煤樣粒徑對煤質分析特性及燃燒特性的影響研究★

王 勇

（山西省地質礦產研究院有限公司，山西 太原 030001）

0 引言

煤質分析主要分析煤的水分、灰分、揮發分等物理性質及煤的燃燒特性，煤質分析結果決定原煤具體的利用方式和應用場景。煤的工業分析和燃燒特性分析均需要對原煤進行研磨、篩分以滿足實驗要求，煤粉經研磨后不同粒度煤樣的比表面積、孔隙率和孔隙結構等性質均會發生改變，從而影響煤質分析結果[1]和煤的燃燒特性[2]。

因此，本文選取陽泉無煙煤進行破碎、研磨和篩分得到不同粒徑煤樣，分析研究不同粒徑煤樣對其水分、灰分、揮發分含量及燃燒特性的影響規律，以期為精細化煤質檢驗工作提供借鑒參考。

1 不同粒徑煤樣制備及煤質分析方法

本文無煙煤制樣遵循GB474—1996《煤樣的制備方法》，將空氣干燥基無煙煤原煤經反復破碎、研磨和篩分，得到3～6 mm、1～3 mm、0.5～1 mm、0.25～0.5 mm、0.2～0.25 mm、0.074～0.2 mm 共6 種不同粒徑的煤樣以供測試。

本文依據GB/T30732—2014《煤的工業分析方法儀器法》，使用MAC-500 型工業分析儀對不同粒徑煤樣的水分、灰分、揮發分進行測試。使用STA409 型熱重分析儀對不同粒徑煤樣的著火溫度（ti）、穩燃特性指數（S）和燃盡特性指數（Hj）進行測試，實驗煤樣質量為10 mg，在空氣流量65 mL/min 條件下測試升溫速率為20 ℃/min 時煤樣從20 ℃提升至1 000 ℃過程中煤樣的熱重曲線TG 和微分熱重曲線DTG，結合TG 圖、DTG 圖與穩燃特性指數及燃盡特性指數公式[式（1）、式（2）]分析煤樣粒徑對煤燃燒特性的影響規律。

式中：（dG/dτ）max為燃燒峰的最大失重速率；ti為著火溫度；tmax為（dG/dτ）max對應溫度。

式中：ΔT 為DTG 總峰寬溫度差，ΔT=ΔTq+ΔTh；ΔTh為后半峰溫度差。

2 粒徑對煤工業分析結果的影響

2.1 粒徑對煤水分含量測試結果的影響

不同粒徑煤樣空氣干燥基水分含量測試結果如圖1 所示。觀察圖1 可知，煤樣的含水量與煤樣粒徑大小成反比關系，煤樣粒徑越小，所測得煤樣的含水量越大。無煙煤的變質程度較高，結構緊實，水分主要賦存在有機質的孔隙結構種，內在水含量相對較少，研磨導致煤樣的粒徑不斷減小的過程中，越來越多的有機質暴露出來，致使所測煤樣含水量的不斷上升，該結果與前人研究一致。

圖1 煤種水分含量與煤樣粒徑的關系

2.2 粒徑對煤灰分含量測試結果的影響

不同粒徑煤樣空氣干燥基灰分含量測試結果如圖2 所示。由圖2 可知，煤樣的灰分含量與煤樣粒徑大小成正比關系，煤樣粒徑越小，所測得煤樣的灰分含量越小。灰分是煤中所含不可燃無機礦物的占比，灰分含量與煤的變質程度有直接關系，煤的變質程度越高，灰分含量越少，高變質無煙煤的灰分含量相對較少。煤樣在破碎和研磨過程中，無機礦物與有機質逐漸分離，篩分導致質量較大的無機礦物與有機質進一步分離，煤樣研磨得越細致，無機礦物與有機質分離得越充分，致使煤樣粒徑越小，所測得煤樣的灰分含量越少。

圖2 煤中灰分含量與煤樣粒徑的關系

2.3 粒徑對煤揮發分含量測試結果的影響

揮發分是煤中有機質和部分礦物質隔絕空氣加熱過程中水分校正后的質量損失。揮發分含量與煤的變質程度有關，煤的變質程度越高，揮發分含量越低，高變質無煙煤的揮發分含量相對較少。不同粒徑煤樣空氣干燥基揮發分含量測試結果如圖3 所示。由圖3可知，煤樣的揮發分含量與煤樣粒徑大小大體呈反比關系，煤樣的揮發份含量隨煤樣粒徑的減小而增大。由于煤揮發分的主要來源是由有機質和部分礦物質，煤樣不斷研磨粒徑逐漸減小的過程中無機礦物與有機質逐漸分離，煤樣中的有機質含量相對增加，導致產生揮發分的基本物質含量相對增加，煤樣粒徑越小，所測得煤樣的揮發分含量越大。

圖3 煤中揮發分含量與煤樣粒徑的關系

對不同粒徑煤樣的工業分析結果可知，煤樣粒徑越小，水分含量和揮發分含量越大，灰分含量越小，粒徑對水分、灰分、揮發分含量的影響將進一步影響煤樣的燃燒性能，下文將分析水分、灰分、揮發分含量隨煤樣粒徑變化對煤粉燃燒特性的影響。

3 粒徑對煤燃燒特性的影響

3.1 不同粒徑煤粉的點燃特性分析

煤的著火溫度[3]是指煤由緩慢氧化狀態轉換至高速燃燒狀態時對應的溫度，著火溫度反映煤著火性能的好壞，著火溫度越低煤越容易著火。圖4 所示為不同粒徑煤樣著火溫度的測試結果。由圖4 可知，煤樣的著火溫度與煤樣粒徑大小成正比關系，煤樣粒徑越小，著火溫度越低，煤樣越容易著火。一方面，煤樣粒度越小，煤樣的比表面積越大，揮發分的析出越容易，氧化及燃燒反應的表面積越大，氧化及燃燒過程中的熱阻越小；另一方面，煤樣不斷研磨，粒徑不斷變小的過程中，不可燃灰分含量的逐漸減少對著火溫度的減小有積極作用，而煤樣粒徑減小水分含量的增加對著火特性的影響相對較小。

圖4 煤的著火溫度與煤樣粒徑的關系

3.2 不同粒徑煤粉的燃燒穩定性分析

穩燃特性指數[4]是反映煤粉前期燃燒狀況的指標，該指數越大說明煤粉的著火穩定燃燒性能越好。圖5 所示為不同粒徑煤樣穩燃特性指數的測試結果。由圖5 可知，煤樣的穩燃特性指數與煤樣粒徑大小成反比關系，煤樣粒徑越小，穩燃特性指數越大，煤粉著火穩定性越好。煤粉的著火穩定性與煤粉的組成有直接關系，均勻的可燃有機質分布更有利于煤粉的穩定燃燒。煤粉研磨至小粒徑過程中揮發分含量增大、灰分含量減小，煤中揮發分熱解析出形成多孔性的碳粒結構的過程可以是可燃有機質的分布更加均勻，有利于可燃有機質的穩定燃燒，煤粉粒徑變化過程中水分對穩燃特性指數的影響較小。

圖5 煤的穩燃特性指數與煤樣粒徑的關系

3.3 不同粒徑煤粉的燃盡特性分析

燃盡特性指數[5]是反映煤粉燃盡性能好壞的指標，該指數越大說明煤粉越容易燃燒完全。圖6 所示為不同粒徑煤樣燃盡特性指數的測試結果。由圖6 可知，煤樣的燃盡特性指數與煤樣粒徑大小成反比關系，煤樣粒徑越小，燃盡特性指數越大，煤粉越容易燃燒完全。其原因在于，煤樣在研磨至小粒徑過程中不可燃無機礦物逐漸被剝離，煤樣粒徑越小，無機礦物的剝離越完全，煤樣中可燃有機質的占比越高，煤樣越容易完全燃燒；并且大粒徑煤樣含有的不完全可燃礦物質相對較多，其燃燒時會形成一層灰殼，阻礙氧化介質擴散，對煤粉的燃燒造成消極影響，反之，小粒徑煤樣燃燒時灰殼對燃燒的消極影響很小。

圖6 煤的燃盡特性指數與煤樣粒徑的關系

上述研究表明，煤樣粒徑越小，煤樣的著火溫度越低，穩燃特性指數和燃盡特性指數越大，即煤樣粒徑減小有利于提升煤粉的燃燒性能。

4 結論

本文系統分析了煤樣粒徑對煤水分含量、灰分含量、揮發分含量測試結果的影響，結合粒徑對工業分析結果的影響規律分析煤樣粒徑對煤樣燃燒特性的影響機理，結果表明：

1）煤樣粒徑的變化會影響其工業分析結果。陽泉無煙煤煤樣的水分含量和揮發分含量隨粒徑的減小而增大，煤樣的灰分含量隨粒徑的減小而減小。煤樣在破碎、研磨至小粒徑過程中有機質暴露面積的增加是水分含量增加的根本原因，不可燃無機礦物被篩分和剝離導致煤樣的灰分含量的下降和可燃有機質占比的提升，導致煤樣揮發分含量增加。

2）煤樣粒徑的變化會影響其燃燒特性。陽泉無煙煤煤樣的著火溫度隨粒徑的減小而降低，粒徑越小灰分含量越少，煤樣的氧化及燃燒反應面積越大，煤樣越容易被點燃。煤樣粒徑的減小有利于煤樣的穩定著火燃燒和完全燃燒，煤樣的粒徑減小使灰分含量減少、揮發分含量增加，可燃有機質含量相對增加且分布更加均勻，不完全可燃礦物質燃燒生成灰殼對燃燒的消極影響也隨之減小，煤樣粒徑減小導致水分含量增加對煤樣燃燒性能的影響較小。