徐愛民,周建忠,宋玉彩,鄧博文,胡 卿,張海丹,陳 俊,梁鈺昆

(1．浙江浙能富興燃料有限公司，浙江 杭州 311121；2．浙江浙能技術(shù)研究院有限公司，浙江 杭州 311121；3．浙江工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310014)

隨著“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的落實(shí)，燃電比例將出現(xiàn)下降，但煤電依然是我國(guó)電力主要來源。2019年，煤炭占我國(guó)一次能源比重為68.6%，煤電占電力總量比重為62.2%[1]。同時(shí)提高煤電效率也是“碳達(dá)峰、碳中和”的重要路徑之一，因此需繼續(xù)開展動(dòng)力煤特性與發(fā)電研究，提高技術(shù)水平。工業(yè)分析和元素分析以及熱值是動(dòng)力煤的基本特性參數(shù)，煤炭的可磨性指數(shù)也是燃煤電廠發(fā)電量的關(guān)鍵[2]。燃煤電廠5%～10%的發(fā)電量用于煤粉的研磨，和煤炭的可磨性直接相關(guān)[3]?？赡バ允侵该罕荒コ梢欢?xì)度的煤粉的難易程度。我國(guó)普遍采用哈德格羅夫法測(cè)定可磨性指數(shù)，也稱為哈氏可磨性指數(shù)(HGI)，隨著可磨性系數(shù)降低，磨機(jī)出力也會(huì)降低，消耗功率增大[4]。吳任超等[5]研究發(fā)現(xiàn)煤樣粒度級(jí)別相同時(shí)，密度對(duì)HGI值、研磨功耗和磨后產(chǎn)品的粒度分布均有很大的影響。密度級(jí)相同時(shí)，1.25～0.63 mm物料的HGI值最大。物料的研磨功耗隨著粒度的增大而增大，但研磨后產(chǎn)品粒度分布與原煤粒度相關(guān)性較小。一般說來，焦煤和肥煤的可磨性指數(shù)較高，容易磨細(xì)；褐煤的可磨性指數(shù)較低，不容易磨細(xì)[6]。

由于煤的種類和特性多樣，煤炭可磨性影響因素復(fù)雜[7]。由于不同煤種的成分、灰分組成、物化特性各不相同，其中影響煤粉可磨性的因素包括成煤條件、巖相成分和煤中水分含量等[8]。趙虹等[9]發(fā)現(xiàn)煤粉破碎后的粒度分布取決于煤種的煤化程度，而與煤種的可磨性指數(shù)相關(guān)性較小。楊雨濛等[10]研究了不同干燥方法對(duì)褐煤可磨性的影響。煤樣在鋼球的反復(fù)研磨下表面溫度會(huì)升高使得部分水分蒸發(fā)，影響可磨性指數(shù)測(cè)試?；曳趾亢徒M成也會(huì)對(duì)煤樣研磨產(chǎn)生影響，因?yàn)殇撉驅(qū)γ禾垦心ミ^程分離出的灰分會(huì)對(duì)其它組分研磨產(chǎn)生影響。張夏等[11]發(fā)現(xiàn)煤樣破碎速率隨著灰分的增大而降低。因此認(rèn)為煤的水分、灰分等特性可能與可磨性指數(shù)存在某種關(guān)聯(lián)。

熱值是電廠燃煤熱量輸入的關(guān)鍵，而可磨特性直接影響制粉系統(tǒng)，不僅影響磨煤能耗，同時(shí)也是保障煤粉供應(yīng)的關(guān)鍵[12]。張爭(zhēng)峰等[13]研究發(fā)現(xiàn)控制煤粉研磨熱風(fēng)中的含塵量是解決燃煤熱值貧化的關(guān)鍵。針對(duì)燃煤熱值大幅度變化時(shí)存在目標(biāo)煤量不能與負(fù)荷完全對(duì)應(yīng)的隱患，利用機(jī)組輔機(jī)故障減負(fù)荷功能動(dòng)作前燃煤的實(shí)時(shí)熱值及時(shí)修正目標(biāo)煤量，大幅度提高了煤耗計(jì)算的準(zhǔn)確性[14]。因此重點(diǎn)研究基于工業(yè)分析與元素分析對(duì)熱值和HGI值的預(yù)測(cè)，建立熱值和HGI值的經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)模型，從而能夠通過工業(yè)分析和元素分析快速了解熱值和可磨性情況。

1 試驗(yàn)部分

對(duì)32種國(guó)產(chǎn)動(dòng)力煤進(jìn)行了采樣，其中部分煤樣為同一產(chǎn)地不同時(shí)期樣品，共有16種不同煤種(含混煤)。對(duì)煤樣進(jìn)行了工業(yè)分析、元素分析、熱值分析、灰熔點(diǎn)和HGI值測(cè)定等。工業(yè)分析依據(jù)GB/T 212—2008《煤的工業(yè)分析方法》規(guī)定，并利用馬弗爐測(cè)量；元素分析依據(jù)GB/T 476—2001《煤的元素分析方法》規(guī)定，并利用元素分析儀(開元5E-CHN2000)測(cè)量；熱值分析依據(jù)GB/T 213—2003《煤的發(fā)熱量測(cè)定方法》規(guī)定，并利用自動(dòng)量熱儀(WELL9000)測(cè)量；煤灰熔融性的測(cè)定依據(jù)GB/T 219—2008《煤灰熔融性的測(cè)定方法》規(guī)定，利用高溫馬弗爐測(cè)量；HGI值測(cè)定依據(jù)GB 2565—2014《煤的可磨性指數(shù)測(cè)定方法》規(guī)定，并利用哈氏可磨性指數(shù)測(cè)定儀測(cè)量。

2 結(jié)果與討論

動(dòng)力煤粉的工業(yè)分析、元素分析結(jié)果如圖1所示。固定碳(FCar)和揮發(fā)份(Var)含量分別為34.8%～49.1%和21.6%～37.2%，均值為40.8%和29.4%；氮(Nar)和硫(Sar)含量分別為0.6%～2.4%和0.3%～1.1%范圍，均值分別為0.9%和0.7%；碳(Car)、氫(Har)、氧(Oar)的平均值分別為57.1%、3.5%、7.9%。灰分含量在7.0%～28.2%，均值為18.6%，灰熔點(diǎn)處于1 120～1 500 ℃，均值為1 302 °C。煤粉相對(duì)生物質(zhì)燃料，具有更低的揮發(fā)份和氧含量，也具有更高的碳氧比和碳?xì)浔萚8]。

圖1 動(dòng)力煤工業(yè)分析與元素分析結(jié)果

2.1 熱值特性

16種動(dòng)力煤粉的低位熱值在18.2～23.8 MJ/kg，均值為21.8 MJ/kg?；诠I(yè)分析與元素分析預(yù)測(cè)熱值的研究較多，最經(jīng)典的是門捷列夫經(jīng)驗(yàn)公式：

LHVar=339Car+1 030Har-
109×(Oar-Sar)-25Mar。

為驗(yàn)證國(guó)產(chǎn)動(dòng)力煤對(duì)門捷列夫熱值公式的適用性，進(jìn)行了計(jì)算值和實(shí)測(cè)值相關(guān)性分析，擬合結(jié)果如圖2所示。

圖2(a)是16種煤粉樣品的擬合，線性斜率為0.92，截距為1.78，同時(shí)相關(guān)系數(shù)R為0.91；從圖2(a)中也可以直觀的發(fā)現(xiàn)有兩個(gè)異常樣品點(diǎn)，如果將其剔除后重新擬合得到圖2(b)。線性斜率為0.97，相關(guān)系數(shù)R為0.991；截距為0.66，標(biāo)準(zhǔn)方差0.25。比較后可知，剔除異常點(diǎn)后，計(jì)算值和實(shí)測(cè)值的相關(guān)性更強(qiáng)，同時(shí)兩者差距(即截距)也縮小。同時(shí)存在截距，說明計(jì)算值普遍高于實(shí)測(cè)值。

圖2 實(shí)測(cè)低位熱值與門捷列夫計(jì)算值的相關(guān)性

為進(jìn)一步降低計(jì)算值和實(shí)測(cè)值之間的差距，可在門捷列夫的基礎(chǔ)上對(duì)剔除異常點(diǎn)后的14個(gè)煤種重新進(jìn)行低位熱值與C、H、O、S、M的多因子建模擬合修正。得到門捷列夫修正經(jīng)驗(yàn)公式：

LHVar=311.3Car+1 694Har-
14.3Oar+239Star+0.3Mar-1 930。

并對(duì)修正經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值繪制擬合圖，如圖3所示。

圖3 門捷列夫修正經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值與實(shí)測(cè)值線性擬合

由圖3可知，計(jì)算值和實(shí)測(cè)值之間線性進(jìn)一步增強(qiáng)，斜率為1.01，進(jìn)一步接近1.0，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.994；并且截距進(jìn)一步降低到-0.16，標(biāo)準(zhǔn)方差降低到0.22，這都說明計(jì)算值和實(shí)測(cè)值之間的誤差減小。

2.2 可磨特性

哈氏可磨性系數(shù)HGI值是評(píng)定研磨煤炭難易程度的重要指標(biāo)。HGI值越大的煤種，越容易被研磨成細(xì)粉，磨煤機(jī)的出力越高。動(dòng)力煤粉樣品的HGI值在48～75，平均值為56，中間值為54。

一般認(rèn)為，煤的可磨性指數(shù)還隨煤的水分和灰分的增加而減小，同一種煤，水分和灰分越高，其可磨性指數(shù)就越低[15]。工業(yè)分析和元素分析以及灰熔點(diǎn)是煤粉基本燃料參數(shù)，同時(shí)認(rèn)為HGI和水分、灰分等特性存在潛在的物理關(guān)系；考慮到HGI測(cè)試過程進(jìn)行了空干，因此對(duì)HGI與內(nèi)水(Mad)、灰分(Aad)、揮發(fā)分(Vad)、灰熔點(diǎn)(ST)的相關(guān)性進(jìn)行了分析。線性擬合的結(jié)果見表1。從表1可知HGI值與多因子的相關(guān)性較弱。

表1 HGI與多因子之間的關(guān)聯(lián)模型

考慮到部分測(cè)試可能存在異常，因此采用剔除2個(gè)離散點(diǎn)后重新進(jìn)行擬合，得到新公式：

HGI=80.5+1.953Mad+0.459Aad-
0.510Vad-0.019 6ST。

從HGI的計(jì)算值和實(shí)測(cè)值的擬合曲線如圖4，得到兩者線性依然較弱，相關(guān)系數(shù)R和斜率分別0.74和0.56，截距和標(biāo)準(zhǔn)方差也分別為24.35和3.47。同時(shí)從新公式中看到HGI值并不隨著水分和灰分的增加或減小。

圖4 剔除異常樣品后的擬合圖

3 結(jié)論

對(duì)32種國(guó)產(chǎn)動(dòng)力煤粉進(jìn)行了工業(yè)分析、元素分析、熱值、灰熔點(diǎn)以及哈氏可磨性指數(shù)的測(cè)量，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了相關(guān)性分析得到：

(1)煤粉相對(duì)生物質(zhì)燃料，具有更低的揮發(fā)分和氧含量，也具有更高的碳氧比和碳?xì)浔?。煤粉的揮發(fā)分和氧含量分別在21.6%～37.2%和4.7%～11.2%的范圍內(nèi)，平均值分別為29.4%和7.9%。

(2)動(dòng)力煤粉收到基低位熱值在18.2～23.8 MJ/kg，平均值為21.8 MJ/kg。低位熱值實(shí)測(cè)值普遍小于門捷列夫經(jīng)驗(yàn)公式。建立的修正經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值和實(shí)測(cè)值相關(guān)系數(shù)(R)達(dá)到0.994，兩者線性擬合斜率達(dá)到1.007，標(biāo)準(zhǔn)方差降低到0.22。

(3)動(dòng)力煤粉樣品的HGI在48～75范圍，平均值為56，中間值為54?；贖GI與Mad、Aad、Vad、ST之間的相關(guān)性分析，提出了HGI的經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)模型，但模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相關(guān)系數(shù)(R)僅為0.74，標(biāo)準(zhǔn)方差為3.47，HGI和工業(yè)分析參數(shù)相關(guān)性較弱。因此HGI的經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)模型還需要進(jìn)一步完善。