動力用煤的各粒級原料煤及選煤產品密度與灰分關系研究

梁 遼，劉 濤，高 美，吳大為

(1.北京國華科技集團有限公司，北京 101300；2.唐山國華科技國際工程有限公司，河北 唐山 063020)

在選煤廠工程設計中，受煤、貯煤、卸煤、輸煤設備和設施能力的確定，都需要以煤炭松散密度(堆密度)作為基礎數據；而此數據源于煤炭生產數據，尤其是動力煤選煤廠，要生產多粒級不同質量的產品，方能得到其密度數據。

煤炭的密度與煤巖類型、煤化程度及煤中礦物質成分和含量密切相關[1-2]。原料煤的密度與灰分具有正相關關系[3-4]，但有關各粒級煤炭產品是否也遵循上述規律，經文獻檢索，有關這方面的研究較少。筆者借助于選煤廠重力選煤設備單機檢測資料，探討各粒級選煤產品的密度與灰分的關系。

1 原始資料

在淮南礦業集團謝橋礦選煤廠的《大直徑無壓給料三產品重介質旋流器在動力煤選煤廠的應用研究》[5-6]科研報告中，提供了該廠所使用的3GHMC1400/1000AP型重介質旋流器單機檢測的原料煤、精煤、中煤和矸石各5個粒級的密度組成數據[7-8]，這些資料不但是嚴格按照GB/T 15715—2014《煤用重選設備工藝性能評定方法》[9]進行的，而且還在以下方面提高了分析研究的精確程度。

(1)對原料煤及選煤產品不是通過通常的7個密度級[10]進行浮沉試驗，而是分為9個密度級。

(2)1.60～1.90 kg/L密度級之間，以窄密度級0.05 kg/L來劃分區間，而不是常規的以寬密度級0.10 kg/L來劃分區間[11]。

(3)采用專門的無機重液，把浮沉試驗的最高密度級由2.00 kg/L提高到2.10 kg/L。

(4)按GB/T 15715—2014《煤用重選設備工藝性能評定方法》要求進行重介質旋流器單機檢測，檢驗結果均方差為0.45，小于臨界值1.40，故引用的資料有效、可信，也表明選煤設備中原料煤的各密度級物料有規律地分配到選煤產品中。各粒級原料煤及選煤產品的密度與灰分關系見表1。

表1 各粒級原料煤及選煤產品的密度與灰分關系

從表1可以看出：①各粒級的選煤產品和原料煤一樣，灰分隨著密度的增高而增高；②無論是各粒級的選煤產品還是原料煤，同一密度級的灰分是比較接近的，灰分高低的波動是隨機的，這種隨機性是因煤炭本身就是散狀不均質可燃固體礦物，在選煤設備單機檢測的采樣、篩分、浮沉試驗、制樣和化驗的全過程中隨機誤差也不可避免；③由于重介質旋流器分選精度高，在精煤和中煤的50～25、25～13 mm粒級中>1.80 kg/L密度級產率極少，甚至為零。在矸石的50～25、25～13 mm粒級中<1.80 kg/L密度級產率也極少，幾乎為零。這些數量極少的試樣所得到的化驗結果可能出現較大的誤差。

2 各粒級原料煤和選煤產品的密度與灰分關系

在煤炭行業，一般將煤炭中的1.80 kg/L密度作為分界點。<1.80 kg/L密度級視為煤，以可燃體為主要成分；>1.80 kg/L密度級視為矸石，以非可燃體為主要成分。兩者的密度與灰分的關系可能有所區別，為此首先將各粒級原料煤和產品分別按<1.80 kg/L密度級和>1.80 kg/L密度級來探討它們之間的密度和灰分的關系[12-13]。

根據表1所列原始數據，將原料煤中的50～25 mm粒級的1.60～1.80 kg/L密度級的平均密度與灰分之間的關系進行推導，結果見表2。

表2 50～25 mm粒級原料煤中1.60～1.80 kg/L密度級的密度與灰分相關關系

δ=1.186+0.011 9A，

(1)

式中：δ為平均密度，kg/L；A為灰分，%。

由式(1)可知，當煤炭灰分每增高10個百分點時，它的密度相應提高0.12 kg/L。式(1)也可以寫為：

A=84.03δ-99.66，

(2)

從式(2)得出：煤炭密度每增高0.01 kg/L時，其灰分相應提高0.84個百分點。

相關系數為

(3)

在自由度φ=4-2=2，查表取α=0.01時，γ0.01=0.990[14]，由式(3)中γ=0.998，即γ>γ0.01，說明密度在1.60～1.80 kg/L范圍內的50～25 mm粒級原料煤中密度與灰分之間存在良好的正相關關系，在α=0.01的水平上是顯著的，所獲得回歸方程有99%的可靠性[12]。

用同樣的步驟推導了各粒級原料煤和選煤產品的<1.80 kg/L和>1.80 kg/L密度級的密度與灰分的回歸方程(表3)。

表3 各粒級煤炭的回歸方程

從理論上講，應該建立起<1.80 kg/L密度級和>1.80 kg/L密度級各20個回歸方程。但實際情況是重介質旋流器分選精度高，50～25 mm粒級精煤中不存在>1.65 kg/L密度級產物；50～25 mm和25～13 mm粒級中2.00～2.10 kg/L密度級煤的產率為零或接近于零；50～25 mm和25～13 mm粒級中<1.80 kg/L密度級的矸石產率為零，所以只建立了<1.80 kg/L和>1.80 kg/L密度級各17個回歸方程。

上述回歸方程可靠性較高，除一個為90%外，其余都在95%以上，有的甚至達到99.9%。說明各粒級選煤產品與原料煤一樣，存在密度與灰分良好的正相關關系。

將50～25 mm粒級原料煤中1.60～1.80 kg/L的煤炭和1.80～2.10 kg/L的矸石兩條回歸方程線繪于圖1。從圖1中可看出，<1.80 kg/L密度級的回歸線截距略大些，斜率稍小些。它們是延長相交的斜直線，其交點可由作圖法確定，或由二者的回歸方程求得。

圖1 50～25 mm粒級原料煤中煤炭和矸石的密度與灰分的回歸方程線

1.60～1.80 kg/L密度級的回歸方程為δ1=1.186+0.012A1，1.80～2.10 kg/L密度級的回歸方程為δ2=0.989+0.016A2，在坐標系中，滿足交點的條件是δ1=δ2，A1=A2，則1.186+0.012A=0.989+0.016A，可得δ=1.78 kg/L，A=49.25%。而且每個粒級煤炭的兩條回歸方程線都存在這一現象，即<1.80 kg/L密度級的截距比>1.80 kg/L密度級的截距稍大些。而斜率則相反，<1.80 kg/L密度級比>1.80 kg/L密度級的略小，因此兩條回歸線均有交點。

<1.80 kg/L密度級的各粒級原料煤和選煤產品回歸方程線的截距平均值為1.201，斜率平均值為0.012，且數據較為集中；>1.80 kg/L密度級的各粒級原料煤和選煤產品回歸方程線的截距平均值為1.029，斜率平均值為0.016，但數據的集中程度比前者差一些，這可能是>1.80 kg/L密度級灰分高所造成的。

3 50～0.5 mm綜合粒級原料煤和選煤產品的密度與灰分關系

3.1 50～0.5 mm綜合粒級中<1.80 kg/L密度級和>1.80 kg/L密度級的密度與灰分關系

從表3中發現，無論是原料煤還是選煤產品，在各自粒級的<1.80 kg/L和>1.80 kg/L密度級回歸方程中，截距a值和斜率b值彼此是極接近的，它們的差別多數為小數點后第三位。

鑒于此情況，筆者又引用該廠的單機檢查資料中50～0.5 mm綜合粒級原料煤和選煤產品密度組成數據(表4)推導出相應的回歸方程(表5)。此處的50～0.5 mm綜合粒級灰分，不是各粒級灰分的算術平均值，而是根據各粒級的產率，用加權平均方法計算出來的灰分值[15]。

表4 50～0.5 mm各粒級密度與灰分關系對照

表5 50～0.5 mm綜合粒級的回歸方程

將50～0.5 mm綜合粒級原料煤和選煤產品各自的1.60～1.80 kg/L密度級煤炭和1.80～2.10 kg/L密度級矸石兩條回歸方程線分別繪于圖2—圖5。

圖2 50～0.5 mm綜合粒級原料煤中煤炭和矸石的密度與灰分回歸方程線

圖3 50～0.5 mm綜合粒級精煤中煤炭和矸石的密度與灰分回歸方程線

圖4 50～0.5 mm綜合粒級中煤中煤炭和矸石的密度與灰分回歸方程線

圖5 50～0.5 mm綜合粒級矸石中煤炭和矸石的密度與灰分回歸方程線

從圖2—圖5可以看出：①它們的回歸方程線均有交點，<1.80 kg/L密度級的截距比>1.80 kg/L密度級稍大，而<1.80 kg/L密度級的斜率比后者稍小；②原料煤的兩條回歸直線十分貼近，而選煤產品要差一些，這是因為在精煤、中煤中>1.80 kg/L密度級的產率極少，矸石中<1.80 kg/L密度級的產率也極少。

3.2 50～0.5 mm綜合粒級中1.60～2.10 kg/L的密度與灰分關系

鑒于50～0.5 mm綜合粒級原料煤和選煤產品的<1.80 kg/L及>1.80 kg/L兩條回歸方程線十分貼近，并有交叉的現象，將它們合并為1.60～2.10 kg/L密度級，推導出相應的回歸方程(表5)，并將它們繪于圖6。

圖6 50～0.5 mm綜合粒級原料煤和選煤產品的1.60～2.10 kg/L密度的回歸線方程Fig.6 The density-ash regression lines of the 1.60-2.10 density fractions in 50-0.5 mm composite size fractions of raw coal feed

從圖6中可看出，原料煤、精煤和矸石三條斜直線有良好的重合趨勢，中煤卻偏離一點。雖然存在微小差異，但從實用性角度出發，可以用50～0.5 mm綜合粒級原料煤回歸方程代替精煤、矸石的回歸方程。而用于預測中煤密度，誤差還需進一步探討。

4 50～0.5 mm綜合粒級原料煤的密度與灰分回歸方程適用性核算

若能證實50～0.5 mm綜合粒級原料煤的密度與灰分回歸方程δ=1.121+0.013 7A能適應于各粒級的中煤產品，那么精煤、矸石的應用就不成問題。

為了核算按原料煤回歸方程計算的結果與表1所列中煤綜合粒級的各粒級平均密度級之間存在多少差異，將成對數據用數理統計t值檢測法來核算。表6列出了50～0.5 mm綜合粒級中煤各平均密度與原料煤回歸方程計算密度差值的t值檢驗結果。

表6 50～0.5mm綜合粒級中煤各平均密度與原料煤回歸方程計算密度的t值檢驗表

查t分布表，當自由度φ=8-1=7時，t0.05=1.895，而t

按以上步驟，對各粒級中煤進行了t值檢驗，檢驗結果匯總于表7。從表7的數據可知，兩者對比無顯著性差異，最大相對差為3.13%。因此，50～0.5 mm綜合粒級原料煤的密度與灰分回歸方程是具有適用性的。

表7 各粒級中煤t值檢驗匯總表Table 7 A summary of the results of the t-test made on middlings of various size fractions

5 結語

借用重介質旋流器單機檢查結果，采集原料煤與選煤產品相關的150余個原始數據，推導了多類可靠性良好的煤炭密度與灰分相關的回歸方程48個，對線性回歸方程的截距a值、斜率b值進行相互比較，發現它們之間差值小，彼此接近；經數理統計t檢驗法得出結論，可用50～0.5 mm綜合粒級原料煤的密度與灰分回歸方程來預先測定各粒級煤炭產品的密度。

在選煤廠投產之前，各粒級選煤產品的具體密度是多少，是無法知曉的，但可借助選煤工程設計必需的煤質資料——原料煤密度組成，建立密度與灰分正相關回歸方程，從而可解決這個難題。但本文研究所得出的結論是基于淮南礦業集團謝橋煤礦的原煤性質,是否適用于所有礦井的原煤,有待于更多的研究予以證實。

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