配煤比例對混煤可磨性及磨損性影響的試驗研究

李雄飛， 鄢曉忠， 陳文， 蔣伯華， 譚志鵬

(1.湖南省湘電試驗研究院有限公司，湖南長沙410004；2.長沙理工大學，湖南長沙410114；3.國網湖南省電力有限公司電力科學研究院，湖南長沙410007；4.高效清潔火力發電技術湖南省重點實驗室，湖南長沙410007)

0 引言

隨著國家經濟的騰飛,工業對于煤炭的需求量激增。權威機構研究表明,到2030年,化石能源在中外一次能源中占比為80%,其中煤炭在我國一次能源結構中的占比將降至50%左右,但仍處于主導地位,燃煤電站作為用煤大戶,其用煤量約占全國煤炭消耗量的一半[1-3]。雖然我國擁有豐富的煤炭資源,但分布范圍較廣,加之運輸和煤種品質的影響,許多的燃煤電站往往不能燃用單一的煤種,為了保證電力的供用量,電站開始傾向采用不同的煤種進行混合制粉[4-5]。可磨性和磨損性作為磨煤機選型、配煤方式選擇、煤粉粒度優化及經濟運行的重要基礎,對提高燃燒的經濟性及磨煤機的運行壽命、降低制粉電耗具有深遠意義[6-12]。有必要研究混煤的可磨性指數和磨損性指數與各單一煤種之間的變化規律。

本文針對可磨性和磨損性差異較大的煤種,測定不同摻混比例下混煤的可磨性指數和磨損性指數。通過試驗數據對比,探究其變化規律,研究混煤的最優摻混比,為電站制粉系統運用混煤技術提供參考。

1 試驗煤種及方法

1.1 試驗煤種

試驗選擇湖南某地區常用的可磨性和磨損性差異較大的煤種,分別為邵陽楓江溪煤、邵陽亮和山煤、邵陽武岡東塘煤、冷水江金鴨沖煤和陜北榆林華龍煤。主要煤質特性參數見表1。

表1 煤質特性參數

1.2 試驗方法

可磨性指數是與煤的強度、硬脆度有關的無量綱物理量,不同煤種因組分含量各異,制粉的難易程度有所差別,耗能也就不同,煤的這一性質稱為可磨性。目前,國內外常采用哈氏可磨性指數(HGI)來表征可磨性。HGI越大,說明在同等耗能條件下,等量的同一粒度煤樣,被磨制成的煤粉細度越細,或者說對相同粒度的煤樣磨制成同一細度時,耗能越少[13]。我國當前電站用煤HGI普遍在25～125,一般認為HGI為40～60的煤稱為難磨煤,HGI為60～80的煤稱為中等可磨煤,HGI＞80的煤稱為易磨煤。

運用哈氏可磨性測定儀和振篩機進行可磨性指數的測定。試驗將單一煤種破碎、篩分至粒徑為0.63～1.25 mm, 按照 100︰0、 80︰20、 60︰40、50︰50、 40︰60、 20︰80、 0︰100的摻混比進行混合。稱取50 g±0.01 g的煤樣,記作m；置于哈氏可磨儀內研磨 60 r±0.25 r后,將煤粉倒入0.071 mm篩子多次震篩,稱量0.071 mm篩上的煤樣 (稱準到0.01 g),記作m1；且篩上和篩下煤粉質量之和與研磨前煤粉質量m的差值應小于0.5 g,否則數據作廢[14]。

通過式 (1)計算出0.071 mm標準篩下的煤粉質量,記作m2。

式中,m1為篩上物質量,g；m2為篩下物質量,g。

依據獲得的篩下煤粉質量m2,參考哈氏可磨性指數校準圖,如圖1所示,得出可磨性指數值。取兩次測定值的平均數,作為有效的可磨性指數值。

圖1 哈氏可磨性指數校準圖

煤在破碎過程中,與磨煤機的金屬研磨部件相接觸,煤中硬質成分將對金屬部件產生一定的磨損,該磨損屬于磨料磨損。目前,通常采用磨損性指數 (AI)來反映煤種對金屬碾磨部件的磨損能力,單位為mg/kg。其中,輕微性磨損AI＜30 mg/kg,較強性磨損AI為31～60 mg/kg,很強性磨損AI為 61～80 mg/kg,極強性磨損AI＞80 mg/kg[15-16]。

磨損性指數運用磨損指數測定儀對不同配比的混煤進行測定,配煤比例分別為100︰0、80︰20、50︰50、 20︰80、 0︰100。 將 2 kg±0.01 kg 且粒度通過9.5 mm標準篩的煤樣,置于配裝有4個鋼制葉片的磨罐中,葉片旋轉12 000 r±20 r后,通過旋轉過程中葉片質量的損失,以每千克煤致使葉片磨損的毫克數作為煤的磨損性指數。

2 混煤可磨性分析

單一煤種和混煤的可磨性指數測定結果見表2、表3,其中金鴨沖煤 (HGI＝110)屬于易磨煤,亮和山煤 (HGI＝63)屬于中等可磨,華龍煤(HGI＝42)屬于難磨煤,金鴨沖煤和亮和山煤可磨性指數差值為47,金鴨沖煤和華龍煤可磨性指數差值為68。

表2 金鴨沖煤和亮和山煤按不同配比摻混后的可磨性指數 (HGI)

表3 金鴨沖煤和華龍煤按不同配比摻混后的可磨性指數 (HGI)

由表2、表3和圖2可知,實測的可磨性指數值與加權值之間存在一定的差異。當兩種單煤的可磨性指數差值較小時,混煤可磨性指數的實測值和加權值之間的差異較小,如圖2(a)所示,難磨煤占比60%時,其差異率達到最大,為6.1%。若單煤的可磨性指數差值較大時,混煤的可磨性指數的實測值和加權值之間的差異率也較大,如圖2(b)所示,其中難磨煤的配比小于40%時,混煤的可磨性指數與加權值較為接近,兩者之間的差異率小于4%；隨著難磨煤占比的近一步增加,實測值會顯著低于其加權值,且難磨煤的配比達到60%時,混煤的可磨性指數與加權值的差異率最大,達到12.85%。

研究表明:在易磨煤中摻入少量難磨煤,研磨初期,難磨煤實際上起到了研磨劑的作用[17]。當大量易磨煤受到研磨部件施加的外部載荷時,由于易磨煤破碎強度小于難磨煤,且擠壓到一定程度時,難磨煤將產生一定的力作用于易磨煤上,加速了易磨煤的破碎。隨著研磨程度的繼續,當易磨煤完全破碎后,難磨煤之間再相互擠壓直至達到磨碎。將少量易磨煤摻入難磨煤中,破碎強度較低的易磨煤率先被破碎,填磨于難磨煤顆粒之間,但由于易磨煤的占比較低,難磨煤顆粒之間相互接觸并磨碎的概率較大。隨著易磨煤的占比增加,已被磨碎的易磨煤渣夾在難磨煤顆粒之間,大大降低了難磨煤之間的相互接觸和破碎。

圖2 可磨性指數加權值與實測值在不同摻混比條件下的差異

3 混煤磨損性分析

單一煤種和不同配比摻混下的混煤磨損性指數AI值見表4—5。其中金鴨沖煤 (AI＝7.5 mg/kg)和華龍煤 (AI＝15 mg/kg)屬于弱磨損性煤,武岡東塘煤 (AI＝67.5 mg/kg)屬于強磨損性煤。

表4 金鴨沖煤和華龍煤按不同配比摻混后的磨損性指數 (AI)

表5 金鴨沖煤和武岡東塘煤按不同配比摻混后的磨損性指數 (AI)

混煤的磨損性指數加權值與實測值如圖3所示。由表4、表5和圖3可知,類似于可磨性指數,混煤的磨損性指數加權值與實測值之間同樣存在一定的差異。當兩種單煤的磨損性指數相差比較小時,其加權值和實測值的差值比較小,如圖3(a)所示,在強磨損性煤占比20%時差異率達到最大,為12.2%。當兩種單煤的磨損性指數相差較大時,加權值和實測值的差值相對而言較大,如圖3(b)所示,當強磨損性煤比例達到20%時,差異率為38.5%,隨著強磨損性煤占比的進一步增加,兩者之間的差異變小。此外,從圖3可觀察到,在弱磨損性煤中摻入強磨損性煤時,混煤的磨損指數隨著強磨損性煤種占比增加,實測值的增大趨勢明顯,但均小于加權值。擬合曲線顯示,強磨損性煤占比85%左右是一個分界點,當混煤中強磨損性煤的比例小于85%時,實測值小于加權值；當混煤中強磨損性煤的比例大于85%時,實測值大于加權值。綜上所述,當強磨損性煤種占比為20%左右時,差異率達到最大,與對應的加權值相比,混煤對研磨部件的磨損相對較弱,將有利于提高研磨部件的運行壽命；當強磨損性煤占比超過85%,與加權值相比較,金屬部件被研磨的程度反而加劇,建議配煤比例中,強磨損煤比例不超過85%。

圖3 磨損性指數加權值與實測值在不同摻混比條件下的差異

分析認為:煤中的硬質成分 (如黃鐵礦、石英、菱鐵礦)的性質和數量是影響磨損性指數強弱的主要因素,但與煤的總量相比,此類硬質成分畢竟是少數的。故在強磨損性煤摻入弱磨損性煤的磨損初期,占比較高的弱磨損性煤阻隔了強磨損性煤與金屬研磨部件接觸的概率,降低了磨損程度。隨著難磨損性煤的占比增加,混煤樣中的硬質顆粒也隨之增加,其與研磨部件接觸的概率也大大增加,導致磨損程度加劇。

4 結語

1)混煤的可磨性指數和磨損性指數與其各單煤的加權值之間存在一定的差異,不能簡單通過各單煤的加權值計算獲得。

2)少量難磨煤摻入易磨煤中,研磨初期,難磨煤實際上起到了研磨劑的作用。當難磨煤占比接近60%時,混煤可磨性指數實測值與加權值的差異達到最大；難磨煤占比控制在40%以內,實測值和加權值的差異率小于4%,將有利于提高磨煤機的生產效率,降低磨煤能耗。

3)少量強磨損性煤摻入弱磨損性煤中,后者阻隔了強磨損性煤與金屬研磨部件的接觸概率,降低了磨損程度。當強磨損性煤種占比20%左右時,差異率達到最大,與對應的加權值相比,混煤對研磨部件的磨損相對較弱,有利于提高研磨部件的運行壽命。

4)強磨損性煤與弱磨損性煤摻混時,當強磨損性煤占比超過85%,與加權值相比較,金屬部件被研磨的程度反而加劇,建議配煤比例中,強磨損性煤比例不超過85%。