高浓度料浆制备磨矿特性研究
2021-03-17戴爱军袁善录杜彦学葛启明
戴爱军，袁善录，杜彦学 ，葛启明 ，刘 瑜
（1.西北化工研究院有限公司，陕西 西安 710061；2.西安元创化工科技股份有限公司，陕西 西安 710061；3.湖南金磨科技有限责任公司，湖南 长沙 410012）
水煤浆气化是实现煤炭清洁利用的有效途径之一。常规气化水煤浆含有质量分数60%左右的原料煤，其水分在30%以上，故吨浆发热量较低，在气化炉内气化过程中单位产品能耗较高。高浓度料浆制备是通过改变传统的一次湿磨料浆制备工艺，引入细磨或循环研磨工序[1]，达到调整料浆粒度级配的目的，实现粒度级配优化，提高煤颗粒堆积效率，得到高浓度料浆。高浓度料浆比普通水煤浆质量分数高约3个百分点以上，其发热量更高，气化时单位产品能耗较低。
磨矿特性是影响高浓度料浆制备和选配磨矿电机的关键因素。本文在实验室高浓度料浆制备的研究基础上[2]，进行了高浓度料浆制备磨矿特性研究，以获得研磨过程中的相关参数，为工业化放大应用提供基础设计的依据和参考。
1 实 验
1.1 实验原料
煤样：某企业生产用煤；制浆水：自来水；添加剂：萘磺酸甲醛缩聚物。
1.2 实验仪器和分析方法
实验仪器：SDJC-100 颚式破碎机、XMB-Φ240×300 型球磨机、SDTGA-5000a 工业分析仪、可磨指数测定仪、JM-260 立式螺旋搅拌磨机（容积10 L 和50 L）、BT-2002 激光粒度仪、分样筛、烘箱、真空泵、FA2004N分析天平。
原料煤质分析按照GB/T 474—2008、GB/T 212—2008、GB/T 2565—2014 等进行。原料煤粉的粒度采用分样筛进行分析，用筛上剩余煤粉的质量除以总质量，即为筛上率；用100%减去最上层筛的筛上率，即为最上层筛的筛下率，也叫通过率，第二层筛的筛下率为用100%减去最上层筛的筛上率以及第二层筛的筛上率，其他层的筛下率依此类推。一段磨矿产生的料浆采用湿法筛分进行分析，二段磨矿产生的料浆采用BT-2002 激光粒度仪进行分析。
1.3 原料分析
实验煤样的煤质分析结果见表1。
表1 煤质分析结果
从表1可知，实验煤样的可磨指数（HGI）为 68，说明该煤样的可磨性中等。
2 结果与讨论
2.1 磨矿时间
煤粒通过磨机研磨达到所需粒度的时间，即为磨矿时间。磨矿时间与原料煤的可磨指数关系密切，可磨指数越高的煤，达到同样粒度的时间越短，反之，则时间越长[3]。在实验室高浓度料浆制备的研究基础上，采用两级磨矿工艺进行研磨，第一级研磨要求粒度＜45 μm 的煤粉的质量分数达95%，第二级研磨要求粒度＜20 μm 的煤粉的质量分数达95%。通过实验，确定满足粒度要求所需要的磨矿时间，防止因磨矿时间不足或过长，导致煤粉粒度级配的不合理，影响料浆整体性能。原料煤（280 g）经颚式破碎机粉碎成一定粒度的煤粉，然后经球磨机研磨成具有一定粒度分布的煤粉，选用 20 目、40 目、80 目、120 目、160 目、200目和325 目（孔径约45 μm）的分样筛对其粒度进行筛分分析，粒度分布见表2。
表2 一级磨矿入料粒度分布
2.1.1 一级磨矿时间
以表2 中煤粉和萘磺酸甲醛缩聚物为固体原料，加入自来水配制成质量分数为48%的料浆。利用JM-260 型50 L 立式螺旋搅拌磨机对上述料浆研磨搅拌一定时间后（第一级磨矿），利用分样筛测定其粒度分布，主要考察45 μm 以下粒径颗粒的质量分数。每次称取相同质量的上述料浆，一次实验完成后，对研磨介质进行清洗，确保对相同质量的料浆进行研磨，维持磨机内相同的填充效率。粒径＜45 μm 煤粉的质量分数随磨矿时间的变化曲线见图1。
由图1 可知，经过一定时间的研磨后，粒径＜45 μm的煤粒的含量明显上升，说明磨矿效果良好；磨矿时间超过18 min 后，曲线慢慢趋于平缓，变化幅度下降，说明磨矿介质对该料浆的研磨作用减弱，并且即使时间再延长，其粒度变化也不大；当磨矿时间19 min时，粒径＜45 μm 的煤粒质量分数约为95%，达到设定实验要求。
图1 粒径＜45 μm 煤粉的质量分数随磨矿时间的变化曲线
2.1.2 二级磨矿时间
第二级磨矿设备为JM-260 型10 L 立式螺旋搅拌磨机。原料采用第一级磨矿产生的粒径＜45 μm 的煤粒质量分数为96.26%的料浆（对应的第一级磨矿时间20 min），为了防止在第二级磨矿过程中因平均粒径变细而导致料浆黏度迅速增大、流动性变差，将其加水稀释至固体质量分数为35%后使用；产品粒度采用BT-2002 激光粒度仪进行测试。D95粒径（煤粉累积粒度分布达到95%时对应的粒径）随磨矿时间的变化曲线见图2。
图2 D95 粒径随磨矿时间的变化曲线
由图2 可知，采用粒径＜45 μm 的煤粒质量分数为96.26%的料浆作为第二级磨矿的原料时，通过磨矿介质的连续研磨，可使其平均粒径下降；随着研磨时间的延长，D95粒径逐渐变小；研磨 50 min 后，D95粒径变化幅度很小，说明研磨介质已经不能将该料浆煤粒的粒径研磨至更小，如果需要更细小的颗粒，必须更换研磨介质。磨矿时间为35 min 时，D95粒径约为20 μm，符合第二级磨矿设定条件。
2.2 磨矿能耗
磨矿单位能耗是确定磨机电机功率的关键参数，在选配电机时至关重要，影响料浆制备系统整体装机规模和工业化运行成本。在进行前述磨矿时间测试实验的同时，还对磨矿单位能耗进行了测量。第一级立式磨机单位磨矿能耗的测试结果见图3，第二级立式磨机单位磨矿能耗的测试结果见图4。
结合图1 和图3 可以看出，随着磨矿时间的延长，料浆中的颗粒粒径逐渐变小，且粒径变化幅度也逐渐变小，粒径＜45 μm 的颗粒含量逐渐增加，磨机的单位能耗也随之增大。当入一级磨矿原料粒径从＜45 μm 的质量分数占 27.93%研磨到粒径＜45 μm 的质量分数占95%时，电耗约为16.0 kWh/t。
图3 第一级磨矿能耗曲线
图4 第二级磨矿能耗曲线
由图4 可知，以第一级磨矿产品粒径＜45 μm 的质量分数占96.26%的料浆为原料，进行第二级磨矿研磨，当D95=20 μm 时，单位磨矿能耗约为36.0 kWh/t。
3 结论和建议
在球磨机制粉的基础上，通过两级磨矿研磨，能够将煤粒研磨至一定粒度分布，符合高浓度料浆制备条件。当第一级磨矿研磨19 min，能耗约为16.0 kWh/t，第二级磨矿研磨35 min，能耗约为36.0 kWh/t 时，两级磨矿均可得到符合要求的粒度分布，可为工业化应用提供参考。
在工业化实施过程中，要根据原料煤的可磨性及要求达到的粒度级配，有针对性地进行详细的磨矿实验，以确定该原料煤的磨矿特性，为工业化应用工艺条件和设备选择提供参考依据。
