研磨時間對不同煤種煤質特性的影響研究

馬 克 富

(1.煤炭科學技術研究院有限公司，北京 100013；2.國家煤炭質量檢驗檢測中心，北京 100013)

0 引 言

我國能源資源稟賦特點決定煤炭在未來一段時期內仍是我國主體能源，在兜住重要能源國內生產自給的戰略底線、有效保障國家能源安全、支撐實現碳達峰、碳中和目標等方面依然將發揮“壓艙石”和“穩定器”的重要作用[1-7]。目前，應用于煤炭貿易結算、科研、標準制修訂及相關政策制定等需要的大多數煤質指標均由一般分析試驗煤樣檢測而獲得，即一般分析試驗煤樣制備流程的明確化、規范化、標準化是煤炭質量檢測結果準確性的根本保障。

將煤炭破碎至粒度小于0.2 mm并達到空氣干燥狀態，在該狀態下用于大多數物理和化學特性測定的試驗煤樣即為一般分析試驗煤樣[8]。將煤樣由粒度3 mm破碎至0.2 mm并縮分出一定質量的試樣，該操作通常為一般分析試驗煤樣制備的最后階段。國內煤炭實驗室普遍使用密封式粉碎機進行此最后階段煤樣的研磨，但針對不同煤種的研磨時間在標準與相關技術資料中尚未給出明確的定論。研磨時間過短則試樣粒度達不到小于0.2 mm的要求，而研磨時間過長則易升高試樣的表面溫度，即過長的研磨時間在一定程度上造成試樣氧化，可能會對煤炭的發熱量[9]、黏結性[10]測定等產生影響。

筆者針對不同煤種開展不同研磨時間的相關研究，分析不同煤種隨研磨時間的粒度分布特征和煤質特性變化趨勢，總結給出不同煤種適宜的研磨時間建議。針對不同研磨時間對不同煤種煤質特性的影響研究，將為完善煤炭制樣方法國家標準、規范制樣流程、提高煤炭分析準確性、推進智能化制樣設備設計研發等提供有力技術支撐，同時對煤炭檢測機構規范化開展煤質分析極具指導意義。

1 試驗部分

1.1 試驗煤樣

以覆蓋褐煤、煙煤和無煙煤三大類煤種為原則，選擇不同變質程度的煤樣開展試驗研究，其中選取褐煤樣品1種、煙煤樣品4種(其中YM3、YM4為具有黏結性的煙煤)、無煙煤樣品1種。

原煤煤質特性見表1。

表1 原煤煤質特性

由于不同煤種的變質程度存在著高、低不同的狀況，因而其內部結構與煤質特性均有較大差異。如褐煤的變質程度較低、含氧官能團豐富、內部孔隙發達，表現出較高的分析水與揮發分含量；無煙煤的變質程度高、結構緊密、密度大，表現出較低的揮發分。

1.2 方案設計

試驗研究方案設計如下：

(1) 依據GB/T 474—2008將選取的5個試驗煤樣制備成粒度為3 mm的試樣，并全部通過3 mm圓孔篩，再將每個試樣使用二分器縮分出1.5 kg。

(2) 將分取的試樣置于40 ℃空氣干燥箱中干燥1 h，適當空氣干燥后，使用二分器將每個試樣縮分出5份，每份約160 g，剩余試樣留存。

(3) 應用密封式制樣粉碎機，在設定的45、60、90、120、240 s研磨時間條件下進行不同煤種不同時間的研磨試驗，研磨容器每次入料80 g，研磨后的樣品放在室溫下晾至空氣干燥狀態。

(4)將5份研磨后的煤樣用二分器各分為2份，其中一份應用煤質檢測設備依據現行標準對研磨后試樣進行分析水、灰分、揮發分、氫、發熱量檢測(黏結性煙煤還需進行黏結指數、坩堝膨脹序數的測定);另一份用0.2 mm標準篩進行篩分,分別記錄>0.2 mm與≤0.2 mm試樣的質量與產率。

2 結果分析

2.1 研磨時間對粒度分布的影響

不同煤種在不同研磨時間條件下0.2 mm篩上物產率分布如圖1所示。

圖1 不同煤種在不同研磨時間的0.2 mm篩上物產率分布

由圖1可以看出，褐煤HM和無煙煤WYM隨研磨時間的增加，0.2 mm篩上物產率表現出明顯下降后接近于0的趨勢。在研磨時間小于90 s時，0.2 mm篩上物產率較高，尤其在研磨時間為45 s時，2個煤種含有較多的0.2 mm以上煤樣，其中HM與WYM的0.2 mm篩上物產率分別為14.6%和7.3%；在研磨時間大于90 s以后，0.2 mm篩上物產率接近于0。褐煤是變質程度最低的煤種，經細碎研磨后多呈片狀，且含水量較高，短時內的粉碎效果差；無煙煤是變質程度最高的煤種，密度大、硬度高，需要的研磨時間較長。

煙煤YM1～YM4隨著研磨時間的增加，0.2 mm篩上物產率均表現出升高趨勢，其中YM1和YM2升高趨勢較為平緩，YM3和YM4升高趨勢比較明顯，在研磨時間為240 s時，4種煙煤的升高幅度均較大。無黏結性煙煤YM1和YM2在研磨時間60 s之前，0.2 mm篩上物產率接近于0，隨著研磨時間的增加，0.2 mm篩上物產率反而增加；黏結性煙煤YM3和YM4在45～240 s研磨時間范圍內，均具有一定量的0.2 mm篩上物，60 s之前篩上物產率較小，60 s之后篩上物產率逐漸增大。在研磨試驗開展過程中發現，對于YM1和YM2無黏結性的煙煤，在60 s之前煤樣比較松散，60 s之后出現結塊現象；對于YM3和YM4具有黏結性的煙煤在研磨時間為45 s是即出現結塊現象，且隨著研磨時間的增加，黏結性越高的煙煤結塊現象越嚴重，說明煤樣的黏結性及較長的研磨時間均會引起煤樣的結塊，導致在篩分過程中結塊煤樣無法通過標準篩，造成篩上物產率增加。該部分的研究對自動化、智能化制樣系統的設計與研發比較具有指導性，在傳統人工制樣過程中，篩上物的結塊可以通過毛刷打散后過篩，而自動化、智能化制樣是封閉系統，煤樣黏壁、結塊等問題需要妥善解決，防止樣品交叉污染及結塊裝樣情況發生。

2.2 研磨時間對分析水檢測結果的影響

不同研磨時間對不同煤種分析水檢測結果的影響見表2。

表2 不同煤種分析水檢測結果

從表2中可看出，褐煤HM和無煙煤WYM隨研磨時間的增加，分析水含量逐漸降低；煙煤YM1～YM4隨研磨時間的增加，分析水含量基本無變化。煤樣的分析水與煤種、環境條件、粒度有直接關系，同一煤種試樣在相同環境中空氣干燥，小顆粒有較大的比表面積，表面、縫隙、毛細孔中水分更容易蒸發；大粒度樣品的解離度相對較低，縫隙、毛細孔中水分蒸發程度低，造成分析水含量高。通過篩分試驗得出HM和WYM在研磨時間60 s之前均具有較高的0.2 mm篩上物產率，所以表現出較高的分析水含量。

2.3 研磨時間對揮發分檢測結果的影響

不同研磨時間對不同煤種揮發分檢測結果的影響見表3。

表3 不同煤種揮發分檢測結果

2.4 研磨時間對發熱量檢測結果的影響

不同研磨時間對不同煤種發熱量檢測結果的影響見表4。

表4 不同煤種發熱量檢測結果

2.5 研磨時間對黏結指數與坩堝膨脹序數的影響

為研究不同研磨時間對黏結性煙煤的影響，針對不同研磨時間黏結性煙煤試樣進行黏結指數與坩堝膨脹序數的檢測，其檢測結果隨研磨時間的變化趨勢分別如圖2、3所示。

圖2 不同研磨時間的黏結指數分布

由圖2和圖3看出，高、低黏結性煙煤受研磨時間的影響具有比較大差的異性。高黏結性煙煤的黏結指數受研磨時間的影響較小，檢測結果變化不大；低黏結性煙煤黏結指數受研磨時間的影響較大，超過60 s后表現出檢測結果明顯下降。高、低黏結性煙煤的坩堝膨脹序數受研磨時間的影響不明顯，高黏結性煙煤的坩堝膨脹序數隨研磨時間的增加，檢測結果未變化；低黏結性煙煤的坩堝膨脹序數因本身黏結性低，檢測結果接近最低值，僅在研磨時間60 s前表現出下降。

圖3 不同研磨時間的坩堝膨脹序數分布

3 機理分析

煤樣在研磨過程中，伴隨著煤樣與研磨鋼環的高速摩擦，隨著研磨時間的增加，煤樣內部溫度不斷升高，造成了煤樣的氧化。煤的氧化過程分為輕度氧化和深度氧化2個階段[11]，煤樣在制備時研磨時間較短，僅發生了氧氣表面吸附與輕度反應，屬于輕度氧化。煤的發熱量高低主要由煤中有機組分含量決定，表現出碳、氫含量高的煤種，具有較高的發熱量，煤的輕度氧化是將氧氣吸附到煤樣中形成不穩定的碳氧絡合物[12]，氧化過程平穩緩慢，放出很少的熱量，從而表現出煤樣發熱量隨研磨時間的增加無明顯變化特征。

煤的黏結性[13]主要取決于煤熱解時產生膠質體液相的量與性質，膠質體液相[14]的來源是煤熱解過程中氫的再分配及部分中間產物被氫飽和形成，主要由煤大分子結構上脫落的側鏈和官能團組成，當煤中氧含量高時，生成液體產物較少，氣態產物較多，表現出黏結性較差。煤樣被輕度氧化時，氧原子容易進攻鍵能較小的脂肪族側鏈，而針對鍵能較大和結構相對穩定的芳環，未形成進攻條件。氧原子進攻脂肪族側鏈后形成了高溫下容易斷裂的C—O 鍵，致使煤在高溫分解時，形成較多的小分子量氣體化合物，而大分子量的液體產物數量相對減少[15]，故表現出隨著研磨時間的增加，煤樣的黏結性變差。

4 結 論

(1) 褐煤和無煙煤樣品在研磨時間90 s之前，0.2 mm篩上物產率較高，研磨時間90 s后，0.2 mm篩上物產率接近于0。隨研磨時間的增加，煙煤樣品0.2 mm篩上物產率均表現出升高趨勢，無黏結性煙煤樣品在90 s之前，篩上物產率接近于0，具有黏結煙煤樣品在研磨時間45～240 s范圍均含有少量的0.2 mm篩上物。建議褐煤和無煙煤樣品研磨時間不超過90 s，煙煤樣品研磨時間在60 s左右，煙煤注意處理結塊。

(2) 在研磨時間45～240 s范圍內，褐煤和無煙煤分析水測定結果變化較大，隨著研磨時間的增加，分析水逐漸降低；研磨時間對各煤種揮發分影響較小，對發熱量測定結果存在一定差異，但差異不明顯。

(3) 研磨時間對高黏結性煙煤的黏結指數和坩堝膨脹序數測定結果影響不大；對低黏結性煙煤的影響較大，隨著研磨時間的增加，黏結指數和坩堝膨脹序數均有下降，黏結指數下降尤為明顯。