動力煤彈筒發(fā)熱量快速檢測方法

蔣 涵 元

(神華國能(神東電力)集團公司 上榆泉煤礦，山西 河曲 036500)

0 引 言

上榆泉煤礦洗選中心是上榆泉煤礦配套的選煤廠，設(shè)計處理能力8.0 Mt/a，采用塊煤動篩跳汰、末煤有壓兩產(chǎn)品重介旋流器、粗煤泥螺旋分選、煤泥壓濾回收的生產(chǎn)工藝，原煤全入選[1]，僅出一種商品煤，所有產(chǎn)品匯集到精煤上倉皮帶，并最終進入產(chǎn)品倉。商品煤為單一用戶河曲發(fā)電公司，要求發(fā)熱量為17.58、18.84和20.10 MJ/kg。上榆泉煤礦原煤煤質(zhì)較差，以2017年為例，原煤發(fā)熱量平均為13 MJ/kg，無法滿足電廠用煤要求。為穩(wěn)定商品煤煤質(zhì)，煤炭行業(yè)一般采用煉焦煤選煤廠常用的灰分快速檢測，俗稱“快灰”。但由于動力煤的關(guān)鍵經(jīng)濟指標(biāo)為發(fā)熱量，不同于煉焦煤的灰分，灰分與發(fā)熱量之間并非嚴(yán)格的一一對應(yīng)關(guān)系，加之灰分化驗周期較長，因此灰分快速檢測對于動力煤選煤廠存在結(jié)果滯后、指導(dǎo)性不強等缺點。

目前，動力煤煤質(zhì)快速檢測研究多集中在建立數(shù)學(xué)模型方面，即將參數(shù)代入數(shù)學(xué)模型通過程序計算得到發(fā)熱量，但由于不同礦區(qū)煤層、煤種煤質(zhì)差別較大，利用數(shù)字分析得出的回歸公式適用性不強，不同選煤廠產(chǎn)品具有很大局限性[2]。喬改瑞等[3]以寧東煤化工紅柳礦煤層煤質(zhì)數(shù)據(jù)為研究對象，得出紅柳礦煤發(fā)熱量與工業(yè)分析的數(shù)學(xué)模型，模型能準(zhǔn)確反應(yīng)發(fā)熱量Qgr,d與灰分Aad之間的變化規(guī)律，但該規(guī)律僅對特定煤層煤質(zhì)具有指導(dǎo)意義，且須提前獲得準(zhǔn)確的灰分值。王振龍等[4]利用在線煤質(zhì)分析儀對動力煤選煤廠產(chǎn)品煤發(fā)熱量進行在線檢測，但該方法需不斷與實際化驗數(shù)據(jù)進行比對，及時調(diào)整發(fā)熱量與水分、灰分之間的數(shù)學(xué)模型，且預(yù)測數(shù)據(jù)與實際化驗結(jié)果出入較大。王宏偉等[5]基于配煤入選時發(fā)熱量可加性原則，建立了配煤入選時的發(fā)熱量預(yù)測模型，應(yīng)用于伊泰準(zhǔn)格爾召選煤廠產(chǎn)品發(fā)熱量預(yù)測，取得了較好效果，但該方法需提前準(zhǔn)確檢測原煤煤質(zhì)指標(biāo)，且在原煤、生產(chǎn)參數(shù)等指標(biāo)均不變的情況下方可行。因此，適合動力煤選煤廠特點的煤質(zhì)快速檢測方法比較少，且準(zhǔn)確性、可靠性不強，鑒于此，本文結(jié)合上榆泉煤礦洗選中心煤質(zhì)化驗中實際存在的問題，提出了適用于動力煤選煤廠的彈筒發(fā)熱量快速檢測，用來指導(dǎo)動力煤選煤廠生產(chǎn)，從而提高經(jīng)濟效益。

1 存在問題及解決措施

上榆泉煤礦化驗室從采樣到煤質(zhì)化驗需要3 d，滯后嚴(yán)重，煤質(zhì)指標(biāo)管控基本處于失控狀態(tài)，無法及時準(zhǔn)確反饋生產(chǎn)過程中商品煤的煤質(zhì)變化，商品煤合格率僅為40%～80%。2017年，上榆泉煤礦洗選中心根據(jù)化驗室實際情況，配齊和修復(fù)了快水儀、定硫儀、馬弗爐、粉碎機、電熱板、自動采樣機等設(shè)備，增加末矸石、末精煤、煤泥、螺旋精煤、螺旋矸石等中間產(chǎn)品檢測，掌握各生產(chǎn)環(huán)節(jié)實際情況，采制化員工三班倒，采制樣、化驗一次性完成，提高了化驗結(jié)果的時效性，為生產(chǎn)調(diào)整提供了及時、可靠的依據(jù)。

上榆泉煤礦洗選中心先后采取了精煤膠帶機人工取樣灰分快速檢測、火車商品煤灰分快速檢測、火車商品煤彈筒發(fā)熱量快速檢測、精煤膠帶機自動取樣彈筒發(fā)熱量快速檢測等措施，并最終確定采用精煤膠帶機自動取樣彈筒發(fā)熱量快速檢測。經(jīng)調(diào)試，彈筒發(fā)熱量快速檢測能夠提供及時、可靠的化驗數(shù)據(jù)，商品煤煤質(zhì)指標(biāo)測量穩(wěn)定。

2 灰分快速檢測方法

上榆泉煤礦洗選中心灰分快速檢測采取2項方案:方案1是在精煤膠帶機機頭用采樣鏟接取煤樣后進行灰分快速檢測;方案2是使用人工采取的火車煤樣進行灰分快速檢測。

2.1 精煤膠帶人工取樣灰分快速檢測

方案1主要考慮精煤膠帶機更接近生產(chǎn)系統(tǒng)，能及時反映商品煤煤質(zhì)變化。但實施過程中發(fā)現(xiàn)人工采取的精煤皮帶煤樣灰分化驗結(jié)果與商品煤實際灰分相差很大(表1)。

表1商品煤灰分與皮帶煤樣快速檢測灰分對比
Table1Comparisonofcommercialashandrapiddetectionashforbeltcoalsamples

化驗日期商品煤灰分/%皮帶樣灰分/%絕對誤差/%相對誤差/%2017-02-1522.2419.82-2.42-10.882017-02-1624.9521.40-3.55-14.232017-02-1721.5521.21-0.34-1.582017-02-1822.5320.04-2.49-11.052017-02-1925.6720.98-4.69-18.272017-02-2023.4721.63-1.84-7.842017-02-2128.7522.55-6.20-21.572017-02-2325.6121.38-4.23-16.522017-02-2425.4522.63-2.82-11.082017-02-2525.6622.41-3.25-12.672017-02-2723.4523.41-0.04-0.17

由表1可知，商品煤實際灰分與人工采取的精煤皮帶樣灰分相對誤差最高達(dá)到-21.57%，最低為-0.17%，平均為-11.44%。其原因首先是人工采樣的子樣數(shù)不足，根據(jù)GB 475—2008《商品煤人工采取方法》，膠帶機機頭采樣屬煤流中采樣，而精煤煤流中每個基本采樣單元每小時采子樣數(shù)不少于15個(標(biāo)稱粒度為50 mm)，但人工采樣子樣數(shù)難以達(dá)到；其次是難以截取煤流斷面，采樣鏟僅采取了煤流截面的一小部分；最后子樣不能充滿采樣器或從采樣器中溢出，而采樣鏟采樣瞬間基本采滿，精煤中稍大煤塊采滿后滾落，粒度小的則停留在采樣鏟上，上榆泉煤礦洗選中心末精煤發(fā)熱量高，導(dǎo)致膠帶機機頭人工采樣快速檢測灰分低于商品煤實際灰分[6]。因此方案1不可行。

2.2 火車商品煤灰分快速檢測

方案2采用火車商品煤灰分快速檢測。上榆泉煤礦化驗室在每列火車采取商品煤煤樣后制成綜合樣進行分析化驗，時效性差?；疖嚿唐访夯曳挚焖贆z測要對每列火車采取的煤樣制成分析樣化驗灰分，化驗結(jié)果與商品煤實際灰分相近，但由于灰分與動力煤煤質(zhì)評價關(guān)鍵指標(biāo)發(fā)熱量之間并非一一對應(yīng)的線性關(guān)系[7-8]，使得灰分無法直觀指導(dǎo)生產(chǎn)。主要原因是發(fā)熱量指標(biāo)除受灰分影響外，受水分影響也比較大，而水分、灰分、發(fā)熱量多元回歸線性公式的預(yù)測性并不理想[9-10]。此外，灰分快速檢測還存在化驗周期偏長、時效性較差等缺點，仍不能及時有效指導(dǎo)動力煤選煤廠生產(chǎn)參數(shù)的調(diào)整。

3 彈筒發(fā)熱量快速檢測方法

3.1 實施方案

鑒于灰分快速檢測時效性差，無法直觀準(zhǔn)確指導(dǎo)煤質(zhì)調(diào)整，上榆泉煤礦洗選中心提出了商品煤彈筒發(fā)熱量快速檢測設(shè)想，根據(jù)商品煤彈筒發(fā)熱量檢測結(jié)果指導(dǎo)生產(chǎn)參數(shù)調(diào)整，穩(wěn)定了商品煤煤質(zhì)指標(biāo)。針對商品煤彈筒發(fā)熱量快速檢測，洗選中心采取了2項方案，分別是對每列火車煤進行彈筒發(fā)熱量快速檢測(方案3)，引進安裝膠帶機自動采樣機對精煤皮帶煤樣進行彈筒發(fā)熱量快速檢測(方案4)。

3.2 水分快速檢測

商品煤彈筒發(fā)熱量快速檢測離不開水分檢測和彈筒發(fā)熱量化驗結(jié)果的換算。水分檢測按照GB/T 212—2008《煤的工業(yè)分析方法》[11]以及GB/T 211—2007《煤中全水分的測定方法》[12]執(zhí)行，全水分和分析水檢測時間至少要3 h，時效性較差，為此上榆泉煤礦洗選中心專門購置了用于水分快速檢測的MB23型紅外水分測定儀，并對水分快速檢測結(jié)果與正常水分化驗結(jié)果進行對比，結(jié)果見表2。

表2商品煤水分與快速檢測水分對比
Table2Comparisonofcommercialcoalmoistureandrapiddetectionmoisture

化驗日期化驗水分/%快速檢測水分/%絕對誤差/%相對誤差/%2017-12-028.48.4002017-12-039.29.60.44.352017-12-049.39.50.22.152017-12-059.49.2-0.2-2.132017-12-069.49.4002017-12-079.19.40.33.302017-12-089.49.2-0.2-2.132017-12-099.49.2-0.2-2.132017-12-109.59.2-0.3-3.162017-12-1110.79.4-1.3-12.15

為快速檢測全水分及分析水，將快水儀工作溫度設(shè)定為150 ℃，煤樣質(zhì)量損失低于0.01%/min時自動停止檢測。由表2可知，在隨機截取的10 d，快速檢測水分與正?；炈纸咏鄬φ`差、絕對誤差的平均值僅為-1.19%和-0.1%。而2017年12月2者相對誤差、絕對誤差平均值分別為0.31%和0。快速檢測精度要求不高，因此使用快水儀進行水分快速檢測可行。

2017年12月快速檢測水分與正?；炈謱Ρ热鐖D1所示。

圖1 2017年12月快速檢測水分與正?；炈謱Ρ菷ig.1 Comparison of rapid detection moisture and normal detected moisture in December 2017

3.3 實施效果

3.3.1 火車商品煤彈筒發(fā)熱量快速檢測

因前期上榆泉煤礦洗選中心無精煤膠帶機自動采樣設(shè)備，且膠帶機機頭人工煤流中采樣不具有代表性，因此上榆泉煤礦洗選中心首先將火車商品煤灰分快速檢測改為彈筒發(fā)熱量快速檢測。將采取的火車煤樣一分為二，一份作為全水分樣使用快水儀進行全水化驗，另一份通過電熱板干燥后制取分析樣進行分析水化驗，使用量熱儀進行彈筒發(fā)熱量檢測，因單一煤層硫分和氫值[13-14]等變化不大，且對發(fā)熱量影響較小，則不再單獨化驗，僅使用經(jīng)驗值。根據(jù)彈筒發(fā)熱量檢測結(jié)果，結(jié)合全水分、分析水以及其他經(jīng)驗值可得低位發(fā)熱量，供生產(chǎn)車間調(diào)整生產(chǎn)參數(shù)。發(fā)熱量換算公式如下:

Qgr,ad=Qb,ad-95Sb,ad-aQb,ad(1)

Qnet,ar=(Qgr,ad-206Had)(100-Mt)/

(100-Mad)-23Mt(2)

式中，Qgr,ad為分析煤樣的高位發(fā)熱量，MJ/kg；Qb,ad為分析煤樣的彈筒發(fā)熱量，MJ/kg；Sb,ad為由彈筒洗液測得的煤硫含量(Qb,ad>16.70 MJ/kg或12.50 MJ/kg

采用該方案后，化驗周期從原來的1 h降至15 min左右，化驗時間大幅縮短，方便選煤廠生產(chǎn)參數(shù)調(diào)整。但由于是火車商品煤樣，而精煤倉有1.5萬t的倉儲能力，生產(chǎn)參數(shù)調(diào)整仍然相對滯后，時效性僅由3 d減至1 d，無法及時反映煤質(zhì)的實時變化。

3.3.2 精煤膠帶自動采樣彈筒發(fā)熱量快速檢測

西山煤電晉興能源公司斜溝煤礦選煤廠在原煤入選、精煤、裝車等膠帶機上全部裝有自動采制樣設(shè)備，實現(xiàn)在線采樣、采制一體、棄樣返回等功能，使用效果理想。2017年10月，參照斜溝煤礦選煤廠自動采樣機采購的膠帶機自動采制樣設(shè)備安裝完成，每隔150 s自動采制樣設(shè)備運轉(zhuǎn)一次，每小時采樣24次(國標(biāo)要求為16次[15])，每次均采取精煤膠帶機全斷面樣并自動實現(xiàn)制樣、縮分、棄樣返還。對于采取的煤樣，按照3.3.1節(jié)所述方法每2 h進行一次彈筒發(fā)熱量快速檢測，實現(xiàn)了精煤煤質(zhì)指標(biāo)及時、準(zhǔn)確檢測，為生產(chǎn)參數(shù)調(diào)整提供了可靠依據(jù)。精煤膠帶自動采樣彈筒發(fā)熱量快速檢測數(shù)據(jù)與正?；灁?shù)據(jù)對比見表3，2018年1月快速檢測發(fā)熱量與正?；灠l(fā)熱量對比如圖2所示。

表3精煤膠帶自動采樣彈筒發(fā)熱量快速檢測數(shù)據(jù)與正?；灁?shù)據(jù)對比
Table3Comparisonofrapiddetectionofbombcalorificvaluebyautomaticsamplingofcorrugatedcoalbeltmachineandnormaldetecteddata

日期水分/%正?；灴焖贆z測Qb,ad/(MJ·kg-1)正?；灴焖贆z測Qnet,ar/(MJ·kg-1)正常化驗快速檢測絕對誤差/(MJ·kg-1)相對誤差/%2018-01-149.09.720.8421.5119.3619.28-0.08-0.412018-01-159.09.121.5321.5919.4419.500.060.312018-01-169.49.021.5321.2819.4919.23-0.26-1.332018-01-178.69.421.6421.3919.5719.27-0.30-1.532018-01-188.39.021.1221.1519.3419.08-0.26-1.342018-01-198.98.320.6820.6718.8218.82002018-01-208.88.620.1020.5718.7818.63-0.15-0.802018-01-218.98.821.1820.8219.0918.85-0.24-1.262018-01-229.38.821.5021.4119.5419.40-0.14-0.722018-01-239.39.121.4521.2219.0319.160.130.68

圖2 2018年1月快速檢測發(fā)熱量與正?；灠l(fā)熱量對比Fig.2 Comparison of rapid detection calorific value and normal detected calorific value in January 2018

由表3可知，正常化驗發(fā)熱量與彈筒快速檢測發(fā)熱量絕對誤差平均值僅為-0.12 MJ/kg，相對誤差平均值僅為-0.64%，2018年1月絕對誤差平均值為0.27 MJ/kg、相對誤差平均值為0.05%。通過圖2可以看出，2018年1月全月彈筒發(fā)熱量快速檢測數(shù)據(jù)與正?；灁?shù)據(jù)極為接近?？紤]到彈筒發(fā)熱量快速檢測的目的是為了指導(dǎo)生產(chǎn)而非結(jié)算用，因此其指導(dǎo)生產(chǎn)能夠滿足要求。采用精煤膠帶自動采樣機煤樣進行彈筒發(fā)熱量快速檢測后，化驗周期由灰分快速檢測的1 h減至15 min，時效性也由最初的3 d減至2.75 h(制樣周期2 h，制樣30 min，化驗15 min)，增強了化驗結(jié)果對于生產(chǎn)的指導(dǎo)性。

4 結(jié) 語

采用商品煤彈筒發(fā)熱量快速檢測，化驗周期從灰分快速檢測的1 h降至15 min左右。精煤膠帶自動采樣并結(jié)合彈筒發(fā)熱量快速檢測，煤質(zhì)化驗時效性由原來的3 d減至2.75 h，便于及時掌握煤質(zhì)指標(biāo)變化情況。精煤膠帶機自動采樣彈筒發(fā)熱量快速檢測值與正?；灠l(fā)熱量的絕對誤差平均值僅為-0.12 MJ/kg，相對誤差平均值僅為-0.64%，說明在縮短化驗周期、增加煤質(zhì)化驗時效性的同時，該快速檢測方法完全滿足動力煤選煤廠指導(dǎo)生產(chǎn)參數(shù)調(diào)整的目的。

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