煤磨損特性參數的計算方法研究

黃 勇， 王春民， 王 夢， 張薊領

(北京電力設備總廠有限公司， 北京 102401)

煤磨損特性參數的計算方法研究

黃 勇， 王春民， 王 夢， 張薊領

(北京電力設備總廠有限公司， 北京 102401)

介紹了煤的磨損特性的試驗測量方法，通過煤的磨損特性與其成分的關系，對計算方法進行了分析研究，并得出各個計算方法與沖刷磨損指數Ke的相關程度。結果表明：通過計算礦物質含量所得的數值與Ke值具有非常高的線性相關度，在未取得Ke值的時候可以利用其直接判斷煤的磨損特性，進而指導磨煤機選型。

磨損特性； 沖刷磨損指數； 礦物質

磨損性是煤的物理特性之一，它是指煤在磨碎時對金屬件的磨損能力，通常用沖刷磨損指數Ke和磨損指數AI表示。煤在破碎制粉過程中與磨煤機碾磨件的金屬表面相接觸，煤中較硬的粒子與碾磨件摩擦致使金屬表面發(fā)生磨損；另一方面，在熱風的攜帶下，具有一定速度的煤粉也會對殼體、磨輥、壓架等產生沖刷磨損。掌握煤的磨損特性，可為發(fā)電廠鍋爐制粉系統(tǒng)磨煤機的選型、評估磨煤機碾磨件的壽命及設計防磨損結構提供重要依據。針對實際工程中，大量用戶無法提供Ke實驗值的現狀，筆者將在原來基礎上深入研究磨損特性的計算方法。

1 磨損特性與煤成分關系

煤中的礦物質是煤中除水以外的所有無機質的總稱，包括各種硅酸鹽礦物、碳酸鹽礦物、硫酸鹽礦物、金屬硫化物礦物等。煤中礦物質越多，灰分含量越高，發(fā)熱量則越低，燃燒穩(wěn)定性越差。煤在制粉過程中，與磨煤機的金屬表面相接觸，對其磨損作用隨煤質不同而異。煤的硬度隨其變質程度加深而增大，無煙煤硬度最大，煙煤次之，褐煤最小，即使無煙煤，其硬度(指純煤)相對于鋼材來說，還是很小的，故其對鋼材的磨損應是比較輕微的。

煤對金屬的磨損是煤中較硬的粒子如石英、黃鐵礦等對磨煤機表面的磨擦所致。煤中礦物質增多，某些高硬度組分的含量也將增加，它們是煤對金屬產生磨損的主要原因。煤中礦物質含量隨灰分含量的增高而增高，但灰分相同的兩種煤，由于礦物組成的不同，它們對金屬的磨損程度也就不同，故單純從灰分含量的高低并不能反映煤的磨損性大小。

AI與哈氏可磨性指數具有不同的含義。研究表明：對同一煤源來說，不論其灰分如何波動，哈氏可磨性指數是相對穩(wěn)定的；而灰分的波動，則意味著礦物質含量的增減，從而導致AI值的變化，故AI與哈氏可磨性指數之間并沒有必然的聯(lián)系[1]。

根據上述情況，筆者將提出一種基于計算礦物質含量來判別煤磨損特性的方法。

2 現行煤磨損特性的試驗測定方法

我國電站鍋爐制粉系統(tǒng)設計所需的煤的磨損特性按DL/T 465—2007 《煤的沖刷磨損指數試驗方法》進行測定，得到煤的Ke值；還可按GB/T 15458—2006 《煤的磨損指數測定方法》測得AI值作為參考。

2.1 煤的AI值試驗方法

將一定粒度與質量的煤樣放入裝有4個金屬試片的磨罐中，由傳動軸帶動旋轉12 000 r/min后，根據4個試片的質量損失來計算煤的AI值，其單位為mg/kg。磨損測定儀見圖1。

1—計數控制器；2—葉片；3—磨罐底板；4—底托板；5—甩煤板；6—馬達；7—傳動軸；8—磨罐；9—連桿；10—磨蓋。

AI按下式計算[2]：

(1)

式中：m為煤樣質量，kg；m1為4個試片試驗前的總質量，g；m2為4個試片試驗后的總質量，g。

對AI值的評價見表1。從表1可以得出，AI值越大，表示煤對金屬的磨損性越強。

表1 AI值的評價

2.2Ke值的測定

測定煤的Ke值時，試驗分4次進行，每次沖刷時間不得少于0.5 min，同時要保證最后一次沖刷后剩余煤量不得少于250 g。將煤樣置于密閉容器中，磨損試片固定在活動夾片上，與氣流呈60°。壓縮空氣經噴嘴口和分布于四周的3個旁路孔噴出。依靠高速氣流的帶動，密閉容器底部的煤粒和氣流一起進入噴管。由噴管不斷噴出的含煤氣流不斷地沖刷磨損試片，與此同時煤也不斷地被磨細，測出煤樣總細度R90=25%時的試片累計磨損量E(mg)及累計沖刷時間 τ(min)，即可計算出Ke值[3]。試驗裝置見圖2。

1—密閉容器；2—噴嘴；3—噴管；4—旁路孔；5—支架；6—磨損試片；7—活動夾片；8—壓力表；9—進氣閥；10—旋風分離器；11—活接頭；12—煤粉罐；13—螺母；14—底部托架。

(2)

式中：A為標準煤在單位時間內對純鐵試片的磨損量。

對Ke值的評價見表2。從表2可以得出，Ke值越大，表示煤對金屬的磨損性越強。

表2 Ke值的評價

煤的AI值和Ke值越小越好，這樣可延長磨煤機相關磨損部件的使用壽命，減少對電廠安全經濟運行的不利影響。

由于沖刷磨損試驗設備具有細粉分離設備，接近實際磨煤機制粉系統(tǒng)狀況，并且在長期的運行實踐中，通過對這兩種磨損指數的比較，認為煤的Ke值能較好反映磨煤機研磨件在不同煤種下的研磨狀況。所以以Ke作為標準，將分別采用不同計算方法得到的數據與AI值進行對比分析。

3 煤的磨損特性計算方法

在不能通過以上試驗方法取得煤的磨損指數的情況下，煤的磨損性也可按以下6種方式進行判斷。以13種煤樣為例，依次對各種方法進行分析研究。表3為13種煤樣的煤質參數。

表3 煤樣的煤質參數

3.1 煤灰磨損系數Hm

煤灰對對流受熱面的磨損特性，主要決定于煤中灰的含量及灰中SiO2、Al2O3及Fe2O3的含量。通常用煤灰磨損指數Hm來表征其磨損性[4]。

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

(3)

圖3中畫出了13種煤樣Hm與Ke關系，可以看出，Hm與Ke大致呈一次線性關系，可用下式表示：

y=6.659x+3.341

(4)

圖3 Hm與Ke關系

計算相關系數為r=0.88，由此可知，二者有很大的相關性，因此可以用Hm來判斷煤的磨損特性(見表4)。

表4 煤灰磨損特性的分級界限

3.2 煤灰中石英的質量分數

據相關資料記載，可以利用煤灰中石英的質量分數來判別煤的磨損特性。如果煤灰中石英的質量分數小于6%～7%，則磨損性不強；如果煤灰中石英的質量分數大于6%～7%，則磨損性難以判別。煤灰中石英的質量分數計算如下[5]：

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

(5)

式中：w(SiO2)q為煤灰中石英質量分數，%；w(SiO2)t為煤灰中SiO2質量分數，%；w(Al2O3)為煤灰中Al2O3質量分數，%。

計算出13種煤樣的w(SiO2)q，與Ke的相關性見圖4。與圖3相比，圖4中的數據點雜亂無章，并且w(SiO2)q與Ke沒有明顯的相關性。

圖4 w(SiO2)q與Ke關系

3.3 煤中石英的質量分數

煤的磨損性與煤中的石英和黃鐵礦的質量分數有關，這兩種礦物的磨損性都很強，但石英更甚。煤中石英通常以單粒呈現，且粒粗；而黃鐵礦往往混雜在軟質黏土和煤中。煤中石英和黃鐵礦的質量分數可由X光衍射分析來大致確定。此外，煤中石英的質量分數還可按如下公式估算[6]：

w(SiO2)mq=w(SiO2)q×w(Aar)/100

(6)

式中：w(SiO2)mq為煤中石英的質量百分數，%；w(Aar)為煤的收到基灰分，%。

試驗表明：若煤中的石英質量分數低于0.5%～0.7%，則屬低磨損性；高于1.9%～2.4%，則屬高磨損性。

圖5中列出了煤中石英質量分數與Ke關系，可以看出13個點分布散亂，二者并無確定的規(guī)律可循。

圖5 w(SiO2)mq與Ke關系

3.4 灰中SiO2質量分數

如果灰中w(SiO2)小于40%，則磨損性屬輕微；w(SiO2)大于40%，則難以判別。由于當w(SiO2)大于40%時，煤的磨損性無法判斷，不確定性使得灰中w(SiO2)與Ke的相關性很差，見圖6。

圖6 w(SiO2)與Ke關系

3.5w(SiO2)/w(Al2O3)

如果w(SiO2)/w(Al2O3)<2.0，則磨損性在較強以下；w(SiO2)/w(Al2O3)>2.0，則難以判別。分別計算出13種煤樣的w(SiO2)/w(Al2O3)值，將其與Ke的關系見圖7?？梢钥吹?，與圖4～圖6中情況類似，兩者均沒有明顯的相關性。

圖7 w(SiO2)/w(Al2O3)與Ke關系

3.6 礦物質質量分數w(MM)ad

前面已經闡述了磨損特性與煤成分的關系，其中磨損特性受礦物質成分含量的影響尤其重要。煤的Ke是評價其對金屬磨損的重要指標。下面將利用13個樣本，對煤中w(MM)ad和Ke的關系進行探討。

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

(7)

(8)

(9)

式中：w(MM)ad為空干基礦物質的質量分數，%；w(Aad)為空干基灰分的質量分數，%；w(St,ad)為空干基全硫的質量分數，%；w(St,ar)為收到基硫分，%；w(Aar)為煤的收到基灰分，%；w(Mad)為空氣干燥基水分，%；w(Mar)為收到基水分，%。

煤中灰分與全硫含量是經常要測定的項目，按上式就能很方便地計算礦物質含量，從而有助于判斷它對金屬件的磨損性[7-8]。根據表3中提供的煤的相關參數，計算出13種煤中的w(MM)ad。

分析w(MM)ad與Ke之間的關系，發(fā)現其呈現一定的相關性，見圖8。

圖8 w(MM)ad與Ke關系

用直線對圖中點進行擬合，兩者關系可用下式表示：

w(MM)ad=6.948Ke+9.409

(10)

相關系數r=0.89，這說明兩者之間的相關性很高，且是正相關，w(MM)ad越高，Ke值越大，即對磨煤機耐磨件的磨損越嚴重。根據式(7)，計算w(MM)ad具有足夠的準確性。因此可以直接利用w(MM)ad來確定煤的磨損特性。

在上述分析的基礎上，筆者提出用w(MM)ad對煤磨損特性進行評價，見表5。

表5 w(MM)ad與煤的磨損特性對應關系

4 結語

(1) 不能通過煤灰中石英含量、煤中石英含量、灰中SiO2含量、w(SiO2)/w(Al2O3)等4種計算方法直接判斷煤的磨損特性，原因是這些計算方法本身存在“無法判斷”的數據區(qū)間，且與Ke值沒有相關性。

(2) 通過對比發(fā)現，Hm和w(MM)ad均與煤的Ke有很高的線性相關度，因此可以直接通過Hm和w(MM)ad判斷煤的磨損特性。磨煤機選型時建議用計算w(MM)ad的方法判斷碾磨件的壽命和設計防磨損結構，原因是該方法所得數據與Ke值具有更高的相似性，且Hm一般應用于鍋爐的設計。

(3) 給出了煤中w(MM)ad與煤磨損特性的對應關系表，可作為直接判斷磨損特性的重要依據。在未取得煤的Ke值的情況下，可以將w(MM)ad作為設計依據，指導磨煤機的選型。

[1] 曹長武，劉奕斌，劉穎琳,等. 煤的磨損指數與其它特性之間相關性研究[J].山東電力技術，1998(6):1-6.

[2] 中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會. GB/T 15458—2006 煤的磨損指數測定方法[S].北京：中國標準出版社，2007.

[3] 中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會. DL/T 465—2007 煤的沖刷磨損指數試驗方法[S].北京：中國電力出版社，2007.

[4] 林宗虎，徐通模. 實用鍋爐手冊[M].北京：化學工業(yè)出版社，2009.

[5] 張安國，梁輝. 電站鍋爐煤粉制備與計算[M].北京：中國電力出版社，2011.

[6] 中華人民共和國國家經濟貿易委員會. DL/T 5145—2002 火力發(fā)電廠制粉系統(tǒng)設計計算技術規(guī)定[S]. 北京：中國電力出版社，2002.

[7] 中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局. GB/T 7560—2001 煤中礦物質的測定方法[S]. 北京：中國標準出版社，2002.

[8] 于實，李豐田. 煤質檢測分析新技術新方法與化驗結果的審查計算實用手冊[M]. 北京：當代中國音像出版社，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

黃 勇(1974—)，男，高級工程師，主要從事磨煤制粉系統(tǒng)設計及研發(fā)工作。

E-mail: hy@bpeg.cn

TK222

A

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