煤样粒径对煤质分析特性及燃烧特性的影响研究.pdf

总第2 13期2023年第8 期科研与开发煤样粒径对煤质分析特性及燃烧特性的影响研究王勇（山西省地质矿产研究院有限公司，山西太原0 30 0 0 1摘要：为了阐明煤样粒度与煤质分析结果及燃烧特性的关系，通过破碎、研磨、筛分方法将阳泉无烟煤划分为36mm、1 3m m、0.5 1m m、0.2 5 0.5m m、0.2 0.2 5m m、0.0 7 4 0.2 m m 共6 种不同粒径的煤样，对其水分含量、灰分含量和挥发份含量及着火温度、稳燃特性指数和燃尽特性指数进行测试和分析。结果表明：测试煤样的水分含量和挥发分含量与煤样粒径大小成反比关系，灰分含量与煤样粒径大小成正比关系；煤样粒径减小过程中灰分含量减少和挥发分含量增加是煤样着火温度降低、稳燃特性指数和燃尽特性指数增加的根本原因，煤样粒径减小导致水分含量增加对煤燃烧特性的影响较小。关键词：煤样粒径；煤质分析；燃烧特性；变化规律中图分类号：TQ5330引言煤质分析主要分析煤的水分、灰分、挥发分等物理性质及煤的燃烧特性，煤质分析结果决定原煤具体的利用方式和应用场景。煤的工业分析和燃烧特性分析均需要对原煤进行研磨、筛分以满足实验要求，煤粉经研磨后不同粒度煤样的比表面积、孔隙率和孔隙结构等性质均会发生改变,从而影响煤质分析结果1和煤的燃烧特性2。因此，本文选取阳泉无烟煤进行破碎、研磨和筛分得到不同粒径煤样，分析研究不同粒径煤样对其水分、灰分、挥发分含量及燃烧特性的影响规律,以期为精细化煤质检验工作提供借鉴参考。1不同粒径煤样制备及煤质分析方法本文无烟煤制样遵循GB474一1996 煤样的制备方法,将空气干燥基无烟煤原煤经反复破碎、研磨和筛分,得到3 6 mm、1 3mm、0.5 1 mm、0.2 5 0.5mm、0.20.25mm、0.0 7 4 0.2 m m 共6 种不同粒径的煤样以供测试。本文依据GB/T30732一2 0 14煤的工业分析方法仪器法，使用MAC-500型工业分析仪对不同粒径煤样的水分、灰分、挥发分进行测试。使用STA409型热重分析仪对不同粒径煤样的着火温度（ti）、稳燃特性指数(S)和燃尽特性指数(H)进行测试,实验煤样质量为10 mg，在空气流量6 5mL/min条件下测试升温速率为2 0/min时煤样从2 0 提升至10 0 0 过程中煤样的热重曲线TG和微分热重曲线DTG,结合TG图、DTG图与稳燃特性指数及燃尽特性指数公式式(1、式(2)分析煤样粒径对煤燃烧特性的影响规律。S=(dG/d,)ma/(titmx).收稿日期:2 0 2 3-0 4-12基金项目：山西省应用基础研究计划面上青年基金资助项目（2 0 190 1D211033）作者简介：王勇，男，198 8 年出生，毕业于太原理工大学，学士学位，工程师，主要从事煤质检测工作。山西化工Shanxi Chemical Industry文献标识码：A式中：（dG/d,）m a x 为燃烧峰的最大失重速率;t;为着火温度;tmx为(dGld,）mx 对应温度。H,=(dG/d,)mm/(ttmx T/T)=T S/T h.式中：T为DTG总峰宽温度差，T=T+T h;T 为后半峰温度差。2粒径对煤工业分析结果的影响2.1粒径对煤水分含量测试结果的影响不同粒径煤样空气干燥基水分含量测试结果如图1所示。观察图1可知，煤样的含水量与煤样粒径大小成反比关系，煤样粒径越小，所测得煤样的含水量越大。无烟煤的变质程度较高，结构紧实，水分主要赋存在有机质的孔隙结构种，内在水含量相对较少，研磨导致煤样的粒径不断减小的过程中,越来越多的有机质暴露出来，致使所测煤样含水量的不断上升，该结果与前人研究一致。5.004.754.50F4.254.003.753.503.253.0036图1煤种水分含量与煤样粒径的关系2.2粒径对煤灰分含量测试结果的影响不同粒径煤样空气干燥基灰分含量测试结果如图2 所示。由图2 可知，煤样的灰分含量与煤样粒径大小成正比关系，煤样粒径越小，所测得煤样的灰分(1)含量越小。灰分是煤中所含不可燃无机矿物的占比，Total 213No.8,2023D0I:10.16525/14-1109/tq.2023.08.002文章编号：10 0 4-7 0 50(2 0 2 3)0 8-0 0 0 4-0 3(2)130.510.250.5 0.20.25 0.0740.2煤样粒径/mm2023年第8 期王勇：煤样粒径对煤质分析特性及燃烧特性的影响研究灰分含量与煤的变质程度有直接关系，煤的变质程度越高，灰分含量越少，高变质无烟煤的灰分含量相对较少。煤样在破碎和研磨过程中,无机矿物与有机质逐渐分离，筛分导致质量较大的无机矿物与有机质进一步分离，煤样研磨得越细致,无机矿物与有机质分离得越充分，致使煤样粒径越小，所测得煤样的灰分含量越少。20%/鲁1510上5036图2 煤中灰分含量与煤样粒径的关系2.3粒径对煤挥发分含量测试结果的影响挥发分是煤中有机质和部分矿物质隔绝空气加热过程中水分校正后的质量损失。挥发分含量与煤的变质程度有关，煤的变质程度越高，挥发分含量越低，高变质无烟煤的挥发分含量相对较少。不同粒径煤样空气干燥基挥发分含量测试结果如图3所示。由图3可知，煤样的挥发分含量与煤样粒径大小大体呈反比关系，煤样的挥发份含量随煤样粒径的减小而增大。由于煤挥发分的主要来源是由有机质和部分矿物质，煤样不断研磨粒径逐渐减小的过程中无机矿物与有机质逐渐分离，煤样中的有机质含量相对增加，导致产生挥发分的基本物质含量相对增加，煤样粒径越小，所测得煤样的挥发分含量越大。8.07.5F7.06.56.05.55.0F4.54.036图3煤中挥发分含量与煤样粒径的关系对不同粒径煤样的工业分析结果可知，煤样粒径越小，水分含量和挥发分含量越大，灰分含量越小，粒径对水分、灰分、挥发分含量的影响将进一步影响煤样的燃烧性能，下文将分析水分、灰分、挥发分含量随煤样粒径变化对煤粉燃烧特性的影响。3米粒径对煤燃烧特性的影响3.17不同粒径煤粉的点燃特性分析煤的着火温度3是指煤由缓慢氧化状态转换至高速燃烧状态时对应的温度，着火温度反映煤着火性能的好坏，着火温度越低煤越容易着火。图4所示为不同粒径煤样着火温度的测试结果。由图4可知，煤样的着火温度与煤样粒径大小成正比关系，煤样粒径越小，着火温度越低,煤样越容易着火。一方面,煤样粒度越小，煤样的比表面积越大，挥发分的析出越容易，氧化及燃烧反应的表面积越大，氧化及燃烧过程中的热阻越小;另一方面,煤样不断研磨,粒径不断变小的过程中,不可燃灰分含量的逐渐减少对着火温度的减小有积极作用，而煤样粒径减小水分含量的增加对着火特性的影响相对较小。550113130.510.250.5 0.20.25 0.0740.2煤样粒径/mm0.510.250.50.20.250.0740.2煤样粒径/mm500450400350F30036图4煤的着火温度与煤样粒径的关系3.27不同粒径煤粉的燃烧稳定性分析稳燃特性指数4是反映煤粉前期燃烧状况的指标，该指数越大说明煤粉的着火稳定燃烧性能越好。图5所示为不同粒径煤样稳燃特性指数的测试结果。由图5可知,煤样的稳燃特性指数与煤样粒径大小成反比关系,煤样粒径越小,稳燃特性指数越大，煤粉着火稳定性越好。煤粉的着火稳定性与煤粉的组成有直接关系,均匀的可燃有机质分布更有利于煤粉的稳定燃烧。煤粉研磨至小粒径过程中挥发分含量增大、灰分含量减小，煤中挥发分热解析出形成多孔性的碳粒结构的过程可以是可燃有机质的分布更加均匀,有利54321036图5煤的稳燃特性指数与煤样粒径的关系13130.510.250.5 0.20.25 0.0740.2煤样粒径/mm0.510.250.50.20.250.0740.2煤样粒径/mm山西化工第43卷于可燃有机质的稳定燃烧，煤粉粒径变化过程中水分对稳燃特性指数的影响较小。3.3不同粒径煤粉的燃尽特性分析燃尽特性指数5是反映煤粉燃尽性能好坏的指标，该指数越大说明煤粉越容易燃烧完全。图6 所示为不同粒径煤样燃尽特性指数的测试结果。由图6 可知，煤样的燃尽特性指数与煤样粒径大小成反比关系，煤样粒径越小,燃尽特性指数越大，煤粉越容易燃烧完全。其原因在于，煤样在研磨至小粒径过程中不可燃无机矿物逐渐被剥离，煤样粒径越小，无机矿物的剥离越完全，煤样中可燃有机质的占比越高，煤样越容易完全燃烧；并且大粒径煤样含有的不完全可燃矿物质相对较多,其燃烧时会形成一层灰壳,阻碍氧化介质扩散，对煤粉的燃烧造成消极影响，反之，小粒径煤样燃烧时灰壳对燃烧的消极影响很小。1098165436图6 煤的燃尽特性指数与煤样粒径的关系上述研究表明，煤样粒径越小，煤样的着火温度越低，稳燃特性指数和燃尽特性指数越大，即煤样粒径减小有利于提升煤粉的燃烧性能。4结论本文系统分析了煤样粒径对煤水分含量、灰分含Effect of Coal Particle Size on Coal Quality Analysis Results and Combustion Characteristics(Shanxi Institute of Geology and Mineral Resources Company Limited,Taiyuan Shanxi 030001,China)Abstract:In order to clarify the relationship between coal particle size and coal quality analysis results and combustion characteristics,Yangquan anthracite was divided into 6 coal samples with different particle sizes,including 36 mm,13 mm,0.51 mm,0.250.5 mm,0.20.25 mm,0.0740.2 mm,by crushing,grinding and screening methods.The moisture content,ash content,volatile content,ignitiontemperature,steady combustion characteristic index and burnout characteristic index were measured and analyzed.The results show that themoisture content and volatile content of the tested coal sample are inversely related to the coal particle size,and the ash content isproportional to the coal particle size.The decrease of ash content and the increase of volatile content in the process of coal particle sizereduction are the fundamental reasons for the decrease of coal particle size ignition temperature and the increase of combustioncharacteristic index and burnout characteristic index.The decrease of coal particle size leads to the increase of moisture content on coalcombustion characteristics.Key words:coal sample size;coal quality analysis;combustion characteristics;law of change量、挥发分含量测试结果的影响,结合粒径对工业分析结果的影响规律分析煤样粒径对煤样燃烧特性的影响机理,结果表明：1)煤样粒径的变化会影响其工业分析结果。阳泉无烟煤煤样的水分含量和挥发分含量随粒径的减小而增大,煤样的灰分含量随粒径的减小而减小。煤样在破碎、研磨至小粒径过程中有机质暴露面积的增加是水分含量增加的根本原因，不可燃无机矿物被筛分和剥离导致煤样的灰分含量的下降和可燃有机质占比的提升，导致煤样挥发分含量增加。2)煤样粒径的变化会影响其燃烧特性。阳泉无烟煤煤样的着火温度随粒径的减小而降低，粒径越小灰分含量越少，煤样的氧化及燃烧反应面积越大，煤样越容易被点燃。煤样粒径的减小有利于煤样的稳定着火燃烧和完全燃烧，煤样的粒径减小使灰分含量减少、挥发分含量增加，可燃有机质含量相对增加且分布更加均匀，不完全可燃矿物质燃烧生成灰壳对燃烧的消极影响也随之减小，煤样粒径减小导致水分含量增加对煤样燃烧性能的影响较小。参考文献1张波，马立涛，胡维强，等.不同粒径煤粉的煤质分析实验研究J.煤化工,2 0 19,47(4):6 9-7 1.2刘天奇，王宁，李渊博.不同煤质煤尘层最低着火温度特性及其影130.510.250.50.20.250.0740.2煤样粒径/mm响因素研究J.安全与环境学报，2 0 19,19(3)：8 31-8 36.3周磊.煤的着火温度测定方法改进J.科技资讯，2 0 17,15(2 1)：67.4樊晋元,陈鸿伟,王智.一种改进的动力煤稳燃特性分辨指数J.机械工程学报，2 0 15,51(8)：158-16 3.5陈鑫科，马启磊，方庆艳，等.混煤燃烧中的交互作用：掺烧方式和配风对着火和燃尽特性的影响J.动力工程学报，2 0 19,397)：524-530.Wang Yong