張玉濤 李亞清 洪侯勛 Greg Galecki 馬曉峰

（1.西安科技大學(xué)能源學(xué)院，陜西省西安市，710054；2.教育部西部礦井開采及災(zāi)害防治重點(diǎn)試驗(yàn)室，陜西省西安市，710054；3.北京化工大學(xué)，北京市朝陽區(qū)，100029；4.密蘇里科技大學(xué)，美國密蘇里州，65401）

1 概述

煤炭是我國的主要能源，在我國一次能源生產(chǎn)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)中占85%以上，由于其豐富的儲(chǔ)量和相對低的價(jià)格，在我國能源結(jié)構(gòu)中的主體地位未來幾十年都不會(huì)改變。然而煤中含有大量的有害物質(zhì)，燃燒時(shí)會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。此外，煤中的這些不可燃物質(zhì)會(huì)在燃燒過程中以煤灰的形式沉積于鍋爐壁上，不僅降低鍋爐的熱效率，有時(shí)甚至?xí)l(fā)爆炸之類的嚴(yán)重安全事故。為了能確保我國煤炭資源的可持續(xù)利用，在煤炭燃燒前徹底清除煤中的雜質(zhì)變得日益重要。據(jù)分析，煤中雜質(zhì)的清除很大程度上取決于前期的破碎工藝是否能有效地將這些雜質(zhì)解離出來。此外，世界石油儲(chǔ)量的日益稀少也加大了對水煤漿的迫切需要，而水煤漿技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要前提就是要制備出粒徑小于10μm 的細(xì)膩而均勻的超細(xì)煤粉。

傳統(tǒng)的超細(xì)煤制備工藝是個(gè)能耗較高的過程，研究發(fā)現(xiàn)在傳統(tǒng)的破碎過程中，真正用于物料破碎的能量還不到輸入能量的4%，剩余96%的能量都白白浪費(fèi)。目前，球磨機(jī)是超細(xì)煤粉制備的關(guān)鍵設(shè)備，但由于嚴(yán)重的聚集作用，當(dāng)煤顆粒小于15μm時(shí)，球磨機(jī)也無法再進(jìn)一步對其破碎，這成為阻礙水煤漿技術(shù)發(fā)展的重要因素。造成這種低效的根本原因在于這些傳統(tǒng)的破碎技術(shù)主要是通過施加大量的壓縮力來達(dá)到物料破碎的目的，而像煤這種內(nèi)部布滿原生裂隙、孔隙和雜質(zhì)等缺陷的易碎物料，其抗壓能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于抗拉能力。所以，對于這類充滿著微小裂隙結(jié)構(gòu)的物料，通過在其內(nèi)部產(chǎn)生拉伸力要比通過施加壓應(yīng)力使其破碎容易得多。美國密蘇里科技大學(xué)巖石力學(xué)研究中心正是因?yàn)樽⒁獾搅宋锪侠炱扑榈膬?yōu)勢，于20世紀(jì)80年代中期，將高壓水射流技術(shù)應(yīng)用到物料破碎領(lǐng)域，利用高壓水射流進(jìn)行了木料制漿、廢紙制漿、城市固體垃圾處理及煤與礦物的粉碎等試驗(yàn)，取得了良好的效果。

高壓水射流破碎技術(shù)是將高聚能的水射流以一定的方式作用于靜止的物料上，高速的水射流在慣性的作用下迅速穿入物料內(nèi)部的原生裂隙和節(jié)面并在瞬間產(chǎn)生巨大的拉應(yīng)力，從而使物料內(nèi)部的裂隙和節(jié)面迅速延伸、繁衍和交匯，最終導(dǎo)致物料破碎。因?yàn)檫@種特殊的破碎原理，所以與傳統(tǒng)的破碎技術(shù)相比，高壓水射流破碎技術(shù)有兩個(gè)非常顯著的優(yōu)點(diǎn)：一是高速液體穿透了晶粒的界面，使物料的不同成分之間沿著邊界分開；二是物料在瞬間被破碎到了超細(xì)的粒度范圍，保留了物料不同成分的原始結(jié)晶形狀和表面光澤度，避免了因長時(shí)間打磨并暴露在空氣中而導(dǎo)致的表面磨損和污染，這兩點(diǎn)對于后續(xù)的洗煤過程都非常有利。

本文通過試驗(yàn)研究了高壓水射流技術(shù)在超細(xì)煤粉破碎中的應(yīng)用，從顆粒尺寸、比表面積、粒徑分布以及形貌特征等方面分析了高壓水射流粉碎煤體的效果，一定程度上可以為水流磨制備超細(xì)煤粉的工藝優(yōu)化提供理論依據(jù)。

2 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)條件

2.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)儀器選用美國密蘇里科技大學(xué)礦業(yè)系巖石力學(xué)研究中心自行研制的高壓空化射流磨，該射流磨主要由水箱、高壓泵、加料裝置、混合加速室、空化室及出料裝置組成，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

圖1 高壓空化射流磨結(jié)構(gòu)圖

由圖1可見，水箱的水經(jīng)高壓泵轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的高聚能水射流射入混合加速室，原煤通過一個(gè)和混合加速室垂直安裝的進(jìn)料管給入。在煤進(jìn)入加速室的瞬間，無數(shù)次被高速和高聚能的水射束擊中并加速，在該過程中，高聚能水束迅速穿入煤內(nèi)部的原生裂隙和節(jié)面并在其中產(chǎn)生強(qiáng)大的內(nèi)壓，促使其原有的裂隙和缺陷迅速增長、繁衍和交匯，進(jìn)而導(dǎo)致煤顆粒發(fā)生粉碎性破裂；之后將這些高壓水束作為載體，攜帶加速后的煤顆粒通過漿液噴嘴噴射到空化室內(nèi)的靶物上與靶物發(fā)生強(qiáng)烈撞擊，從而使煤顆粒遭受二次粉碎，由于在空化室內(nèi)射流處于淹沒狀態(tài)，所以室內(nèi)圍繞射流產(chǎn)生了強(qiáng)烈的紊流和空化，這種紊亂和空化作用對煤顆粒進(jìn)行了進(jìn)一步的粉碎；最后，粉碎后的煤通過出料裝置流出，利用激光粒度分析儀和掃描電子顯微鏡分別分析其粒徑和表面特征。

2.2 試驗(yàn)方法及條件

煤樣取自美國西弗吉尼亞某礦的無煙煤，將煤樣破碎至粒度小于850μm，收集2000g作為原煤煤樣，剩余的煤樣篩分出低于106 μm、106～212μm、212～355μm 和355～850μm 這4 種粒徑的子煤樣，以不添加任何其它物料的自來水作為射流介質(zhì)，所有煤樣經(jīng)空化射流磨分別在射流壓力為69 MPa、138 MPa、207 MPa和276 MPa下粉碎，粉碎后的產(chǎn)物經(jīng)沉降、分離、脫水和干燥程序后取一定量進(jìn)行粒度和形貌特征分析。試驗(yàn)煤樣的工業(yè)分析如下：Vad為28.42%、Aad為2.83%、FCad為68.75%、發(fā)熱量為3.40kJ／g、可磨性指數(shù)為74.41%；化學(xué)元素分析如下：碳含量為84.32%、氫含量為4.86%、氮含量為1.62%、氧含量為5.55%、硫含量為0.82%。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 高壓水射流粉碎煤粒徑分布分析

原煤在不同射流壓力下經(jīng)射流磨一次粉碎后產(chǎn)物的質(zhì)量累積分?jǐn)?shù)和質(zhì)量分?jǐn)?shù)曲線見圖2。

圖2 不同射流壓力下粉碎煤樣的粒徑分布

由圖2可見，原煤的顆粒尺寸較大且粒徑分布廣泛，在69 MPa的射流壓力下，經(jīng)射流磨一次破碎，大顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯減少，同時(shí)粒徑分布曲線較原煤變窄許多。當(dāng)射流壓力增至207 MPa，經(jīng)射流磨一次粉碎后的產(chǎn)物中，超細(xì)顆粒的數(shù)目有了顯著的增加。在原煤中30μm 以下的細(xì)顆粒僅占9%，粉碎后30μm 以下的細(xì)顆粒達(dá)到88%以上，且60%以上的顆粒尺寸小于10μm。這些數(shù)據(jù)充分說明高壓水射流在煤粉破碎上具有非常強(qiáng)的能力，能在很短的時(shí)間內(nèi)把最大粒徑為850μm的原煤顆粒粉碎至富集于8μm 的細(xì)小顆粒。隨著射流壓力的增加，破碎產(chǎn)物的粒徑分布曲線上出現(xiàn)了單-雙-單的峰值變化規(guī)律。這是由于在空化射流磨中主要有兩種破碎機(jī)理，一種是拉伸與水楔作用下的粉碎性破裂，另一種是紊流-氣蝕作用下的研磨性破裂。研磨性粉碎是超細(xì)煤粉產(chǎn)生的主要機(jī)理，隨著射流壓力的增大，射流磨內(nèi)的紊流和氣蝕作用強(qiáng)度之大以至于研磨性粉碎在射流磨中占主導(dǎo)破碎地位。

3.2 高壓水射流粉碎煤比表面積分析

不同進(jìn)料粒度下破碎產(chǎn)物與原煤的比表面積之比隨射流壓力的變化曲線見圖3。對于粒徑為355～850μm的煤樣，射流壓力每增加1 MPa，比表面積的比值增加 0.2； 而對于粒徑為106～212μm的煤樣，壓力每增加1 MPa，比表面積的比值只增加0.1。

圖3 破碎后煤樣與原煤樣比表面積之比隨射流壓力的變化曲線

由圖3可見，在同等壓力下進(jìn)料的粒度越大，破碎產(chǎn)物與原煤的比表面積比值越大。因此，從能耗方面來說，空化射流磨與傳統(tǒng)的機(jī)械粉碎機(jī)一樣，進(jìn)料尺寸越大，輸入能量中用于破碎所占的比例越高。這主要是因?yàn)樵诳栈淞髂ブ?，煤顆粒破碎主要是通過其內(nèi)部原生裂紋、孔隙和雜質(zhì)等缺陷的延伸、繁衍及交匯而實(shí)現(xiàn)。Griffith 理論指出物料內(nèi)部已有的裂隙有助于繁衍和形成新的裂隙，隨著煤顆粒尺寸的減小，其內(nèi)部孔隙、裂隙和節(jié)面大量減少，甚至消失，所以與大尺寸的煤顆粒相比，破碎小顆粒的煤樣射流磨需要輸入更多的能量。同時(shí)也可以看出，破碎后與原煤比表面積之比隨壓力基本上呈線性變化，而且原煤顆粒越大，比表面積的比值增大速率越大。

3.3 高壓水射流粉碎煤表面形態(tài)分析

原煤在不同射流壓力下經(jīng)射流磨一次粉碎后，煤顆粒的SEM 顯微鏡分析照片見圖4。

由圖4中顆粒的外形特征可以看出，69 MPa射流壓力下的產(chǎn)品大多擁有尖銳的邊角，隨著射流壓力的增大，產(chǎn)物中顆粒的邊角變得越來越圓滑直至呈現(xiàn)出圓弧形。相關(guān)專家研究發(fā)現(xiàn)，顆粒的破裂機(jī)理是決定其產(chǎn)物表面形態(tài)的主要因素，粉碎性破裂的產(chǎn)物其邊角都比較尖銳，而由于研磨而導(dǎo)致的表面剝裂性破裂，其產(chǎn)物的邊角多呈圓弧狀。因此在空化射流磨中，當(dāng)射流壓力較低時(shí)，煤顆粒主要以粉碎性破裂為主，隨著射流壓力的增大，由于顆粒之間及顆粒與管壁之間的摩擦剪切作用而導(dǎo)致的剝裂性破裂越來越明顯。

圖4 不同射流壓力下破碎產(chǎn)物的電子顯微分析照片

4 結(jié)論

（1）高壓水射流破碎技術(shù)具有很強(qiáng)的超細(xì)煤粉制備能力，可以在很短的時(shí)間內(nèi)將最大粒徑為850μm原煤破碎至富集于8μm 的超細(xì)煤粉，且破碎后的產(chǎn)物粒徑分布較窄。

（2）射流壓力和進(jìn)料顆粒尺寸對空化射流磨粉碎煤的效果有很大影響，射流壓力越大，產(chǎn)品中細(xì)顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，粒徑分布越集中。進(jìn)料顆粒尺寸對射流磨粉碎效率的影響與傳統(tǒng)機(jī)械破碎機(jī)一致，即進(jìn)料尺寸越小能耗越高。

（3）高壓水射流破碎煤體過程中展現(xiàn)出兩種不同的破碎機(jī)理， 壓力較低時(shí)，主要呈現(xiàn)粉碎性破裂；隨著射流壓力的增大，煤顆粒以剝裂性破裂為主。

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