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狀態(tài)的綜合反映，不僅反映煤粉所受重力對煤粉輸送過程的影響，還反映輸送氣體對煤粉在流化噴吹罐和輸送管道內(nèi)流動狀態(tài)的影響，因而對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特性與噴流特性2個部分:流動特性主要指管道運(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。通常可認(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定儀測定兗礦陜蒙基地不同粒度級配煤粉的流動性指數(shù)與噴流性指數(shù)，并與國內(nèi)各礦典型高變質(zhì)噴吹煤的輸送特性進(jìn)行對比研究，以期對鋼鐵企業(yè)評價(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。分別對金雞灘礦、石拉烏素礦和轉(zhuǎn)龍灣礦制備不同粒度級配煤粉，<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配的潞安煤粉、陽泉煤粉和晉城煤粉，用振篩機(jī)對其進(jìn)行<0.074 mm比例和<0.147 mm比例測試。

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型粉體綜合特性測試儀測試噴吹煤粉的流動性指數(shù)和噴流性指數(shù)。BT-1001型粉體綜合特性測試儀依據(jù)Carr指數(shù)法測定，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。噴吹煤粉的流動性指數(shù)評價(jià)見表2，噴流性指數(shù)評價(jià)見表3。

表2 噴吹煤粉的流動性指數(shù)評價(jià)

表3 噴吹煤粉的噴流性指數(shù)評價(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，對容器進(jìn)行振動，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(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。休止角對粉體的流動性影響最大，休止角越小，粉體的流動性越好。給測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后夾角的平均值稱為平板角。平板角越小，粉體的流動性越強(qiáng)。

將10 g試樣從一定高度落下后，測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，粉體的流動性與噴流性越強(qiáng)。同一個試樣的振實(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，粉體的流動性越好?？障堵适侵阜垠w中的空隙占整個粉體體積的百分比?？障堵室蚍垠w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，粉體空隙率為40%左右；顆粒為超細(xì)或不規(guī)則形狀時，粉體空隙率為70%～80%或更高。

流動性指數(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，轉(zhuǎn)換點(diǎn)在<0.074 mm比例為60%左右時。

潞安煤、陽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，因其較易研磨，轉(zhuǎn)換點(diǎn)在<0.074 mm比例為40%～60%時出現(xiàn)。而陽泉煤和晉城煤<0.147 mm比例隨<0.074 mm比例增加基本上呈線性增加的趨勢，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 不同粒度級配煤粉的流動性與噴流性

金雞灘、石拉烏素、轉(zhuǎn)龍灣不同粒度級配煤粉的流動性與噴流性指數(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)龍灣煤粉的流動性指數(shù)與噴流性指數(shù)

流動性指數(shù)與噴流性指數(shù)呈反比關(guān)系，流動性指數(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，流動性指數(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

對不同粒度級配的潞安、陽泉和晉城煤粉均采用粉體綜合物性測定儀測定流動性指數(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、陽泉和晉城煤粉的流動性指數(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。潞安煤的流動性指數(shù)高于陽泉煤，晉城煤的流動性指數(shù)最差；潞安煤與陽泉煤的噴流性指數(shù)隨粒度變化不大，而晉城煤的噴流性指數(shù)最低。

2.4 流動性與噴流性的對比研究

兗礦陜蒙基地煤與我國典型的高變質(zhì)噴吹煤的流動性與噴流性對比如圖5所示。從圖5可看出，各噴吹單種煤的流動性指數(shù)總體上隨著粒度的增大而增加；金雞灘、石拉烏素、轉(zhuǎn)龍灣煤的流動性指數(shù)最高，晉城煤的流動性指數(shù)最低；流動性指數(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、陽泉、晉城?？傮w歸納可知，流動性與煤的變質(zhì)程度呈反比關(guān)系。

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

圖4 潞安、陽泉和晉城煤粉的流動性指數(shù)與噴流性指數(shù)

表5 潞安、陽泉和晉城煤粉的流動性指數(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)噴吹煤流動性指數(shù)與噴流性指數(shù)對比

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，噴流性和流動性隨著煤粉粒度的變化呈規(guī)律變化，噴流性和流動性指數(shù)與煤的變質(zhì)程度大致呈反比關(guān)系；低階煤的流動性指數(shù)和噴流性指數(shù)較好，而高階煤的流動性指數(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性，在一定速度的載體中能隨載體一起流動，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)。金雞灘煤的流動性指數(shù)和噴流性指數(shù)最高，晉城煤的流動性指數(shù)和噴流性指數(shù)最低；流動性指數(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。