煤的元素分析與工業分析關系的逐層分析與模型構建

李 祥 劉翠茹 李春艷

(國電科學技術研究院，江蘇省南京市，210031)

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★ 煤炭科技·加工轉化 ★

煤的元素分析與工業分析關系的逐層分析與模型構建

李 祥 劉翠茹 李春艷

(國電科學技術研究院，江蘇省南京市，210031)

以123個煤樣的元素分析和工業分析數據為研究對象，采用多元線性回歸方法逐層分析了煤元素分析與工業分析的關系，進而構建了相應的數學模型，并檢驗了模型的適應性。研究結果表明，煤熱解后，碳元素主要存在于固定碳中，揮發分中雖含有碳元素，但其含量遠小于固定碳中的碳元素；在熱解過程中，煤中的氧元素主要以CO和CO2的形態逸出而集中于揮發分中，固定碳中雖含有氧元素，但其含量遠小于揮發分中的氧元素；熱解后煤中的碳元素、氫元素和氧元素協同存在于揮發分和固定碳中，且由于這3種含量不同而導致協同效果產生差異；灰分與煤中的碳元素、氫元素和氧元素的關系實際反映的是煤中可燃物與可燃物中碳、氫和氧的關系，基于煤元素分析與工業分析關系逐層分析所提出的預測模型均具有較好的適應性。

煤 元素分析 工業分析 回歸分析 模型構建

煤的元素分析和工業分析從不同側面反映了煤的性質，兩者之間有著顯著的相關性，與工業分析相比，元素分析操作復雜且耗時長，因此工業上一般只做工業分析。相關專家利用BP神經網絡、VB編程以及支持向量機等方法建立了元素分析與工業分析結果的關聯，進而實現了由工業分析結果從理論上近似計算煤中元素的組成。然而，煤的結構決定其性質，煤的元素組成將直接影響煤的工業分析數據，因此，研究煤的元素分析與工業分析之間的關系是十分必要的，且此方面的研究相對較少。

由于煤的復雜性和一些煤質指標難以量化，描述制約了現有經驗計算公式的推廣，有專家基于向前選擇法的思想，以多元線性回歸方法逐層研究了FT-IR參數與G值的關系，這為研究煤的元素分析與工業分析的關系提供了新思路。綜上所述，本文擬采用多元線性回歸方法逐層研究煤的元素分析數據與工業分析數據的關聯性，并提出相應的預測模型。

1 煤質數據采集及分析

以2016年4月-9月間國電南京煤炭質量監督檢驗中心所檢測的123個煤樣的工業分析和元素分析數據為研究對象，煤質分析數據見表1。

表1 煤質分析數據 %

*由“差減法”得

由表1可以看出，123個煤樣的工業分析數據范圍為4.71% ≤Ad≤47.91%、11.96% ≤Vd≤50.09%、27.50% ≤FCd≤62.54%；元素分析數據范圍為37.81% ≤ Cd≤ 73.16%、2.16% ≤Hd≤ 5.04%、4.72% ≤ Od≤ 21.46%、0.41% ≤Nd≤ 1.62%、0.23% ≤St,d≤ 1.92%，其中Nd和St,d的含量相對較小，故后續研究中將不予考慮。

2 結果與討論

2.1 回歸分析

2.2 煤中碳元素、氫元素和氧元素與揮發分和固定碳的關系研究

表2 煤的元素分析與工業分析指標間關系的多元線性回歸分析結果

*√表示該變量參與回歸分析

圖1 Cd與FCd的關系

Vd=1.67Od+4.65Hd-4.87

(1)

圖3 E13的三維空間圖像

FCd=0.85Cd-0.83Od+3.92

(2)

圖4 E19的空間三維圖像

圖5 Cd與Ad的關系

Ad=-1.04Cd-1.06Od+97.72

(3)

圖6 E5的空間三維圖像

2.3 機理分析

由上述分析可知，揮發分和固定碳中均含有碳元素、氫元素和氧元素，只是這3種元素在煤中的含量不同。因此，熱解后煤中的碳元素、氫元素和氧元素協同存在于揮發分和固定碳中，且這3種含量的不同導致協同效果產生差異。煤灰是煤中各種礦物質燃燒后生成的復雜混合物，而表2中E1～E7表明Ad與Cd、Hd和Od存在不同程度的線性相關性，其原因是Ad+Vd+FCd=100%，即Ad=100%-(Vd+FCd)，因此以Ad為因變量進行多元線性回歸分析時，其實際是以(Vd+FCd)為因變量，分析結果反映的是煤中可燃物與可燃物中碳、氫和氧的關系。

2.4 模型構建與適應性分析

圖7 模型一Vd實測值與預測值對比

綜上所述，本文提出了基于煤元素分析數據的工業分析數據預測模型，見式(1)、式(2)和式(3)。為了檢驗模型的適應性，利用所建立的模型對表1中未參與模型構建的96～123號煤樣的工業分析結果進行預測，結果如圖7、圖8和圖9所示。

圖8 模型二FCd實測值與預測值對比

圖9 模型三Ad實測值與預測值對比

圖10 模型四FCd實測值與預測值對比

3 結論

(1)一元線性回歸結果表明，煤熱解后，碳元素主要集中在固定碳中，而在揮發分中含量相對較少；氫元素在揮發分和固定碳中均有分布，且在揮發分中含量大于在固定碳中；氧元素主要集中于揮發分中，而固定碳中基本沒有氧元素分布。

(2)多元線性回歸結果表明，熱解后煤中的碳元素、氫元素和氧元素協同存在于揮發分和固定碳中，且這3種含量的不同導致協同效果的差異；灰分與煤中的碳元素、氫元素和氧元素的關系實際反映的是煤中可燃物與可燃物中碳、氫和氧的關系。

(3)本文基于煤元素分析與工業分析關系逐層分析所提出的預測模型均具有較好的適應性。

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(責任編輯 王雅琴)

河北省將推行用煤權交易制度

近日，河北省十二屆人大常委會第二十六次會議聽取并分組審議了《河北省節約能源條例(修訂草案)》。《河北省節約能源條例(修訂草案)》明確提出，該省推行用能權、用煤權等交易制度，逐步建立健全用能權、用煤權核定和交易機制，堅持總量嚴控、減量出售、超量購買、企業自愿的原則，建立用能權、用煤權交易平臺，組織企業依法依規開展交易，推動跨區域交易，提高有限資源的有效利用率。《河北省節約能源條例(修訂草案)》規定，該省實行有利于節能的價格政策，引導用能單位和個人節能。實行峰谷分時電價、季節性電價、可中斷負荷電價制度，提高用電效率。對能源消耗超過國家和省能耗限額標準的用能單位，實行懲罰性電價；對主要耗能行業的用能單位，分淘汰、限制、允許和鼓勵類實行差別電價。實行居民用電階梯電價，引導合理、節約用電。

Layer-by-layer analysis and model establishment of relationship between ultimate and industrial analysis of coal

Li Xiang, Liu Cuiru, Li Chunyan

(Guodian Science and Technology Research Institute, Nanjing, Jiangsu 210031, China)

Data of ultimate and industrial analysis of 123 coal samples were used as experiment objects and multiple linear regression method was carried out to analysis layer-by-layer on relationship between ultimate and industrial analysis of coal. Corresponding mathematical models of the relationship were built and the adaptability of the models was tested. The results showed that carbon mainly exists in fixed carbon after coal pyrolysis. Although volatile matter contained carbon, the amount of carbon in volatile matter was much less than that in fixed carbon. During coal pyrolysis, oxygen escaped as the form of CO and CO2. The amount of oxygen in fixed carbon was much less than that involatile matter though fixed carbon contains oxygen.Burned carbon, hydrogen and oxygen coexisted in volatile matter and fixed carbon, and the coexist effect among the three were different. Relationship between ash and the three elements actually reflected the relationship between combustible matter and the three elements in combustible matter. Prediction models based on layer-by-layer analysis for relationship between ultimate and industrial analysis of coal had favorable adaptability.

coal, ultimate analysis, industrial analysis, regression analysis, model establishment

國家重點研發計劃“大氣污染成因與控制技術研究”重點專項資助(2016YFC0208102)

李祥，劉翠茹，李春艷.煤的元素分析與工業分析關系的逐層分析與模型構建 [J].中國煤炭，2017，43(4)，99-104. Li Xiang, Liu Cuiru, Li Chunyan. Layer-by-layer analysis and model establishment of relationship between ultimate and industrial analysis of coal [J].China Coal，2017，43(4)，99-104.

TQ533

A

李祥(1988-)，男，河南鶴壁人，碩士研究生，目前主要從事燃料檢測方面的工作。