煤磨损特性参数的计算方法研究

黄 勇， 王春民， 王 梦， 张蓟领

(北京电力设备总厂有限公司， 北京 102401)

煤磨损特性参数的计算方法研究

黄 勇， 王春民， 王 梦， 张蓟领

(北京电力设备总厂有限公司， 北京 102401)

介绍了煤的磨损特性的试验测量方法，通过煤的磨损特性与其成分的关系，对计算方法进行了分析研究，并得出各个计算方法与冲刷磨损指数Ke的相关程度。结果表明：通过计算矿物质含量所得的数值与Ke值具有非常高的线性相关度，在未取得Ke值的时候可以利用其直接判断煤的磨损特性，进而指导磨煤机选型。

磨损特性； 冲刷磨损指数； 矿物质

磨损性是煤的物理特性之一，它是指煤在磨碎时对金属件的磨损能力，通常用冲刷磨损指数Ke和磨损指数AI表示。煤在破碎制粉过程中与磨煤机碾磨件的金属表面相接触，煤中较硬的粒子与碾磨件摩擦致使金属表面发生磨损；另一方面，在热风的携带下，具有一定速度的煤粉也会对壳体、磨辊、压架等产生冲刷磨损。掌握煤的磨损特性，可为发电厂锅炉制粉系统磨煤机的选型、评估磨煤机碾磨件的寿命及设计防磨损结构提供重要依据。针对实际工程中，大量用户无法提供Ke实验值的现状，笔者将在原来基础上深入研究磨损特性的计算方法。

1 磨损特性与煤成分关系

煤中的矿物质是煤中除水以外的所有无机质的总称，包括各种硅酸盐矿物、碳酸盐矿物、硫酸盐矿物、金属硫化物矿物等。煤中矿物质越多，灰分含量越高，发热量则越低，燃烧稳定性越差。煤在制粉过程中，与磨煤机的金属表面相接触，对其磨损作用随煤质不同而异。煤的硬度随其变质程度加深而增大，无烟煤硬度最大，烟煤次之，褐煤最小，即使无烟煤，其硬度(指纯煤)相对于钢材来说，还是很小的，故其对钢材的磨损应是比较轻微的。

煤对金属的磨损是煤中较硬的粒子如石英、黄铁矿等对磨煤机表面的磨擦所致。煤中矿物质增多，某些高硬度组分的含量也将增加，它们是煤对金属产生磨损的主要原因。煤中矿物质含量随灰分含量的增高而增高，但灰分相同的两种煤，由于矿物组成的不同，它们对金属的磨损程度也就不同，故单纯从灰分含量的高低并不能反映煤的磨损性大小。

AI与哈氏可磨性指数具有不同的含义。研究表明：对同一煤源来说，不论其灰分如何波动，哈氏可磨性指数是相对稳定的；而灰分的波动，则意味着矿物质含量的增减，从而导致AI值的变化，故AI与哈氏可磨性指数之间并没有必然的联系[1]。

根据上述情况，笔者将提出一种基于计算矿物质含量来判别煤磨损特性的方法。

2 现行煤磨损特性的试验测定方法

我国电站锅炉制粉系统设计所需的煤的磨损特性按DL/T 465—2007 《煤的冲刷磨损指数试验方法》进行测定，得到煤的Ke值；还可按GB/T 15458—2006 《煤的磨损指数测定方法》测得AI值作为参考。

2.1 煤的AI值试验方法

将一定粒度与质量的煤样放入装有4个金属试片的磨罐中，由传动轴带动旋转12 000 r/min后，根据4个试片的质量损失来计算煤的AI值，其单位为mg/kg。磨损测定仪见图1。

1—计数控制器；2—叶片；3—磨罐底板；4—底托板；5—甩煤板；6—马达；7—传动轴；8—磨罐；9—连杆；10—磨盖。

AI按下式计算[2]：

(1)

式中：m为煤样质量，kg；m1为4个试片试验前的总质量，g；m2为4个试片试验后的总质量，g。

对AI值的评价见表1。从表1可以得出，AI值越大，表示煤对金属的磨损性越强。

表1 AI值的评价

2.2Ke值的测定

测定煤的Ke值时，试验分4次进行，每次冲刷时间不得少于0.5 min，同时要保证最后一次冲刷后剩余煤量不得少于250 g。将煤样置于密闭容器中，磨损试片固定在活动夹片上，与气流呈60°。压缩空气经喷嘴口和分布于四周的3个旁路孔喷出。依靠高速气流的带动，密闭容器底部的煤粒和气流一起进入喷管。由喷管不断喷出的含煤气流不断地冲刷磨损试片，与此同时煤也不断地被磨细，测出煤样总细度R90=25%时的试片累计磨损量E(mg)及累计冲刷时间 τ(min)，即可计算出Ke值[3]。试验装置见图2。

1—密闭容器；2—喷嘴；3—喷管；4—旁路孔；5—支架；6—磨损试片；7—活动夹片；8—压力表；9—进气阀；10—旋风分离器；11—活接头；12—煤粉罐；13—螺母；14—底部托架。

(2)

式中：A为标准煤在单位时间内对纯铁试片的磨损量。

对Ke值的评价见表2。从表2可以得出，Ke值越大，表示煤对金属的磨损性越强。

表2 Ke值的评价

煤的AI值和Ke值越小越好，这样可延长磨煤机相关磨损部件的使用寿命，减少对电厂安全经济运行的不利影响。

由于冲刷磨损试验设备具有细粉分离设备，接近实际磨煤机制粉系统状况，并且在长期的运行实践中，通过对这两种磨损指数的比较，认为煤的Ke值能较好反映磨煤机研磨件在不同煤种下的研磨状况。所以以Ke作为标准，将分别采用不同计算方法得到的数据与AI值进行对比分析。

3 煤的磨损特性计算方法

在不能通过以上试验方法取得煤的磨损指数的情况下，煤的磨损性也可按以下6种方式进行判断。以13种煤样为例，依次对各种方法进行分析研究。表3为13种煤样的煤质参数。

表3 煤样的煤质参数

3.1 煤灰磨损系数Hm

煤灰对对流受热面的磨损特性，主要决定于煤中灰的含量及灰中SiO2、Al2O3及Fe2O3的含量。通常用煤灰磨损指数Hm来表征其磨损性[4]。

1.35w(Al2O3)+0.8w(Fe2O3)]

(3)

图3中画出了13种煤样Hm与Ke关系，可以看出，Hm与Ke大致呈一次线性关系，可用下式表示：

y=6.659x+3.341

(4)

图3 Hm与Ke关系

计算相关系数为r=0.88，由此可知，二者有很大的相关性，因此可以用Hm来判断煤的磨损特性(见表4)。

表4 煤灰磨损特性的分级界限

3.2 煤灰中石英的质量分数

据相关资料记载，可以利用煤灰中石英的质量分数来判别煤的磨损特性。如果煤灰中石英的质量分数小于6%～7%，则磨损性不强；如果煤灰中石英的质量分数大于6%～7%，则磨损性难以判别。煤灰中石英的质量分数计算如下[5]：

w(SiO2)q=w(SiO2)t-1.5w(Al2O3)

(5)

式中：w(SiO2)q为煤灰中石英质量分数，%；w(SiO2)t为煤灰中SiO2质量分数，%；w(Al2O3)为煤灰中Al2O3质量分数，%。

计算出13种煤样的w(SiO2)q，与Ke的相关性见图4。与图3相比，图4中的数据点杂乱无章，并且w(SiO2)q与Ke没有明显的相关性。

图4 w(SiO2)q与Ke关系

3.3 煤中石英的质量分数

煤的磨损性与煤中的石英和黄铁矿的质量分数有关，这两种矿物的磨损性都很强，但石英更甚。煤中石英通常以单粒呈现，且粒粗；而黄铁矿往往混杂在软质黏土和煤中。煤中石英和黄铁矿的质量分数可由X光衍射分析来大致确定。此外，煤中石英的质量分数还可按如下公式估算[6]：

w(SiO2)mq=w(SiO2)q×w(Aar)/100

(6)

式中：w(SiO2)mq为煤中石英的质量百分数，%；w(Aar)为煤的收到基灰分，%。

试验表明：若煤中的石英质量分数低于0.5%～0.7%，则属低磨损性；高于1.9%～2.4%，则属高磨损性。

图5中列出了煤中石英质量分数与Ke关系，可以看出13个点分布散乱，二者并无确定的规律可循。

图5 w(SiO2)mq与Ke关系

3.4 灰中SiO2质量分数

如果灰中w(SiO2)小于40%，则磨损性属轻微；w(SiO2)大于40%，则难以判别。由于当w(SiO2)大于40%时，煤的磨损性无法判断，不确定性使得灰中w(SiO2)与Ke的相关性很差，见图6。

图6 w(SiO2)与Ke关系

3.5w(SiO2)/w(Al2O3)

如果w(SiO2)/w(Al2O3)<2.0，则磨损性在较强以下；w(SiO2)/w(Al2O3)>2.0，则难以判别。分别计算出13种煤样的w(SiO2)/w(Al2O3)值，将其与Ke的关系见图7。可以看到，与图4～图6中情况类似，两者均没有明显的相关性。

图7 w(SiO2)/w(Al2O3)与Ke关系

3.6 矿物质质量分数w(MM)ad

前面已经阐述了磨损特性与煤成分的关系，其中磨损特性受矿物质成分含量的影响尤其重要。煤的Ke是评价其对金属磨损的重要指标。下面将利用13个样本，对煤中w(MM)ad和Ke的关系进行探讨。

w(MM)ad=1.08w(Aad)+0.55w(St,ad)

(7)

(8)

(9)

式中：w(MM)ad为空干基矿物质的质量分数，%；w(Aad)为空干基灰分的质量分数，%；w(St,ad)为空干基全硫的质量分数，%；w(St,ar)为收到基硫分，%；w(Aar)为煤的收到基灰分，%；w(Mad)为空气干燥基水分，%；w(Mar)为收到基水分，%。

煤中灰分与全硫含量是经常要测定的项目，按上式就能很方便地计算矿物质含量，从而有助于判断它对金属件的磨损性[7-8]。根据表3中提供的煤的相关参数，计算出13种煤中的w(MM)ad。

分析w(MM)ad与Ke之间的关系，发现其呈现一定的相关性，见图8。

图8 w(MM)ad与Ke关系

用直线对图中点进行拟合，两者关系可用下式表示：

w(MM)ad=6.948Ke+9.409

(10)

相关系数r=0.89，这说明两者之间的相关性很高，且是正相关，w(MM)ad越高，Ke值越大，即对磨煤机耐磨件的磨损越严重。根据式(7)，计算w(MM)ad具有足够的准确性。因此可以直接利用w(MM)ad来确定煤的磨损特性。

在上述分析的基础上，笔者提出用w(MM)ad对煤磨损特性进行评价，见表5。

表5 w(MM)ad与煤的磨损特性对应关系

4 结语

(1) 不能通过煤灰中石英含量、煤中石英含量、灰中SiO2含量、w(SiO2)/w(Al2O3)等4种计算方法直接判断煤的磨损特性，原因是这些计算方法本身存在“无法判断”的数据区间，且与Ke值没有相关性。

(2) 通过对比发现，Hm和w(MM)ad均与煤的Ke有很高的线性相关度，因此可以直接通过Hm和w(MM)ad判断煤的磨损特性。磨煤机选型时建议用计算w(MM)ad的方法判断碾磨件的寿命和设计防磨损结构，原因是该方法所得数据与Ke值具有更高的相似性，且Hm一般应用于锅炉的设计。

(3) 给出了煤中w(MM)ad与煤磨损特性的对应关系表，可作为直接判断磨损特性的重要依据。在未取得煤的Ke值的情况下，可以将w(MM)ad作为设计依据，指导磨煤机的选型。

[1] 曹长武，刘奕斌，刘颖琳,等. 煤的磨损指数与其它特性之间相关性研究[J].山东电力技术，1998(6):1-6.

[2] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会. GB/T 15458—2006 煤的磨损指数测定方法[S].北京：中国标准出版社，2007.

[3] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会. DL/T 465—2007 煤的冲刷磨损指数试验方法[S].北京：中国电力出版社，2007.

[4] 林宗虎，徐通模. 实用锅炉手册[M].北京：化学工业出版社，2009.

[5] 张安国，梁辉. 电站锅炉煤粉制备与计算[M].北京：中国电力出版社，2011.

[6] 中华人民共和国国家经济贸易委员会. DL/T 5145—2002 火力发电厂制粉系统设计计算技术规定[S]. 北京：中国电力出版社，2002.

[7] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局. GB/T 7560—2001 煤中矿物质的测定方法[S]. 北京：中国标准出版社，2002.

[8] 于实，李丰田. 煤质检测分析新技术新方法与化验结果的审查计算实用手册[M]. 北京：当代中国音像出版社，2011.

Study on Calculation Method for Abrasive Property Parameters of Coal

Huang Yong, Wang Chunmin, Wang Meng, Zhang Jiling

(Beijing Power Equipment Group Co., Ltd., Beijing 102401, China)

An introduction is being presented to the testing and measurement way for abrasive properties of coal, together with an analysis on the calculation methods according to the relationship between abrasive property and chemical composition of the coal, so as to obtain the degree of correlation between various calculation methods and the impingement abrasion index Ke. Results show that there is a high degree of linear correlation between mineral content obtained by calculation and the Ke, and the former one can directly be used to determine the abrasive property of coal if the value of Ke can t be acquired, thus guiding the model selection of pulverizers.

abrasive property; impingement abrasive index; mineral

2015-01-21

黄 勇(1974—)，男，高级工程师，主要从事磨煤制粉系统设计及研发工作。

E-mail: hy@bpeg.cn

TK222

A

1671-086X(2015)04-0256-05