粒度对煤中晶体矿物组成影响研究.pdf

书书书 第 41 卷第 4 期 2012 年 4 月 应用化工 Applied Chemical Industry Vol． 41 No． 4 Apr． 2012 櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴 櫴櫴 櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴 櫴櫴 毷 毷 毷 毷 科研与开发 收稿日期 2012- 02- 13修改稿日期 2012- 02- 21 基金项目 国家自然科学基金项目 21176003 ; 中国石油化工有限公司技术开发项目 YYCG- Agreement- 01/2010 作者简介 杨和彦 1987 － ， 女， 安徽宣城人， 安徽理工大学硕士研究生， 师从李寒旭教授， 从事洁净煤技术研究。电话 13685548368， E － mail hyyang1987163． com 粒度对煤中晶体矿物组成影响研究 杨和彦， 李寒旭 安徽理工大学 化学工程学院， 安徽 淮南232001 摘要 选取 A/B/C 3 种典型煤样， 利用 X- 射线衍射分析仪研究了煤样在不同粒径区间时其晶体矿物组成的变化 情况。结果表明， 石英在 A 煤中其衍射强度随粒径增大呈下降趋势， 而在 B、 C 煤中则呈先下降后上升的趋势; 高岭石 衍射峰强度在 A、 B 煤中是先下降后上升， 而在 C 煤中呈直线下降的变化趋势。石英和高岭石在粒径为 74 ～100 μm 时， 其衍射强度为较低或最低的状态， 而黄铁矿、 赤铁矿和方解石则在此粒径区间范围内， 其衍射强度达到较大或 最大峰值; 白云母总体变化幅度不是很大。 关键词 煤气化; 粒度; X- 射线衍射; 晶体矿物 中图分类号 TQ 546文献标识码 A 文章编号 1671 －3206 2012 04 －0559 －03 Study on effect of coal granularity on crystalline mineral composite in coal YANG He- yan， LI Han- xu School of Chemical Engineering， Anhui University of Science and Technology， Huainan 232001， China Abstract X- ray diffraction XRDwere applied to study the crystalline mineral composite in different particle size interval of three typical coal samples． The results showed that the intensity of quartz presents downward trend in A coal， while falls and then rises in B and C coal samples with the coal diameters in- creasing． The intensity of kaolinite rising firstly， and then decreasing in A and B coal samples， which trend to down in C coal． On the whole， the intensity of quartz and kaolinite reached a minimum value when the particle size reached 74 ～100 μm， however， which reached a maximum of pyrite， hematite and calcite． As a whole， the intensity of muscovite had litter change． Key words coal gasification;coal granularity;X- ray diffraction;crystalline minerals 众所周知， 中国富煤、 贫油、 少气， 而石油开采成 本上升及易采石油越来越难得， 使得煤化工业逐步 显现出竞争优势。煤气化技术是洁净煤技术的重要 组成部分， 是煤炭转化的主要途径之一， 是发展煤化 工的先导技术。煤质是选择气化方法的根据， 又是 影响气化过程技术经济指标及能否顺利操作的关 键 ［1 ］。 粒度显著地影响燃烧火焰的温度、 燃尽度以及 NOx的排放量［2 ］。众多研究表明， 煤颗粒越小， 比表 面越大， 燃烧和热解速率就越快， 转化率就越高， 燃 尽度和热解度就越大［3- 4 ］; 同时， 粒径减小， 煤颗粒活 化能降低 ［5- 7 ］， 指前因子改变［6， 8 ］， 甚至可改变反应 机理。粒度大， 则加热变慢， 且内外表面间温差变 大， 增加颗粒内焦油蒸气扩散阻力和停留时间， 严重 降低气化生产效率。可以看出， 针对粒度方面的研 究多出现在燃烧领域， 而粒度是采用干粉煤进料的 Shell 气化法的一项重要煤质指标， 直接关系着 Shell 气化过程中的碳转化率、 灰渣残炭率及飞灰含碳量 等问题。因此通过本课题的开展， 找出粒度与煤中 晶体矿物组成之间的关系， 可为实际生产提供一定 的理论指导。 1实验部分 1． 1原料与仪器 选取 A、 B、 C 3 种煤样进行研究， 其中 A 煤取自 安徽省某煤矿， B 和 C 煤样取自河南省煤矿， 原煤样 的基础分析见表 1。 应用化工第 41 卷 表 1煤样的基础分析 Table 1Fundamental analysis of coal samples 煤样 工业分析/ MadAdVdafFCad 元素分析/ CadHadSt， ad 发热量 Qb， ad / MJkg －1 A1． 1724．6319．7559．7860．522． 952．5725．12 B8．1021． 3840．7542．8154．883． 340．3921．39 C1．4822．3831．3252． 5263．234． 150．3526．41 GJ- 3 型密封式化验粉碎制样机; XD- 3 型多晶 X 射线粉末衍射仪。 1． 2样品的制备 利用制样机对各煤样进行磨制， 制取粒径区间 为 ＜44 μm， 74 ～100 μm， 150 ～300 μm 的 3 种区间 煤样。 1． 3实验方法 利用多晶 X 射线粉末衍射仪对试样进行矿物 组成分析。衍射条件 Cu 靶， 管电流 40 mA， 管电压 36 kV。 2结果与讨论 每种晶体矿物都有其独特的晶体结构， X 射线 衍射法能够检测到煤中矿物组成， 且同一种晶体矿 物其衍射强度的变化可近似反映含量的变化［9- 10 ］。 2． 1煤中晶体矿物组成分析 原煤的 XRD 见图 1。 图 1原煤 X- 射线衍射图 Fig． 1XRD spectra of coal samples Q． 石英; K． 高岭石; H． 赤铁矿; Mu． 白云母; C． 方解石; P． 黄铁矿 由图 1 可知， 不同粒径下 A、 B、 C 原煤中的主要 晶体矿物为高岭石、 石英及少量黄铁矿、 方解石、 白 云母。A 煤和 C 煤在衍射角为 18 ～30 范围内出现 了明显的鼓包， 表明有大量的非晶型或玻璃态物质 存在， 可导致煤在气化过程中的行为相对 B 煤复 杂。 2． 2主要晶体矿物组成变化分析 图 2 为不同粒径下 A、 B、 C 原煤主要晶体矿物 最强衍射峰强度的变化情况。 石英为原煤中含有的矿物质， 在 800 ℃左右其 衍射强度逐渐减弱， 高温下石英与高岭石等其它成 分发生反应， 生成新的矿物质或非晶态的玻璃体物 质， 约在 1 400 ℃以后， 衍射线趋于消失。高岭石是 原煤中含有的粘土矿物， 高岭石在较低温度下转变 成偏高岭石， 在 800 ～1 000 ℃偏高岭石可转变为莫 来石， 而莫来石在 1 000 ～1 400 ℃随温度升高而增 加， 且一直存在。一般来说， 石英和高岭石矿物含量 越高， 其煤灰熔融温度越高。 由图 2 可知， A 煤中石英衍射强度随粒径增大 呈下降趋势， 而在 B、 C 煤中则呈先下降后上升的趋 势; 高岭石衍射峰强度在 A、 B 煤中， 随粒径增大呈 先下降后上升的趋势， 而在 C 煤中呈直线下降的趋 势。整体来看， 石英和高岭石在粒径为 74 ～100 μm 065 第 4 期杨和彦等 粒度对煤中晶体矿物组成影响研究 时， 其衍射强度为较低或最低的状态。 图 2原煤中主要晶体矿物最强衍射强度比较图 Fig． 2Comparative intensity of main crystal mineral in coal samples Q． 石英; K． 高岭石; H． 赤铁矿; Mu． 白云母; C． 方解石; P． 黄铁矿 黄铁矿在 800 ℃ 前全部分解为赤铁矿和 SO3， 且赤铁矿本身也是原煤中次要矿物。方解石在 800 ℃前全部分解成石灰， 它与 SO3气体发生反应 生成硬石膏。黄铁矿、 赤铁矿和方解石均为助熔矿 物， 含量越高， 灰熔融温度就越低。图 2 可看出， 粒 径为 74 ～ 100 μm 时， 这三者矿物的衍射强度达到 较大或最大峰值。 白云母在 B 煤中呈先上升后下降的趋势， 而在 C 煤中与之相反， 总体变化幅度不是很大。随温度 升高， 白云母成分中的 K、 Si 化合物分解， 形成钾硅 酸盐， 释放出 Al2O3， 白云母的高温产物可与煤灰中 的其他矿物形成莫来石， 其为耐熔矿物。 综上所述， 粒径改变可直接影响着煤中石英、 高 岭石、 黄铁矿、 方解石、 赤铁矿等矿物的衍射强度， 即 影响其在原煤的含量， 正因为这些助熔矿物、 耐熔矿 物含量的不同， 使得煤灰熔融温度发生较大差异。 因此， 根据实际要求， 选择合适粒度的原料煤， 这对 气化炉的稳定运行有着重要的作用。 3结论 A 煤中石英衍射强度随粒径增大呈下降趋势， 而在 B、 C 煤中则呈先下降后上升的趋势; 高岭石衍 射峰强度在 A、 B 煤中， 随粒径增大呈先下降后上升 的趋势， 而在 C 煤中呈直线下降的趋势。整体来 看， 石英和高岭石在粒径为 74 ～100 μm 时， 其衍射 强度为较低或最低的状态， 黄铁矿、 赤铁矿和方解石 这三者矿物在此粒径区间时， 其衍射强度则达到较 大或最大峰值。白云母在 B 煤中呈先上升后下降 的趋势， 而在 C 煤中与之相反， 总体变化幅度不是 很大。因此， 根据实际要求， 需选择合适粒度的原料 煤。 参考文献 ［ 1］ 张继臻， 马运志， 杨军． Texaco 装置对煤质选择适应的 实例分析［ J］ ． 煤化工， 2002 3 34- 39． ［ 2］ 冯俊小， 乐恺， 刘应书， 等． 粉煤粒度对其燃烧特性的 影响［ J］ ． 北京科技大学学报， 2001， 23 5 460- 462． ［ 3］ 张小可， 陈鸿， 孙学信， 等． 用无形孔模型研究影响煤 粉燃烧的因素［ J］ ． 煤炭转化， 1996， 19 3 69- 75． ［ 4］ 姜秀民， 李巨斌， 邱健荣． 煤粉颗粒粒度对煤质分析特 性与燃烧特性的影响［ J］ ． 煤炭学报， 1999， 24 6 643- 647． ［ 5］ 姜秀民， 杨海平， 刘辉， 等． 粉煤颗粒粒度对燃烧特性 影响热分析［J］ ． 中国电机工程学报， 2002， 22 12 142- 145． ［ 6］ Nugroho Y S， McIntosh A C， Gibbs B M． Low temperature oxidation of single and blended coals［J］ ． Fuel， 2000， 79 15 1951- 1961． ［ 7］Kok M V， Ozbas E， Karacan O， et al． Effect of particle size on coal pyrolysis［J］ ． Journal of Analytical and Ap- plied Pyrolysis， 1998， 45 103- 110． ［ 8］ Kanar， Marco． Operation and perance update- Nu on power buggenum IGCC ［C］/ /Gasification Technology Conference． San Francisco， 2002． ［ 9］ 兰泽全， 曹欣玉， 周俊虎， 等． 炉内灰渣沉积物中矿物 元素分布的电子探针分析［J］ ． 中国电机工程学报， 2005， 25 2 114- 119． ［ 10］ 兰泽全， 曹欣玉， 周俊虎， 等． 黑液水煤浆炉壁灰沉积 物熔融温度分布特性［J］ ． 燃料化学学报， 2009， 37 2 129- 133． 165