多元灰分煤炭进行恒定灰分配煤系统方案探讨
多元灰分煤炭进行恒定灰分配煤系统方案探讨
前言：
我国是一个煤炭资源丰富的国家，国内煤化工的发展正方新未艾。但由于煤炭资源分布不均衡，北方地区（山西、宁夏、内蒙、新疆）煤资源丰富、单口矿井煤储藏量大、开采煤层平均厚度高、煤种及煤质稳定；而西南地区（云南、贵州、四川）煤资源相对丰富、但单口矿井煤储藏量小、开采煤层平均厚度低、煤种煤质不稳定、原煤的灰分含量高且多变。对于煤化工来说能采用一种煤种固定、煤质稳定的原料煤，不仅能够很好的选择煤气化工艺线路，而且对于气化工艺稳定运行也是至关重要的。如何使灰分含量高且多变的多元灰分原煤变为灰分含量相对稳定原煤，便是我们一直在考虑的问题，本文将就多元灰分的原煤炭进行恒定灰分配制进行实际探讨，提出自己解决方案。
关键词：多元灰分 在线灰分仪 配煤工艺过程 仪表控制和实现
一、多元灰分煤炭
根据对西南地区（云南、贵州、四川）煤资源情况的了解，单一矿井产大多数年产煤量不足5万吨，而且，原煤具有高灰融点、高硫含量、高灰分、低挥发分、反应活性差等特点，其中灰分含量还极不稳定，即使同一矿井出的原煤，其灰分含量变化也较大，此煤种对于发展煤化工来说给选择气化技术带来了比较大困难。
为了解决这一困难，如何将每年数以百万吨计的各种灰分含量的煤，进行合理的组合（配制）成，灰分相对稳定的，能满足煤气化工艺稳定运行的煤源呢？
回答该问题一般可采用两种方法：一是采用煤炭洗选的方案，即是将多元灰分的原煤，直接进入洗选厂（重介或跳台洗选工艺）洗选，使得灰分控制在一定的量上。这当然是一种非常好的选择方案,但相对来说，其投资和运行成本是比较高的。找到一种投资和运行成本相对比较低，同时又能保障灰分恒定的方案即是 本文所探讨的配煤方案。
所谓多元灰分配煤，就是针对各种灰分含量的入场煤，通过安装在输煤皮带上的在线灰分仪在线测量出各单位段中煤的相对灰分含量，首先进行选择分堆（区分高灰分段、低灰份段、中灰分段），然后，将高灰分段煤与底灰分段的煤利用在线灰分仪实施动态的配比调节控制，使得配比后的煤达到与中灰段煤相同的、灰分相对稳定的气化用煤。多元灰分配煤的全过程采用了计算机全自动控制实现。
二、煤的灰分：
煤的灰分主要是指：煤在特定条件下完全燃烧后的残留物，主要包括有黏土、页岩、方解石、硫铁矿及其他微量成分，其主要组分是SiO2、Al2O3、CaCO3、CaSO4、FeS2等。灰分的测量方法有很多，但无外乎分为分析室离线测量、在线射线快速测量和便携式射线测量。
利用在线射线快速测量是配煤的关键设备之一，目前，用于煤炭灰分在线测定的方法几乎都是放射法，它根据射线照射煤样时，使得射线与煤中的原子发生碰撞能量被吸收，射线能量被吸收的程度它服从指数定律：
与被射介子的密度、厚度和化学组分有关。而化学组分又取决于组分中各种原子序数的组分，根据质量吸收系数与能量、元素原子序数的关系曲线不难看出，在射线能量低于0.1MeV下，质量吸收系数随元素原子序数的增大而迅速增大。在煤的组分中，主要是低元素原子序数的C、H、O、N和中等元素原子序数的Si、Al、Fe、Ca、Mg。而中等元素原子序数的Si、Al、Fe、Ca、Mg正好构成了煤的灰分。
所以，当灰分增大时，中等元素原子序数的比例增大、质量吸收系数也增大。利用这一点，射线灰分仪被广泛的得到应用。
现有国产在线灰分仪主要有：辽宁丹东测控中心的DF-5753、北京伟波公司WILPO C411 、西安众德ZDW-300、陕西西安SMART-800以及河南开封测控技术有限公司等。在线灰分仪其精度一般都可以控制在小于2%，都可以实现200ms采样周期、4～20mA仪表灰分信号输出，稳定性、可靠性较高。
正是基于在线灰分仪的高可靠性，使得在线灰分配煤成为可能。
三、多元灰分配煤的工艺过程
根据我公司供煤特点，多元灰分配煤采用二步走到办法，第一步是将汽车、火车运输收到的多元灰分原煤通过自动化配煤设备进行初分堆放，也就是将原煤根据其灰分不同分成低灰分段煤、精选中灰分煤和高灰分段煤三堆。第二步是将低灰分段煤与高灰分段煤按比例在自动化配煤设备上混合配制，使得混合配煤的灰分恒定在气化炉要求的指标。
1、第一步初分工艺， 如图一所示：
工艺说明：
多元灰分的原煤先经破碎筛分后，在经旋转送料机送至皮带1，快速灰分检测仪1检测灰分并控制调节调节椎阀1。
若灰分过高（h1≥h+2%）时认为是高灰部分，计算机调节椎阀1使原煤全部卸分至集煤筒2，堆放至高灰分段煤堆；若灰分不过高（是低灰和中灰），计算机调节椎阀1使原煤全部卸分至集煤筒1，进入皮带2。皮带2上的低灰和中灰经过灰分仪2检测灰分h2并控制调节调节椎阀2。
若灰分中高（h-2%≤h2＜h+2%）时认为是中灰部分，计算机调节椎阀2使原煤全部卸分至集煤筒4，堆放至中灰分段煤堆；而此处选定的灰分为中高煤就是要配的煤。
若灰分不高（h2≤h -2%）时认为是是低灰部分，计算机调节椎阀2使原煤全部卸分至集煤筒3，堆放至低灰分段煤堆。注：（h:为气化用煤设定灰分值）
经过多元灰分初分，能有效的将多元灰分原煤分为低灰段煤、中灰段（灰分相对恒定、灰分含量为中等）、高灰分段煤。在此过程操作中，较为重要的参数是中灰段（灰分相对恒定、灰分含量为中等）的设定，它应该是一个综合煤种灰分的量，同时，它也是一个基本恒定的量。比例滑动调节椎阀1和比例滑动调节椎阀2是一台双位调节阀，仪表机械易于实现。
2、第二步多元灰分配煤工艺，如图二所示：
工艺说明：
该步工艺是紧接第一步工艺的，高灰分段的多元煤经旋转送料机送至皮带4，皮带4上的高灰分段的多元煤经快速灰分测定仪4测得灰分h4，皮带秤测得重量W4，进入混煤筒，低灰分段的多元煤经旋转送料机送至皮带4，皮带4上的低灰分段的多元煤经快速灰分测定仪3测得灰分h3，皮带秤测得重量W3，经过调节椎阀3分配相应的煤经集煤筒6进入混煤筒，使得混煤筒出来的煤，在皮带5上的灰分h5达到我们要求的恒定的灰分的煤。调节椎阀3剩余的煤进入集煤筒5，再经皮带6返回低灰段煤堆。
比例滑动调节椎阀3满足如下调节比例关系式：
(W4×h4＋X×h3)/W4＋X = h h是我们希望达到的灰分值SP。
即 X = W4(h4-h)/(h-h3) ……………………（2-1）
（2-1）表示希望低灰的配给量。
由于 调节椎阀3视为0～100%线性可调的，求得：
调节椎阀3的调节输出为：
L = X/W3
即 L = (W4/W3)×((h4-h)/(h-h3)) 案 ……………………（2-2）
也就是，当高灰分段的煤某些时刻，测量灰分后h4接近h设定值时，需要加入低灰分段的煤越少，L越接近零，大部分低灰分段的煤进入了巡环返回，少部分低灰分段的煤进入了混配。反之，当高灰分段的煤某些时刻，测量灰分后h4远离h设定值时，需要加入低灰分段的煤越多，L越接近100%全开，少部分低灰分段的煤进入了巡环返回，大部分低灰分段的煤进入了混配。
3、多元灰分配煤改进工艺：
如图三所示：
要使如图二所示第二步多元灰分配煤工艺，顺利实施，它是有相当大缺陷的，从（2-1）可看出，X必须满足如下关系：
X = W4(h4-h)/(h-h3)≤W3
也即是：W4=W3 时:
h4-h≤h-h3
即： h≥(h4+h3)/2
但是 h值的确定预先并不能准确给出，它仅可以大体设定，因为最高灰分值和煤量不可准确给出。而用户总是希望混配的煤不仅灰分要仅可能恒定，其灰分是越低越好。往往实际设定时h 是可能小于(h4+h3)/2的。因而，有了如图三所示的比例混合配改进工艺
图三与图二的区别是在皮带4(高灰分段煤输入皮带)的下方增加了比例滑动调节阀4，和皮带7(高灰分段煤返回输入皮带)。而比例滑动调节阀3的控制与改进前的控制一样不变高，比例滑动调节阀4受h5最总灰分按PID控制参数调节。
当，X满足如下关系：
X = W4(h4-h)/(h-h3)≤W3 时 ，
h5最总灰分PID控制参数调节是精细调节控制，比例滑动调节阀4动作很小，皮带7返回量很小。h5主要是由比例滑动调节阀3动作实现。
而当，X不能满足如下关系：
X = W4(h4-h)/(h-h3)≤W3 时，
此时，低灰份段皮带3的煤全参与混配，比例滑动调节阀3动作全开，皮带7返回量很小为零。h5主要是由比例滑动调节阀4动作实现。皮带7有返回量。
四、仪表控制和实现
关键仪表设备有：
电子皮带秤： 2台
在线灰分仪： 5台
比例滑动调节阀： 2台（双作用）
比例滑动调节阀： 2台（0 – 100%可调）
PLC控制系统： 1台
具体实施时需要注意的几个问题：
1、 在PLC系统编程时，必须对相应的测量型号予处理，即：当在线灰分仪表测得h4小于h时，系统应将h4置于 h4 = h；同理，当在线灰分仪表测得h3大于h时，系统应将h3置于 h3 = h；系统记录强置次数。若，系统连续出现5次 强置应报警提示；系统连续出现20次 强置应停车检查；
2、 为了确保皮带上单位切面的煤炭灰分相同，在煤炭上皮带时，仅可能安排混合筒充分混合后上皮带；
3、 在线灰分仪表3和在线灰分仪表4安装位置，应预先试验，确保同时经过灰分仪表的煤，同时到达混煤桶。
4、 关于和h的确定，主要应根据对多元灰分原煤平均灰分的预估，如：h设得过低，那将会有大量高灰分段原煤无法参与配煤（低灰份段煤不足），如：h设得过高，那将会有大量低灰分段原煤无法参与配煤（高灰份段煤不足）。
五、结论
根据上述探讨分析，不难得出结论：利用多元灰分煤炭进行恒定灰分配煤是可行的方案，其不仅能较合理有效的解决煤气化工艺要求入炉煤灰分恒定的问题，而且，在实际工程实施过程中，其投资、消耗都将大大小于其它恒定灰分的方法，并最大程度上利用了全部原煤，确保了煤气化炉原料的最少消耗。该方案的成功使用必将为该地区煤种广泛利用探索更新的前景。
