煤炭機器人制樣系統水分損失探究

鄭 波，王增慧，劉 軍，楊 勇，郭偉程

(1.貴州省習水鼎泰能源開發有限責任公司，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

在火力發電企業中，煤炭采購成本約占發電總成本的70%，因此，各大電力集團先后啟動燃料智能化建設以提高其競爭力和經濟效益[1-3]。煤炭自動制樣系統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-化驗中至關重要的環節[4-6]，自動制樣的準確性對電廠的生產經營有著至關重要的影響。然而在煤炭制樣過程中，破碎縮分系統的機械設備結構、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生影響，導致自動制樣系統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易結算，甚至影響電廠內部的煤場管理、運煤卸煤系統、鍋爐燃燒、發電煤耗等關鍵環節，因此，須對自動制樣系統全水分損失進行探究，以降低煤炭全水分的損失。

目前，煤炭價格和煤質指標波動較大，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措施；陳立平、何小琴等[8-9]對煤炭全自動制樣系統的水分損失檢驗方法、校正方法進行探討。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備進行性能評價，筆者采用不同水分的煤進入系統進行測試，從而得出機器人制樣系統各環節的水分損失率，并提出相應改進措施，以使機器人制樣系統的總水分損失率降至最低，使其不存在實質性水分偏倚，滿足國家標準要求，用于指導電廠的實際應用。

近年來，自動制樣系統歷經了從傳統流水線式到工業機器人式的演變。筆者所在的研發團隊[10]提出了1種機器人制樣系統機器，探討其中的核心技術，并通過性能試驗驗證其數據有效；崔修強等[11-12]論述機器人制樣系統制樣的流程、制樣系統的設計及其主要特點。筆者針對行業內應用廣泛的1款機器人制樣系統[10]，從全水分樣制取前的各環節進行分析，探索影響煤炭機器人制樣系統水分損失的主要因素，并采用稱重法進行全水分損失率試驗，試驗采用不同的煤種(無煙煤、煙煤、高揮發分煙煤、褐煤)進入機器人制樣系統的存儲、破碎、輸送、縮分環節，得出機器人制樣系統的水分損失率，進一步地從制樣流程、接料方式、樣品清洗等方面提出改進措施，以減少煤炭機器人制樣系統各環節的水分損失。

1 煤炭機器人制樣系統水分損失的影響因素

煤炭在機器人制樣系統中存在水分損失是由于水分蒸發分壓差所導致。煤炭是多孔固體物質，具有易于吸附和蒸發水分的特性，當煤炭所處的環境存在壓差時，吸附水分就會從煤炭表面逃逸而擴散至環境，直到氣壓達到新的平衡。煤炭從進入機器人制樣到制取出全水分樣品，需要經歷存儲、破碎、輸送、縮分等過程。

(1)煤樣存儲環節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，到進入機器人制樣系統，往往需要數小時。煤樣的初始全水分含量、環境溫度、環境濕度、密封情況、煤樣存儲時間均可能造成水分的損失。

(2)煤樣破碎環節水分損失的原因分析。破碎過程中煤炭的多孔結構被不斷破壞、粒度不斷變小產生了新的表面積，孔結構破裂后原孔內吸附的水分暴露在環境當中，形成了水分蒸發壓差，導致水分的蒸發。同時，破碎系統的錘頭與煤炭顆粒物之間反復摩擦和擊打產生了熱量，加上切割元件高速旋轉產生的鼓風加速了煤炭表面的氣流，進一步加大了壓差，使得水分損失得更快。因此，從理論上分析，破碎環節是導致機器人制樣系統水分損失的主要因素。

(3)煤樣輸送及縮分環節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，煤樣被持續鋪設為長條形平攤于膠帶上，以達到合適的縮分刮掃次數。影響該環節的水分損失的因素有：煤炭堆積的厚度、平鋪的長度、膠帶傳輸的速度、環境溫度、濕度、煤樣初始水分含量及粒度等。

2 煤炭機器人制樣系統水分損失試驗

2.1 試驗煤樣

破碎過程水分損失試驗采用最大標稱粒度為25 mm的煤樣，每次試驗樣品20 kg；破碎機出料以后的煤樣為6 mm，用于樣品輸送及縮分的水分損失試驗；樣品存儲環節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無煙煤、寧夏棗泉地區煙煤、陜西榆林地區煙煤、內蒙古東部地區褐煤，每種均為200 kg。試驗用煤樣見表1。

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

2.2 樣品存儲環節的水分損失

樣品存儲環節是指在煤樣進入機器人制樣系統之前在密碼桶內存儲的時間。樣品存儲的工況1是指智能分礦封裝系統的密碼桶不斷集樣的過程，以汽車采樣機為例，假如設置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器人制樣系統的過程，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。

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，計算煤樣的質量損失率。

針對工況2，用密封桶中的煤樣進行封裝試驗，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，并帶桶稱量質量，記錄至表格，計算煤樣的質量損失率。

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

試驗環境溫度為(18±1)℃，濕度為(69±2)%，工況1、2的試驗結果分別見表2、3。從表格數據可得出，在存儲過程中，只要密封嚴密，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負值，即樣品質量增加。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境水分。

表2 工況1的樣品存儲環節水分損失試驗Table 2 Moisture loss test of sample storage after condition 1

表3 工況2的樣品存儲環節水分損失試驗Table 3 Moisture loss test of sample storage after condition 2

2.3 樣品破碎環節的水分損失

試驗采用機器人制樣系統內配置的SDHC5040款破碎機，出料粒度為6 mm。試驗前，先將破碎系統清掃干凈，啟動破碎系統，先需要用相同煤源、相同煤種的部分樣品進行至少1個子樣的“沖洗”，使設備內部環境濕度與煤樣達到平衡，沖洗后的破碎系統在正式進樣前將設備清掃干凈。

4個煤種的煤樣分別人工混合均勻，稱量試驗煤樣質量mR1，將煤樣從破碎機入料口快速投入，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明顯殘留為判斷標準，稱量收集的樣品總質量(mC1)，重復試驗，沖洗后的第1次試驗數據不采用，再進行不少于10次試驗，直到試驗結束。各煤種的試驗結果見表4～7。

表4 煙煤樣品破碎環節的水分損失試驗Table 4 Moisture loss test in bituminous coal sample crushing process

表5 高揮發分煙煤樣品破碎環節的水分損失試驗Table 5 Moisture loss test in high volatile content bituminous coal sample crushing process

表7 無煙煤樣品破碎環節的水分損失試驗Table 7 Moisture loss test in anthracitic coal sample crushing process

從試驗數據表格來看，破碎環節存在明顯的水分損失。

2.4 樣品輸送及縮分環節的水分損失

采用1條3.5 m長的縮分膠帶來進行測試，膠帶和縮分器為全密封結構，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不少于60次。在進行樣品的輸送及縮分環節的水分損失試驗前，同樣采用相同煤源、相同煤種的部分樣品進行至少1個子樣的“沖洗”，使設備內部的環境濕度與煤樣達到平衡，之后，將輸送、縮分單元清理干凈。將上一試驗環節破碎后的煤樣，倒入縮分膠帶機的入料斗，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量MQ1，重復試驗，除第一次試驗數據不采用外，再進行不少于10次試驗，直到試驗結束。各煤種的試驗結果見表8～11。

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

表10 褐煤樣品輸送及縮分環節的水分損失試驗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節的水分損失試驗Table 11 Moisture loss test of anthracitic coal sample transport and shrinkage

綜上所述，煙煤、高揮發分煙煤、褐煤、無煙煤在存儲、破碎、輸送及縮分環節的水分損失的平均值見表12。

表12 各煤種水分損失率統計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、黏附在破碎設備機械表面的樣品損失；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，對破碎機的入料口、接料口、破碎腔內、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明顯殘留為判斷標準；

(2)每一次試驗前后，對縮分膠帶機的入料斗、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明顯殘留為判斷標準；

(3)為減少破碎過程中的粉塵損失，破碎機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行下一步試驗動作；

(4)膠帶和縮分器采用全密封結構，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行至少1個子樣的“沖洗”，使設備內部環境濕度與煤樣盡量達到平衡。

3 減少系統全水分損失的措施

煤的低位發熱量計算公式如下：

(1)

式中，Qnet，ar為煤的收到基低位發熱量，J/g；Qgr，ad為空干基高位發熱量，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)。根據上述2個低位發熱量的計算值，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濟意義。

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。

根據上述煤樣全水分損失因素的分析，對破碎、輸送及縮分環節提出以下減少水分損失的解決措施：

(1)優化流程并盡量減少破碎環節。從采樣到自動測全水，一般至少需要經過一級破碎，將樣品破碎到13 mm或6 mm；如果前端是機械自動采樣，已進行破碎，在進入機器人自動制樣系統后，優先取全水分樣，減少破碎、輸送、縮分的環節。

(2)如需在機器人自動制樣系統進行破碎，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量的樣品對破碎機內部進行沖洗，將破碎機內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之間的環境濕度保持平衡；密封接料是指在破碎機的下方采用接料桶接料，接料時，樣桶的上沿與破碎機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)做好設備的運維、檢修。應定期對錘頭、篩板的機械磨損情況，縮分器的縮分精密度，給料膠帶的張緊度等進行檢測或性能鑒定，對于不符合要求的設備予以維修或更換，從而避免制樣結果、縮分結果存在偏倚，造成水分損失[13]。

(4)對水分損失進行校正[14-15]。按照GB/T 19494.3《煤炭機械化采樣 第3部分：精密度測定和偏倚試驗 》的規定對制樣系統進行水分偏倚試驗，如制樣系統存在實質性水分偏倚，可進行水分偏倚校正。但此時仍需查找產生水分偏倚的原因，采取改進措施，最終使制樣系統達到無實質性水分偏倚的狀態。

4 結 語

(1)煤炭機器人制樣系統水分損失的主要環節包括存儲、破碎、輸送及縮分環節。從理論上分析，破碎環節水分蒸發壓差最高，此為導致機器人制樣系統水分損失的主要因素。

(2)采用稱重法，通過無煙煤、煙煤、高揮發分煙煤、褐煤等不同煤種進入機器人制樣系統的存儲、破碎、輸送及縮分環節，通過試驗數據得出破碎環節是影響水分損失的主要因素，輸送及縮分環節次之，存儲環節幾乎無水分損失。

(3)降低全水分損失對電廠有著顯著的經濟意義，可通過優化制樣流程、減少破碎環節、進行樣品清洗、密封接料、及時進行設備的檢修和維護等方式降低機器人制樣系統的水分損失，并在有實質性水分偏倚時對水分損失進行校正，提升火電企業的效益。