國內動力煤熱值及可磨性指數測算模型

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．浙江浙能技術研究院有限公司，浙江 杭州 311121；3．浙江工業大學 機械工程學院，浙江 杭州 310014)

隨著“碳達峰、碳中和”目標的落實，燃電比例將出現下降，但煤電依然是我國電力主要來源。2019年，煤炭占我國一次能源比重為68.6%，煤電占電力總量比重為62.2%[1]。同時提高煤電效率也是“碳達峰、碳中和”的重要路徑之一，因此需繼續開展動力煤特性與發電研究，提高技術水平。工業分析和元素分析以及熱值是動力煤的基本特性參數，煤炭的可磨性指數也是燃煤電廠發電量的關鍵[2]。燃煤電廠5%～10%的發電量用于煤粉的研磨，和煤炭的可磨性直接相關[3]。可磨性是指煤被磨成一定細度的煤粉的難易程度。我國普遍采用哈德格羅夫法測定可磨性指數，也稱為哈氏可磨性指數(HGI)，隨著可磨性系數降低，磨機出力也會降低，消耗功率增大[4]。吳任超等[5]研究發現煤樣粒度級別相同時，密度對HGI值、研磨功耗和磨后產品的粒度分布均有很大的影響。密度級相同時，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，但研磨后產品粒度分布與原煤粒度相關性較小。一般說來，焦煤和肥煤的可磨性指數較高，容易磨細；褐煤的可磨性指數較低，不容易磨細[6]。

由于煤的種類和特性多樣，煤炭可磨性影響因素復雜[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]發現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相關性較小。楊雨濛等[10]研究了不同干燥方法對褐煤可磨性的影響。煤樣在鋼球的反復研磨下表面溫度會升高使得部分水分蒸發，影響可磨性指數測試。灰分含量和組成也會對煤樣研磨產生影響，因為鋼球對煤炭研磨過程分離出的灰分會對其它組分研磨產生影響。張夏等[11]發現煤樣破碎速率隨著灰分的增大而降低。因此認為煤的水分、灰分等特性可能與可磨性指數存在某種關聯。

熱值是電廠燃煤熱量輸入的關鍵，而可磨特性直接影響制粉系統，不僅影響磨煤能耗，同時也是保障煤粉供應的關鍵[12]。張爭峰等[13]研究發現控制煤粉研磨熱風中的含塵量是解決燃煤熱值貧化的關鍵。針對燃煤熱值大幅度變化時存在目標煤量不能與負荷完全對應的隱患，利用機組輔機故障減負荷功能動作前燃煤的實時熱值及時修正目標煤量，大幅度提高了煤耗計算的準確性[14]。因此重點研究基于工業分析與元素分析對熱值和HGI值的預測，建立熱值和HGI值的經驗預測模型，從而能夠通過工業分析和元素分析快速了解熱值和可磨性情況。

1 試驗部分

對32種國產動力煤進行了采樣，其中部分煤樣為同一產地不同時期樣品，共有16種不同煤種(含混煤)。對煤樣進行了工業分析、元素分析、熱值分析、灰熔點和HGI值測定等。工業分析依據GB/T 212—2008《煤的工業分析方法》規定，并利用馬弗爐測量；元素分析依據GB/T 476—2001《煤的元素分析方法》規定，并利用元素分析儀(開元5E-CHN2000)測量；熱值分析依據GB/T 213—2003《煤的發熱量測定方法》規定，并利用自動量熱儀(WELL9000)測量；煤灰熔融性的測定依據GB/T 219—2008《煤灰熔融性的測定方法》規定，利用高溫馬弗爐測量；HGI值測定依據GB 2565—2014《煤的可磨性指數測定方法》規定，并利用哈氏可磨性指數測定儀測量。

2 結果與討論

動力煤粉的工業分析、元素分析結果如圖1所示。固定碳(FCar)和揮發份(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%，灰熔點處于1 120～1 500 ℃，均值為1 302 °C。煤粉相對生物質燃料，具有更低的揮發份和氧含量，也具有更高的碳氧比和碳氫比[8]。

圖1 動力煤工業分析與元素分析結果

2.1 熱值特性

16種動力煤粉的低位熱值在18.2～23.8 MJ/kg，均值為21.8 MJ/kg。基于工業分析與元素分析預測熱值的研究較多，最經典的是門捷列夫經驗公式：

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

為驗證國產動力煤對門捷列夫熱值公式的適用性，進行了計算值和實測值相關性分析，擬合結果如圖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，同時相關系數R為0.91；從圖2(a)中也可以直觀的發現有兩個異常樣品點，如果將其剔除后重新擬合得到圖2(b)。線性斜率為0.97，相關系數R為0.991；截距為0.66，標準方差0.25。比較后可知，剔除異常點后，計算值和實測值的相關性更強，同時兩者差距(即截距)也縮小。同時存在截距，說明計算值普遍高于實測值。

圖2 實測低位熱值與門捷列夫計算值的相關性

為進一步降低計算值和實測值之間的差距，可在門捷列夫的基礎上對剔除異常點后的14個煤種重新進行低位熱值與C、H、O、S、M的多因子建模擬合修正。得到門捷列夫修正經驗公式：

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

并對修正經驗公式的計算值與實測值繪制擬合圖，如圖3所示。

圖3 門捷列夫修正經驗公式計算值與實測值線性擬合

由圖3可知，計算值和實測值之間線性進一步增強，斜率為1.01，進一步接近1.0，相關系數達到0.994；并且截距進一步降低到-0.16，標準方差降低到0.22，這都說明計算值和實測值之間的誤差減小。

2.2 可磨特性

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

一般認為，煤的可磨性指數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，其可磨性指數就越低[15]。工業分析和元素分析以及灰熔點是煤粉基本燃料參數，同時認為HGI和水分、灰分等特性存在潛在的物理關系；考慮到HGI測試過程進行了空干，因此對HGI與內水(Mad)、灰分(Aad)、揮發分(Vad)、灰熔點(ST)的相關性進行了分析。線性擬合的結果見表1。從表1可知HGI值與多因子的相關性較弱。

表1 HGI與多因子之間的關聯模型

考慮到部分測試可能存在異常，因此采用剔除2個離散點后重新進行擬合，得到新公式：

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

從HGI的計算值和實測值的擬合曲線如圖4，得到兩者線性依然較弱，相關系數R和斜率分別0.74和0.56，截距和標準方差也分別為24.35和3.47。同時從新公式中看到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 結論

對32種國產動力煤粉進行了工業分析、元素分析、熱值、灰熔點以及哈氏可磨性指數的測量，并對數據進行了相關性分析得到：

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

(2)動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。低位熱值實測值普遍小于門捷列夫經驗公式。建立的修正經驗公式計算值和實測值相關系數(R)達到0.994，兩者線性擬合斜率達到1.007，標準方差降低到0.22。

(3)動力煤粉樣品的HGI在48～75范圍，平均值為56，中間值為54。基于HGI與Mad、Aad、Vad、ST之間的相關性分析，提出了HGI的經驗預測模型，但模型計算值與實測值相關系數(R)僅為0.74，標準方差為3.47，HGI和工業分析參數相關性較弱。因此HGI的經驗預測模型還需要進一步完善。