可磨性指數對煤炭混合破碎過程影響的實驗研究

張宇新，謝衛寧，姜海迪，高佳樂，方小霞，陸施澄，張學武

(1.中國礦業大學 化工學院，江蘇 徐州 221116；2. 中國礦業大學 現代分析與計算中心，江蘇 徐州 221116)

可磨性指數是表征燃煤制粉的難易程度，也是燃煤電廠煤粉制備工藝和設備設計，以及預測磨煤機出力和磨煤能耗的必要依據。但由于煤炭性質復雜，煤化程度、伴生礦物嵌布特征、水分、揮發分等差異致使不同礦區甚至相同礦區不同煤層煤炭的可磨性指數離散分布。測試可磨性指數所用的哈氏可磨儀，與燃煤電廠廣泛使用的中速磨煤機具有相同的研磨機理和相似的機械結構，被用來模擬煤炭在中速磨煤機內的破碎過程。而處于黑箱狀態的中速磨煤機研磨區域的物料組成包括新鮮入料、錐形體和煤粉分離器返料，因而處于一種多相混合破碎狀態。考慮到目前燃煤電廠的煤炭來源較廣，不同來煤的變質程度、可磨性差異致使中速磨煤機內的混合破碎氛圍更加復雜。

目前關于混合破碎研究主要選用純礦物，利用密度差異分離混合破碎產物的各物相，且相關實驗多在球磨機開展。POWELL等在分析石英和磁鐵礦在受限制的料層混合粉碎的破碎行為后，提出了基于產物細度的能量分配因子計算方法，并結合單相性質預測混合破碎行為。TAVARES等研究了球磨機循環負荷及軟硬兩相礦物質量比對各相破碎行為的影響，并分析了混合物邦德功指數與質量加權平均邦德功指數差異的原因。韓躍新等研究了窄粒級石英、綠泥石及其混合物在濕法球磨時破碎動力學的差異。HAKAN等考察了水泥磨制中軟硬各相破碎速率及產品細度與混合比的關系。IPEK等利用改進Charles模型分析干法球磨水泥原材料——石英、高嶺土和長石三相破碎的能量分配機理。上述用于混合破碎研究的球磨機是通過旋轉筒體帶動介質，將破碎能量傳遞至顆粒，介質空撞及其與筒體摩擦會造成能量浪費；對中速磨煤機而言，顆粒位于磨輥和磨盤之間，屬于料層粉碎過程，破碎能量直接傳遞至粒群，故能量效率更高。2類磨機研磨機理差異致使前述研究結果難以直接應用到中速磨煤機混合破碎中，而目前針對該過程的研究相對較少。HE等利用加裝功率測量儀的哈氏可磨儀開展超純煤與同粒級黃鐵礦、方解石兩相混合破碎實驗，分析了質量比對超純煤破碎速率和能量消耗的影響。XIE等在研究不同灰分及煤化程度煤炭混合物在哈氏可磨儀內破碎行為后，利用煤中有機硫質量分數/衍射圖譜特征比值與混合物中某組分質量分數關系計算各物相在混合破碎后粒度組成，從能量分配角度解釋了導致破碎行為變化的原因。

雖然目前關于中速磨煤機內煤炭破碎過程的研究逐漸增多，但用于表征煤炭破碎難易程度的可磨性指數對復雜黑箱環境中的混合破碎影響的研究相對較少。筆者選取2種煤化程度差異，且可磨性指數不同的煤樣為研究對象開展不同時間批次的混合破碎實驗，在確定煤樣混合物X射線衍射圖譜特征比值(002峰峰高與半高寬比值)與某組分質量分數關系后，分析可磨性指數對混合破碎中各組分破碎速率和煤粉細度等的影響，建立包含可磨性指數的混合破碎能耗模型，并在神經網絡算法實現破碎能量平衡基礎上，計算各組分在混合破碎中所分配能量，揭示各組分可磨性對混合破碎過程中能量效率和破碎行為的影響。

1 實驗樣品與方法

1.1 實驗樣品

實驗所需樣品分別為采自太西選煤廠的無煙煤和淮北選煤廠的肥煤，樣品經自然晾干后破碎篩分，獲取0.63～1.25 mm樣品備用。經分析檢測，無煙煤和肥煤的灰分分別為2.08%和7.15%，可磨性指數為37.12和58.53。兩煤樣除可磨性指數差異較大外，煤化程度也不同，這主要體現在X射線圖譜的002峰位置處，如圖1所示。由于肥煤灰分相對較高，在其衍射圖譜上檢測出少量的礦物質峰，但其對002峰的影響較小。無煙煤和肥煤002峰的峰高和半高寬不同，兩煤樣的特征比值分別為40.35和16.84。2者按不同比例混合后，各混合物特征比值將存在較為明顯的差異，可作為定量混合破碎產物中兩組分質量分數的依據。

圖1 無煙煤和肥煤的衍射圖譜Fig.1 XRD patterns of anthracite and bituminous coal

1.2 煤樣的單獨和混合破碎

利用加裝功率測量裝置的哈氏可磨儀進行兩煤樣的單獨和混合破碎實驗，每次試驗的樣品質量為40 g。無煙煤與肥煤的混合破碎設置3個質量比例：3∶1，1∶1和1∶3(無煙煤在前，混合物分別命名為無3肥1、無1肥1和無1肥3)；每類混合物共設置10個破碎時間，分別為10，20，30，50，70，90，120，150，180和240 s。實驗中，利用功率測量儀記錄各煤樣破碎過程的功率(采樣頻率為1次/s)，并在與時間積分后獲得破碎能耗。破碎產物在完成粒度分析后，分別收集+0.71 mm和-0.09 mm(此粒度為0.63～1.25 mm物料幾何平均粒度1/10，小于該粒級物料的產率即為煤粉細度)，用于X射線衍射測試。

2 實驗結果與討論

2.1 基于特征比值的煤樣識別與定量

將無煙煤與肥煤按照質量比1∶0，9∶1，4∶1，7∶3，3∶2，1∶1，2∶3，3∶7，1∶4，1∶9和0∶1混合，且混合物質量均為40 g。在分別采用振動磨將上述混合物研磨至200目(0.074 mm)以下后用于X射線衍射測試，在各混合物的衍射圖譜曲線擬合基礎上計算特征比值(圖2)。特征比值隨混合物中無煙煤質量分數的增加而提高，2者的關系如圖3所示，呈近似線性。因此，后續可在分析各混合條件破碎產物特征比值基礎上，依據圖3所得模型返算無煙煤和肥煤質量分數。

圖2 不同質量配比煤炭混合物的衍射圖譜及特征比值Fig.2 XRD patterns and characteristic ratios of mixtures withvarious mass ratios of components

圖3 各煤炭混合物特征比值與無煙煤質量分數的關系Fig.3 Relation between characteristic ratios ofmixtures and mass content of anthracite

2.2 煤炭混合物及各組分破碎行為

無3肥1、無1肥1和無1肥3的可磨性指數分別為49.17，56.22和65.95，均高于根據無煙煤和肥煤質量加權所計算的可磨性指數(42.47，47.82和53.18)，其中樣品無1肥3可磨性指數已高于肥煤。因可磨性指數是依據破碎產物中-0.074 mm質量分數計算，上述數據表明在混合破碎過程中各組分相互影響，促進了細粒級物料產生。為進一步研究混合破碎中各組分相互作用所導致的破碎行為變化，在分析各混合物初始粒級破碎速率和煤粉細度后，測試上述物料X射線衍射圖譜，并利用圖2模型計算結果分析各組分破碎行為。混合物以及各組分在單獨和混合破碎條件下的初始粒級質量分數和煤粉細度分別如圖4和表1所示。

圖4 煤樣混合物及各煤樣初始粒級質量分數隨破碎時間的變化Fig.4 Changes of initial particles contents of mixtures and components with grinding time

表1 混合物破碎產物以及各組分在單獨和混合破碎時產物的煤粉細度t10

在圖4的半對數坐標系中，混合物及各煤樣在不同破碎條件下的初始粒級質量分數與破碎時間基本呈線性關系，即符合一級動力學模型。各煤樣單獨和混合時的破碎速率相差較小，混合物破碎速率隨肥煤質量分數的增加而提高。雖然無煙煤、肥煤及其混合物的破碎速率隨其可磨性指數呈正相關性，但可磨性指數最高的無1肥3樣品破碎速率并非最高。這是因為可磨性指數表征細粒級物料的生成速率，而破碎速率則反映粗粒級顆粒的消失速度，兩參量物理含義的差異導致產生極值的樣品不同。此外，細粒級可來源于任何一個大于該粒度的寬粒級粗顆粒，而寬粒級物料在研磨過程中2種組分的相互影響要較初始的窄粒級物料更為復雜。混合破碎中，無煙煤破碎速率隨肥煤質量分數的增加而提高，且高于單獨破碎，表明易磨的肥煤對較硬的粗顆粒無煙煤的破碎起到促進作用；而肥煤破碎速率則因更多的無煙煤添加而降低，并小于單獨破碎速率。

混合破碎產物細度隨較軟的肥煤質量分數的提高而提高，但其并未超過肥煤單獨破碎時的細度。在本文中煤粉細度所對應的粒度為0.090 mm，而可磨性指數實驗所測試的是粒度小于0.074 mm物料的產率。雖然混合破碎產物煤粉細度隨其可磨性指數的增加而提高，但兩指標標定尺度不同，前者還包括了0.074～0.090 mm粒級產率，最終出現可磨性指數最高的無1肥3的煤粉細度略小于肥煤單獨破碎的結果。與單獨破碎相比，混合破碎中各組分煤粉細度均有所增加，并隨另一組分質量分數的增加而提高。這一現象與前述各混合物可磨性指數均高于各組分質量加權平均值的結論相呼應，表明混合破碎提高了各組分細粒級產物的生成速率。

2.3 煤炭混合破碎能量-粒度關系模型化及各組分能量分配

無煙煤與肥煤在單獨和混合破碎各條件下的破碎能量與煤粉細度關系如圖5所示。在相同的能量輸入條件下，破碎產物排序為：肥煤>無1肥3>無1肥1>無3肥1>無煙煤，即隨可磨性指數較高的肥煤質量分數的增多而提高。為進一步從輸入能量角度分析各煤樣在單獨和混合物氛圍下抵抗破碎的能力，本文選用經典的能量-粒度關系模型進行擬合。

=(1-e-)

(1)

其中，為單位破碎能量，kWh/t；為煤粉細度的最大值，%；為單位能量所能破碎物料的質量，t/kWh。×為表征物料抵抗破碎能力的指標，數值越大表示越容易破碎，破碎能量效率更高(即在輸入能量相同時，煤粉細度更高。)

經計算，無煙煤、無3肥1、無1肥1、無1肥3和肥煤的×分別為6.62,11.97,13.22,16.76和16.04。各指標的變化規律與可磨性指數類似，混合物的×的實驗值均高于各煤樣的加權平均值(8.98，11.33和13.68)，表明混合破碎中各物相的相互作用降低了混合物抵抗破碎的能力。

然而，各煤樣及混合物抵抗破碎能力的差異導致圖5中各實驗數據相對分散；雖然均可采用經典能量-粒度關系模型表征，但每組實驗需對應一組擬合參數。各物料可磨性指數差異導致數據點分散，并僅能定性反映可磨性指數對破碎能量和煤粉細度的影響。若實現各數據曲線歸一，需將各曲線在軸方向移動不同的距離。圖5中，可磨性指數最低的無煙煤的實驗曲線位于右下角，而肥煤則位于左上角，能量效率最高。在煤粉細度相同的前提下，可磨性指數最高的肥煤所需能量最小，而無煙煤則最高，即破碎能量與可磨性指數成反比。基于此，若將各物料破碎實驗的實測能量與其可磨性指數相乘，則可分別使圖5中無煙煤/肥煤的曲線向右移動較少/多的距離，進而降低數據點的分散程度。處理后的實驗數據如圖6所示。與圖5相比，處理后的數據點分布相對集中，滿足采用單一模型單一擬合參數表征的要求，即

=(1-e-HGI)

(2)

圖5 不同質量配比煤炭破碎能量與煤粉細度t10的關系Fig.5 Relation between grinding energy of mixtures andproduct fineness t10

圖6 經歸一化處理后不同質量配比煤炭破碎能量與煤粉細度t10的關系Fig.6 Relation between grinding energy of mixtures andproduct fineness t10after the normalization treatment

與不同質量配比混合物×的加權平均值相比，由各混合物破碎實驗所得該指標相對較高，表明破碎過程中無煙煤和肥煤相互作用，對各自破碎過程產生影響(煤粉細度增加)并最終導致混合物以及各組分破碎能量效率改變。為進一步分析各組分在混合破碎中所分配的能量，比較單獨和混合破碎過程能量效率差異，本文在混合破碎質量守恒和能量守恒(式(3))的前提下，提出了混合破碎中各組分所消耗能量與其煤粉細度仍滿足經典能量-粒度關系模型(式(1))的假設。

=+

(3)

式中，，和分別為混合物、組分1和2在混合破碎所消耗能量，kWh/t；和分別為混合物中組分1和2的質量分數，%。

在實驗中已分別獲得混合物破碎能耗，各組分煤粉細度，并已知混合物中各組分質量分數，在將式(1)代入式(3)后即可通過能量平衡求解各組分破碎指標和。不同時間各組分在混合破碎中所消耗能量的計算結果見表2。結果顯示除在破碎時間短的低能量輸入時的計算偏差偏大外，其余各實驗條件下混合物的實測能量與計算能量的偏差小于10%，表明基于前述假設和質量/能量守恒的計算結果是有效的。

表2 基于質量和能量守恒所計算的不同時間條件下各組分在混合破碎中所消耗能量

基于表2數據和經典能量-粒度關系模型，擬合計算出無煙煤在無3肥1、無1肥1和無1肥3混合破碎中的×分別為7.32，7.56和7.16，肥煤則分別為25.39，19.78和17.71。與單獨破碎相比，混合破碎中兩組分抵抗破碎的能力均削弱，細粒級生成速率增加，與前述關于煤粉細度、可磨性指數等結論相吻合。

為進一步表明單獨和混合破碎中各組分所分配能量的變化，筆者以混合破碎條件下各組分不同時間煤粉細度為基礎，計算各組分在單獨破碎產生與混合破碎中該組分相同煤粉細度所需能耗，同時計算2組分在單獨破碎產生該煤粉細度所需能量，最終獲得兩種破碎條件下產生相同煤粉細度時的能耗比(圖7)。兩組分混合破碎過程各時間能耗在總破碎能量中的占比如圖8所示。

圖7 無煙煤和肥煤在混合與單獨破碎產生相同煤粉細度的能耗比Fig.7 Energy ratios for yielding the same product finenessbetween anthracite and bituminous coal duringthe mixture and single breakage

圖8 無煙煤和肥煤在混合破碎各時間節點的能耗占比Fig.8 Energy contents of anthracite and bituminous coal forvarious time during the mixture breakage

雖然混合物中加入肥煤可提高細粒級無煙煤產率，但煤粉細度相同時無煙煤在混合破碎中能耗為單獨破碎時的0.87～0.93，2者差異較小。無煙煤硬度相對較高，抵抗破碎能力強于肥煤。與單獨破碎相比，混合破碎體系中高硬度無煙煤被相對較軟的肥煤包圍而扮演研磨介質作用，并導致破碎能量傳遞至肥煤而使自身粒度并未產生明顯變化。此外隨著破碎時間延長無煙煤顆粒群整體粒度降低，與破碎早期相比產生相同煤粉細度將需消耗更多的能量。2者綜合作用最終導致無煙煤在混合與單獨破碎時能耗之比隨其細度的增加而提高。對肥煤而言，混合物中加入的硬質無煙煤可發揮研磨介質作用，在促進細粒級物料產生同時還可提高破碎能量效率。肥煤在混合與單獨破碎產生相同煤粉細度的能耗比隨無煙煤質量分數增加下降約0.28。因硬質無煙煤可磨性差，混合破碎中粗粒級無煙煤均可對較細肥煤破碎產生促進作用，最終導致在混合比不變前提下，該比值隨肥煤煤粉細度增加進一步降低，即肥煤在混合破碎中能量效率隨其產物細度的增加而提高。

能量計算結果顯示混合破碎中，各組分能耗占比與其質量質量分數不同。總體上，無煙煤在混合破碎中所消耗能量占比超過其質量分數，即相對較多的能量用于硬質無煙煤破碎。但考慮到混合破碎中無煙煤的煤粉細度較單獨破碎時高，所以其能量效率仍有所提升。圖8中無煙煤與肥煤的能耗占比加和為100%，即隨破碎時間延長呈相反變化規律，因此以無煙煤為例解釋其能耗占比隨時間變化的原因。在無3肥1混合物中，硬質無煙煤占主導地位，在混合破碎過程中扮演研磨介質作用而促進較軟肥煤的破碎。因此，此混合物中無煙煤能耗部分用于自身破碎，部分則在未發生破碎效果條件下傳遞至肥煤。而隨著破碎時間延長肥煤細度降低，粗顆粒無煙煤對細粒級肥煤的助磨作用更加明顯(即所傳遞的能量增加)，最終導致無3肥1混合物中無煙煤的能耗占比隨時間延長呈增加趨勢。而對無1肥3而言，硬質無煙煤質量分數較少并被軟質易磨肥煤包圍，其助磨作用有限，因此隨著破碎時間延長其能耗占比逐漸下降。而對質量比相同的無1肥1混合物，在破碎初期無煙煤對同粒級肥煤的助磨作用相對較小。但隨著易磨肥煤的粒度降低，粗顆粒硬質無煙煤對細粒級肥煤的助磨作用提高，最終導致在無1肥1混合物中，無煙煤的能耗占比隨時間增加而呈現先降低后增加的趨勢。

3 結 論

(1)無煙煤與肥煤的煤化程度不同，其X衍射圖譜特征比值存在較大差異。2者混合物特征比值與混合物中無煙煤質量分數呈線性關系，可用于混合破碎產物中各組分定量。

(2)混合破碎中，混合物與各組分初始粒級破碎速率符合一級動力學，其中無煙煤破碎速率隨肥煤質量分數的增加而提高，且高于單獨破碎，而肥煤破碎速率則因更多的無煙煤添加而降低，并小于單獨破碎速率。

(3)混合破碎中兩組分相互影響促進細顆粒產生，混合物的可磨性指數均高于各組分可磨性指數的加權平均值。與單獨破碎相比，混合破碎中各組分煤粉細度均有所增加，并隨另一組分質量分數的增加而提高。

(4)混合破碎中各物相相互作用降低了混合物及各組分抵抗破碎的能力。優化了包含可磨性指數參量，可表征不同煤炭混合物破碎過程的能量-粒度關系模型。

(5)與單獨破碎相比，混合破碎中兩組分能量效率均有所提高，其中肥煤變化更為明顯，并隨其煤粉細度增加進一步提高。此外，混合破碎中各組分能耗占比與其質量分數不同，無煙煤所消耗能量占比超過其質量分數，即相對較多的能量用于硬質無煙煤破碎。