混煤对工业煤粉中矿物质分布规律影响的
研究
李亚男，陆超，王平，张洪**
作者简介：李亚男，（1988-），女，硕士研究生，混煤对工业煤粉中矿物质分布规律的研究
通信联系人：张洪，（1965-），男，教授，博导，博士，主要从事煤粉高效燃烧和煤质分析技术方面的研
究. E-mail: hzhang@cumt.edu.cn
5 （中国矿业大学化工学院，江苏 徐州 221008）
摘要：本论文研究了混煤对水泥的工业煤粉中矿物质分布规律的影响。试验采集新型干法水
泥厂单煤和混煤煤粉，通过浮沉、工业分析、粒度分析，研究灰分－粒度分布规律，再结合
煤岩成分分析等数据，探讨煤种混合对煤粉中矿物质随粒径的分布规律的影响。研究发现，
煤粉都呈现出灰分随密度级别的增大呈递增，随着粒度增加而降低的规律。单煤中矿物质存
10 在的状态对混煤中矿物质随粒径分布有影响；两种不同煤化程度的单煤混合粉磨，可以使混
煤中的矿物质向细颗粒富集，使分级效果较好；向混煤中加入分级效果较好的煤，使分级效
果显著。
关键词：单煤煤粉；混煤煤粉；矿物质；粒度分布
 0 引言
我国利用的化石能源主要是煤炭，但随着逐年的开采。煤炭的质量也在下降，优质煤的
35 储量已非常有限，产量也在降低[1]。水泥厂被迫采用高灰分或者是低挥发份的劣质煤为燃料，
给生产带来了很多的问题[2]。
为降低水泥生产成本，实现低质煤的使用，在我国水泥工业中的大中型企业多使用优质
烟煤和低质煤混合使用[3]。混煤燃烧时，若煤种选择恰当，混合均匀，配比合理，创造良好
的燃烧条件，发挥组分煤种各自的优越性，将会给燃煤的安全和经济性起到良好的作用。近
40 年来，国内有许多水泥厂采用混煤燃烧的方法以适应不同的要求，如减少结渣和SOx 的排
放[4]。然而，实际上如果混煤中设计使用的煤和实际使用的煤特性不一样，混煤燃烧可能会
导致严重的结渣[5]。对单一煤种燃烧过程中的矿物质行为已经有了广泛研究，但对混煤很少
 有研究[6].因此，深入研究混煤的矿物质分布，对于干法水泥生产线的稳定生产具有重要意义。
同时，研究工业混煤粉中矿物质的分布规律将为煤粉燃烧奠定基础和指导[7-8]。
45 本文根据煤田地质和选矿领域研究数据，寻找矿物质含量和分布特点不同的煤矿，追踪
使用该煤炭的新型干法水泥厂，采集新型干法水泥厂单煤和混煤煤粉，通过浮沉、工业分析、
粒度分析，研究灰分－粒度分布规律，探讨煤种混合对煤粉中矿物质随粒径的分布的影响规
律。同时，计算煤粉中矿物质的含量，并探索矿物质存在的状态。
1 实验部分
50 1.1 样品的采集
本试验采集五个水泥厂的出磨煤粉样品，其中包括三个烟煤单煤：河南新乡同力烟煤
（HN）、山西晋城阳城烟煤（SX）和南京中国水泥厂烟煤（NJ）；两个混煤：广西华宏的
混煤（GH）和广西华润的混煤（GR）。
1.2 实验方法
55 1.2.1 浮沉实验
本试验中每种煤样浮沉量为120 g，用密度分别为0.88 g·cm-3、1.595 g·cm-3 和2.89 g·cm-3
的苯、四氯化碳和三溴甲烷配成不同密度的溶液，对煤样按1.30kg/L、1.40kg/L、1.50kg/L、
1.60kg/L、1.70kg/L、1.80kg/L、2.00kg/L 各密度级别分成不同的密度级产物，再测定各密度
级的产率和品质。
60 1.2.2 煤样的工业分析
原煤及各浮沉级别样品的工业分析按照国家标准GB/T212-2001 进行。各煤样的工业分
析结果如表1 所示。
表1 煤粉工业分析
65 Tab. 1 Coal Proximate Analysis
Samples Proximate analysis
Mad Aad Vad FCad
HN 1.16 28.79 10.84 59.22
SX 1.22 21.54 8.47 68.77
NJ 0.99 30.6 27.03 41.36
GH 1.87 36.5 21.52 40.11
GR 1.99 32.83 7.50 57.67
1.2.3 煤粉的激光粒度分布
采用Beckman Coulter LS100Q 型粒度分析仪测定上述浮沉各密度级别煤的粒度分布。
测试条件是：Fraunhofer 光学模型，泵速：50，测量时间：60s。测试时为了避免煤样的团
70 聚，用分散剂和超声波分散煤样。
1.2.4 岩相分析
本试验将原煤破碎到1mm以下，浮沉煤粉样品直接使用，先用阿拉伯树胶成型、固化、
抛光制成光片，在德国莱卡公司ORTHOPLAN 显微镜用白光入射，在不完全正交偏光或单
偏光下，识别显微组分和矿物质。实验采取油浸反射光320 倍，以步距行距0.6 毫米扫描全
75 片并观察统计，用数点法统计各种显微组分和矿物质的体积百分数[9]。岩相分析的结果如表
 2、表3 所示。
表2 镜质组反射率
Tab. 2 vitrinite reflectance
Samples Rmax（%） Rank
SX 2.42 贫煤
HN 1.48 焦煤
NJ 0.63 长焰煤
80
表3 混煤的镜质组反射率
Tab. 3 mixed coal vitrinite reflectance
Samples Proportion（%） Rmax（%） Rank
GH 80 0.68 长焰煤
20 1.42 焦煤
10 0.63 长焰煤
GR 80 1.7 瘦焦煤
10 2.5 贫煤
2 结果与分析
85 2.1 混煤中矿物质存在状态的研究
本文选取两个水泥厂由不同煤化程度的烟煤混煤：广西华宏烟煤混煤（GH）和广西华
润的烟煤混煤（GR），GH 和GR 的灰分都较高，分别为36.5%、32.8%。对各煤样进行浮
沉分离，各密度级别的产率和灰分分布如图1、2 所示。
<1.3 1.3-1.41.4-1.51.5-1.61.6-1.7 1.7-1.81.8-2.0 2.0-2.2 >2.2
0
5
10
15
20
25
30
Yield(wt%)
Density fraction(g/cm3)
GH
GR
<1.3 1.3-1.41.4-1.51.5-1.61.6-1.71.7-1.81.8-2.02.0-2.2 >2.2
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Aad(%)
Density fraction(g/cm3)
GH
GR
90 图1 不同密度范围的产率变化曲线图 图2 不同密度范围的灰分变化曲线
Fig. 1 yield curve of different density range Fig.2 ash curves of different density range
GH 样品密度级别产率的变化是先增加再减小再增加，煤样GH 的<1.3g·cm-3 密度级别
为3.84%，含矿物质很少，且以内在矿物为主[10]，煤粉基本为纯煤颗粒；在低密度级别，
95 GH 的灰分成直线上升，说明内在矿物质的含量较大；GH 样品中间密度级别占到62%，证
明矿物与有机质呈交织一起的状态较少[11-12]，煤粒和矿物两极分化比较明显。GR 的产率随
密度增大呈上升的阶梯分布，分布较散，GR 的灰分分布与GH 呈现较为相似的规律。从
>1.8g·cm-3 的各密度级别产量之和为51.74%来看，外在矿物质含量较大，煤粒和矿物分化较
明显[13-14]。另外还可以看出三元混煤的矿物质分布要比两元混煤复杂。
100 2.2 混煤中矿物质的分布规律研究
根据激光粒度分析结果，计算出GH 和GR 煤粉不同粒度的灰分分布，如表4 和表5 所
 示。
表4 GH 煤粉不同粒径范围的灰分变化(wt%)
Tab. 4 ash content changes of GH pulverized coal with different 105 size range (wt %)
Size fraction Density fraction(g·cm-3)
(μm) <1.3 1.3-1.4 1.4-1.5 1.5-1.6 1.6-1.7 1.7-1.8 1.8-2.0 ＞2.0
Ad(%)
<5 0.31 1.85 5.57 7.94 8.96 4.64 17.13 53.59 53.86
5～10 0.92 4.65 12.01 13.96 12.48 4.87 12.40 38.71 44.59
10～20 1.48 8.05 16.77 14.65 9.35 5.71 10.01 33.98 40.65
20～40 4.69 14.67 20.37 13.76 8.76 4.64 7.94 25.17 33.80
40～60 9.01 19.53 23.78 15.32 9.48 6.04 5.08 11.77 24.94
60～80 12.02 23.57 28.43 17.68 16.06 2.25 0 0 16.31
80～100 13.37 25.35 31.17 20.98 9.13 0 0 0 14.84
>100 18.63 28.99 31.36 13.82 7.19 0 0 0 13.23
表5 GR 煤粉不同粒径范围的灰分变化(wt%)
Tab.5 ash content changes of GR pulverized coal with different size range (wt %)
Size fraction Density fraction(g·cm-3)
(μm) <1.4 1.4-1.5 1.5-1.6 1.6-1.7 1.7-1.8 1.8-2.0 2.0-2.2 ＞2.2
Ad(%)
<5 0.11 1.03 1.40 1.95 4.49 27.91 30.62 32.48 52.98
5～10 0.22 2.05 2.79 4.70 7.05 31.87 25.97 25.36 46.91
10～20 0.13 1.77 4.01 7.60 11.16 32.67 17.14 25.53 43.51
20～40 2.43 9.31 13.79 18.50 14.06 20.04 4.87 16.99 28.38
40～60 6.40 19.07 16.57 20.62 9.49 14.44 0.04 13.38 21.31
60～80 10.65 21.85 15.09 19.90 7.47 10.65 0 14.39 20.61
80～100 12.51 22.86 14.52 21.20 9.09 9.44 0 10.39 17.44
>100 14.15 22.74 12.94 30.99 9.58 9.58 0 0.03 9.95
110 表2-1 和图2-2 全面定量的反映了GH 煤样不同粒度方位内的矿物分布状态，可以看出，
GH 的<5μm 粒度范围内，主要以>1.8g·cm-3 密度级别为主，所占质量分数将近70%，该粒度
范围内，矿物主要以外在矿物形式存在，且矿物含量比较高。5-60μm 粒度范围内，>1.8g·cm-3
高密度级别煤粉逐渐减少，<1.5g·cm-3 低密度级别煤粉逐渐增加，灰分与煤粉平均灰分比较
接近。GH 的>60μm 粒度范围内，高粒度矿物含量越来越少，灰分急剧降低，趋向纯煤粒状
115 态。GH 的最小粒径和最大粒径的灰分差为40%，灰分随着粒径的增加呈现明显的下降的趋
势。由此可见，GH 的分级效果非常显著。GR 的矿物质的分布与GH 相似，GR 的<5μm、
>1.8g·cm-3 的级别内外在矿物质含量非常高，在20-60μm 粒度级别内，灰分几乎成垂线下降，
矿物与煤粉分化非常明显，灰分随着粒径的增加呈现明显的下降的趋势，分级效果较好。
2.3 不同单煤混合对GH 矿物质分布规律的影响
120 由岩相分析结果可以判断，GH 烟煤混煤是由两种煤化程度不同的长焰煤和焦煤混合而
成，本文主要选取煤化程度相同，且灰分与GH 相近的单煤HN 和NJ 做对比，寻找不同的
单煤混合对烟煤混煤中矿物质分布的影响。HN、NJ 和GH 煤样的粒径-灰分关系如图3。
 <5 5-10 10-20 20-40 40-60 60-80 80-100 >100
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
Ad(%)
Size fraction(um)
HN
NJ
GH
图3 HN、NJ 和GH 煤样的粒径-灰分关系
Fig.3 Particle size-ash relationship of HN,125 NJ and GH pulverized coal
由岩相分析的结果得，GH 是由80%的长焰煤和20%焦煤混合成的。由工业分析结果得
到GH、HN 和NJ 煤样的灰分相差不大，所以可以忽略灰分的影响。在40-60μm 粒度范围
内，三个煤样的灰分几乎一样，都是25%左右。以该粒度范围为界，<60μm 粒度范围内，
130 GH 的矿物质含量明显高于HN 和NJ 的矿物质含量，而在>60μm 粒度范围内，GH 的矿物质
含量低于HN 和NJ 的矿物质含量，GH 的粒度-灰分分布要优于单煤的分布情况，由此可见，
两种不同煤化程度的单煤混合粉磨，使混煤中的矿物质向细颗粒富集而有机显微组分向大颗
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