高硫石油焦配煤可磨性規律及粒度分布研究

劉仁科，李寒旭

(安徽理工大學 化學工程學院，安徽 淮南 232001)

隨著我國煉油工業加工高硫原油比例的不斷上升，高硫石油焦(硫含量大于3%)的產量逐年增加。硫含量較高，導致其利用范圍較為狹窄［1-2］。因此，拓寬高硫石油焦的應用研究受到了關注和重視。

許多研究認為，石油焦具有含碳量高、灰分低、發熱量高等特點［3-8］，采用氣流床氣化制取合成氣是一項有效、清潔利用高硫石油焦的途徑。而氣流床氣化溫度高、停留時間短，對入爐原料的粒度具有嚴格的控制，原料的可磨性指數是氣化爐設計和制粉系統運行的重要參數。國內外許多學者針對單煤、混煤可磨性變化規律以及影響煤的可磨性大小因素和預處理等方面做了大量研究工作。但目前為止，國內外對高硫石油焦可磨性指數進行深入的研究還未見報道。

本文探討了高硫石油焦及不同比例配煤可磨性指數變化規律和采用球磨機磨制后粒度分布，找出不同種類高硫石油焦在配煤中較佳的摻配比例，同時為高硫石油焦配煤氣化的磨制系統提供理論指導。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

高硫石油焦B、C(硫含量均大于3%)和淮北煤A，煤樣、石油焦樣的工業分析和元素分析見表1。

表1 煤樣、石油焦樣的工業分析、元素分析Table 1 Proximate and ultimate analysis of coal and petroleum coke samples

HM-60 型哈氏可磨性指數測定儀;BT-2003 激光粒度分析儀。

1.2 實驗方法

1.2.1 配煤 原煤、石油焦在空氣中充分干燥，制樣至0.63 ～1.25 mm，將石油焦B、C 分別與A 煤按質量比為1∶3，1∶2，1∶1 進行配煤，A、B 配煤方案記為AB1、AB2、AB3，A、C 配煤方案記為AC1、AC2、AC3。

1.2.2 哈氏可磨性指數測定 稱取50 g 樣品，放入哈氏可磨性指數測定儀中，用孔徑為0.071 mm的篩子在振篩機上篩分20 min。稱量篩上和篩下物的質量并查標準曲線，得出各單樣和配煤的HGI。當篩下物與篩上物質量之和小于49.5 g 時，也就是實驗過程中樣品的質量損失大于0.5 g，實驗失敗，必須重新實驗。

1.2.3 球磨機磨制及粒度分布測定 稱取50 g 樣品，放入行星式球磨機中，設定球磨機頻率為250 Hz、時間為5 min。采用激光粒度分布儀測定單樣及配煤樣品的粒度分布。

2 結果與討論

2.1 B、C 石油焦和A 煤的HGI

淮北煤A 和石油焦的HGI 值見表2。

表2 A、B、C 單樣的HGI 測定結果Table 2 HGI Measurement results of single samples

由表2 可知，石油焦B、C 的HGI 值分別為32.73，73.97，在煤的哈氏可磨性指數分級中，石油焦B 屬于難磨等級，C 屬于中等可磨等級，從石油焦B、C 的外觀形狀上看，石油焦B 為彈丸焦、C 為海綿焦。研究表明［9-10］，彈丸焦的形成是由于重質原油的開采加工比重逐漸增大，導致原料密度大、粘度大、殘炭值高、酸值高、膠質、瀝青質含量高、重金屬尤其是Ni、V 能夠促進彈丸焦的生成。Ellis 等［11］對比研究了彈丸石油焦和海綿石油焦的性質，結果表明，彈丸焦的硬度明顯高于海綿焦，與本實驗得出的結果一致。而A 煤的HGI 值為74.13，與海綿焦C的HGI 值幾乎相等，而遠遠高于彈丸焦B，屬于中等可磨煤等級。

2.2 B、C 石油焦與A 煤配煤比例與HGI 的關系

各配煤的可磨性指數見表3。

表3 B、C 石油焦與A 煤配煤實驗結果Table 3 Experimental results of B，C petroleum coke and coal blending

由表3 可知，在AB 配煤中，A 煤與B 石油焦的可磨性指數相差41.4，隨著B 石油焦在配煤中比例的增加，HGI 值逐漸降低;在AC 配煤中，A 煤與C石油焦的可磨性指數幾乎相等，隨著C 石油焦在配煤中比例的增加，HGI 值呈升高趨勢，配煤AC3(即C 在配煤中占50%)的HGI 值接近C 石油焦。兩組配煤的HGI 值均小于各自的加權平均值。

因此，針對B 石油焦等可磨性較差的焦樣，可以選取不同比例石油焦摻配到可磨性相對較好的煤中，然后去磨制，在達到氣化爐粒度要求范圍，同時又能夠節省能量。

趙亮等［12-14］研究表明，混煤的可磨性與單煤不呈線性關系，并非兩個組分煤種加權平均，而是趨向于難磨的煤，可磨性差異越大的兩種煤摻混時，混煤的可磨性更加趨向于難磨煤種。混煤粉碎時，由于各單煤的機械性質不同，相互之間必然產生影響，使得混煤的粉碎過程不同于各單煤。混煤的HGI 與單煤的HGI 及混配比例有關，對于兩種不同HGI 煤種混合粉碎時，混煤中難磨煤對易磨煤的破碎有促進和阻礙兩種可能。兩種相近的煤種進行混合時，混煤的可磨性指數趨近于線性，當兩種相差較大的煤種混合時，混煤的哈氏可磨性指數具有非線性的關系。配煤的可磨性指數與配煤煤種可磨性指數相差不大(＜14)，呈線性關系，當煤種的可磨性指數相差較大時，則線性關系較差。AB、AC 兩組不同配煤比例與HGI 關系線性回歸方程見圖1、圖2。

圖1 AB 不同配煤比例與HGI 關系Fig.1 AB different blending proportion relationship with HGI

圖2 AC 不同配煤比例與HGI 關系Fig.2 AC different blending proportion relationship with HGI

從圖中可以得到:B 石油焦與A 煤配煤的可磨性指數隨著配煤比例呈現出很好的線性關系，相關度R=0.998 4，計算值幾乎等于其實驗值，而A 煤與B 石油焦的可磨性指數相差＞14;C 石油焦與A煤配煤的可磨性指數隨著配煤比例的線性關系較差，相關度R 僅為0.250 4，而A 煤與C 石油焦的可磨性指數幾乎相等。即石油焦配煤可磨性的線性關系為當兩者可磨性指數相差較大時線性能夠較好的遵循線性可加原則，反之相反。此結論與文獻所述不一致，可能是由于文獻中配煤所指不同煤種之間的混配結果，本文中配煤是不同種類的高硫石油焦與煤進行配煤的結果，石油焦的產生及機械性質與煤不同所致。

2.3 B、C 石油焦與A 煤配煤球磨后的粒度分布

可磨性指數測定的理論依據是磨碎定律，即將固體物料磨碎成粉消耗的能量與其新產生的表面積成正比。不同煤種的機械性質、礦物質含量不同，因此不同煤的破碎機理不同，采用相同的能量去破碎，得到的粒度分布是不同的。本文探討了不同可磨性指數的石油焦、煤及其配煤在相同條件下磨制后的粒度分布，見圖3、圖4。

圖3 AB 配煤磨制后的粒度分布Fig.3 The grinding particle size distribution of AB blending samples

由圖3 可知，在AB 配煤中，B 石油焦和A 煤及配煤的粒度分布趨勢相近，隨著B 石油焦的比例增加，球磨5 min 后粒度分布中大粒徑顆粒占的比例逐漸增加，當完全是B 石油焦時，大顆粒所占比例遠遠大于單一的A 煤和AB 配煤。此結果與AB 配煤的可磨性指數規律一致，即可磨性指數大的樣品磨制后的粒度也小。同時也再一次表明，難磨煤或石油焦中配入一定比例的易磨煤，在磨制過程中，兩種煤之間相互破碎，破碎后的粒度趨向于小粒徑，達到氣化爐用煤的粒度要求。

圖4 AC 配煤磨制后的粒度分布Fig.4 The grinding particle size distribution of AC blending samples

由圖4 可知，在AC 配煤中，隨著配煤中C 石油焦的比例增加，大粒徑顆粒占的比例逐漸增加，并不明顯，配煤AC1、AC2、AC3 的粒度分布曲線幾乎重合，雖然C 石油焦與A 煤的可磨性指數幾乎相等，但是單一C 石油焦磨制后的粒度卻明顯大于A 煤。混煤的破碎特性并不等同于單煤，實驗結果可以看出，即使可磨性指數相差不大的兩個單樣，經過相同能量破碎后的粒度分布可能相差較大。

3 結論

(1)不同種類的高硫石油焦由于產生的條件不同，可磨性指數也不同，彈丸石油焦B 的可磨性指數(32.73)遠小于海綿石油焦C(73.97)。配入一定比例可磨性指數相對較高的A 煤(74.13)，配煤的可磨性指數增加，即在可磨性差的石油焦中配入合適的煤、選擇合適的混配比例可以提高混煤的可磨性指數。

(2)采用可磨性指數相差很大的A 煤與石油焦B 進行配煤時，配煤的可磨性指數呈現出很好的線性關系，計算值幾乎等于其實驗值;而可磨性指數幾乎相等A 煤與石油焦C 進行配煤時，配煤的可磨性指數與配煤比例線性關系很差，且兩組配煤的可磨性指數均小于各自的加權平均值。

(3)經過球磨機在相同條件(磨前粒度0.63 ～1.25 mm)磨制5 min 的粒度分布可知，AB、AC 配煤均隨著石油焦在配煤中比例增大，大顆粒所占的比例逐漸增加。可磨性指數大的樣品磨制后的粒度也較小。在難磨石油焦中配入一定比例的易磨煤，在磨制過程中，兩種煤之間相互破碎，破碎后的粒度趨向于小粒徑。

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