煤粉的助磨及其对燃烧特性的影响研究

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煤炭是我国水泥工业的主要燃料,据统计,2019年我国水泥工业煤炭消耗约为1.95亿吨标准煤。煤炭粉磨是能耗高且效率较低的过程,其粉磨年均单位电耗约为30~32k W·h·t-1,提高煤炭粉磨效率对于节省电耗,降低生产成本具有重要意义。在现有煤炭粉磨相关设备、工艺和技术较为成熟的情况下,添加助磨剂是一种可以改善其粉磨特性的简便高效的方法。目前水泥行业内对助磨剂及助磨机理的研究主要集中在水泥粉磨的试验中,关于煤粉助磨剂研究较少。煤是由有机物和矿物质组成的混合物,与水泥等物料在组成上存在较大的差异,因此煤粉助磨剂的开发及其作用机理需要进一步研究。因此,本文围绕煤粉的助磨,对比研究了不同助磨剂对煤的助磨效果及作用机理,同时研究了助磨剂对煤粉燃烧特性的影响。具体工作包括:(1)通过选用不同类型表面活性剂作为助磨剂,对多组烟煤和无烟煤样品进行助磨试验,分析各试验组煤粉的粒度分布结果,探讨了助磨剂种类及掺量对煤粉助磨的影响。结果表明:多数试验组煤粉粒度分布呈双峰分布,随着球磨时间的增加,其粒度分布范围变窄,粒度分布越为集中,逐渐由双峰分布向单峰分布转变;在相同的粉磨条件下,离子型表面活性剂有助于煤的粉磨,其中以焦磷酸钠和聚羧酸减水剂为代表的阴离子型表面活性剂的助磨效果最佳;加入焦磷酸钠后,封开烟煤和曹溪烟煤中细颗粒的相对含量分别提升了6.7%、6.6%,加入聚羧酸减水剂后,上述两组煤样中细颗粒的相对含量分别提升了12.2%、10.6%;焦磷酸钠的最佳掺量为煤粉质量的1.2‰,聚羧酸减水剂在在0.3~1.5‰掺量下均对煤样具有较好的助磨效果。(2)通过分析助磨剂对煤粉颗粒的Zeta电位、官能团、表面形貌及煤粉中矿物质分布规律的影响,研究了煤粉助磨剂的作用机理。结果表明:阴离子型表面活性剂会增加煤粉颗粒的表面电位,提高颗粒间的静电排斥作用,使得颗粒间更容易分散,从而有利于提高粉磨效率;观测粉磨后煤粉颗粒的形貌和粒度发现,助磨剂焦磷酸钠改善了煤粉的团聚现象,并使得煤粉颗粒的边缘更为圆滑,这有助于降低球磨过程中煤粉流动的阻力,有利于提高粉磨效率;结合红外光谱和浮沉试验的结果表明助磨剂焦磷酸钠和聚羧酸减水剂的掺入对煤粉中矿物质与有机质的解离有促进作用,焦磷酸钠和聚羧酸减水剂对于煤粉中矿物质分布规律的影响变化趋势相一致,并且聚羧酸减水剂对煤粉中矿物质解离的促进作用优于焦磷酸钠。(3)通过对烟煤和无烟煤煤粉进行筛分处理,以着火温度、燃尽时间和燃烧烈度等作为煤粉燃烧特性的特征指标,利用热重分析等方法测试了不同粒级煤粉的燃烧特性,同时对比分析了助磨剂对煤粉燃烧特性的影响。结果表明:相同试验条件下,随着煤粉粒径的降低,烟煤着火温度呈降低趋势,粒径小于38μm的煤粉着火温度最低(420.4℃),其燃烧烈度和燃尽时间未发生显著变化,而无烟煤着火温度和燃尽时间均随着粒径降低而降低;粒径对于煤粉燃烧性能的综合影响作用,无烟煤大于烟煤;焦磷酸钠和聚羧酸减水剂等助磨剂的加入后,烟煤着火温度、燃烧烈度和燃尽时间均未发生显著改变,而无烟煤的着火温度显著降低,其中十二烷基苯磺酸钠试验组煤粉的着火温度为578.2℃,相较于空白煤粉降低了32.6℃,助磨剂对两种煤粉的燃烧特性没有产生不利影响,并且对于改善无烟煤燃烧特性具有积极作用。
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