淺析單一煤種及混煤中灰分與發(fā)熱量的相關關系

章 靖，王 績

(浙江越華能源檢測有限公司，浙江 寧波 315211)

0 引 言

在煤質(zhì)分析中，煤的發(fā)熱量是單位質(zhì)量的煤在一定溫度下完全燃燒時所釋放出的熱[1]，是動力煤炭的重要指標，是鍋爐熱平衡、能量計算等的重要依據(jù)。灰分是指煤樣在規(guī)定條件下完全燃燒后所得的殘留物[2]，是煤中礦物質(zhì)氧化和分解的產(chǎn)物。從工業(yè)分析來看，煤的主要組成成分是固定碳、揮發(fā)分、不同數(shù)量的礦物質(zhì)以及水分，其中礦物質(zhì)中除硫鐵礦在燃燒時產(chǎn)生少量熱以外，其他絕大多數(shù)在燃燒時不產(chǎn)生熱量，反而會吸熱分解[3]。作為動力煤計價的主要指標，煤的發(fā)熱量與其可燃成分及其含量直接有關。因此，為了審核實驗室發(fā)熱量測定結(jié)果是否可靠，需對發(fā)熱量與灰分進行相關分析，推導出兩者之間的相關關系。

煤用作動力燃料時，灰分含量增加，煤中可燃及其他產(chǎn)熱物質(zhì)含量相對減少，煤的發(fā)熱量降低。相關研究表明，煤炭發(fā)熱量與其他指標之間存在著相關關系，其中灰分對發(fā)熱量的影響較為顯著，在其他特性相似的情況下，隨著煤中灰分含量的增加，其發(fā)熱量降低[4-7]。吳鎮(zhèn)君等[8-11]分別采用不同方法模型研究了動力煤發(fā)熱量與灰分含量之間的相關關系，劉偉等[12-16]推導了利用煤中灰分含量估算發(fā)熱量的經(jīng)驗公式。

目前學者們對某一煤種煤的發(fā)熱量與灰分之間的關系研究較多，而分別針對單一煤種、混煤的發(fā)熱量與其灰分含量關系的研究對比鮮有所聞。筆者通過試驗進一步探究了單一煤種及混煤中灰分與發(fā)熱量的線性相關關系，根據(jù)試驗結(jié)果分別推導出適用不同煤炭的經(jīng)驗公式并驗證了預報精度，以依據(jù)煤中灰分含量對發(fā)熱量進行預測及校核。

1 測定方法

1.1 灰分測定方法

試驗選取快速灰化法[2]，即在預先灼燒至質(zhì)量恒定的灰皿中，稱取粒度小于0.2 mm的一般分析試驗煤樣(1±0.1) g，稱準至0.000 2 g，放入馬弗爐中，以一定的速度加熱到(815±10)℃，灰化并灼燒到質(zhì)量恒定，以殘留物的質(zhì)量占煤樣質(zhì)量的質(zhì)量分數(shù)作為該煤樣的空氣干燥基灰分(Aad,%)，計算方法見公式(1)。同時測定內(nèi)水，計算干燥基灰分(Ad)作為試驗探究，以排除水分的影響。

(1)

式中,Aad為空氣干燥基灰分的質(zhì)量分數(shù)，%；m為稱取的一般分析試驗煤樣的質(zhì)量，g；m1為灼燒后的殘留物的質(zhì)量，g。

灰分測定的精密度見表1規(guī)定。

表1 灰分測定的重復性限和再現(xiàn)性臨界差 Table 1 Repeatability limit and reproducibility critical difference of ash content determination

%

1.2 發(fā)熱量測定方法

試驗采用自動氧彈熱量計法測定比對煤的空氣干燥基高位發(fā)熱量(Qgr,ad)，實驗數(shù)據(jù)以干燥基高位發(fā)熱量計算(Qgr,d)，以排除水分對發(fā)熱量的影響[4]，即在燃燒皿中稱取粒度小于0.2 mm的空氣干燥基煤樣(0.9～1.1) g，稱準到0.000 2 g，使用安裝調(diào)節(jié)好的熱量計，按照規(guī)范逐步完成試驗并顯示數(shù)據(jù)，扣除硝酸形成熱及硫酸與二氧化硫形成熱之差后通過公式(2)計算得出煤的干燥基高位發(fā)熱量Qgr,d[1]。

(2)

式中，Qgr,ad為空氣干燥基高位發(fā)熱量，J/g；Mad為煤的空氣干燥基水分的質(zhì)量分數(shù)，%。

發(fā)熱量測定的精密度包括重復性限和再現(xiàn)性臨界差,國標中其值分別為120 J/g、300 J/g。

2 試驗部分

2.1 單一煤種試驗

現(xiàn)以穩(wěn)定性較好的單一煤種為試驗樣品，隨機選取10份灰分不同其他特性相似的煤樣，分別編號A1，A2，…，A10進行試驗。試驗數(shù)據(jù)見表2，灰分對發(fā)熱量的影響曲線如圖1所示。

分析表2可知，單一煤種煤炭的發(fā)熱量隨著灰分含量增加而降低，兩者之間存在著負相關關系。觀察圖1散點分布情況可知，發(fā)熱量與灰分含量呈現(xiàn)一元線性相關關系。以y1表示發(fā)熱量(Qgr，d)、

表2 單一煤種煤樣所測得的發(fā)熱量
Table 2 Calorific value measured from single type coal sample

樣品編號灰分Ad/%發(fā)熱量Qgr,d/(MJ·kg-1)A113.5128.38A217.1027.91A318.7127.19A419.7226.67A520.0226.61A620.4526.39A721.2226.34A821.5026.09A922.8425.72A1023.7025.79

圖1 單一煤種灰分含量對發(fā)熱量的影響曲線Fig.1 The influence curve of ash content on calorific value of a single type of coal

x1表示灰分含量(Ad)，利用一元線性回歸法(公式(3))求出發(fā)熱量與灰分的關系如公式(4)所示，線性相關性可利用公式(5)中相關系數(shù)R進行檢驗。

(3)

y1=-0.291 3x1+32.499 7

(4)

(5)

計算得出R=-0.976 9，從相關系數(shù)表中查得臨界值R0.01,8=0.765，|R|>R0.01,8，證明單一煤種的發(fā)熱量與灰分含量相關高度顯著。由公式4預測，煤中灰分每增加1%，其發(fā)熱量下降約291 J/g，且估算誤差會比較小。

2.2 混煤試驗

以1種混煤為試驗樣品，隨機選取10份灰分不同但其他特性相似的煤樣，分別將其編號為B1，B2，…，B10并進行試驗。試驗數(shù)據(jù)見表3，灰分對發(fā)熱量的影響曲線如圖2所示。

表3 混煤煤樣所測得的發(fā)熱量
Table 3 Calorific value measured by a sample of mixed coal

樣品編號灰分Ad/%發(fā)熱量Qgr,d/(MJ·kg-1)B18.4529.41B29.7929.22B311.9628.39B413.4727.99B514.4527.57B615.2427.30B715.8127.19B816.3126.81B917.4026.75B1018.6226.35

圖2 混煤中灰分含量對發(fā)熱量的影響曲線Fig.2 The influence curve of ash content on calorific value of mixed coal

分析表3及圖2，利用公式(3)、公式(5)計算得到混煤發(fā)熱量與灰分含量的關系及相關系數(shù)R如下:

y2=-0.317 2x2+32.185 9

(6)

R=-0.995 3

同理有|R|>R0.01,8，可證明該混煤發(fā)熱量與其灰分含量線性相關高度顯著，這一性質(zhì)與單一煤種相似。

2.3 單煤和混煤發(fā)熱量與灰分相關性的比較

將單煤和混煤發(fā)熱量與灰分的相關性繪制在同一坐標系下，得圖3。

圖3 單一煤種和混合煤種灰分含量對發(fā)熱量的影響 曲線對比Fig.3 Comparison of influence curves of ash content on calorific value of single type coal and mixed coal

分析圖3可知，當灰分含量相同時，該單一煤種的發(fā)熱量較高；發(fā)熱量相同，該混煤的灰分含量較低，即產(chǎn)生相同熱量時該混煤完全燃燒所產(chǎn)生的殘留物質(zhì)量較小。通過比較兩條曲線的斜率可知，相對于單一煤種，該混煤的發(fā)熱量受煤中灰分含量的影響更大。

2.4 驗證試驗

仍以試驗2.1中的單一煤種為試驗樣品，隨機選取10份灰分含量接近21%且其他特性相似的煤樣，分別編號C1，C2，…，C10進行試驗。10份煤樣實測發(fā)熱量與由公式4估算發(fā)熱量的差值ΔQgr,d見表4，灰分對發(fā)熱量的影響曲線如圖4所示。

分析表4和圖4，利用公式(3)計算得到灰分與發(fā)熱量的關系，參見公式(7):

y3=-2.404x3+77.067 8

(7)

利用公式(5)計算得到相關系數(shù):

R=-0.862 3

同理有|R|>R0.01,8=0.765，仍可證得y與x線性相關高度顯著。

表4 相近灰分單一煤種煤樣所測得的發(fā)熱量
Table 4 Calorific value measured from coal samples of single type coal with similar ash content

樣品編號灰分Ad/%發(fā)熱量Qgr,d/(MJ·kg-1)估算實測差值ΔQgr,d/(MJ·kg-1)C121.0026.3826.620.24C221.0126.3826.390.01C321.0126.3826.480.10C421.0126.3826.610.23C521.0126.3826.640.26C621.0626.3726.510.14C721.1126.3526.470.12C821.1226.3526.19-0.16C921.1626.3426.21-0.13C1021.1826.3326.10-0.23

圖4 灰分相近單一煤種灰分含量對發(fā)熱量的影響曲線Fig.4 The influence curve of ash content on calorific value of single type coal with similar ash content

由此可知，其他特性相似時，灰分含量相近的單一煤種煤炭，其發(fā)熱量也相近，且發(fā)熱量與灰分之間仍存在高度顯著的線性相關關系。

為表示回歸方程的預報精度[3]，利用公式(8)計算回歸方程的標準偏差S。

(8)

經(jīng)計算，試驗2.1、2.2、2.4中回歸方程的預報精度分別為:S2.1=0.199、S2.2=0.107、S2.4=0.104，即對發(fā)熱量的一次觀測值的平均變差的大小分別為:199 J/g、107 J/g、104 J/g，均小于國標規(guī)定的再現(xiàn)性臨界差300 J/g。

針對3個試驗中的煤炭，由相應的回歸方程計算可知，若使其發(fā)熱量差值ΔQgr，d小于300 J/g，則應使灰分差值ΔAad分別小于1.02% 、0.95% 、0.12%，此時利用回歸方程估算煤的發(fā)熱量具有較高可信度。

3 結(jié) 語

隨著灰分增加，煤中可燃物質(zhì)含量下降。煤的發(fā)熱量隨灰分含量的增高而降低，且兩者之間線性相關高度顯著。不論是單一煤種煤炭還是混煤，煤的發(fā)熱量均可用灰分含量進行估算。實驗室通過日常積累大量實測有效數(shù)據(jù)，用來推導出利用灰分計算發(fā)熱量的經(jīng)驗公式及相應的誤差范圍。當數(shù)據(jù)容量足夠大時，在實驗室內(nèi)只要測定灰分含量即可較好地估算相應煤的發(fā)熱量，作為實測值的重要參考。

對于同一煤田同一煤層產(chǎn)出的或來自同一流向性質(zhì)穩(wěn)定的單一煤種煤炭，經(jīng)驗公式對煤炭生產(chǎn)、洗選控制煤質(zhì)等具有重要的指導意義。而動力煤炭多為篩混煤、洗混煤等，基于經(jīng)驗公式估算入爐煤發(fā)熱量，可有效減小燃煤化驗數(shù)據(jù)滯后的影響，便于及時掌握燃煤信息以指導燃燒調(diào)整及配煤摻燒管理。

需指出，用經(jīng)驗公式估算的發(fā)熱量只可用于實驗室結(jié)果審查及生產(chǎn)(加工利用)廠礦質(zhì)量控制，不能用作商業(yè)結(jié)算或其他要求較高準確度的場合。