陜蒙煤粉與典型高變質(zhì)噴吹煤的流動(dòng)性及噴流性對(duì)比研究

辛得祥，劉亞洲

(兗州煤業(yè)股份有限公司 選煤管理中心,山東 鄒城 273500)

0 前 言

煤粉的輸送性能是煤粉物理性能和輸送氣體流動(dòng)狀態(tài)的綜合反映，不僅反映煤粉所受重力對(duì)煤粉輸送過程的影響，還反映輸送氣體對(duì)煤粉在流化噴吹罐和輸送管道內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)的影響，因而對(duì)高爐噴吹過程影響很大[1]。煤粉的輸送性能與高爐噴吹煤粉過程中出現(xiàn)的空槍和堵槍現(xiàn)象有關(guān)，其為指導(dǎo)高爐富氧大噴吹的重要指標(biāo)之一[2]。高爐噴煤輸送技術(shù)要求煤粉均勻、穩(wěn)定輸送[3]。

煤粉的輸送特性包含流動(dòng)特性與噴流特性2個(gè)部分:流動(dòng)特性主要指管道運(yùn)輸、堆放等高爐外部煤粉的輸送性能，煤粉的噴流特性則指煤粉噴入高爐后在風(fēng)口回旋區(qū)的彌散性。通?？烧J(rèn)為，在同樣外部條件下，煤粉在風(fēng)口回旋區(qū)彌散度越大，相應(yīng)的煤粉燃燒率越高，煤粉燃燒的有效熱量隨之增高[4]。所以煤粉的噴流特性也可在一定程度上表征煤粉燃燒性的優(yōu)劣。

卡爾(Carr)指數(shù)法是實(shí)驗(yàn)室判定高爐噴吹煤粉流動(dòng)性和噴流性較好的方法，方便且更加接近高爐噴吹實(shí)際情況[5]。以下利用粉體綜合特性測(cè)定儀測(cè)定兗礦陜蒙基地不同粒度級(jí)配煤粉的流動(dòng)性指數(shù)與噴流性指數(shù)，并與國(guó)內(nèi)各礦典型高變質(zhì)噴吹煤的輸送特性進(jìn)行對(duì)比研究，以期對(duì)鋼鐵企業(yè)評(píng)價(jià)高爐噴吹煤以及煤粉輸送研究提供技術(shù)支撐。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)煤樣及煤粉制備

實(shí)驗(yàn)所用煤樣采自兗礦陜蒙基地金雞灘礦、石拉烏素礦和轉(zhuǎn)龍灣礦洗精煤樣品，煤質(zhì)特征見表1。高爐噴吹中使用不同粒度級(jí)配的煤粉。制粉設(shè)備采用RK/BM-Φ250×300球磨機(jī)[6]，即利用球磨機(jī)制備不同粒度組成的煤粉，鋼球質(zhì)量15 kg，最大加樣量5 kg；利用GM/ZTS -7A振篩機(jī)測(cè)試制備煤粉的粒度組成，以<0.074 mm比例和<0.147 mm比例表示。分別對(duì)金雞灘礦、石拉烏素礦和轉(zhuǎn)龍灣礦制備不同粒度級(jí)配煤粉，<0.074 mm比例分別約為20%、40%、60%、80%和95%。

采用同樣方法制備不同粒度級(jí)配的潞安煤粉、陽(yáng)泉煤粉和晉城煤粉，用振篩機(jī)對(duì)其進(jìn)行<0.074 mm比例和<0.147 mm比例測(cè)試。

表1 實(shí)驗(yàn)煤樣的煤質(zhì)分析

1.2 煤粉輸送特性

采用BT-1001型粉體綜合特性測(cè)試儀測(cè)試噴吹煤粉的流動(dòng)性指數(shù)和噴流性指數(shù)。BT-1001型粉體綜合特性測(cè)試儀依據(jù)Carr指數(shù)法測(cè)定，松裝密度、振實(shí)密度、自然坡度角、崩潰角、板勺角、分散度通過儀器直接測(cè)量，而差角和分散度通過相應(yīng)公式計(jì)算而得。噴吹煤粉的流動(dòng)性指數(shù)評(píng)價(jià)見表2，噴流性指數(shù)評(píng)價(jià)見表3。

表2 噴吹煤粉的流動(dòng)性指數(shù)評(píng)價(jià)

表3 噴吹煤粉的噴流性指數(shù)評(píng)價(jià)

松裝密度是指粉體在特定容器中處于自然充滿狀態(tài)后的密度，單位為g/cm3。振實(shí)密度是指粉體裝填在特定容器后，對(duì)容器進(jìn)行振動(dòng)，驅(qū)出粉體中的空隙，使粉體處于緊密填充狀態(tài)后的密度，單位為g/cm3。

粉體堆積層的自由表面在靜平衡狀態(tài)下通過特定方式使粉體自然下落到特定平臺(tái)(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。休止角對(duì)粉體的流動(dòng)性影響最大，休止角越小，粉體的流動(dòng)性越好。給測(cè)量休止角的堆積粉體以一定的沖擊，使其表面崩潰后圓錐體的底角稱為崩潰角。將埋在粉體中的平板向上垂直提起，粉體在平板上自由表面(斜面)和平板之間夾角與受到震動(dòng)后夾角的平均值稱為平板角。平板角越小，粉體的流動(dòng)性越強(qiáng)。

將10 g試樣從一定高度落下后，測(cè)量接料盤外試樣占試樣總量的百分?jǐn)?shù)即為分散度。分散度表征粉體在空氣中分散的難易程度，與試樣的分散性、漂浮性和飛濺性有關(guān)。

差角、壓縮度、空隙率通過計(jì)算而得。休止角與崩潰角之差稱為差角。差角越大，粉體的流動(dòng)性與噴流性越強(qiáng)。同一個(gè)試樣的振實(shí)密度與松裝密度之差與振實(shí)密度之比為壓縮度。壓縮度越小，粉體的流動(dòng)性越好?？障堵适侵阜垠w中的空隙占整個(gè)粉體體積的百分比。空隙率因粉體的粒子形狀、排列結(jié)構(gòu)、粒徑等因素的不同而變化。顆粒為球形時(shí)，粉體空隙率為40%左右；顆粒為超細(xì)或不規(guī)則形狀時(shí)，粉體空隙率為70%～80%或更高。

流動(dòng)性指數(shù)(Fw)是粉體的自然坡度角、壓縮率、板勺角、均勻度等項(xiàng)指數(shù)的加權(quán)和，計(jì)算詳見式(1):

Fw=Cp+θr+θs+Ch

(1)

其中，θr為休止角,Cp為壓縮度,θs為平板角,Ch為均勻度。

噴流性指數(shù)(Fd)是在流動(dòng)性指數(shù)的基礎(chǔ)上由崩潰角、差角和分散度等項(xiàng)指數(shù)加權(quán)平均值得出，詳見式(2)。

Fd=Fw+θf+θd+Ds

(2)

其中，F(xiàn)w為流動(dòng)性指數(shù),θf為崩潰角,θd為差角,Ds為分散度。

2 結(jié)果與討論

2.1 煤粉粒度特征

金雞灘煤、石拉烏素煤和轉(zhuǎn)龍灣煤的煤粉篩分粒度組成如圖1所示。金雞灘礦、石拉烏素礦和轉(zhuǎn)龍灣礦<0.147 mm煤粉的比例隨<0.074 mm比例增加中均呈現(xiàn)先急劇增大、后緩慢增大的趨勢(shì)，轉(zhuǎn)換點(diǎn)在<0.074 mm比例為60%左右時(shí)。

潞安煤、陽(yáng)泉煤和晉城煤的煤粉篩分粒度組成如圖2所示。

圖1 金雞灘、石拉烏素和轉(zhuǎn)龍灣礦煤粉的篩分粒度組成

圖2 潞安、陽(yáng)泉和晉城煤粉的篩分粒度組成

潞安煤的粒度變化曲線與兗礦陜蒙基地金雞灘煤、石拉烏素煤和轉(zhuǎn)龍灣煤的變化趨勢(shì)相似，<0.147 mm比例隨<0.074 mm比例增加呈現(xiàn)先急劇增大、后緩慢增大的趨勢(shì)，因其較易研磨，轉(zhuǎn)換點(diǎn)在<0.074 mm比例為40%～60%時(shí)出現(xiàn)。而陽(yáng)泉煤和晉城煤<0.147 mm比例隨<0.074 mm比例增加基本上呈線性增加的趨勢(shì)，當(dāng)<0.074 mm比例高于90%后，<0.147 mm比例與之接近，說明無煙煤研磨至更細(xì)粒度較為困難。

2.2 不同粒度級(jí)配煤粉的流動(dòng)性與噴流性

金雞灘、石拉烏素、轉(zhuǎn)龍灣不同粒度級(jí)配煤粉的流動(dòng)性與噴流性指數(shù)如圖3所示，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

圖3 金雞灘、石拉烏素和轉(zhuǎn)龍灣煤粉的流動(dòng)性指數(shù)與噴流性指數(shù)

流動(dòng)性指數(shù)與噴流性指數(shù)呈反比關(guān)系，流動(dòng)性指數(shù)總體上隨著<0.074 mm細(xì)粉增大而降低，噴流性指數(shù)總體上隨著<0.074 mm細(xì)粉增大而增大。整體上，流動(dòng)性指數(shù)以金雞灘煤、石拉烏素煤、轉(zhuǎn)龍灣煤的次序降低，噴流性指數(shù)以金雞灘煤、石拉烏素煤、轉(zhuǎn)龍灣煤的次序降低。金雞灘煤<0.074 mm比例在40%及以下時(shí)，流動(dòng)性指數(shù)和噴流性指數(shù)均為較高，因此金雞灘煤粉粒度以擴(kuò)大至<0.074 mm比例含量占40%為最佳。

2.3 典型高變質(zhì)噴吹煤的輸送特性

對(duì)不同粒度級(jí)配的潞安、陽(yáng)泉和晉城煤粉均采用粉體綜合物性測(cè)定儀測(cè)定流動(dòng)性指數(shù)與噴流性指數(shù)試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示及詳見表5。

從圖4可看出，潞安、陽(yáng)泉和晉城煤粉的流動(dòng)性指數(shù)總體上隨著<0.074 mm細(xì)粉增大而增加，噴流性指數(shù)總體上隨著<0.074 mm細(xì)粉增大而降低。潞安煤的流動(dòng)性指數(shù)高于陽(yáng)泉煤，晉城煤的流動(dòng)性指數(shù)最差；潞安煤與陽(yáng)泉煤的噴流性指數(shù)隨粒度變化不大，而晉城煤的噴流性指數(shù)最低。

2.4 流動(dòng)性與噴流性的對(duì)比研究

兗礦陜蒙基地煤與我國(guó)典型的高變質(zhì)噴吹煤的流動(dòng)性與噴流性對(duì)比如圖5所示。從圖5可看出，各噴吹單種煤的流動(dòng)性指數(shù)總體上隨著粒度的增大而增加；金雞灘、石拉烏素、轉(zhuǎn)龍灣煤的流動(dòng)性指數(shù)最高，晉城煤的流動(dòng)性指數(shù)最低；流動(dòng)性指數(shù)的總體大小從高到低的順序?yàn)榻痣u灘、石拉烏素、轉(zhuǎn)龍灣、潞安、陽(yáng)泉、晉城?？傮w歸納可知，流動(dòng)性與煤的變質(zhì)程度呈反比關(guān)系。

表4 金雞灘、石拉烏素和轉(zhuǎn)龍灣煤粉的流動(dòng)性指數(shù)與噴流性指數(shù)

圖4 潞安、陽(yáng)泉和晉城煤粉的流動(dòng)性指數(shù)與噴流性指數(shù)

表5 潞安、陽(yáng)泉和晉城煤粉的流動(dòng)性指數(shù)與噴流性指數(shù)

圖5 兗礦陜蒙基地煤粉與典型高變質(zhì)噴吹煤流動(dòng)性指數(shù)與噴流性指數(shù)對(duì)比

幾種噴吹單種煤的噴流性指數(shù)有明顯的規(guī)律，晉城煤的噴流性指數(shù)最低，金雞灘煤的噴流性指數(shù)最高，噴流性的總體大小順序從高到低為金雞灘、石拉烏素、轉(zhuǎn)龍灣、潞安煤、陽(yáng)泉煤、晉城煤，與表征煤化程度的指標(biāo)諸如鏡質(zhì)體反射率、揮發(fā)分、碳含量有完全一致或完全相反的變化規(guī)律，即噴流性指數(shù)與變質(zhì)程度大致呈反比關(guān)系。

由綜合觀察可知，噴流性和流動(dòng)性隨著煤粉粒度的變化呈規(guī)律變化，噴流性和流動(dòng)性指數(shù)與煤的變質(zhì)程度大致呈反比關(guān)系；低階煤的流動(dòng)性指數(shù)和噴流性指數(shù)較好，而高階煤的流動(dòng)性指數(shù)和噴流性指數(shù)均較差，兗礦陜蒙基地煤的噴流性指數(shù)較高。

2.5 煤粉輸送過程的關(guān)鍵影響因素分析

煤粉吸附空氣并在煤粉表面形成氣膜邊界層，邊界層的存在降低煤粉顆粒間的摩擦阻力[7]；煤粉研磨過程中，煤粉表面積聚同性電荷，同性電荷具有相斥作用[8]。因而細(xì)煤粒具有較好的流動(dòng)性，在一定速度的載體中能隨載體一起流動(dòng)，即為煤粉輸送的基本特性。但從粉體力學(xué)的角度分析，在流化噴吹罐和輸送管道內(nèi)，煤粉顆粒因附著力容易聚集在一起，煤粉顆粒之間的附著力主要有范德華引力和毛細(xì)管力。煤粉顆粒在流化噴吹罐和輸送管道內(nèi)的聚集情況對(duì)煤粉的輸送性能影響很大。

煤粉顆粒直徑越大，煤粉顆粒間的范德華引力就越大，在煤粉輸送過程中則需更大的氣流速度以破壞其相互吸引力。隨著煤粉中<0.074 mm比例的增加，單種煤粉和混合煤粉的輸送性能均得到明顯改善，即煤粉的粒度越細(xì)則其輸送性能越好，反之，煤粉的粒度越粗則其輸送性能越差。因此，單純從改善煤粉輸送性能的角度考慮，可適當(dāng)降低高爐噴吹煤粉的粒度。

當(dāng)煤粉顆粒相互接觸形成毛細(xì)管水后，水的表面張力收縮作用將引起2個(gè)煤粉顆粒之間的吸引力，稱之為毛細(xì)管力[9]。不同煤種的煤粉親水性不同，適宜水分含量也就有所不同。煤粉烘干可顯著降低毛細(xì)管力，從而有效提高煤粉的輸送能力。在大多數(shù)情況下，噴吹煤粉的水分含量應(yīng)在2.0%以下。

3 結(jié) 論

(1)煤粉的流動(dòng)性指數(shù)和噴流性指數(shù)隨粒度變化呈規(guī)律性變化，流動(dòng)性指數(shù)總體上隨著<0.074 mm細(xì)粉增大而增加，噴流性指數(shù)總體上隨著<0.074 mm細(xì)粉增大而降低。

(2)流動(dòng)性和噴流性與煤的變質(zhì)程度密切相關(guān)。金雞灘煤的流動(dòng)性指數(shù)和噴流性指數(shù)最高，晉城煤的流動(dòng)性指數(shù)和噴流性指數(shù)最低；流動(dòng)性指數(shù)和噴流性指數(shù)的總體大小順序從高到低依次為金雞灘、石拉烏素、轉(zhuǎn)龍灣、潞安、陽(yáng)泉、晉城。

(3)煤粉輸送過程的關(guān)鍵影響因素是煤粉粒度和水分含量。煤粉粒度以范德華力產(chǎn)生作用，水分以毛細(xì)管力產(chǎn)生作用，因而噴吹煤粉的粒度和水分含量要盡量減小。