基于高壓水射流的超細煤粉制備技術及其影響因素研究＊

張玉濤 李亞清 洪侯勛 Greg Galecki 馬曉峰

（1.西安科技大學能源學院，陜西省西安市，710054；2.教育部西部礦井開采及災害防治重點試驗室，陜西省西安市，710054；3.北京化工大學，北京市朝陽區，100029；4.密蘇里科技大學，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和消費結構中占85%以上，由于其豐富的儲量和相對低的價格，在我國能源結構中的主體地位未來幾十年都不會改變。然而煤中含有大量的有害物質，燃燒時會造成嚴重的環境污染。此外，煤中的這些不可燃物質會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，有時甚至會引發爆炸之類的嚴重安全事故。為了能確保我國煤炭資源的可持續利用，在煤炭燃燒前徹底清除煤中的雜質變得日益重要。據分析，煤中雜質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解離出來。此外，世界石油儲量的日益稀少也加大了對水煤漿的迫切需要，而水煤漿技術發展的一個重要前提就是要制備出粒徑小于10μm 的細膩而均勻的超細煤粉。

傳統的超細煤制備工藝是個能耗較高的過程，研究發現在傳統的破碎過程中，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。目前，球磨機是超細煤粉制備的關鍵設備，但由于嚴重的聚集作用，當煤顆粒小于15μm時，球磨機也無法再進一步對其破碎，這成為阻礙水煤漿技術發展的重要因素。造成這種低效的根本原因在于這些傳統的破碎技術主要是通過施加大量的壓縮力來達到物料破碎的目的，而像煤這種內部布滿原生裂隙、孔隙和雜質等缺陷的易碎物料，其抗壓能力遠遠大于抗拉能力。所以，對于這類充滿著微小裂隙結構的物料，通過在其內部產生拉伸力要比通過施加壓應力使其破碎容易得多。美國密蘇里科技大學巖石力學研究中心正是因為注意到了物料拉伸破碎的優勢，于20世紀80年代中期，將高壓水射流技術應用到物料破碎領域，利用高壓水射流進行了木料制漿、廢紙制漿、城市固體垃圾處理及煤與礦物的粉碎等試驗，取得了良好的效果。

高壓水射流破碎技術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部的原生裂隙和節面并在瞬間產生巨大的拉應力，從而使物料內部的裂隙和節面迅速延伸、繁衍和交匯，最終導致物料破碎。因為這種特殊的破碎原理，所以與傳統的破碎技術相比，高壓水射流破碎技術有兩個非常顯著的優點：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的粒度范圍，保留了物料不同成分的原始結晶形狀和表面光澤度，避免了因長時間打磨并暴露在空氣中而導致的表面磨損和污染，這兩點對于后續的洗煤過程都非常有利。

本文通過試驗研究了高壓水射流技術在超細煤粉破碎中的應用，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煤粉的工藝優化提供理論依據。

2 試驗裝置及試驗條件

2.1 試驗裝置

試驗儀器選用美國密蘇里科技大學礦業系巖石力學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，其結構原理圖如圖1所示。

圖1 高壓空化射流磨結構圖

由圖1可見，水箱的水經高壓泵轉化為穩定的高聚能水射流射入混合加速室，原煤通過一個和混合加速室垂直安裝的進料管給入。在煤進入加速室的瞬間，無數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部的原生裂隙和節面并在其中產生強大的內壓，促使其原有的裂隙和缺陷迅速增長、繁衍和交匯，進而導致煤顆粒發生粉碎性破裂；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的靶物上與靶物發生強烈撞擊，從而使煤顆粒遭受二次粉碎，由于在空化室內射流處于淹沒狀態，所以室內圍繞射流產生了強烈的紊流和空化，這種紊亂和空化作用對煤顆粒進行了進一步的粉碎；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，所有煤樣經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，粉碎后的產物經沉降、分離、脫水和干燥程序后取一定量進行粒度和形貌特征分析。試驗煤樣的工業分析如下：Vad為28.42%、Aad為2.83%、FCad為68.75%、發熱量為3.40kJ／g、可磨性指數為74.41%；化學元素分析如下：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 試驗結果與討論

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射流磨一次粉碎后產物的質量累積分數和質量分數曲線見圖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，經射流磨一次破碎，大顆粒的質量分數明顯減少，同時粒徑分布曲線較原煤變窄許多。當射流壓力增至207 MPa，經射流磨一次粉碎后的產物中，超細顆粒的數目有了顯著的增加。在原煤中30μm 以下的細顆粒僅占9%，粉碎后30μm 以下的細顆粒達到88%以上，且60%以上的顆粒尺寸小于10μm。這些數據充分說明高壓水射流在煤粉破碎上具有非常強的能力，能在很短的時間內把最大粒徑為850μm的原煤顆粒粉碎至富集于8μm 的細小顆粒。隨著射流壓力的增加，破碎產物的粒徑分布曲線上出現了單-雙-單的峰值變化規律。這是由于在空化射流磨中主要有兩種破碎機理，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。研磨性粉碎是超細煤粉產生的主要機理，隨著射流壓力的增大，射流磨內的紊流和氣蝕作用強度之大以至于研磨性粉碎在射流磨中占主導破碎地位。

3.2 高壓水射流粉碎煤比表面積分析

不同進料粒度下破碎產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，在同等壓力下進料的粒度越大，破碎產物與原煤的比表面積比值越大。因此，從能耗方面來說，空化射流磨與傳統的機械粉碎機一樣，進料尺寸越大，輸入能量中用于破碎所占的比例越高。這主要是因為在空化射流磨中，煤顆粒破碎主要是通過其內部原生裂紋、孔隙和雜質等缺陷的延伸、繁衍及交匯而實現。Griffith 理論指出物料內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，其內部孔隙、裂隙和節面大量減少，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分析

原煤在不同射流壓力下經射流磨一次粉碎后，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射流壓力下的產品大多擁有尖銳的邊角，隨著射流壓力的增大，產物中顆粒的邊角變得越來越圓滑直至呈現出圓弧形。相關專家研究發現，顆粒的破裂機理是決定其產物表面形態的主要因素，粉碎性破裂的產物其邊角都比較尖銳，而由于研磨而導致的表面剝裂性破裂，其產物的邊角多呈圓弧狀。因此在空化射流磨中，當射流壓力較低時，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致的剝裂性破裂越來越明顯。

圖4 不同射流壓力下破碎產物的電子顯微分析照片

4 結論

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

（2）射流壓力和進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，產品中細顆粒的質量分數越高，粒徑分布越集中。進料顆粒尺寸對射流磨粉碎效率的影響與傳統機械破碎機一致，即進料尺寸越小能耗越高。

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

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