大差的異性。高黏結(jié)性煙煤的黏結(jié)指數(shù)受研磨時間的影響較小，檢測結(jié)果變化不大；低黏結(jié)性煙煤黏結(jié)指數(shù)受研磨時間的影響較大，超過60 s后表現(xiàn)出檢測結(jié)果明顯下降。高、低黏結(jié)性煙煤的坩堝膨脹序數(shù)受研磨時間的影響不明顯，高黏結(jié)性煙煤的坩堝膨脹序數(shù)隨研磨時間的增加，檢測結(jié)果未變化；低黏結(jié)性煙煤的坩堝膨脹序數(shù)因本身黏結(jié)性低，檢測結(jié)果接近最低值，僅在研磨時間60 s前表現(xiàn)出下降。

圖3 不同研磨時間的坩堝膨脹序數(shù)分布

3 機(jī)理分析

煤樣在研磨過程中，伴隨著煤樣與研磨鋼環(huán)的高速摩擦，隨著研磨時間的增加，煤樣內(nèi)部溫度不斷升高，造成了煤樣的氧化。煤的氧化過程分為輕度氧化和深度氧化2個階段[11]，煤樣在制備時研磨時間較短，僅發(fā)生了氧氣表面吸附與輕度反應(yīng)，屬于輕度氧化。煤的發(fā)熱量高低主要由煤中有機(jī)組分含量決定，表現(xiàn)出碳、氫含量高的煤種，具有較高的發(fā)熱量，煤的輕度氧化是將氧氣吸附到煤樣中形成不穩(wěn)定的碳氧絡(luò)合物[12]，氧化過程平穩(wěn)緩慢，放出很少的熱量，從而表現(xiàn)出煤樣發(fā)熱量隨研磨時間的增加無明顯變化特征。

煤的黏結(jié)性[13]主要取決于煤熱解時產(chǎn)生膠質(zhì)體液相的量與性質(zhì)，膠質(zhì)體液相[14]的來源是煤熱解過程中氫的再分配及部分中間產(chǎn)物被氫飽和形成，主要由煤大分子結(jié)構(gòu)上脫落的側(cè)鏈和官能團(tuán)組成，當(dāng)煤中氧含量高時，生成液體產(chǎn)物較少，氣態(tài)產(chǎn)物較多，表現(xiàn)出黏結(jié)性較差。煤樣被輕度氧化時，氧原子容易進(jìn)攻鍵能較小的脂肪族側(cè)鏈，而針對鍵能較大和結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定的芳環(huán)，未形成進(jìn)攻條件。氧原子進(jìn)攻脂肪族側(cè)鏈后形成了高溫下容易斷裂的C—O 鍵，致使煤在高溫分解時，形成較多的小分子量氣體化合物，而大分子量的液體產(chǎn)物數(shù)量相對減少[15]，故表現(xiàn)出隨著研磨時間的增加，煤樣的黏結(jié)性變差。

4 結(jié) 論

(1) 褐煤和無煙煤樣品在研磨時間90 s之前，0.2 mm篩上物產(chǎn)率較高，研磨時間90 s后，0.2 mm篩上物產(chǎn)率接近于0。隨研磨時間的增加，煙煤樣品0.2 mm篩上物產(chǎn)率均表現(xiàn)出升高趨勢，無黏結(jié)性煙煤樣品在90 s之前，篩上物產(chǎn)率接近于0，具有黏結(jié)煙煤樣品在研磨時間45～240 s范圍均含有少量的0.2 mm篩上物。建議褐煤和無煙煤樣品研磨時間不超過90 s，煙煤樣品研磨時間在60 s左右，煙煤注意處理結(jié)塊。

(2) 在研磨時間45～240 s范圍內(nèi)，褐煤和無煙煤分析水測定結(jié)果變化較大，隨著研磨時間的增加，分析水逐漸降低；研磨時間對各煤種揮發(fā)分影響較小，對發(fā)熱量測定結(jié)果存在一定差異，但差異不明顯。

(3) 研磨時間對高黏結(jié)性煙煤的黏結(jié)指數(shù)和坩堝膨脹序數(shù)測定結(jié)果影響不大；對低黏結(jié)性煙煤的影響較大，隨著研磨時間的增加，黏結(jié)指數(shù)和坩堝膨脹序數(shù)均有下降，黏結(jié)指數(shù)下降尤為明顯。