于磊，李莉

（国网山东省电力公司电力科学研究院，山东济南250002）

动力用煤哈氏可磨性指数与煤灰成分间的关系

于磊，李莉

（国网山东省电力公司电力科学研究院，山东济南250002）

通过对山东省各个燃煤电厂中的煤质样本进行灰成分和哈氏可磨性指数的测定，统计灰成分和哈氏可磨性指数等指标的分布情况，进一步阐述了煤可磨性指数与煤中各主要成分间的关系，并分析其内在联系进行理论探讨，根据逐步回归分析得出计算规律，最终找到一种简单可行的哈氏可磨性指数预测方法。

可磨性指数；灰成分；元素分析

0 引言

近年来，随着我国经济水平的不断提高，能源消耗总量持续增长，尤其以电力用量增长最快，使得我国的电力装机容量不断扩大。其中以燃煤为动力来源的火力发电是主要发电方式，而火力发电厂80%的发电成本是燃煤费用。因为燃煤需要磨制成特定粒度后才能进入锅炉内燃烧，所以需要在磨煤机内进行粒度加工，所磨制煤粉的粗细程度成为影响锅炉燃烧效率的直接因素，从而关系到整个发电企业的成本损耗。现行标准是通过测定燃煤的哈氏可磨性指数来判定磨煤机的出力效率高低。但是，煤的哈氏可磨性指数的测定方法手续复杂、费时费力，影响结果的因素较多。针对这种情况，需要找到一种简单有效的哈氏可磨性指数预测方法与之相互验证，从而提高工作效率。而煤的灰成分测定方法相对简单、快速。因此我们通过一定数量的样本测定分析，探究其中的联系，并找到一种预测哈氏可磨性指数的简单方法。

1 哈氏可磨性指数与灰成分的相关性

所谓可磨性指数，是指在空气干燥条件下，把试样与标准煤样磨制成规定粒度，并破碎到相同细度时所消耗的能量比。可磨性指数是一个无量纲的物理量，它的大小反映了不同煤样破碎成煤粉的相对难易程度［1］。

煤越硬，可磨性指数越小，这意味着相同质量规定粒度的煤样磨制成相同细度时所消耗的能量越多［2］。从能量角度看，在消耗一定能量的条件下，相同质量规定粒度的煤样磨制成粉的细度越细，则可磨性指数越大。为减少能耗，电力用煤的哈氏可磨性指数宜选择较大一些的煤源［3］。一般认为，哈氏可磨性指数为70属于可磨性为中等程度煤，其值如达到80～90则认为较为易磨。同等工况下，哈式可磨性指数相差10，磨制相同细度情况下，磨煤机出力效率约相差25%左右。

煤的灰成分通常是指煤灰中的SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、SO3、TiO2、K2O及Na2O的测定。我国煤灰中的SiO2质量分数往往高达40%～60%，SiO2、Al2O3、Fe2O33种成分之和通常可占煤灰的90%，也有少数煤灰，其CaO含量很高，仅作为特例分析。煤的灰成分与电力生产关系十分密切，灰渣的高温特性是化学组成的函数，提供可靠的煤灰成分数据，有助于判断和防止灰渣对锅炉设备的侵蚀作用，预测冲灰管道的结垢严重程度，确定灰渣综合利用的可能途径等。对煤灰成分的分析测定，是电厂设计和生产的需要［4］。煤灰成分测定方法很多，煤灰中各个成分可用重量分析、容量分析、比色分析、火焰光度分析及原子吸收分等方法，可以运用不同种类的测定方法得到准确的煤灰成分的含量，这对分析其他指标是有帮助的。

2 样本分析

哈氏可磨性指数与所测煤中各种组分有着密切联系。

煤炭根据其炭化程度可分为3大类：无烟煤、烟煤、褐煤。无烟煤地质年代远，炭化程度深；褐煤地质年代近，炭化程度浅；烟煤居中。它们基本上由两部分物质所组成：一是可燃成分，即煤中的有机组分；一是不可燃成分，即煤中的无机组分。有机组分包含C、H、N、S等元素，其中C质量分数由95%到5%高低不等，但以现行火力发电厂用煤情况看，烟煤占到绝大多数，也就是说在烟煤可燃成分C占主要地位。无机组分包括灰分和水分，其中灰分占主要地位，而煤灰中的SiO2质量分数往往高达40%～60%，由此，可以从C、灰分及灰中SiO2的含量来讨论与可磨性指数的关系。

采集47个煤样进行分析，其中包括无烟煤与烟煤，哈氏可磨性指数在64～150的范围内，灰分在16%～85%的范围内，所检测出来的煤灰成分的范围在40%～65%的范围内，基本上涵盖了我国动力用煤的95%煤种和煤型。如表1所示，根据图表中A列到D列的基本数据，得到E列各个煤样主要成分的百分比之和，F列则是E列与A列的比值，即我们需要的汇总数据。根据数理统计的要求，我们将F列数据进行方差运算，以检验数据的可靠性及异常值。

标准差

式中：S为样本单次观测值总体标准差的试样估算值；d为样本与平均值的差值；np为样本数目。

单组数据精密度

式中：P0为单组样本精密度；S为样本单次观测值总体标准差的试样估算值。

m组数据精密度

式中：P为总体样本精密度；P0为单组样本精密度；m为样本数目。

根据数理统计表1可得出所有数据的精密度是合适的，并且没有异常值出现。

表1 哈氏可磨性指数、灰分、灰中SiO2、C质量分数相关汇总

ABCDEF序号哈氏可磨性指数GHI灰分／% w（SiO2）／% w（C）/%煤中SiO2和C总量w／%煤中SiO2和C总量与哈氏可磨性指数的比值K318623.3644.7865.0375.490.88 328636.5950.4754.0872.550.84 338828.8654.6760.2976.070.86 348931.7448.1258.9474.210.83 359030.7451.4458.2374.040.82 369032.0050.5258.5474.710.83 379041.6447.2762.9482.620.92 389033.5458.9255.6475.400.84 399226.2049.5863.0276.010.83 409231.0554.4654.6471.550.78 419419.3750.9071.5281.380.87 429432.4349.3658.3074.310.79 439640.1858.3249.6473.070.76 449823.8553.3665.1277.850.79 4510237.3357.3652.9574.360.73 4614230.5856.2960.5277.730.554715020.1643.7469.9278.740.52

以E列为横轴，A列为纵轴作柱状图，如图1所示。

图1 数据分布图

坐标轴横轴是所求得的比值数据，纵轴是煤样哈氏可磨性指数的数值。从图1可以清晰地看出数据均接近正态分布，而且随着比值的增大，可磨性数值相应的减小，也就是说对大多数煤种煤型而言，从它本身的元素分析组成便可推断出其哈氏可磨性指数的大小范围。

采用回归分析方法，进一步研究它们之间预测效应的大小和方向［5］。对表1中C列（灰中SiO2）数据进行拆分（按照分布，从51.44%处分割数据）的基础上，将灰中SiO2、C对哈氏可磨性指数进行先行逐步回归，结果见表2、表3。

表2 逐步回归分析结果（w（C）≤51.44%，N=47）

当灰中w（SiO2）≤51.44%时，经过1步回归，两个自变量中的碳元素代入方程（R2=91.6%，F=3 156.899，p＜0.001），且碳元素显著负向预测哈氏可磨性指数（β=-0.402，t=-57.442，p＜0.001，R2=91.6%）。

当灰中w（SiO2）＞51.44%时，经过2步回归形成预测模型2（R2=82.5%，F=256.499，p＜0.001）在3个自变量中，灰分显著正向预测哈式可磨性指数（β= 0.206，t=7.096，p＜0.001，R2=81.5%），碳元素显著负向预测哈氏可磨性指数（β=-0.198，t=-6.237，p＜0.001，R2=82.5%）。

表3 逐步回归分析结果（w（C）＞51.44%，N=47）

由此分析可见，大多数煤中的灰分高低决定哈氏可磨性指数的高低，进一步微量分析，可以得到灰中的SiO2含量起到了决定性作用。由于SiO2的莫氏硬度很高，就间接地造成了煤的哈氏可磨性指数偏高，进而会增加电力生产各个环节中的未知因素。

在生产现场里，由于缺少测定哈氏可磨性指数的仪器设备，在收取新煤源煤炭或煤质出现较大波动时，无法掌握煤质本身对磨煤机出力情况影响的数据，因为哈氏可磨性指数越大，在消耗一定能量条件下，磨煤机出力越大。所以，电厂需要根据多种煤质进行掺配入炉燃烧，使磨煤机可以达到最佳出力效果，以减小厂内损耗。

3 适用性比较

对于烟煤与无烟煤以外的其它煤种，例如褐煤、油母页岩等，哈氏可磨性指数在测量方法上是有差别的，这是由于煤炭在各种磨煤机中进行破碎时，由研磨、锤击、挤压等多种作用共同进行。测定哈氏可磨性指数多限定于中速磨煤机，煤样中的粗粒主要靠研磨滚压成粉，而褐煤是变质程度较浅的煤种，本身存在着木质纤维，使用研磨方式难以破碎，而用高速锤击磨则易破碎。但是，褐煤内部水分很大，磨煤过程中伴有干燥作用；另外，煤样处理及破碎操作条件不同也会导致水分的变化，因此会得到不同的哈氏可磨性指数数值。对于油母页岩来说，它属于片层状结构，不同方向受力会产生不同的效果，在顺层向更易于研磨成饼状结构，细小颗粒则易变成薄片，而不易成粉状。此外油母页岩有一定比例含油率，其产生的作用力倾向更加明显，因此哈氏可磨性指数也会相应偏低。

同时，在烟煤中某些劣质煤和含铁量高的煤往往也会得出离群数据。劣质煤一般是灰分较高，灰中的SiO2比例很大；含铁量高的煤则是煤中伴有硫铁矿，其中硫化铁、硫酸盐铁占主要成分。这些烟煤中的特殊成分往往不容易判断其可磨性数据规律，由此对于求得的数值常常是离散态分布，所以应当避免采取此种样本进行数理统计。

4 结语

通过对山东省内各个火力发电厂的47个煤质样本进行灰成分分析，统计灰分、灰中SiO2等指标的分布情况，通过数理统计分析以及采用回归分析方法进行理论研究，得出了灰分、灰中SiO2与哈氏可磨性指数的计算规律，进一步可以用灰成分方法来预测煤的哈氏可磨性指数的方法。可以为电厂日常运行提供一种简单、快速的验证方法。

另外，如褐煤等特殊煤种目前还无法利用以上规律方法得到满意的验证结果，这还需要后续样本数量累计足够多以后，再进行相关性规律研究，从而进一步完善不同煤种的验证方法。

［1］曹长武.火电厂煤质监督与检测技术［M］.北京：中国标准出版社，2010.

［2］李英华.煤质分析应用指南［M］.北京：中国标准出版社，2009.

［3］段云龙.煤炭试验方法标准及其说明［M］.北京：中国标准出版社，2004.

［4］张军.电力用煤煤质特性指标浅析［J］.煤质技术，2007（S1）：26-28.

［5］卢纹岱，吴喜之.SPSS for Windows统计分析（第三版）［M］.北京：中国电力出版社，2005.

The Relationship between the Coal Ash Composition and the Hardgrove Grindability Index of Power Coal

The coal ash composition and the Hardgrove grindability index of coal samples of coal-fired power plants in Shan dong were measured.Using the distribution of coal ash composition and Hardgrove grindability index，the relationship between them was expounded，and the inner link was discussed.The rules of calculation were showed based on the stepwise regression analysis.A kind of simple and feasible prediction method of the Hardgrove grindability index was found finally.

grindability index；ash composition；ultimate analysis

TK113

：B

：1007－9904（2014）05－0060－04

2014-05-22

于磊（1979—），男，从事火力发电厂煤质分析工作。