王宇哲 鄒 沖 鄭雅青 白中輝 俞 楠

(1.北京首鋼股份有限公司，2.西安建筑科技大學(xué)冶金工程學(xué)院)

高爐噴煤可降低焦炭消耗，調(diào)節(jié)爐況，促進(jìn)高爐穩(wěn)定順行，強(qiáng)化高爐冶煉[1-3]。制粉系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行是保證高爐噴煤指標(biāo)的關(guān)鍵。

隨著高爐利用系數(shù)和煤比的提高，較多高爐匹配的制粉系統(tǒng)生產(chǎn)能力不足，影響了噴煤指標(biāo)。采用高可磨性指數(shù)煤種是提高制粉能力最有效的辦法[4-9]。然而，某企業(yè)制粉車間磨煤過程中頻繁出現(xiàn)排渣口吐煤嚴(yán)重而不出粉煤的狀況。制粉車間已通過單一煤種試驗，排除了中速磨煤機(jī)的設(shè)備問題，最終驗證出磨煤機(jī)吐煤是因一種常見的高可磨性貧瘦煤(哈氏可磨指數(shù)為100左右)的配加所引起。而此種煤已長期在高爐噴吹過程中使用，在該企業(yè)配加比例為40%左右，探究產(chǎn)生此問題的原因有助于避免磨煤工序停滯，并對噴吹煤種選擇提供借鑒。

1 實驗樣品和實驗方法

化驗部門對產(chǎn)生問題的煤礦煤質(zhì)已進(jìn)行了長期監(jiān)控，研究分別對磨機(jī)非正常及正常工作狀態(tài)下的煤樣和殘渣進(jìn)行收集。其中非正常狀態(tài)下的煤樣標(biāo)記為CA，而正常工作的兩個不同時期的煤樣標(biāo)記為CB和CC。

煤樣破碎采用對輥粉碎機(jī)，進(jìn)一步磨細(xì)樣品采用哈氏可磨儀，同步測定不同轉(zhuǎn)動圈數(shù)下粒度組成。煤樣的粒度分布采用激光粒度分析儀濕法測定，分散劑為去離子水激光粒度分析，分散方法為超聲攪拌法。

對原煤按照GB/T 16773-2008中《煤巖分析樣品制備方法》取試樣顆粒進(jìn)行多次過篩破碎，使所有顆粒均可通過1.0 mm的試驗篩。采用熱膠法制備煤磚，取破碎好的樣品7 g左右與XQF-01型煤巖專用鑲嵌粉按體積比煤∶鑲嵌粉=1.5∶1冷態(tài)均勻混合后加熱攪拌至粘結(jié)成球狀后快速移入磨具內(nèi)熱壓成型。冷卻后靜止一段時間，再進(jìn)行研磨、拋光直至表面無劃痕。使用MSP 9000C型全自動智能型煤焦顯微分析系統(tǒng)在油浸物鏡下測定光片鏡質(zhì)組隨機(jī)反射率分布及均值。為確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對制備的3個合格光片進(jìn)行測定，取三次測定均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 基礎(chǔ)煤質(zhì)分析

煤樣性質(zhì)見表1。CA、CB和CC三批次煤樣的工業(yè)分析和熱值結(jié)果較為接近，一般而言，一種煤礦的成分在短時間不會大幅波動。CA-煤渣除水分低外，其它指標(biāo)與CA相近，說明煤樣在中速磨機(jī)中受熱煙氣干燥作用而部分脫水；煤樣和煤渣的可磨性指數(shù)均在98～100，表明其可磨性能較為接近?？梢?，部分批次煤樣在中速磨機(jī)排渣口吐料并不是此種煤的工業(yè)分析和可磨性指數(shù)改變引起。

表1 煤樣性質(zhì)

不同煤樣及渣樣的灰成分也未發(fā)現(xiàn)明顯差異(表2)，這說明中速磨機(jī)排渣口吐料并非是煤中礦物質(zhì)組成發(fā)生改變引起的。

表2 煤樣的灰成分 %

2.2 破碎過程分析

在實驗室對輥破碎機(jī)破碎過程中發(fā)現(xiàn)，實驗煤樣在破碎出口產(chǎn)物中出現(xiàn)較多薄片形的餅狀物質(zhì)，而在相同條件下利用對輥破碎機(jī)破碎其它煤樣并未出現(xiàn)過此種物質(zhì)。此種狀態(tài)物質(zhì)在CA、CB和CC破碎產(chǎn)物中所占比例分別為36.5%、10.26%和11.44%，說明CA樣品與后兩批樣品的粉碎機(jī)制明顯不同。

煤在磨煤機(jī)中進(jìn)行破碎時，受到研磨、錘擊和擠壓等多種外力共同作用，而中速磨煤機(jī)中的粗顆粒主要靠研磨輥壓成粉，與對輥過程有一定相似性。對于硬度較低的煤種而言，在受到垂直方向碾壓后易于形成餅狀結(jié)構(gòu)，細(xì)小顆粒則變成薄片，不易形成粉狀物質(zhì)，此結(jié)構(gòu)在輥縫間不易翻轉(zhuǎn)，是磨煤過程中的不利物質(zhì)。據(jù)此推測，餅狀物質(zhì)比例較高的CA對磨機(jī)影響較大，而CB和CC較少出現(xiàn)餅狀物質(zhì)，對磨機(jī)影響較小，這也說明不同批次煤的破碎性質(zhì)發(fā)生了改變。

2.3 磨煤過程分析

CA、CB及兩種噴吹煤在哈氏可磨儀不同轉(zhuǎn)動圈數(shù)下74 μm篩下物質(zhì)量如表3所示。在標(biāo)準(zhǔn)測試條件60圈下，CA和CB的篩下物質(zhì)量高于煙煤和無煙煤，這與其可磨性指數(shù)測試結(jié)果基本一致。當(dāng)轉(zhuǎn)動圈數(shù)增加到180圈時，四種樣品的篩下物質(zhì)量均提高，但CA提高的比例更大。當(dāng)轉(zhuǎn)動圈數(shù)提高到300圈后，CA篩下物比例不斷下降，其它三個樣品的比例則上升。CA在繼續(xù)研磨過程中出現(xiàn)的小粒度占比不增反降現(xiàn)象與其特殊的表面結(jié)構(gòu)有關(guān)。

表3 不同轉(zhuǎn)動圈數(shù)下小于74 μm的樣品質(zhì)量 g

粉碎過程是一種分散與聚合的可逆反應(yīng)過程。物質(zhì)顆粒粉碎過程中，顆粒表面的化學(xué)鍵斷裂和不斷重新組合，隨著顆粒不斷粉碎和顆粒斷裂面的生成，顆粒表面出現(xiàn)不飽和的化學(xué)鍵并帶有電荷的結(jié)構(gòu)單元，使顆粒處于亞穩(wěn)定的狀態(tài)，在條件合適時重新粘合或者顆粒與顆粒再聚合起來形成大顆粒。對于硬度較低的煤種而言，盡管其顆粒容易粉碎，但是顆粒之間重新粘合的概率更高，這將導(dǎo)致“黏磨”現(xiàn)象的產(chǎn)生[10-12]。CA在轉(zhuǎn)動圈數(shù)更高的條件下小粒度比例減少符合顆粒粘附并聚集的典型規(guī)律，CA將難以達(dá)到高爐噴吹所需的小于200目所占比例大于70%左右的粒度要求。

為了進(jìn)一步評估“黏磨”現(xiàn)象的影響，對哈氏可磨儀儀器所得的小于74 μm的CA和煙煤進(jìn)行激光粒度測試，結(jié)果如圖1所示。CA在超聲波分散30 s后顆粒粒度仍大于70 μm以上，這可能是由于顆粒表面較大的不飽和化學(xué)鍵引起粉體團(tuán)聚；當(dāng)進(jìn)一步增加超聲分散時間到60 s后，顆粒粒度顯著降低，基本處于74 μm以下。而煙煤在30和60 s的超聲分散條件下粒度分布差異不大。以上結(jié)果表明，CA獨特的表面結(jié)構(gòu)導(dǎo)致顆粒之間的吸附力增大，進(jìn)而增強(qiáng)顆粒之間團(tuán)聚。在磨機(jī)中，這種團(tuán)聚作用對顆粒的粉碎和粉體的進(jìn)一步磨細(xì)會造成不利影響，這可能是CA在磨機(jī)中吐渣嚴(yán)重的重要原因。

圖1 不同超聲分散時間下煤樣的激光粒度測試結(jié)果

2.4 混煤制粉過程分析

由于此高爐采用貧瘦煤和煙煤混合噴吹方式進(jìn)行噴吹，制粉過程中不同比例CA對混煤制粉的影響也應(yīng)進(jìn)行評估，不同比例混煤后74 μm篩下物粒度組成，如圖2所示。煙煤比CA的可磨性低，在充分超聲分散條件下，煙煤粒度大于CA。在煙煤中混合CA比例低于50%時，隨著CA比例的增加，混合樣的粒度整體下降，D50(累計粒度分布百分?jǐn)?shù)達(dá)到50%時所對應(yīng)的粒徑)和D90(累計粒度分布百分?jǐn)?shù)達(dá)到90%時所對應(yīng)的粒徑)參數(shù)均逐漸下降；然而，當(dāng)CA的比例超過50%時，混合煤的粒度開始增加，D50和D90均開始上升，由于激光粒度測試過程中粉體已充分分散，此趨勢的改變應(yīng)為磨煤過程中兩種煤的相互作用引起的。由于CA的表面不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)較多，對煙煤產(chǎn)生了較大的吸附作用，當(dāng)CA的比例提高到一定程度，細(xì)小CA顆粒自身及在煙煤顆粒上的重新聚集對煙煤顆粒的粉碎起到了保護(hù)作用，因此整體粒度偏大，粒度特征參數(shù)也增大。

圖2 不同比例混煤后74 μm篩下物粒度組成(可磨儀轉(zhuǎn)動60圈，超聲分散60 s)

中速磨使用CA經(jīng)驗表明當(dāng)比例達(dá)到40%時即可產(chǎn)生顯著的吐煤現(xiàn)象。雖然與實驗室的轉(zhuǎn)變比例50%略有不同，但兩者現(xiàn)象結(jié)合均可說明混煤中CA在一定比例時會對磨煤造成不利影響。

2.5 巖相分析

煤的巖相分析是判定煤種差異的經(jīng)典方法。三種煤樣的顯微組分見表4?？梢钥闯鯟B與CC的鏡質(zhì)組占比、活性組分占比和活惰比基本一致，而CA的活惰比比CB和CC高約0.35，鏡質(zhì)組占比高約7個百分點，活性組分高約7個百分點左右。

表4 三種煤樣的顯微組分

CA和CB及CC的隨機(jī)反射率存在較大差異：CA為無煙煤傾向，而后兩種為貧煤傾向。據(jù)此判斷，CA與CB及CC顯微組分明顯不同，即近期該煤礦的煤質(zhì)發(fā)生了改變。由于不同煤層的煤化程度和物理性質(zhì)存在差異，但在采掘過程中并未進(jìn)行有效區(qū)分，導(dǎo)致了原煤在應(yīng)用端可磨性能的差異。

此外，在制作觀察光片過程中亦發(fā)現(xiàn)CA與CB、CC存在差異，主要表現(xiàn)在光片拋光面上的劃痕形狀。CB和CC制成的光片殘余劃痕較少，而CA制成的光片殘余劃痕較多。其它煤制成的光片上未明顯發(fā)現(xiàn)此類情況。此現(xiàn)象也說明CA的硬度發(fā)生了改變。

綜上所述，通過顯微組分和鏡質(zhì)組反射率的差異證明此煤礦的煤質(zhì)發(fā)生了改變，引起煤的硬度差異，在磨煤過程中碾壓得到了更多餅狀物質(zhì)，降低了磨煤機(jī)磨輥的工作效率，進(jìn)而導(dǎo)致吐煤嚴(yán)重?？赡バ灾笖?shù)高于100的煤已屬于極易磨煤，在磨機(jī)選型規(guī)范中，這種煤在中速磨的使用范圍的臨界范圍之外，應(yīng)特別控制此種煤的配加比例。此外，對于高可磨性煤，哈氏可磨性指數(shù)測定結(jié)果指導(dǎo)意義下降，研究中均為高可磨性的煤種呈現(xiàn)了不同的研磨效果。最后，應(yīng)該加強(qiáng)對重點煤種煤質(zhì)的監(jiān)控，除常規(guī)的工業(yè)分析、熱值、可磨性等性質(zhì)的測試之外，建議加入煤的顯微組成和鏡質(zhì)組反射率的分析。

3 結(jié)論

(1)中速磨機(jī)排渣口吐料不是因為該批次此種煤的工業(yè)分析和可磨性指數(shù)改變引起的。

(2)對于硬度較低的煤種而言，在受到垂直方向碾壓后易于形成餅狀結(jié)構(gòu)，在輥縫之間不易翻轉(zhuǎn)，成為磨煤過程中的不利物質(zhì)。

(3)CA在粉碎中出現(xiàn)的小粒度占比不增反降現(xiàn)象與其特殊的表面性質(zhì)有關(guān)。對于硬度較低的煤種而言，盡管其顆粒容易粉碎，但是顆粒之間重新粘合的概率更高，這將導(dǎo)致“黏磨”現(xiàn)象的產(chǎn)生，此現(xiàn)象可導(dǎo)致混煤制粉過程中其他煤種可磨性降低。

(4)通過顯微組分和鏡質(zhì)組反射率分析證明此煤礦的煤質(zhì)發(fā)生了改變，進(jìn)而導(dǎo)致煤的物理性質(zhì)差異，應(yīng)加強(qiáng)來源煤的巖相分析。