煤炭機(jī)器人制樣系統(tǒng)水分損失探究

鄭 波，王增慧，劉 軍，楊 勇，郭偉程

(1.貴州省習(xí)水鼎泰能源開發(fā)有限責(zé)任公司，貴州 遵義 564600；2.湖南三德科技股份有限公司，湖南 長沙 410205)

0 引 言

在火力發(fā)電企業(yè)中，煤炭采購成本約占發(fā)電總成本的70%，因此，各大電力集團(tuán)先后啟動燃料智能化建設(shè)以提高其競爭力和經(jīng)濟(jì)效益[1-3]。煤炭自動制樣系統(tǒng)是燃料智能化的重要組成部分，更是煤炭采樣-制樣-傳輸-儲存-化驗中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)[4-6]，自動制樣的準(zhǔn)確性對電廠的生產(chǎn)經(jīng)營有著至關(guān)重要的影響。然而在煤炭制樣過程中，破碎縮分系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)、煤炭自身粒度、全水分、樣品集樣儲存時間等均會對煤樣水分損失產(chǎn)生影響，導(dǎo)致自動制樣系統(tǒng)輸出的全水分樣品水分值低于真實值，影響到電廠與礦方的貿(mào)易結(jié)算，甚至影響電廠內(nèi)部的煤場管理、運煤卸煤系統(tǒng)、鍋爐燃燒、發(fā)電煤耗等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因此，須對自動制樣系統(tǒng)全水分損失進(jìn)行探究，以降低煤炭全水分的損失。

目前，煤炭價格和煤質(zhì)指標(biāo)波動較大，隨之煤炭在自動制樣過程中的水分損失也受到越來越多的關(guān)注。安香菊等[7]研究入廠煤全水分損失的因素，提出減少煤樣全水分損失的改進(jìn)措施；陳立平、何小琴等[8-9]對煤炭全自動制樣系統(tǒng)的水分損失檢驗方法、校正方法進(jìn)行探討。一般采用全水分偏倚試驗方法、全水分損失率2種方案對自動制樣設(shè)備進(jìn)行性能評價，筆者采用不同水分的煤進(jìn)入系統(tǒng)進(jìn)行測試，從而得出機(jī)器人制樣系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的水分損失率，并提出相應(yīng)改進(jìn)措施，以使機(jī)器人制樣系統(tǒng)的總水分損失率降至最低，使其不存在實質(zhì)性水分偏倚，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求，用于指導(dǎo)電廠的實際應(yīng)用。

近年來，自動制樣系統(tǒng)歷經(jīng)了從傳統(tǒng)流水線式到工業(yè)機(jī)器人式的演變。筆者所在的研發(fā)團(tuán)隊[10]提出了1種機(jī)器人制樣系統(tǒng)機(jī)器，探討其中的核心技術(shù)，并通過性能試驗驗證其數(shù)據(jù)有效；崔修強(qiáng)等[11-12]論述機(jī)器人制樣系統(tǒng)制樣的流程、制樣系統(tǒng)的設(shè)計及其主要特點。筆者針對行業(yè)內(nèi)應(yīng)用廣泛的1款機(jī)器人制樣系統(tǒng)[10]，從全水分樣制取前的各環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，探索影響煤炭機(jī)器人制樣系統(tǒng)水分損失的主要因素，并采用稱重法進(jìn)行全水分損失率試驗，試驗采用不同的煤種(無煙煤、煙煤、高揮發(fā)分煙煤、褐煤)進(jìn)入機(jī)器人制樣系統(tǒng)的存儲、破碎、輸送、縮分環(huán)節(jié)，得出機(jī)器人制樣系統(tǒng)的水分損失率，進(jìn)一步地從制樣流程、接料方式、樣品清洗等方面提出改進(jìn)措施，以減少煤炭機(jī)器人制樣系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的水分損失。

1 煤炭機(jī)器人制樣系統(tǒng)水分損失的影響因素

煤炭在機(jī)器人制樣系統(tǒng)中存在水分損失是由于水分蒸發(fā)分壓差所導(dǎo)致。煤炭是多孔固體物質(zhì)，具有易于吸附和蒸發(fā)水分的特性，當(dāng)煤炭所處的環(huán)境存在壓差時，吸附水分就會從煤炭表面逃逸而擴(kuò)散至環(huán)境，直到氣壓達(dá)到新的平衡。煤炭從進(jìn)入機(jī)器人制樣到制取出全水分樣品，需要經(jīng)歷存儲、破碎、輸送、縮分等過程。

(1)煤樣存儲環(huán)節(jié)水分損失的原因分析。煤樣從采樣端通過不銹鋼密碼桶集樣后，到進(jìn)入機(jī)器人制樣系統(tǒng)，往往需要數(shù)小時。煤樣的初始全水分含量、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、密封情況、煤樣存儲時間均可能造成水分的損失。

(2)煤樣破碎環(huán)節(jié)水分損失的原因分析。破碎過程中煤炭的多孔結(jié)構(gòu)被不斷破壞、粒度不斷變小產(chǎn)生了新的表面積，孔結(jié)構(gòu)破裂后原孔內(nèi)吸附的水分暴露在環(huán)境當(dāng)中，形成了水分蒸發(fā)壓差，導(dǎo)致水分的蒸發(fā)。同時，破碎系統(tǒng)的錘頭與煤炭顆粒物之間反復(fù)摩擦和擊打產(chǎn)生了熱量，加上切割元件高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的鼓風(fēng)加速了煤炭表面的氣流，進(jìn)一步加大了壓差，使得水分損失得更快。因此，從理論上分析，破碎環(huán)節(jié)是導(dǎo)致機(jī)器人制樣系統(tǒng)水分損失的主要因素。

(3)煤樣輸送及縮分環(huán)節(jié)水分損失的原因分析。煤樣在破碎到6 mm或13 mm粒度之后，將通過膠帶輸送系統(tǒng)和縮分刮掃器縮分出1.25 kg或3 kg，作為全水分測試樣。在煤樣輸送及縮分過程中，煤樣被持續(xù)鋪設(shè)為長條形平攤于膠帶上，以達(dá)到合適的縮分刮掃次數(shù)。影響該環(huán)節(jié)的水分損失的因素有：煤炭堆積的厚度、平鋪的長度、膠帶傳輸?shù)乃俣取h(huán)境溫度、濕度、煤樣初始水分含量及粒度等。

2 煤炭機(jī)器人制樣系統(tǒng)水分損失試驗

2.1 試驗煤樣

破碎過程水分損失試驗采用最大標(biāo)稱粒度為25 mm的煤樣，每次試驗樣品20 kg；破碎機(jī)出料以后的煤樣為6 mm，用于樣品輸送及縮分的水分損失試驗；樣品存儲環(huán)節(jié)的水分損失試驗采用的煤樣為6 mm，每次試驗樣品6 kg。共選用四個典型礦點的煤樣，分別為山西陽城地區(qū)無煙煤、寧夏棗泉地區(qū)煙煤、陜西榆林地區(qū)煙煤、內(nèi)蒙古東部地區(qū)褐煤，每種均為200 kg。試驗用煤樣見表1。

表1 制樣系統(tǒng)水分損失試驗用煤樣Table 1 The test coal sample of moisture loss in sample preparation system

2.2 樣品存儲環(huán)節(jié)的水分損失

樣品存儲環(huán)節(jié)是指在煤樣進(jìn)入機(jī)器人制樣系統(tǒng)之前在密碼桶內(nèi)存儲的時間。樣品存儲的工況1是指智能分礦封裝系統(tǒng)的密碼桶不斷集樣的過程，以汽車采樣機(jī)為例，假如設(shè)置10車為1個批次，10輛車可能不是同時運到電廠，則密碼桶集樣過程中還存在等待，在該過程中的密碼桶在接樣時打開，不接樣時密封，密碼桶將不斷地收集各車煤樣直到裝滿。樣品存儲的工況2是指密碼桶裝滿以后到倒入機(jī)器人制樣系統(tǒng)的過程，煤樣需完成出桶、運輸、緩存、歸批、合樣等動作，此過程中的密碼桶始終處于密封狀態(tài)。

針對工況1，每種煤選取2個試驗煤樣桶(4種煤共計8桶)，先稱取集樣桶皮重(g)，裝入 0.5 kg 煤樣后帶桶稱量質(zhì)量，記錄至表格；然后每 30 min 加入 0.5 kg 樣品，共12次加入約6 000 g煤樣，記錄至存儲試驗表格；集樣桶密封放置總時長8 h后再次稱重，計算煤樣的質(zhì)量損失率。

針對工況2，用密封桶中的煤樣進(jìn)行封裝試驗，每1種煤另選取2個試驗煤樣桶(4種煤共計8桶)，一次性裝入(6 000±5)g 煤樣，并帶桶稱量質(zhì)量，記錄至表格，計算煤樣的質(zhì)量損失率。

試驗工具：電子天平，量程30 kg、精度0.1 g；智能分礦封裝系統(tǒng)的密碼桶，分為分別選擇不銹鋼材質(zhì)及高密度聚乙烯材質(zhì)2種密碼桶。

試驗環(huán)境溫度為(18±1)℃，濕度為(69±2)%，工況1、2的試驗結(jié)果分別見表2、3。從表格數(shù)據(jù)可得出，在存儲過程中，只要密封嚴(yán)密，各種煤種都不會造成水分損失(損失率基本在0.01%以下)。在部分試驗樣品稱量過程中出現(xiàn)負(fù)值，即樣品質(zhì)量增加。一方面是天平稱量過程中存在稱量誤差，即稱量不確定度的影響；另一方面可能是由于試驗期間濕度較大、溫度不高，煤炭吸附很少量的環(huán)境水分。

表2 工況1的樣品存儲環(huán)節(jié)水分損失試驗Table 2 Moisture loss test of sample storage after condition 1

表3 工況2的樣品存儲環(huán)節(jié)水分損失試驗Table 3 Moisture loss test of sample storage after condition 2

2.3 樣品破碎環(huán)節(jié)的水分損失

試驗采用機(jī)器人制樣系統(tǒng)內(nèi)配置的SDHC5040款破碎機(jī)，出料粒度為6 mm。試驗前，先將破碎系統(tǒng)清掃干凈，啟動破碎系統(tǒng)，先需要用相同煤源、相同煤種的部分樣品進(jìn)行至少1個子樣的“沖洗”，使設(shè)備內(nèi)部環(huán)境濕度與煤樣達(dá)到平衡，沖洗后的破碎系統(tǒng)在正式進(jìn)樣前將設(shè)備清掃干凈。

4個煤種的煤樣分別人工混合均勻，稱量試驗煤樣質(zhì)量mR1，將煤樣從破碎機(jī)入料口快速投入，下方人工用物料箱接料，試驗過程中入料口、接料口有部分樣品損失、破碎腔內(nèi)有少量黏附殘留，均盡量通過人工收集干凈，以確?？梢姳砻鏌o明顯殘留為判斷標(biāo)準(zhǔn)，稱量收集的樣品總質(zhì)量(mC1)，重復(fù)試驗，沖洗后的第1次試驗數(shù)據(jù)不采用，再進(jìn)行不少于10次試驗，直到試驗結(jié)束。各煤種的試驗結(jié)果見表4～7。

表4 煙煤樣品破碎環(huán)節(jié)的水分損失試驗Table 4 Moisture loss test in bituminous coal sample crushing process

表5 高揮發(fā)分煙煤樣品破碎環(huán)節(jié)的水分損失試驗Table 5 Moisture loss test in high volatile content bituminous coal sample crushing process

表7 無煙煤樣品破碎環(huán)節(jié)的水分損失試驗Table 7 Moisture loss test in anthracitic coal sample crushing process

從試驗數(shù)據(jù)表格來看，破碎環(huán)節(jié)存在明顯的水分損失。

2.4 樣品輸送及縮分環(huán)節(jié)的水分損失

采用1條3.5 m長的縮分膠帶來進(jìn)行測試，膠帶和縮分器為全密封結(jié)構(gòu)，膠帶的帶寬為400 mm，縮分器刮子為40 mm，每個樣品的縮分次數(shù)不少于60次。在進(jìn)行樣品的輸送及縮分環(huán)節(jié)的水分損失試驗前，同樣采用相同煤源、相同煤種的部分樣品進(jìn)行至少1個子樣的“沖洗”，使設(shè)備內(nèi)部的環(huán)境濕度與煤樣達(dá)到平衡，之后，將輸送、縮分單元清理干凈。將上一試驗環(huán)節(jié)破碎后的煤樣，倒入縮分膠帶機(jī)的入料斗，收集全部的棄樣和留樣，清掃膠帶、縮分器，確?？梢姳砻鏌o明顯殘留，稱量棄樣、留樣和清掃出的殘留煤樣總質(zhì)量MQ1，重復(fù)試驗，除第一次試驗數(shù)據(jù)不采用外，再進(jìn)行不少于10次試驗，直到試驗結(jié)束。各煤種的試驗結(jié)果見表8～11。

表8 煙煤樣品輸送及縮分環(huán)節(jié)的水分損失試驗Table 8 Moisture loss test of bituminous coal sample transport and shrinkage

表10 褐煤樣品輸送及縮分環(huán)節(jié)的水分損失試驗Table 10 Moisture loss test of lignitous coal sample transport and shrinkage

表11 無煙煤樣品輸送及縮分環(huán)節(jié)的水分損失試驗Table 11 Moisture loss test of anthracitic coal sample transport and shrinkage

綜上所述，煙煤、高揮發(fā)分煙煤、褐煤、無煙煤在存儲、破碎、輸送及縮分環(huán)節(jié)的水分損失的平均值見表12。

表12 各煤種水分損失率統(tǒng)計Table 12 Statistical of moisture loss rate of each coal %

2.5 試驗中存在的不足及改善措施

上述采用稱重法進(jìn)行試驗的過程中，樣品重量的前后變化除了水分的損失外，還包括一定的樣品損失。例如，樣品破碎過程中除水分損失外，還可能有粉塵損失、黏附在破碎設(shè)備機(jī)械表面的樣品損失；樣品在縮分過程中除水分損失外，還可能有粉塵損失、黏附在膠帶和縮分器刮子表面的樣品損失。針對上述樣品損失，試驗中不可能完全避免。

為減少樣品損失率對水分損失率的影響，筆者采取以下措施來降低樣品的損失率，使沾污或損失等忽略不計。

(1)每一次試驗前后，對破碎機(jī)的入料口、接料口、破碎腔內(nèi)、錘頭、篩板等部位的少量黏附殘留，均盡量通過人工收集干凈，以確?？梢姳砻鏌o明顯殘留為判斷標(biāo)準(zhǔn)；

(2)每一次試驗前后，對縮分膠帶機(jī)的入料斗、膠帶、縮分器、出料口等部分的少量黏附殘留，均盡量通過人工收集干凈，以確?？梢姳砻鏌o明顯殘留為判斷標(biāo)準(zhǔn)；

(3)為減少破碎過程中的粉塵損失，破碎機(jī)與下方物料箱之間采用密封墊軟連接，破碎后靜置3 min，待粉塵盡量沉落在物料箱之后再進(jìn)行下一步試驗動作；

(4)膠帶和縮分器采用全密封結(jié)構(gòu)，縮分器出料口與下方物料箱之間采用密封墊軟連接，縮分完成后靜置3 min，待粉塵盡量沉落在物料箱之后再進(jìn)行下一步試驗動作；

(5)在破碎、縮分試驗前，均用相同煤源、相同煤種的部分樣品進(jìn)行至少1個子樣的“沖洗”，使設(shè)備內(nèi)部環(huán)境濕度與煤樣盡量達(dá)到平衡。

3 減少系統(tǒng)全水分損失的措施

煤的低位發(fā)熱量計算公式如下：

(1)

式中，Qnet，ar為煤的收到基低位發(fā)熱量，J/g；Qgr，ad為空干基高位發(fā)熱量，J/g；Had為煤的氫含量，%；Mar為煤的全水，%；Mad為煤的分析水，%。

假定某個煤樣，其Qgr，ad=20 000 J/g，Had=3%，Mar=15%，Mad=2%，代入式(1)中，得Qnet，ar1=16 465.92 (J/g)。當(dāng)其他條件不變，全水分損失1%，從原來的15%變成14%，代入式(1)中，得Qnet，ar2=16 663.69 (J/g)。根據(jù)上述2個低位發(fā)熱量的計算值，煤價按1 000元/t計算，入廠煤價虛高推算約為12.01 元/t。按某電廠年消耗煤量400萬t計算，全水分損失1%，每年多付出4 804萬元的成本。由此可見，降低水分損失對于電廠有著顯著的經(jīng)濟(jì)意義。

從表12可看出，煤樣在破碎過程水分損失最為明顯，輸送過程煤樣損失次之，存儲過程基本不會造成水分損失。

根據(jù)上述煤樣全水分損失因素的分析，對破碎、輸送及縮分環(huán)節(jié)提出以下減少水分損失的解決措施：

(1)優(yōu)化流程并盡量減少破碎環(huán)節(jié)。從采樣到自動測全水，一般至少需要經(jīng)過一級破碎，將樣品破碎到13 mm或6 mm；如果前端是機(jī)械自動采樣，已進(jìn)行破碎，在進(jìn)入機(jī)器人自動制樣系統(tǒng)后，優(yōu)先取全水分樣，減少破碎、輸送、縮分的環(huán)節(jié)。

(2)如需在機(jī)器人自動制樣系統(tǒng)進(jìn)行破碎，采用樣品清洗、密封接料的方式減少水分損失。樣品清洗，是指在正式制樣前，從擬制樣品中縮分出一定質(zhì)量的樣品對破碎機(jī)內(nèi)部進(jìn)行沖洗，將破碎機(jī)內(nèi)部的上一個煤樣的殘留沖洗掉，減少樣品之間的相互污染，同時使得樣品與破碎機(jī)之間的環(huán)境濕度保持平衡；密封接料是指在破碎機(jī)的下方采用接料桶接料，接料時，樣桶的上沿與破碎機(jī)出料的下沿保持密封，一方面減少粉塵損失，另一方面減少了空氣的流動，從而降低水分的損失。

(3)做好設(shè)備的運維、檢修。應(yīng)定期對錘頭、篩板的機(jī)械磨損情況，縮分器的縮分精密度，給料膠帶的張緊度等進(jìn)行檢測或性能鑒定，對于不符合要求的設(shè)備予以維修或更換，從而避免制樣結(jié)果、縮分結(jié)果存在偏倚，造成水分損失[13]。

(4)對水分損失進(jìn)行校正[14-15]。按照GB/T 19494.3《煤炭機(jī)械化采樣 第3部分：精密度測定和偏倚試驗 》的規(guī)定對制樣系統(tǒng)進(jìn)行水分偏倚試驗，如制樣系統(tǒng)存在實質(zhì)性水分偏倚，可進(jìn)行水分偏倚校正。但此時仍需查找產(chǎn)生水分偏倚的原因，采取改進(jìn)措施，最終使制樣系統(tǒng)達(dá)到無實質(zhì)性水分偏倚的狀態(tài)。

4 結(jié) 語

(1)煤炭機(jī)器人制樣系統(tǒng)水分損失的主要環(huán)節(jié)包括存儲、破碎、輸送及縮分環(huán)節(jié)。從理論上分析，破碎環(huán)節(jié)水分蒸發(fā)壓差最高，此為導(dǎo)致機(jī)器人制樣系統(tǒng)水分損失的主要因素。

(2)采用稱重法，通過無煙煤、煙煤、高揮發(fā)分煙煤、褐煤等不同煤種進(jìn)入機(jī)器人制樣系統(tǒng)的存儲、破碎、輸送及縮分環(huán)節(jié)，通過試驗數(shù)據(jù)得出破碎環(huán)節(jié)是影響水分損失的主要因素，輸送及縮分環(huán)節(jié)次之，存儲環(huán)節(jié)幾乎無水分損失。

(3)降低全水分損失對電廠有著顯著的經(jīng)濟(jì)意義，可通過優(yōu)化制樣流程、減少破碎環(huán)節(jié)、進(jìn)行樣品清洗、密封接料、及時進(jìn)行設(shè)備的檢修和維護(hù)等方式降低機(jī)器人制樣系統(tǒng)的水分損失，并在有實質(zhì)性水分偏倚時對水分損失進(jìn)行校正，提升火電企業(yè)的效益。