国内动力煤热值及可磨性指数测算模型

徐爱民,周建忠,宋玉彩,邓博文,胡 卿,张海丹,陈 俊,梁钰昆

(1．浙江浙能富兴燃料有限公司，浙江 杭州 311121；2．浙江浙能技术研究院有限公司，浙江 杭州 311121；3．浙江工业大学 机械工程学院，浙江 杭州 310014)

随着“碳达峰、碳中和”目标的落实，燃电比例将出现下降，但煤电依然是我国电力主要来源。2019年，煤炭占我国一次能源比重为68.6%，煤电占电力总量比重为62.2%[1]。同时提高煤电效率也是“碳达峰、碳中和”的重要路径之一，因此需继续开展动力煤特性与发电研究，提高技术水平。工业分析和元素分析以及热值是动力煤的基本特性参数，煤炭的可磨性指数也是燃煤电厂发电量的关键[2]。燃煤电厂5%～10%的发电量用于煤粉的研磨，和煤炭的可磨性直接相关[3]。可磨性是指煤被磨成一定细度的煤粉的难易程度。我国普遍采用哈德格罗夫法测定可磨性指数，也称为哈氏可磨性指数(HGI)，随着可磨性系数降低，磨机出力也会降低，消耗功率增大[4]。吴任超等[5]研究发现煤样粒度级别相同时，密度对HGI值、研磨功耗和磨后产品的粒度分布均有很大的影响。密度级相同时，1.25～0.63 mm物料的HGI值最大。物料的研磨功耗随着粒度的增大而增大，但研磨后产品粒度分布与原煤粒度相关性较小。一般说来，焦煤和肥煤的可磨性指数较高，容易磨细；褐煤的可磨性指数较低，不容易磨细[6]。

由于煤的种类和特性多样，煤炭可磨性影响因素复杂[7]。由于不同煤种的成分、灰分组成、物化特性各不相同，其中影响煤粉可磨性的因素包括成煤条件、岩相成分和煤中水分含量等[8]。赵虹等[9]发现煤粉破碎后的粒度分布取决于煤种的煤化程度，而与煤种的可磨性指数相关性较小。杨雨濛等[10]研究了不同干燥方法对褐煤可磨性的影响。煤样在钢球的反复研磨下表面温度会升高使得部分水分蒸发，影响可磨性指数测试。灰分含量和组成也会对煤样研磨产生影响，因为钢球对煤炭研磨过程分离出的灰分会对其它组分研磨产生影响。张夏等[11]发现煤样破碎速率随着灰分的增大而降低。因此认为煤的水分、灰分等特性可能与可磨性指数存在某种关联。

热值是电厂燃煤热量输入的关键，而可磨特性直接影响制粉系统，不仅影响磨煤能耗，同时也是保障煤粉供应的关键[12]。张争峰等[13]研究发现控制煤粉研磨热风中的含尘量是解决燃煤热值贫化的关键。针对燃煤热值大幅度变化时存在目标煤量不能与负荷完全对应的隐患，利用机组辅机故障减负荷功能动作前燃煤的实时热值及时修正目标煤量，大幅度提高了煤耗计算的准确性[14]。因此重点研究基于工业分析与元素分析对热值和HGI值的预测，建立热值和HGI值的经验预测模型，从而能够通过工业分析和元素分析快速了解热值和可磨性情况。

1 试验部分

对32种国产动力煤进行了采样，其中部分煤样为同一产地不同时期样品，共有16种不同煤种(含混煤)。对煤样进行了工业分析、元素分析、热值分析、灰熔点和HGI值测定等。工业分析依据GB/T 212—2008《煤的工业分析方法》规定，并利用马弗炉测量；元素分析依据GB/T 476—2001《煤的元素分析方法》规定，并利用元素分析仪(开元5E-CHN2000)测量；热值分析依据GB/T 213—2003《煤的发热量测定方法》规定，并利用自动量热仪(WELL9000)测量；煤灰熔融性的测定依据GB/T 219—2008《煤灰熔融性的测定方法》规定，利用高温马弗炉测量；HGI值测定依据GB 2565—2014《煤的可磨性指数测定方法》规定，并利用哈氏可磨性指数测定仪测量。

2 结果与讨论

动力煤粉的工业分析、元素分析结果如图1所示。固定碳(FCar)和挥发份(Var)含量分别为34.8%～49.1%和21.6%～37.2%，均值为40.8%和29.4%；氮(Nar)和硫(Sar)含量分别为0.6%～2.4%和0.3%～1.1%范围，均值分别为0.9%和0.7%；碳(Car)、氢(Har)、氧(Oar)的平均值分别为57.1%、3.5%、7.9%。灰分含量在7.0%～28.2%，均值为18.6%，灰熔点处于1 120～1 500 ℃，均值为1 302 °C。煤粉相对生物质燃料，具有更低的挥发份和氧含量，也具有更高的碳氧比和碳氢比[8]。

图1 动力煤工业分析与元素分析结果

2.1 热值特性

16种动力煤粉的低位热值在18.2～23.8 MJ/kg，均值为21.8 MJ/kg。基于工业分析与元素分析预测热值的研究较多，最经典的是门捷列夫经验公式：

LHVar=339Car+1 030Har-
109×(Oar-Sar)-25Mar。

为验证国产动力煤对门捷列夫热值公式的适用性，进行了计算值和实测值相关性分析，拟合结果如图2所示。

图2(a)是16种煤粉样品的拟合，线性斜率为0.92，截距为1.78，同时相关系数R为0.91；从图2(a)中也可以直观的发现有两个异常样品点，如果将其剔除后重新拟合得到图2(b)。线性斜率为0.97，相关系数R为0.991；截距为0.66，标准方差0.25。比较后可知，剔除异常点后，计算值和实测值的相关性更强，同时两者差距(即截距)也缩小。同时存在截距，说明计算值普遍高于实测值。

图2 实测低位热值与门捷列夫计算值的相关性

为进一步降低计算值和实测值之间的差距，可在门捷列夫的基础上对剔除异常点后的14个煤种重新进行低位热值与C、H、O、S、M的多因子建模拟合修正。得到门捷列夫修正经验公式：

LHVar=311.3Car+1 694Har-
14.3Oar+239Star+0.3Mar-1 930。

并对修正经验公式的计算值与实测值绘制拟合图，如图3所示。

图3 门捷列夫修正经验公式计算值与实测值线性拟合

由图3可知，计算值和实测值之间线性进一步增强，斜率为1.01，进一步接近1.0，相关系数达到0.994；并且截距进一步降低到-0.16，标准方差降低到0.22，这都说明计算值和实测值之间的误差减小。

2.2 可磨特性

哈氏可磨性系数HGI值是评定研磨煤炭难易程度的重要指标。HGI值越大的煤种，越容易被研磨成细粉，磨煤机的出力越高。动力煤粉样品的HGI值在48～75，平均值为56，中间值为54。

一般认为，煤的可磨性指数还随煤的水分和灰分的增加而减小，同一种煤，水分和灰分越高，其可磨性指数就越低[15]。工业分析和元素分析以及灰熔点是煤粉基本燃料参数，同时认为HGI和水分、灰分等特性存在潜在的物理关系；考虑到HGI测试过程进行了空干，因此对HGI与内水(Mad)、灰分(Aad)、挥发分(Vad)、灰熔点(ST)的相关性进行了分析。线性拟合的结果见表1。从表1可知HGI值与多因子的相关性较弱。

表1 HGI与多因子之间的关联模型

考虑到部分测试可能存在异常，因此采用剔除2个离散点后重新进行拟合，得到新公式：

HGI=80.5+1.953Mad+0.459Aad-
0.510Vad-0.019 6ST。

从HGI的计算值和实测值的拟合曲线如图4，得到两者线性依然较弱，相关系数R和斜率分别0.74和0.56，截距和标准方差也分别为24.35和3.47。同时从新公式中看到HGI值并不随着水分和灰分的增加或减小。

图4 剔除异常样品后的拟合图

3 结论

对32种国产动力煤粉进行了工业分析、元素分析、热值、灰熔点以及哈氏可磨性指数的测量，并对数据进行了相关性分析得到：

(1)煤粉相对生物质燃料，具有更低的挥发分和氧含量，也具有更高的碳氧比和碳氢比。煤粉的挥发分和氧含量分别在21.6%～37.2%和4.7%～11.2%的范围内，平均值分别为29.4%和7.9%。

(2)动力煤粉收到基低位热值在18.2～23.8 MJ/kg，平均值为21.8 MJ/kg。低位热值实测值普遍小于门捷列夫经验公式。建立的修正经验公式计算值和实测值相关系数(R)达到0.994，两者线性拟合斜率达到1.007，标准方差降低到0.22。

(3)动力煤粉样品的HGI在48～75范围，平均值为56，中间值为54。基于HGI与Mad、Aad、Vad、ST之间的相关性分析，提出了HGI的经验预测模型，但模型计算值与实测值相关系数(R)仅为0.74，标准方差为3.47，HGI和工业分析参数相关性较弱。因此HGI的经验预测模型还需要进一步完善。