動(dòng)力煤彈筒發(fā)熱量快速檢測(cè)方法

蔣 涵 元

(神華國(guó)能(神東電力)集團(tuán)公司 上榆泉煤礦，山西 河曲 036500)

0 引 言

上榆泉煤礦洗選中心是上榆泉煤礦配套的選煤廠，設(shè)計(jì)處理能力8.0 Mt/a，采用塊煤動(dòng)篩跳汰、末煤有壓兩產(chǎn)品重介旋流器、粗煤泥螺旋分選、煤泥壓濾回收的生產(chǎn)工藝，原煤全入選[1]，僅出一種商品煤，所有產(chǎn)品匯集到精煤上倉(cāng)皮帶，并最終進(jìn)入產(chǎn)品倉(cāng)。商品煤為單一用戶河曲發(fā)電公司，要求發(fā)熱量為17.58、18.84和20.10 MJ/kg。上榆泉煤礦原煤煤質(zhì)較差，以2017年為例，原煤發(fā)熱量平均為13 MJ/kg，無(wú)法滿足電廠用煤要求。為穩(wěn)定商品煤煤質(zhì)，煤炭行業(yè)一般采用煉焦煤選煤廠常用的灰分快速檢測(cè)，俗稱“快灰”。但由于動(dòng)力煤的關(guān)鍵經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為發(fā)熱量，不同于煉焦煤的灰分，灰分與發(fā)熱量之間并非嚴(yán)格的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，加之灰分化驗(yàn)周期較長(zhǎng)，因此灰分快速檢測(cè)對(duì)于動(dòng)力煤選煤廠存在結(jié)果滯后、指導(dǎo)性不強(qiáng)等缺點(diǎn)。

目前，動(dòng)力煤煤質(zhì)快速檢測(cè)研究多集中在建立數(shù)學(xué)模型方面，即將參數(shù)代入數(shù)學(xué)模型通過(guò)程序計(jì)算得到發(fā)熱量，但由于不同礦區(qū)煤層、煤種煤質(zhì)差別較大，利用數(shù)字分析得出的回歸公式適用性不強(qiáng)，不同選煤廠產(chǎn)品具有很大局限性[2]。喬改瑞等[3]以寧東煤化工紅柳礦煤層煤質(zhì)數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，得出紅柳礦煤發(fā)熱量與工業(yè)分析的數(shù)學(xué)模型，模型能準(zhǔn)確反應(yīng)發(fā)熱量Qgr,d與灰分Aad之間的變化規(guī)律，但該規(guī)律僅對(duì)特定煤層煤質(zhì)具有指導(dǎo)意義，且須提前獲得準(zhǔn)確的灰分值。王振龍等[4]利用在線煤質(zhì)分析儀對(duì)動(dòng)力煤選煤廠產(chǎn)品煤發(fā)熱量進(jìn)行在線檢測(cè)，但該方法需不斷與實(shí)際化驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，及時(shí)調(diào)整發(fā)熱量與水分、灰分之間的數(shù)學(xué)模型，且預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)際化驗(yàn)結(jié)果出入較大。王宏偉等[5]基于配煤入選時(shí)發(fā)熱量可加性原則，建立了配煤入選時(shí)的發(fā)熱量預(yù)測(cè)模型，應(yīng)用于伊泰準(zhǔn)格爾召選煤廠產(chǎn)品發(fā)熱量預(yù)測(cè)，取得了較好效果，但該方法需提前準(zhǔn)確檢測(cè)原煤煤質(zhì)指標(biāo)，且在原煤、生產(chǎn)參數(shù)等指標(biāo)均不變的情況下方可行。因此，適合動(dòng)力煤選煤廠特點(diǎn)的煤質(zhì)快速檢測(cè)方法比較少，且準(zhǔn)確性、可靠性不強(qiáng)，鑒于此，本文結(jié)合上榆泉煤礦洗選中心煤質(zhì)化驗(yàn)中實(shí)際存在的問(wèn)題，提出了適用于動(dòng)力煤選煤廠的彈筒發(fā)熱量快速檢測(cè)，用來(lái)指導(dǎo)動(dòng)力煤選煤廠生產(chǎn)，從而提高經(jīng)濟(jì)效益。

1 存在問(wèn)題及解決措施

上榆泉煤礦化驗(yàn)室從采樣到煤質(zhì)化驗(yàn)需要3 d，滯后嚴(yán)重，煤質(zhì)指標(biāo)管控基本處于失控狀態(tài)，無(wú)法及時(shí)準(zhǔn)確反饋生產(chǎn)過(guò)程中商品煤的煤質(zhì)變化，商品煤合格率僅為40%～80%。2017年，上榆泉煤礦洗選中心根據(jù)化驗(yàn)室實(shí)際情況，配齊和修復(fù)了快水儀、定硫儀、馬弗爐、粉碎機(jī)、電熱板、自動(dòng)采樣機(jī)等設(shè)備，增加末矸石、末精煤、煤泥、螺旋精煤、螺旋矸石等中間產(chǎn)品檢測(cè)，掌握各生產(chǎn)環(huán)節(jié)實(shí)際情況，采制化員工三班倒，采制樣、化驗(yàn)一次性完成，提高了化驗(yàn)結(jié)果的時(shí)效性，為生產(chǎn)調(diào)整提供了及時(shí)、可靠的依據(jù)。

上榆泉煤礦洗選中心先后采取了精煤膠帶機(jī)人工取樣灰分快速檢測(cè)、火車商品煤灰分快速檢測(cè)、火車商品煤彈筒發(fā)熱量快速檢測(cè)、精煤膠帶機(jī)自動(dòng)取樣彈筒發(fā)熱量快速檢測(cè)等措施，并最終確定采用精煤膠帶機(jī)自動(dòng)取樣彈筒發(fā)熱量快速檢測(cè)。經(jīng)調(diào)試，彈筒發(fā)熱量快速檢測(cè)能夠提供及時(shí)、可靠的化驗(yàn)數(shù)據(jù)，商品煤煤質(zhì)指標(biāo)測(cè)量穩(wěn)定。

2 灰分快速檢測(cè)方法

上榆泉煤礦洗選中心灰分快速檢測(cè)采取2項(xiàng)方案:方案1是在精煤膠帶機(jī)機(jī)頭用采樣鏟接取煤樣后進(jìn)行灰分快速檢測(cè);方案2是使用人工采取的火車煤樣進(jìn)行灰分快速檢測(cè)。

2.1 精煤膠帶人工取樣灰分快速檢測(cè)

方案1主要考慮精煤膠帶機(jī)更接近生產(chǎn)系統(tǒng)，能及時(shí)反映商品煤煤質(zhì)變化。但實(shí)施過(guò)程中發(fā)現(xiàn)人工采取的精煤皮帶煤樣灰分化驗(yàn)結(jié)果與商品煤實(shí)際灰分相差很大(表1)。

表1商品煤灰分與皮帶煤樣快速檢測(cè)灰分對(duì)比
Table1Comparisonofcommercialashandrapiddetectionashforbeltcoalsamples

化驗(yàn)日期商品煤灰分/%皮帶樣灰分/%絕對(duì)誤差/%相對(duì)誤差/%2017-02-1522.2419.82-2.42-10.882017-02-1624.9521.40-3.55-14.232017-02-1721.5521.21-0.34-1.582017-02-1822.5320.04-2.49-11.052017-02-1925.6720.98-4.69-18.272017-02-2023.4721.63-1.84-7.842017-02-2128.7522.55-6.20-21.572017-02-2325.6121.38-4.23-16.522017-02-2425.4522.63-2.82-11.082017-02-2525.6622.41-3.25-12.672017-02-2723.4523.41-0.04-0.17

由表1可知，商品煤實(shí)際灰分與人工采取的精煤皮帶樣灰分相對(duì)誤差最高達(dá)到-21.57%，最低為-0.17%，平均為-11.44%。其原因首先是人工采樣的子樣數(shù)不足，根據(jù)GB 475—2008《商品煤人工采取方法》，膠帶機(jī)機(jī)頭采樣屬煤流中采樣，而精煤煤流中每個(gè)基本采樣單元每小時(shí)采子樣數(shù)不少于15個(gè)(標(biāo)稱粒度為50 mm)，但人工采樣子樣數(shù)難以達(dá)到；其次是難以截取煤流斷面，采樣鏟僅采取了煤流截面的一小部分；最后子樣不能充滿采樣器或從采樣器中溢出，而采樣鏟采樣瞬間基本采滿，精煤中稍大煤塊采滿后滾落，粒度小的則停留在采樣鏟上，上榆泉煤礦洗選中心末精煤發(fā)熱量高，導(dǎo)致膠帶機(jī)機(jī)頭人工采樣快速檢測(cè)灰分低于商品煤實(shí)際灰分[6]。因此方案1不可行。

2.2 火車商品煤灰分快速檢測(cè)

方案2采用火車商品煤灰分快速檢測(cè)。上榆泉煤礦化驗(yàn)室在每列火車采取商品煤煤樣后制成綜合樣進(jìn)行分析化驗(yàn)，時(shí)效性差。火車商品煤灰分快速檢測(cè)要對(duì)每列火車采取的煤樣制成分析樣化驗(yàn)灰分，化驗(yàn)結(jié)果與商品煤實(shí)際灰分相近，但由于灰分與動(dòng)力煤煤質(zhì)評(píng)價(jià)關(guān)鍵指標(biāo)發(fā)熱量之間并非一一對(duì)應(yīng)的線性關(guān)系[7-8]，使得灰分無(wú)法直觀指導(dǎo)生產(chǎn)。主要原因是發(fā)熱量指標(biāo)除受灰分影響外，受水分影響也比較大，而水分、灰分、發(fā)熱量多元回歸線性公式的預(yù)測(cè)性并不理想[9-10]。此外，灰分快速檢測(cè)還存在化驗(yàn)周期偏長(zhǎng)、時(shí)效性較差等缺點(diǎn)，仍不能及時(shí)有效指導(dǎo)動(dòng)力煤選煤廠生產(chǎn)參數(shù)的調(diào)整。

3 彈筒發(fā)熱量快速檢測(cè)方法

3.1 實(shí)施方案

鑒于灰分快速檢測(cè)時(shí)效性差，無(wú)法直觀準(zhǔn)確指導(dǎo)煤質(zhì)調(diào)整，上榆泉煤礦洗選中心提出了商品煤彈筒發(fā)熱量快速檢測(cè)設(shè)想，根據(jù)商品煤彈筒發(fā)熱量檢測(cè)結(jié)果指導(dǎo)生產(chǎn)參數(shù)調(diào)整，穩(wěn)定了商品煤煤質(zhì)指標(biāo)。針對(duì)商品煤彈筒發(fā)熱量快速檢測(cè)，洗選中心采取了2項(xiàng)方案，分別是對(duì)每列火車煤進(jìn)行彈筒發(fā)熱量快速檢測(cè)(方案3)，引進(jìn)安裝膠帶機(jī)自動(dòng)采樣機(jī)對(duì)精煤皮帶煤樣進(jìn)行彈筒發(fā)熱量快速檢測(cè)(方案4)。

3.2 水分快速檢測(cè)

商品煤彈筒發(fā)熱量快速檢測(cè)離不開(kāi)水分檢測(cè)和彈筒發(fā)熱量化驗(yàn)結(jié)果的換算。水分檢測(cè)按照GB/T 212—2008《煤的工業(yè)分析方法》[11]以及GB/T 211—2007《煤中全水分的測(cè)定方法》[12]執(zhí)行，全水分和分析水檢測(cè)時(shí)間至少要3 h，時(shí)效性較差，為此上榆泉煤礦洗選中心專門購(gòu)置了用于水分快速檢測(cè)的MB23型紅外水分測(cè)定儀，并對(duì)水分快速檢測(cè)結(jié)果與正常水分化驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2商品煤水分與快速檢測(cè)水分對(duì)比
Table2Comparisonofcommercialcoalmoistureandrapiddetectionmoisture

化驗(yàn)日期化驗(yàn)水分/%快速檢測(cè)水分/%絕對(duì)誤差/%相對(duì)誤差/%2017-12-028.48.4002017-12-039.29.60.44.352017-12-049.39.50.22.152017-12-059.49.2-0.2-2.132017-12-069.49.4002017-12-079.19.40.33.302017-12-089.49.2-0.2-2.132017-12-099.49.2-0.2-2.132017-12-109.59.2-0.3-3.162017-12-1110.79.4-1.3-12.15

為快速檢測(cè)全水分及分析水，將快水儀工作溫度設(shè)定為150 ℃，煤樣質(zhì)量損失低于0.01%/min時(shí)自動(dòng)停止檢測(cè)。由表2可知，在隨機(jī)截取的10 d，快速檢測(cè)水分與正常化驗(yàn)水分接近，相對(duì)誤差、絕對(duì)誤差的平均值僅為-1.19%和-0.1%。而2017年12月2者相對(duì)誤差、絕對(duì)誤差平均值分別為0.31%和0。快速檢測(cè)精度要求不高，因此使用快水儀進(jìn)行水分快速檢測(cè)可行。

2017年12月快速檢測(cè)水分與正常化驗(yàn)水分對(duì)比如圖1所示。

圖1 2017年12月快速檢測(cè)水分與正常化驗(yàn)水分對(duì)比Fig.1 Comparison of rapid detection moisture and normal detected moisture in December 2017

3.3 實(shí)施效果

3.3.1 火車商品煤彈筒發(fā)熱量快速檢測(cè)

因前期上榆泉煤礦洗選中心無(wú)精煤膠帶機(jī)自動(dòng)采樣設(shè)備，且膠帶機(jī)機(jī)頭人工煤流中采樣不具有代表性，因此上榆泉煤礦洗選中心首先將火車商品煤灰分快速檢測(cè)改為彈筒發(fā)熱量快速檢測(cè)。將采取的火車煤樣一分為二，一份作為全水分樣使用快水儀進(jìn)行全水化驗(yàn)，另一份通過(guò)電熱板干燥后制取分析樣進(jìn)行分析水化驗(yàn)，使用量熱儀進(jìn)行彈筒發(fā)熱量檢測(cè)，因單一煤層硫分和氫值[13-14]等變化不大，且對(duì)發(fā)熱量影響較小，則不再單獨(dú)化驗(yàn)，僅使用經(jīng)驗(yàn)值。根據(jù)彈筒發(fā)熱量檢測(cè)結(jié)果，結(jié)合全水分、分析水以及其他經(jīng)驗(yàn)值可得低位發(fā)熱量，供生產(chǎn)車間調(diào)整生產(chǎn)參數(shù)。發(fā)熱量換算公式如下:

Qgr,ad=Qb,ad-95Sb,ad-aQb,ad(1)

Qnet,ar=(Qgr,ad-206Had)(100-Mt)/

(100-Mad)-23Mt(2)

式中，Qgr,ad為分析煤樣的高位發(fā)熱量，MJ/kg；Qb,ad為分析煤樣的彈筒發(fā)熱量，MJ/kg；Sb,ad為由彈筒洗液測(cè)得的煤硫含量(Qb,ad>16.70 MJ/kg或12.50 MJ/kg

采用該方案后，化驗(yàn)周期從原來(lái)的1 h降至15 min左右，化驗(yàn)時(shí)間大幅縮短，方便選煤廠生產(chǎn)參數(shù)調(diào)整。但由于是火車商品煤樣，而精煤倉(cāng)有1.5萬(wàn)t的倉(cāng)儲(chǔ)能力，生產(chǎn)參數(shù)調(diào)整仍然相對(duì)滯后，時(shí)效性僅由3 d減至1 d，無(wú)法及時(shí)反映煤質(zhì)的實(shí)時(shí)變化。

3.3.2 精煤膠帶自動(dòng)采樣彈筒發(fā)熱量快速檢測(cè)

西山煤電晉興能源公司斜溝煤礦選煤廠在原煤入選、精煤、裝車等膠帶機(jī)上全部裝有自動(dòng)采制樣設(shè)備，實(shí)現(xiàn)在線采樣、采制一體、棄樣返回等功能，使用效果理想。2017年10月，參照斜溝煤礦選煤廠自動(dòng)采樣機(jī)采購(gòu)的膠帶機(jī)自動(dòng)采制樣設(shè)備安裝完成，每隔150 s自動(dòng)采制樣設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)一次，每小時(shí)采樣24次(國(guó)標(biāo)要求為16次[15])，每次均采取精煤膠帶機(jī)全斷面樣并自動(dòng)實(shí)現(xiàn)制樣、縮分、棄樣返還。對(duì)于采取的煤樣，按照3.3.1節(jié)所述方法每2 h進(jìn)行一次彈筒發(fā)熱量快速檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了精煤煤質(zhì)指標(biāo)及時(shí)、準(zhǔn)確檢測(cè)，為生產(chǎn)參數(shù)調(diào)整提供了可靠依據(jù)。精煤膠帶自動(dòng)采樣彈筒發(fā)熱量快速檢測(cè)數(shù)據(jù)與正常化驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表3，2018年1月快速檢測(cè)發(fā)熱量與正常化驗(yàn)發(fā)熱量對(duì)比如圖2所示。

表3精煤膠帶自動(dòng)采樣彈筒發(fā)熱量快速檢測(cè)數(shù)據(jù)與正常化驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比
Table3Comparisonofrapiddetectionofbombcalorificvaluebyautomaticsamplingofcorrugatedcoalbeltmachineandnormaldetecteddata

日期水分/%正常化驗(yàn)快速檢測(cè)Qb,ad/(MJ·kg-1)正常化驗(yàn)快速檢測(cè)Qnet,ar/(MJ·kg-1)正常化驗(yàn)快速檢測(cè)絕對(duì)誤差/(MJ·kg-1)相對(duì)誤差/%2018-01-149.09.720.8421.5119.3619.28-0.08-0.412018-01-159.09.121.5321.5919.4419.500.060.312018-01-169.49.021.5321.2819.4919.23-0.26-1.332018-01-178.69.421.6421.3919.5719.27-0.30-1.532018-01-188.39.021.1221.1519.3419.08-0.26-1.342018-01-198.98.320.6820.6718.8218.82002018-01-208.88.620.1020.5718.7818.63-0.15-0.802018-01-218.98.821.1820.8219.0918.85-0.24-1.262018-01-229.38.821.5021.4119.5419.40-0.14-0.722018-01-239.39.121.4521.2219.0319.160.130.68

圖2 2018年1月快速檢測(cè)發(fā)熱量與正常化驗(yàn)發(fā)熱量對(duì)比Fig.2 Comparison of rapid detection calorific value and normal detected calorific value in January 2018

由表3可知，正常化驗(yàn)發(fā)熱量與彈筒快速檢測(cè)發(fā)熱量絕對(duì)誤差平均值僅為-0.12 MJ/kg，相對(duì)誤差平均值僅為-0.64%，2018年1月絕對(duì)誤差平均值為0.27 MJ/kg、相對(duì)誤差平均值為0.05%。通過(guò)圖2可以看出，2018年1月全月彈筒發(fā)熱量快速檢測(cè)數(shù)據(jù)與正常化驗(yàn)數(shù)據(jù)極為接近。考慮到彈筒發(fā)熱量快速檢測(cè)的目的是為了指導(dǎo)生產(chǎn)而非結(jié)算用，因此其指導(dǎo)生產(chǎn)能夠滿足要求。采用精煤膠帶自動(dòng)采樣機(jī)煤樣進(jìn)行彈筒發(fā)熱量快速檢測(cè)后，化驗(yàn)周期由灰分快速檢測(cè)的1 h減至15 min，時(shí)效性也由最初的3 d減至2.75 h(制樣周期2 h，制樣30 min，化驗(yàn)15 min)，增強(qiáng)了化驗(yàn)結(jié)果對(duì)于生產(chǎn)的指導(dǎo)性。

4 結(jié) 語(yǔ)

采用商品煤彈筒發(fā)熱量快速檢測(cè)，化驗(yàn)周期從灰分快速檢測(cè)的1 h降至15 min左右。精煤膠帶自動(dòng)采樣并結(jié)合彈筒發(fā)熱量快速檢測(cè)，煤質(zhì)化驗(yàn)時(shí)效性由原來(lái)的3 d減至2.75 h，便于及時(shí)掌握煤質(zhì)指標(biāo)變化情況。精煤膠帶機(jī)自動(dòng)采樣彈筒發(fā)熱量快速檢測(cè)值與正常化驗(yàn)發(fā)熱量的絕對(duì)誤差平均值僅為-0.12 MJ/kg，相對(duì)誤差平均值僅為-0.64%，說(shuō)明在縮短化驗(yàn)周期、增加煤質(zhì)化驗(yàn)時(shí)效性的同時(shí)，該快速檢測(cè)方法完全滿足動(dòng)力煤選煤廠指導(dǎo)生產(chǎn)參數(shù)調(diào)整的目的。

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