煤的磨损特性及磨损指数(张院长讲义).

煤的磨损特性与磨损指数张经武整理2014.6.1固体颗粒的磨损2气固两相流的流动与磨损3燃烧器与制粉系统管道一次风速的推荐流速4煤的特性与磨损指数5煤的磨损指数的判据1固体颗粒的磨损特性1.1磨损的类型（1）冲刷磨损（2）撞击磨损1.2磨损的影响因素（1）颗粒的硬度及磨损成分煤中质量百分数，%莫氏硬度维氏硬度kg/mm2成分煤中质量百分数，%莫氏硬度维氏硬度kg/mm2纯煤石英黄铁矿851.61.51.2~1.576~710~701200~13001100~1300蓝晶石黄玉＜0.1＜0.16~78500~21501500~1700硅酸盐：高岭土伊利石白云母长石533＜0.12~2.52~2.52~2.5630~4020~3540~80700~800碳酸盐：方解石菱镁矿菱铁矿矾土0.50.10.2稀少3449130~170370~520370~4301200（2）金属材料的硬度纯煤的维氏硬度10~70（kg/mm2）锰钢的维氏硬度180~220（kg/mm2）石英的维氏硬度1200~1300（kg/mm2）（3）煤中的灰成分SiO2和Al2O3是灰分特性中影响磨损的特别重要的因素。SiO2和Al2O3的比值越大，磨损越严重。因此，常常将SiO2和Al2O3的比值作为一种判别准则。（4）颗粒的直径当颗粒很小时，冲刷磨损很小。随着颗粒直径的增大，其质量随之增加，撞击动量也随着增大，磨损量也随之增加。当颗粒直径达到某一临界值后，磨损量几乎不变，或者变化十分缓慢。一般认为，在相同的颗粒浓度下，颗粒直径越大，单位体积内颗粒数量就越少，虽然大颗粒冲击壁面磨损能力较大，但冲击到壁面的总颗粒数降低，所以材料的磨损量仍变化不大。（5）颗粒的浓度材料的冲刷磨损基本上与浓度的一次方成正比。（6）颗粒的速度颗粒速度对冲蚀量的影响是研究材料冲蚀磨损的重要方面，磨损量与颗粒速度成n方关系。试验研究表明，磨损量与颗粒速度的3次方成正比。提高速度，会使颗粒的动能增加，从而导致冲蚀磨损迅速加剧，所以流速越大，n值也将越大。2气固两相流的流动与磨损2.1管道内气固两相流的流动与磨损靠近燃烧器处一次风管内的气固（空气与煤粉）两相流动中，除了流速之外，煤粉浓度沿径向的分布规律，对管道的磨损也有较大影响。（1）铅垂直管内气固两相流动，颗粒浓度在截面上对称分布。（2）水平圆管道，由于颗粒受到重力作用，在管道底部颗粒浓度最大。（3）在管道弯曲部分，颗粒和管道外侧发生碰撞并减速，在一定情况下，管道曲率越大，减速也越大。弯管外侧将受到强烈的磨损，其磨损与弯曲半径成反比。在同样的进口流速下，R/D（弯管半径/管子直径）越小，分离在弯管外侧的煤粉量越多。一般取R/D=6~10。这时弯管部分的磨损较小。2.2百叶窗煤粉分离器内气固两相流的流动与磨损在百叶窗浓缩器设计中，叶片倾角和遮盖度是2个重要的结构参数。对于百叶窗浓缩器磨损的研究表明：（1）在任何工况下各级叶片的磨损程度不同，后级（沿来流方向，向后排列）叶片磨损更严重。并且各级叶片磨损程度的差异大小，还受结构因素的影响（如叶片倾角和这盖度）。（2）叶片倾角和遮盖度等结构参数，以及总的结构布置对各级叶片磨损有较大影响，如倾角增加，各级叶片磨损量逐渐减小，在倾角30℃左右，磨损量出现最低值；遮盖度增大，各级叶片磨损量呈现近似线性减小的趋势，后两级减小迅速，在遮盖度ψ=s/H=0.4时达到最小值。（3）从磨损位置来看，前两级叶片受颗粒磨损较均匀，而后两级叶片不同部位差别很大，严重磨损部位集中在叶片中前部。遮盖度对严重磨损部位有较大影响。（4）随气流速度增加，各级叶片的磨损量急剧增加，磨损量与气流速度符合E∝Vn（n＞3）的关系，而且各级叶片的n值不同。给粉浓度增大，各级叶片的磨损量会急剧增大，呈明显的线性关系.（5）在结构上，根据数值预测结果，采取了相应的防护措施，重点防护后级叶片和浓侧出口喉部壁面的磨损，取得了效果。3燃烧器与制粉系统管道一次风速的推荐流速如上所述，燃烧器与制粉系统的一些零部件和管道的磨损，与流速呈3次方的关系，因此选用合理的流速和均流就非常重要。3.1燃烧器的一次风速按JB/T10440-2004《大型煤粉锅炉及燃烧器性能设计规范》推荐的燃烧器一次风速度，也可按DL/T831-2002《大容量煤粉燃烧锅炉炉膛选型导则》选取。这两个标准推荐的数据很接近。燃烧器一次风速的推荐值燃烧方式煤种300MW600MW直吹式制粉系统切向燃烧燃烧器（BMCR工况）低Vdaf煤烟煤褐煤20~2422~3016~2222~2624~3218~25贮仓式制粉系统切向燃烧燃烧器（BMCR工况）低Vdaf煤烟煤劣质烟煤①20~2825~3022~27———直吹式制粉系统对冲燃烧燃烧器（BMCR工况）低Vdaf煤烟煤—14~2014~24—14~2014~24—贮仓式制粉系统对冲燃烧燃烧器（BMCR工况）低Vdaf煤——14~18——14~18——①当烟煤灰分Aad＞40%，Qnet,ar小于16.7MJ/kg或Aad＞32%的洗中煤可定为劣质烟煤3.2制粉系统管道一次风速按DL/T5145-2002《火力发电厂制粉系统设计计算技术规定》推荐的制粉系统管道中的介质流速。制粉系统管道中含粉气流流速管道名称推荐流速，m/s一次风总管15~25贮仓式制粉系统干燥剂送粉的送粉管道22~28①贮仓式制粉系统热风送粉的送粉管道28~32②直吹式制粉系统的送粉管道22~28①三次风管道22~40通往烟囱或炉膛上部的乏气管道22~35①对于长管道宜取上限。②当气粉混合物温度超过260℃时，宜取上限。对于长管道宜取上限；在高海拔地区，经修正后的热风送粉流速不宜超过35m/s。按磨煤机可能出现的最低负荷运行方式，核算送粉管道流速不应低于18m/s。4煤的特性与磨损指数4.1磨损指数的研究为了判断煤质的优劣，可通过对煤进行常规的工业分析，用发热量、固定碳、挥发分、灰分、水分等项指标来得到反映，或进行煤的元素分析获得更多的指标；用可磨性指数表征煤被破碎的难易程度；用磨损指数表征煤在破碎时对金属的磨损性大小，即磨损指数。4.2磨损指数与可磨性指数的关系（1）煤的可磨性指数与煤在破碎时对金属的磨损指数，是两个完全不同的概念。但两者有某些相似之处。即都是在破碎的情况下，而测定的却是煤的两个不同的物理特性。测定可磨性指数的理论依据是根据物料破碎定理：在研磨物料时所消耗的功（能量）与所产生的新的表面积成正比。而可磨性指数反映的是煤被破碎到要求的细度时消耗能量的多少，具体应用这项指标是在实际磨煤机磨煤产量所受到的影响。（2）如图表明，可磨性指数与磨损指数关系的数据点很分散，没有显见的关系，进行线性回归计算，得出煤的可磨指数与磨损指数两者的相关指数仅0.32，说明两者不构成显著的函数关系。煤的磨损指数与煤中主要矿物成分含量关系4.3磨损指数与灰分的关系灰分是煤中的有害成分，灰分增加，无论对磨制还是燃烧都增加危害性。一般认为含灰量高的煤种，在磨制破碎时对金属磨损严重。如下图所示，为判断煤的磨损特性与灰分的关系，灰分与磨损指数的数据点很分散，没有明显的关系。灰分与磨损指数的相关指数为0.5，表明二者线性关系不显著。对磨损指数与灰分关系判断分析，目的是想利用灰分这项常规指标来预测煤的磨损性大小是否能提供一定参考作用。而灰分这一指标本身是有局限的，磨损指数与灰分的关系4.4煤的磨损指数与煤中主要矿物成分含量关系的分析（1）对煤中矿物成分的硬度分析可知，粘土类矿物高岭石和碳酸盐类矿物方解石的硬度一般为2~3（莫氏硬度），相当于维氏硬度10MPa以下，对金属磨损作用甚微。褐铁矿虽然分布较广，但硬度变化太大，根据它判断对磨损的影响比较困难。由于石英、黄铁矿、菱铁矿（SiO2、FeS2、FeCO3）在煤中分布较广，而且硬度较高，因此可以认为，这三种矿物对煤的磨损性质起着较大的影响。（2）煤的磨损指数和煤中石英、黄铁矿、菱铁矿的含量有一定关系：Ke=f（W）其中，W=α-SiO2+FeS2+FeCO3即认为磨损指数Ke是石英、黄铁矿和菱铁矿三者含量之和的函数。以磨损指数Ke为纵坐标，以石英+黄铁矿+菱铁矿的总和含量W为横坐标，以表4中的数据作图，数据点很分散，没有明显的函数关系。相关系数为0.62，表明二者线性关系不显著。按煤种、W（α-SiO2+FeS2+FeCO3）、磨损指数Ke、灰分Aad、可磨性指数HGI的内容给出91种煤的相互关系的数据，还需要继续积累。5煤的磨损指数的判据5.1国内采用的煤的磨损指数的判据（1）冲击式磨损指数DL465-1992《煤的冲刷磨损指数试验方法》（西安热工研究院制定）据统计，煤种SiO2/Al2O3≤2.0时，几乎所有煤种的Ke≤3.5磨损指数Ke＜11.0~2.02.0~3.5＞3.5~5.0＞5.0磨损程度轻微不强较强很强极强（2）旋转式磨损指数（哈尔滨电站成套所制定）（3）冲刷式和旋转式磨损指数的关系这两种方法的磨损指数换算方法如下：Kexz=9.002Ke+3.685磨损指数Kex≤25＞25~40＞40~50＞50磨损程度轻微不强较强极强5.2各种磨损指数汇集为了判别煤的磨损特性，不同国家和不同企业有自己的磨损判别方法，有可能在工程中遇到不同的磨损判别方法，汇集了不同磨损指数判别方法，以供使用。国际上通常采用旋转叶片式磨损指数测定仪（GB/T15458-1995）测得研磨磨损指数AI。我国常用西安热工院自行设计的冲刷式磨损试验仪器，按DL465-1992进行测定的冲刷磨损指数Ke。（1）冲刷磨损指数Ke（DL465-1992）煤的磨损特性和冲刷磨损指数Ke的关系如下：Ke＜1.0轻微Ke≥1.0～2.0不强Ke＞2.0～3.5较强Ke＞3.5～5.0很强Ke＞5.0～7.0一级极强Ke＞7.0～10.0二级极强Ke≥10.0三级极强（2）回转磨损指数AI（GB/T15458-1995）煤的磨损特性和煤的磨损指数AI（mg/kg）的关系如下：AI30轻微AI=31～60较强AI=61～80很强AI80极强（3）Y·G·P磨损指数按照英国Babcock公司提供的试验机和金属试片（V60±20，低锰碳钢），测试的结果两次平均值（mg/kg），为Y·G·P磨损指数。煤的磨损特性和煤的Y·G·P磨损指数的关系如下：Y·G·P＜20弱磨蚀煤Y·G·P＞20～50中磨蚀煤Y·G·P＞50～70强磨蚀煤Y·G·P＞70极强磨蚀煤（4）旋转磨损指数Kexz哈尔滨电站设备成套研究所的旋转磨损指数Kexz，其判别界限如下：Kexz≤25不强Kexz＞25～40较强Kexz＞40～50很强Kexz＞50极强冲刷磨损指数Ke与旋转磨损指数Kexz的换算见下式：Kexz=9.002Ke+3.685回转叶片式磨损指数测定仪（GB/T15458-1995）测得研磨磨损指数AI，与我国常用按DL465-1992测定的冲刷磨损指数Ke，以及旋转磨损指数Kexz之间，未见到换算关系。（5）俄罗斯对煤磨损特性的判别1）以煤中的Sar和Aar含量分级的磨损指数，其判别界限如下：Sar＜0.5%，Aar＜20%磨损性低Sar=0.5%～0.8%，Aar=20%～25%，磨损性中等Sar＞0.8%，Aar＞25%磨损性强2）以煤的磨损特性分级的磨损指数，其判别界限如下：Кабр＜1磨损性低Кабр1～2.3磨损性中等Кабр＞2.3磨损性强（6）德国Babcock公司的磨损指数KBHB煤的磨损特性和煤的磨损指数的关系如下：KBHB＜160弱磨蚀煤KBHB≥161～340中磨蚀煤KBHB≥341～480强磨蚀煤KBHB≥481极强磨蚀煤德国Babcock公司的磨损指数与Y·G·P磨损指数的换算关系：KBHB=6.6912×(Y·G·P)5.3未取得煤的磨损指数时对煤的磨损特性判别方法在未取得煤的磨损指数的情况下，煤的磨损性也可按灰的成分粗略判别（1）按煤中含灰量和灰成分判别方法1）如果煤中含灰量20%，灰中SiO240%，磨损性属轻微；SiO240%难以判别。2）如果S