陕蒙煤粉与典型高变质喷吹煤的流动性及喷流性对比研究

2019-10-23辛得祥刘亚洲

煤质技术 2019年5期

辛得祥，刘亚洲

(兖州煤业股份有限公司选煤管理中心,山东邹城 273500)

0 前言

煤粉的输送性能是煤粉物理性能和输送气体流动状态的综合反映，不仅反映煤粉所受重力对煤粉输送过程的影响，还反映输送气体对煤粉在流化喷吹罐和输送管道内流动状态的影响，因而对高炉喷吹过程影响很大[1]。煤粉的输送性能与高炉喷吹煤粉过程中出现的空枪和堵枪现象有关，其为指导高炉富氧大喷吹的重要指标之一[2]。高炉喷煤输送技术要求煤粉均匀、稳定输送[3]。

煤粉的输送特性包含流动特性与喷流特性2个部分:流动特性主要指管道运输、堆放等高炉外部煤粉的输送性能，煤粉的喷流特性则指煤粉喷入高炉后在风口回旋区的弥散性。通常可认为，在同样外部条件下，煤粉在风口回旋区弥散度越大，相应的煤粉燃烧率越高，煤粉燃烧的有效热量随之增高[4]。所以煤粉的喷流特性也可在一定程度上表征煤粉燃烧性的优劣。

卡尔(Carr)指数法是实验室判定高炉喷吹煤粉流动性和喷流性较好的方法，方便且更加接近高炉喷吹实际情况[5]。以下利用粉体综合特性测定仪测定兖矿陕蒙基地不同粒度级配煤粉的流动性指数与喷流性指数，并与国内各矿典型高变质喷吹煤的输送特性进行对比研究，以期对钢铁企业评价高炉喷吹煤以及煤粉输送研究提供技术支撑。

1 实验

1.1 实验煤样及煤粉制备

实验所用煤样采自兖矿陕蒙基地金鸡滩矿、石拉乌素矿和转龙湾矿洗精煤样品，煤质特征见表1。高炉喷吹中使用不同粒度级配的煤粉。制粉设备采用RK/BM-Φ250×300球磨机[6]，即利用球磨机制备不同粒度组成的煤粉，钢球质量15 kg，最大加样量5 kg；利用GM/ZTS -7A振筛机测试制备煤粉的粒度组成，以<0.074 mm比例和<0.147 mm比例表示。分别对金鸡滩矿、石拉乌素矿和转龙湾矿制备不同粒度级配煤粉，<0.074 mm比例分别约为20%、40%、60%、80%和95%。

采用同样方法制备不同粒度级配的潞安煤粉、阳泉煤粉和晋城煤粉，用振筛机对其进行<0.074 mm比例和<0.147 mm比例测试。

表1 实验煤样的煤质分析

1.2 煤粉输送特性

采用BT-1001型粉体综合特性测试仪测试喷吹煤粉的流动性指数和喷流性指数。BT-1001型粉体综合特性测试仪依据Carr指数法测定，松装密度、振实密度、自然坡度角、崩溃角、板勺角、分散度通过仪器直接测量，而差角和分散度通过相应公式计算而得。喷吹煤粉的流动性指数评价见表2，喷流性指数评价见表3。

表2 喷吹煤粉的流动性指数评价

表3 喷吹煤粉的喷流性指数评价

松装密度是指粉体在特定容器中处于自然充满状态后的密度，单位为g/cm3。振实密度是指粉体装填在特定容器后，对容器进行振动，驱出粉体中的空隙，使粉体处于紧密填充状态后的密度，单位为g/cm3。

粉体堆积层的自由表面在静平衡状态下通过特定方式使粉体自然下落到特定平台(水平面)上形成的最大角度叫做休止角，也叫安息角或自然坡度角。休止角对粉体的流动性影响最大，休止角越小，粉体的流动性越好。给测量休止角的堆积粉体以一定的冲击，使其表面崩溃后圆锥体的底角称为崩溃角。将埋在粉体中的平板向上垂直提起，粉体在平板上自由表面(斜面)和平板之间夹角与受到震动后夹角的平均值称为平板角。平板角越小，粉体的流动性越强。

将10 g试样从一定高度落下后，测量接料盘外试样占试样总量的百分数即为分散度。分散度表征粉体在空气中分散的难易程度，与试样的分散性、漂浮性和飞溅性有关。

差角、压缩度、空隙率通过计算而得。休止角与崩溃角之差称为差角。差角越大，粉体的流动性与喷流性越强。同一个试样的振实密度与松装密度之差与振实密度之比为压缩度。压缩度越小，粉体的流动性越好。空隙率是指粉体中的空隙占整个粉体体积的百分比。空隙率因粉体的粒子形状、排列结构、粒径等因素的不同而变化。颗粒为球形时，粉体空隙率为40%左右；颗粒为超细或不规则形状时，粉体空隙率为70%～80%或更高。

流动性指数(Fw)是粉体的自然坡度角、压缩率、板勺角、均匀度等项指数的加权和，计算详见式(1):

Fw=Cp+θr+θs+Ch

(1)

其中，θr为休止角,Cp为压缩度,θs为平板角,Ch为均匀度。

喷流性指数(Fd)是在流动性指数的基础上由崩溃角、差角和分散度等项指数加权平均值得出，详见式(2)。

Fd=Fw+θf+θd+Ds

(2)

其中，Fw为流动性指数,θf为崩溃角,θd为差角,Ds为分散度。

2 结果与讨论

2.1 煤粉粒度特征

金鸡滩煤、石拉乌素煤和转龙湾煤的煤粉筛分粒度组成如图1所示。金鸡滩矿、石拉乌素矿和转龙湾矿<0.147 mm煤粉的比例随<0.074 mm比例增加中均呈现先急剧增大、后缓慢增大的趋势，转换点在<0.074 mm比例为60%左右时。

潞安煤、阳泉煤和晋城煤的煤粉筛分粒度组成如图2所示。

图1 金鸡滩、石拉乌素和转龙湾矿煤粉的筛分粒度组成

图2 潞安、阳泉和晋城煤粉的筛分粒度组成

潞安煤的粒度变化曲线与兖矿陕蒙基地金鸡滩煤、石拉乌素煤和转龙湾煤的变化趋势相似，<0.147 mm比例随<0.074 mm比例增加呈现先急剧增大、后缓慢增大的趋势，因其较易研磨，转换点在<0.074 mm比例为40%～60%时出现。而阳泉煤和晋城煤<0.147 mm比例随<0.074 mm比例增加基本上呈线性增加的趋势，当<0.074 mm比例高于90%后，<0.147 mm比例与之接近，说明无烟煤研磨至更细粒度较为困难。

2.2 不同粒度级配煤粉的流动性与喷流性

金鸡滩、石拉乌素、转龙湾不同粒度级配煤粉的流动性与喷流性指数如图3所示，试验结果见表4。

图3 金鸡滩、石拉乌素和转龙湾煤粉的流动性指数与喷流性指数

流动性指数与喷流性指数呈反比关系，流动性指数总体上随着<0.074 mm细粉增大而降低，喷流性指数总体上随着<0.074 mm细粉增大而增大。整体上，流动性指数以金鸡滩煤、石拉乌素煤、转龙湾煤的次序降低，喷流性指数以金鸡滩煤、石拉乌素煤、转龙湾煤的次序降低。金鸡滩煤<0.074 mm比例在40%及以下时，流动性指数和喷流性指数均为较高，因此金鸡滩煤粉粒度以扩大至<0.074 mm比例含量占40%为最佳。

2.3 典型高变质喷吹煤的输送特性

对不同粒度级配的潞安、阳泉和晋城煤粉均采用粉体综合物性测定仪测定流动性指数与喷流性指数试验结果如图4所示及详见表5。

从图4可看出，潞安、阳泉和晋城煤粉的流动性指数总体上随着<0.074 mm细粉增大而增加，喷流性指数总体上随着<0.074 mm细粉增大而降低。潞安煤的流动性指数高于阳泉煤，晋城煤的流动性指数最差；潞安煤与阳泉煤的喷流性指数随粒度变化不大，而晋城煤的喷流性指数最低。

2.4 流动性与喷流性的对比研究

兖矿陕蒙基地煤与我国典型的高变质喷吹煤的流动性与喷流性对比如图5所示。从图5可看出，各喷吹单种煤的流动性指数总体上随着粒度的增大而增加；金鸡滩、石拉乌素、转龙湾煤的流动性指数最高，晋城煤的流动性指数最低；流动性指数的总体大小从高到低的顺序为金鸡滩、石拉乌素、转龙湾、潞安、阳泉、晋城。总体归纳可知，流动性与煤的变质程度呈反比关系。

表4 金鸡滩、石拉乌素和转龙湾煤粉的流动性指数与喷流性指数

图4 潞安、阳泉和晋城煤粉的流动性指数与喷流性指数

表5 潞安、阳泉和晋城煤粉的流动性指数与喷流性指数

图5 兖矿陕蒙基地煤粉与典型高变质喷吹煤流动性指数与喷流性指数对比

几种喷吹单种煤的喷流性指数有明显的规律，晋城煤的喷流性指数最低，金鸡滩煤的喷流性指数最高，喷流性的总体大小顺序从高到低为金鸡滩、石拉乌素、转龙湾、潞安煤、阳泉煤、晋城煤，与表征煤化程度的指标诸如镜质体反射率、挥发分、碳含量有完全一致或完全相反的变化规律，即喷流性指数与变质程度大致呈反比关系。

由综合观察可知，喷流性和流动性随着煤粉粒度的变化呈规律变化，喷流性和流动性指数与煤的变质程度大致呈反比关系；低阶煤的流动性指数和喷流性指数较好，而高阶煤的流动性指数和喷流性指数均较差，兖矿陕蒙基地煤的喷流性指数较高。

2.5 煤粉输送过程的关键影响因素分析

煤粉吸附空气并在煤粉表面形成气膜边界层，边界层的存在降低煤粉颗粒间的摩擦阻力[7]；煤粉研磨过程中，煤粉表面积聚同性电荷，同性电荷具有相斥作用[8]。因而细煤粒具有较好的流动性，在一定速度的载体中能随载体一起流动，即为煤粉输送的基本特性。但从粉体力学的角度分析，在流化喷吹罐和输送管道内，煤粉颗粒因附着力容易聚集在一起，煤粉颗粒之间的附着力主要有范德华引力和毛细管力。煤粉颗粒在流化喷吹罐和输送管道内的聚集情况对煤粉的输送性能影响很大。

煤粉颗粒直径越大，煤粉颗粒间的范德华引力就越大，在煤粉输送过程中则需更大的气流速度以破坏其相互吸引力。随着煤粉中<0.074 mm比例的增加，单种煤粉和混合煤粉的输送性能均得到明显改善，即煤粉的粒度越细则其输送性能越好，反之，煤粉的粒度越粗则其输送性能越差。因此，单纯从改善煤粉输送性能的角度考虑，可适当降低高炉喷吹煤粉的粒度。

当煤粉颗粒相互接触形成毛细管水后，水的表面张力收缩作用将引起2个煤粉颗粒之间的吸引力，称之为毛细管力[9]。不同煤种的煤粉亲水性不同，适宜水分含量也就有所不同。煤粉烘干可显著降低毛细管力，从而有效提高煤粉的输送能力。在大多数情况下，喷吹煤粉的水分含量应在2.0%以下。