于磊，李莉

（國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東濟(jì)南250002）

動(dòng)力用煤哈氏可磨性指數(shù)與煤灰成分間的關(guān)系

于磊，李莉

（國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東濟(jì)南250002）

通過對(duì)山東省各個(gè)燃煤電廠中的煤質(zhì)樣本進(jìn)行灰成分和哈氏可磨性指數(shù)的測(cè)定，統(tǒng)計(jì)灰成分和哈氏可磨性指數(shù)等指標(biāo)的分布情況，進(jìn)一步闡述了煤可磨性指數(shù)與煤中各主要成分間的關(guān)系，并分析其內(nèi)在聯(lián)系進(jìn)行理論探討，根據(jù)逐步回歸分析得出計(jì)算規(guī)律，最終找到一種簡(jiǎn)單可行的哈氏可磨性指數(shù)預(yù)測(cè)方法。

可磨性指數(shù)；灰成分；元素分析

0 引言

近年來，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，能源消耗總量持續(xù)增長(zhǎng)，尤其以電力用量增長(zhǎng)最快，使得我國(guó)的電力裝機(jī)容量不斷擴(kuò)大。其中以燃煤為動(dòng)力來源的火力發(fā)電是主要發(fā)電方式，而火力發(fā)電廠80%的發(fā)電成本是燃煤費(fèi)用。因?yàn)槿济盒枰ブ瞥商囟６群蟛拍苓M(jìn)入鍋爐內(nèi)燃燒，所以需要在磨煤機(jī)內(nèi)進(jìn)行粒度加工，所磨制煤粉的粗細(xì)程度成為影響鍋爐燃燒效率的直接因素，從而關(guān)系到整個(gè)發(fā)電企業(yè)的成本損耗。現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)是通過測(cè)定燃煤的哈氏可磨性指數(shù)來判定磨煤機(jī)的出力效率高低。但是，煤的哈氏可磨性指數(shù)的測(cè)定方法手續(xù)復(fù)雜、費(fèi)時(shí)費(fèi)力，影響結(jié)果的因素較多。針對(duì)這種情況，需要找到一種簡(jiǎn)單有效的哈氏可磨性指數(shù)預(yù)測(cè)方法與之相互驗(yàn)證，從而提高工作效率。而煤的灰成分測(cè)定方法相對(duì)簡(jiǎn)單、快速。因此我們通過一定數(shù)量的樣本測(cè)定分析，探究其中的聯(lián)系，并找到一種預(yù)測(cè)哈氏可磨性指數(shù)的簡(jiǎn)單方法。

1 哈氏可磨性指數(shù)與灰成分的相關(guān)性

所謂可磨性指數(shù)，是指在空氣干燥條件下，把試樣與標(biāo)準(zhǔn)煤樣磨制成規(guī)定粒度，并破碎到相同細(xì)度時(shí)所消耗的能量比?？赡バ灾笖?shù)是一個(gè)無量綱的物理量，它的大小反映了不同煤樣破碎成煤粉的相對(duì)難易程度［1］。

煤越硬，可磨性指數(shù)越小，這意味著相同質(zhì)量規(guī)定粒度的煤樣磨制成相同細(xì)度時(shí)所消耗的能量越多［2］。從能量角度看，在消耗一定能量的條件下，相同質(zhì)量規(guī)定粒度的煤樣磨制成粉的細(xì)度越細(xì)，則可磨性指數(shù)越大。為減少能耗，電力用煤的哈氏可磨性指數(shù)宜選擇較大一些的煤源［3］。一般認(rèn)為，哈氏可磨性指數(shù)為70屬于可磨性為中等程度煤，其值如達(dá)到80～90則認(rèn)為較為易磨。同等工況下，哈式可磨性指數(shù)相差10，磨制相同細(xì)度情況下，磨煤機(jī)出力效率約相差25%左右。

煤的灰成分通常是指煤灰中的SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、SO3、TiO2、K2O及Na2O的測(cè)定。我國(guó)煤灰中的SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)往往高達(dá)40%～60%，SiO2、Al2O3、Fe2O33種成分之和通?？烧济夯业?0%，也有少數(shù)煤灰，其CaO含量很高，僅作為特例分析。煤的灰成分與電力生產(chǎn)關(guān)系十分密切，灰渣的高溫特性是化學(xué)組成的函數(shù)，提供可靠的煤灰成分?jǐn)?shù)據(jù)，有助于判斷和防止灰渣對(duì)鍋爐設(shè)備的侵蝕作用，預(yù)測(cè)沖灰管道的結(jié)垢嚴(yán)重程度，確定灰渣綜合利用的可能途徑等。對(duì)煤灰成分的分析測(cè)定，是電廠設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的需要［4］。煤灰成分測(cè)定方法很多，煤灰中各個(gè)成分可用重量分析、容量分析、比色分析、火焰光度分析及原子吸收分等方法，可以運(yùn)用不同種類的測(cè)定方法得到準(zhǔn)確的煤灰成分的含量，這對(duì)分析其他指標(biāo)是有幫助的。

2 樣本分析

哈氏可磨性指數(shù)與所測(cè)煤中各種組分有著密切聯(lián)系。

煤炭根據(jù)其炭化程度可分為3大類：無煙煤、煙煤、褐煤。無煙煤地質(zhì)年代遠(yuǎn)，炭化程度深；褐煤地質(zhì)年代近，炭化程度淺；煙煤居中。它們基本上由兩部分物質(zhì)所組成：一是可燃成分，即煤中的有機(jī)組分；一是不可燃成分，即煤中的無機(jī)組分。有機(jī)組分包含C、H、N、S等元素，其中C質(zhì)量分?jǐn)?shù)由95%到5%高低不等，但以現(xiàn)行火力發(fā)電廠用煤情況看，煙煤占到絕大多數(shù)，也就是說在煙煤可燃成分C占主要地位。無機(jī)組分包括灰分和水分，其中灰分占主要地位，而煤灰中的SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)往往高達(dá)40%～60%，由此，可以從C、灰分及灰中SiO2的含量來討論與可磨性指數(shù)的關(guān)系。

采集47個(gè)煤樣進(jìn)行分析，其中包括無煙煤與煙煤，哈氏可磨性指數(shù)在64～150的范圍內(nèi)，灰分在16%～85%的范圍內(nèi)，所檢測(cè)出來的煤灰成分的范圍在40%～65%的范圍內(nèi)，基本上涵蓋了我國(guó)動(dòng)力用煤的95%煤種和煤型。如表1所示，根據(jù)圖表中A列到D列的基本數(shù)據(jù)，得到E列各個(gè)煤樣主要成分的百分比之和，F(xiàn)列則是E列與A列的比值，即我們需要的匯總數(shù)據(jù)。根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)的要求，我們將F列數(shù)據(jù)進(jìn)行方差運(yùn)算，以檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性及異常值。

標(biāo)準(zhǔn)差

式中：S為樣本單次觀測(cè)值總體標(biāo)準(zhǔn)差的試樣估算值；d為樣本與平均值的差值；np為樣本數(shù)目。

單組數(shù)據(jù)精密度

式中：P0為單組樣本精密度；S為樣本單次觀測(cè)值總體標(biāo)準(zhǔn)差的試樣估算值。

m組數(shù)據(jù)精密度

式中：P為總體樣本精密度；P0為單組樣本精密度；m為樣本數(shù)目。

根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)表1可得出所有數(shù)據(jù)的精密度是合適的，并且沒有異常值出現(xiàn)。

表1 哈氏可磨性指數(shù)、灰分、灰中SiO2、C質(zhì)量分?jǐn)?shù)相關(guān)匯總

ABCDEF序號(hào)哈氏可磨性指數(shù)GHI灰分／% w（SiO2）／% w（C）/%煤中SiO2和C總量w／%煤中SiO2和C總量與哈氏可磨性指數(shù)的比值K318623.3644.7865.0375.490.88 328636.5950.4754.0872.550.84 338828.8654.6760.2976.070.86 348931.7448.1258.9474.210.83 359030.7451.4458.2374.040.82 369032.0050.5258.5474.710.83 379041.6447.2762.9482.620.92 389033.5458.9255.6475.400.84 399226.2049.5863.0276.010.83 409231.0554.4654.6471.550.78 419419.3750.9071.5281.380.87 429432.4349.3658.3074.310.79 439640.1858.3249.6473.070.76 449823.8553.3665.1277.850.79 4510237.3357.3652.9574.360.73 4614230.5856.2960.5277.730.554715020.1643.7469.9278.740.52

以E列為橫軸，A列為縱軸作柱狀圖，如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)分布圖

坐標(biāo)軸橫軸是所求得的比值數(shù)據(jù)，縱軸是煤樣哈氏可磨性指數(shù)的數(shù)值。從圖1可以清晰地看出數(shù)據(jù)均接近正態(tài)分布，而且隨著比值的增大，可磨性數(shù)值相應(yīng)的減小，也就是說對(duì)大多數(shù)煤種煤型而言，從它本身的元素分析組成便可推斷出其哈氏可磨性指數(shù)的大小范圍。

采用回歸分析方法，進(jìn)一步研究它們之間預(yù)測(cè)效應(yīng)的大小和方向［5］。對(duì)表1中C列（灰中SiO2）數(shù)據(jù)進(jìn)行拆分（按照分布，從51.44%處分割數(shù)據(jù)）的基礎(chǔ)上，將灰中SiO2、C對(duì)哈氏可磨性指數(shù)進(jìn)行先行逐步回歸，結(jié)果見表2、表3。

表2 逐步回歸分析結(jié)果（w（C）≤51.44%，N=47）

當(dāng)灰中w（SiO2）≤51.44%時(shí)，經(jīng)過1步回歸，兩個(gè)自變量中的碳元素代入方程（R2=91.6%，F(xiàn)=3 156.899，p＜0.001），且碳元素顯著負(fù)向預(yù)測(cè)哈氏可磨性指數(shù)（β=-0.402，t=-57.442，p＜0.001，R2=91.6%）。

當(dāng)灰中w（SiO2）＞51.44%時(shí)，經(jīng)過2步回歸形成預(yù)測(cè)模型2（R2=82.5%，F(xiàn)=256.499，p＜0.001）在3個(gè)自變量中，灰分顯著正向預(yù)測(cè)哈式可磨性指數(shù)（β= 0.206，t=7.096，p＜0.001，R2=81.5%），碳元素顯著負(fù)向預(yù)測(cè)哈氏可磨性指數(shù)（β=-0.198，t=-6.237，p＜0.001，R2=82.5%）。

表3 逐步回歸分析結(jié)果（w（C）＞51.44%，N=47）

由此分析可見，大多數(shù)煤中的灰分高低決定哈氏可磨性指數(shù)的高低，進(jìn)一步微量分析，可以得到灰中的SiO2含量起到了決定性作用。由于SiO2的莫氏硬度很高，就間接地造成了煤的哈氏可磨性指數(shù)偏高，進(jìn)而會(huì)增加電力生產(chǎn)各個(gè)環(huán)節(jié)中的未知因素。

在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)里，由于缺少測(cè)定哈氏可磨性指數(shù)的儀器設(shè)備，在收取新煤源煤炭或煤質(zhì)出現(xiàn)較大波動(dòng)時(shí)，無法掌握煤質(zhì)本身對(duì)磨煤機(jī)出力情況影響的數(shù)據(jù)，因?yàn)楣峡赡バ灾笖?shù)越大，在消耗一定能量條件下，磨煤機(jī)出力越大。所以，電廠需要根據(jù)多種煤質(zhì)進(jìn)行摻配入爐燃燒，使磨煤機(jī)可以達(dá)到最佳出力效果，以減小廠內(nèi)損耗。

3 適用性比較

對(duì)于煙煤與無煙煤以外的其它煤種，例如褐煤、油母頁巖等，哈氏可磨性指數(shù)在測(cè)量方法上是有差別的，這是由于煤炭在各種磨煤機(jī)中進(jìn)行破碎時(shí)，由研磨、錘擊、擠壓等多種作用共同進(jìn)行。測(cè)定哈氏可磨性指數(shù)多限定于中速磨煤機(jī)，煤樣中的粗粒主要靠研磨滾壓成粉，而褐煤是變質(zhì)程度較淺的煤種，本身存在著木質(zhì)纖維，使用研磨方式難以破碎，而用高速錘擊磨則易破碎。但是，褐煤內(nèi)部水分很大，磨煤過程中伴有干燥作用；另外，煤樣處理及破碎操作條件不同也會(huì)導(dǎo)致水分的變化，因此會(huì)得到不同的哈氏可磨性指數(shù)數(shù)值。對(duì)于油母頁巖來說，它屬于片層狀結(jié)構(gòu)，不同方向受力會(huì)產(chǎn)生不同的效果，在順層向更易于研磨成餅狀結(jié)構(gòu)，細(xì)小顆粒則易變成薄片，而不易成粉狀。此外油母頁巖有一定比例含油率，其產(chǎn)生的作用力傾向更加明顯，因此哈氏可磨性指數(shù)也會(huì)相應(yīng)偏低。

同時(shí)，在煙煤中某些劣質(zhì)煤和含鐵量高的煤往往也會(huì)得出離群數(shù)據(jù)。劣質(zhì)煤一般是灰分較高，灰中的SiO2比例很大；含鐵量高的煤則是煤中伴有硫鐵礦，其中硫化鐵、硫酸鹽鐵占主要成分。這些煙煤中的特殊成分往往不容易判斷其可磨性數(shù)據(jù)規(guī)律，由此對(duì)于求得的數(shù)值常常是離散態(tài)分布，所以應(yīng)當(dāng)避免采取此種樣本進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)。

4 結(jié)語

通過對(duì)山東省內(nèi)各個(gè)火力發(fā)電廠的47個(gè)煤質(zhì)樣本進(jìn)行灰成分分析，統(tǒng)計(jì)灰分、灰中SiO2等指標(biāo)的分布情況，通過數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析以及采用回歸分析方法進(jìn)行理論研究，得出了灰分、灰中SiO2與哈氏可磨性指數(shù)的計(jì)算規(guī)律，進(jìn)一步可以用灰成分方法來預(yù)測(cè)煤的哈氏可磨性指數(shù)的方法?？梢詾殡姀S日常運(yùn)行提供一種簡(jiǎn)單、快速的驗(yàn)證方法。

另外，如褐煤等特殊煤種目前還無法利用以上規(guī)律方法得到滿意的驗(yàn)證結(jié)果，這還需要后續(xù)樣本數(shù)量累計(jì)足夠多以后，再進(jìn)行相關(guān)性規(guī)律研究，從而進(jìn)一步完善不同煤種的驗(yàn)證方法。

［1］曹長(zhǎng)武.火電廠煤質(zhì)監(jiān)督與檢測(cè)技術(shù)［M］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.

［2］李英華.煤質(zhì)分析應(yīng)用指南［M］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

［3］段云龍.煤炭試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)及其說明［M］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2004.

［4］張軍.電力用煤煤質(zhì)特性指標(biāo)淺析［J］.煤質(zhì)技術(shù)，2007（S1）：26-28.

［5］盧紋岱，吳喜之.SPSS for Windows統(tǒng)計(jì)分析（第三版）［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2005.

The Relationship between the Coal Ash Composition and the Hardgrove Grindability Index of Power Coal

The coal ash composition and the Hardgrove grindability index of coal samples of coal-fired power plants in Shan dong were measured.Using the distribution of coal ash composition and Hardgrove grindability index，the relationship between them was expounded，and the inner link was discussed.The rules of calculation were showed based on the stepwise regression analysis.A kind of simple and feasible prediction method of the Hardgrove grindability index was found finally.

grindability index；ash composition；ultimate analysis

TK113

：B

：1007－9904（2014）05－0060－04

2014-05-22

于磊（1979—），男，從事火力發(fā)電廠煤質(zhì)分析工作。