高硫石油焦配煤可磨性規(guī)律及粒度分布研究

劉仁科，李寒旭

(安徽理工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

隨著我國煉油工業(yè)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(chǎn)量逐年增加。硫含量較高，導(dǎo)致其利用范圍較為狹窄［1-2］。因此，拓寬高硫石油焦的應(yīng)用研究受到了關(guān)注和重視。

許多研究認(rèn)為，石油焦具有含碳量高、灰分低、發(fā)熱量高等特點(diǎn)［3-8］，采用氣流床氣化制取合成氣是一項(xiàng)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(shí)間短，對入爐原料的粒度具有嚴(yán)格的控制，原料的可磨性指數(shù)是氣化爐設(shè)計(jì)和制粉系統(tǒng)運(yùn)行的重要參數(shù)。國內(nèi)外許多學(xué)者針對單煤、混煤可磨性變化規(guī)律以及影響煤的可磨性大小因素和預(yù)處理等方面做了大量研究工作。但目前為止，國內(nèi)外對高硫石油焦可磨性指數(shù)進(jìn)行深入的研究還未見報(bào)道。

本文探討了高硫石油焦及不同比例配煤可磨性指數(shù)變化規(guī)律和采用球磨機(jī)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(shí)為高硫石油焦配煤氣化的磨制系統(tǒng)提供理論指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)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(yè)分析和元素分析見表1。

表1 煤樣、石油焦樣的工業(yè)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(shù)測定儀;BT-2003 激光粒度分析儀。

1.2 實(shí)驗(yàn)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(zhì)量比為1∶3，1∶2，1∶1 進(jìn)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(shù)測定 稱取50 g 樣品，放入哈氏可磨性指數(shù)測定儀中，用孔徑為0.071 mm的篩子在振篩機(jī)上篩分20 min。稱量篩上和篩下物的質(zhì)量并查標(biāo)準(zhǔn)曲線，得出各單樣和配煤的HGI。當(dāng)篩下物與篩上物質(zhì)量之和小于49.5 g 時(shí)，也就是實(shí)驗(yàn)過程中樣品的質(zhì)量損失大于0.5 g，實(shí)驗(yàn)失敗，必須重新實(shí)驗(yàn)。

1.2.3 球磨機(jī)磨制及粒度分布測定 稱取50 g 樣品，放入行星式球磨機(jī)中，設(shè)定球磨機(jī)頻率為250 Hz、時(shí)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(jié)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(jié)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(shù)分級(jí)中，石油焦B 屬于難磨等級(jí)，C 屬于中等可磨等級(jí)，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(zhì)原油的開采加工比重逐漸增大，導(dǎo)致原料密度大、粘度大、殘?zhí)恐蹈摺⑺嶂蹈摺⒛z質(zhì)、瀝青質(zhì)含量高、重金屬尤其是Ni、V 能夠促進(jìn)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(zhì)，結(jié)果表明，彈丸焦的硬度明顯高于海綿焦，與本實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)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(yuǎn)遠(yuǎn)高于彈丸焦B，屬于中等可磨煤等級(jí)。

2.2 B、C 石油焦與A 煤配煤比例與HGI 的關(guān)系

各配煤的可磨性指數(shù)見表3。

表3 B、C 石油焦與A 煤配煤實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shù)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(shù)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(quán)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(dá)到氣化爐粒度要求范圍，同時(shí)又能夠節(jié)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(guān)系，并非兩個(gè)組分煤種加權(quán)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(shí)，混煤的可磨性更加趨向于難磨煤種。混煤粉碎時(shí)，由于各單煤的機(jī)械性質(zhì)不同，相互之間必然產(chǎn)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(guān)，對于兩種不同HGI 煤種混合粉碎時(shí)，混煤中難磨煤對易磨煤的破碎有促進(jìn)和阻礙兩種可能。兩種相近的煤種進(jìn)行混合時(shí)，混煤的可磨性指數(shù)趨近于線性，當(dāng)兩種相差較大的煤種混合時(shí)，混煤的哈氏可磨性指數(shù)具有非線性的關(guān)系。配煤的可磨性指數(shù)與配煤煤種可磨性指數(shù)相差不大(＜14)，呈線性關(guān)系，當(dāng)煤種的可磨性指數(shù)相差較大時(shí)，則線性關(guān)系較差。AB、AC 兩組不同配煤比例與HGI 關(guān)系線性回歸方程見圖1、圖2。

圖1 AB 不同配煤比例與HGI 關(guān)系Fig.1 AB different blending proportion relationship with HGI

圖2 AC 不同配煤比例與HGI 關(guān)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(shù)隨著配煤比例呈現(xiàn)出很好的線性關(guān)系，相關(guān)度R=0.998 4，計(jì)算值幾乎等于其實(shí)驗(yàn)值，而A 煤與B 石油焦的可磨性指數(shù)相差＞14;C 石油焦與A煤配煤的可磨性指數(shù)隨著配煤比例的線性關(guān)系較差，相關(guān)度R 僅為0.250 4，而A 煤與C 石油焦的可磨性指數(shù)幾乎相等。即石油焦配煤可磨性的線性關(guān)系為當(dāng)兩者可磨性指數(shù)相差較大時(shí)線性能夠較好的遵循線性可加原則，反之相反。此結(jié)論與文獻(xiàn)所述不一致，可能是由于文獻(xiàn)中配煤所指不同煤種之間的混配結(jié)果，本文中配煤是不同種類的高硫石油焦與煤進(jìn)行配煤的結(jié)果，石油焦的產(chǎn)生及機(jī)械性質(zhì)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(shù)測定的理論依據(jù)是磨碎定律，即將固體物料磨碎成粉消耗的能量與其新產(chǎn)生的表面積成正比。不同煤種的機(jī)械性質(zhì)、礦物質(zhì)含量不同，因此不同煤的破碎機(jī)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(shù)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(dāng)完全是B 石油焦時(shí)，大顆粒所占比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單一的A 煤和AB 配煤。此結(jié)果與AB 配煤的可磨性指數(shù)規(guī)律一致，即可磨性指數(shù)大的樣品磨制后的粒度也小。同時(shí)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(dá)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(shù)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(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，即使可磨性指數(shù)相差不大的兩個(gè)單樣，經(jīng)過相同能量破碎后的粒度分布可能相差較大。

3 結(jié)論

(1)不同種類的高硫石油焦由于產(chǎn)生的條件不同，可磨性指數(shù)也不同，彈丸石油焦B 的可磨性指數(shù)(32.73)遠(yuǎn)小于海綿石油焦C(73.97)。配入一定比例可磨性指數(shù)相對較高的A 煤(74.13)，配煤的可磨性指數(shù)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(shù)。

(2)采用可磨性指數(shù)相差很大的A 煤與石油焦B 進(jìn)行配煤時(shí)，配煤的可磨性指數(shù)呈現(xiàn)出很好的線性關(guān)系，計(jì)算值幾乎等于其實(shí)驗(yàn)值;而可磨性指數(shù)幾乎相等A 煤與石油焦C 進(jìn)行配煤時(shí)，配煤的可磨性指數(shù)與配煤比例線性關(guān)系很差，且兩組配煤的可磨性指數(shù)均小于各自的加權(quán)平均值。

(3)經(jīng)過球磨機(jī)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(shù)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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