淺析單一煤種及混煤中灰分與發熱量的相關關系

章 靖，王 績

(浙江越華能源檢測有限公司，浙江 寧波 315211)

0 引 言

在煤質分析中，煤的發熱量是單位質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。灰分是指煤樣在規定條件下完全燃燒后所得的殘留物[2]，是煤中礦物質氧化和分解的產物。從工業分析來看，煤的主要組成成分是固定碳、揮發分、不同數量的礦物質以及水分，其中礦物質中除硫鐵礦在燃燒時產生少量熱以外，其他絕大多數在燃燒時不產生熱量，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，為了審核實驗室發熱量測定結果是否可靠，需對發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，煤中可燃及其他產熱物質含量相對減少，煤的發熱量降低。相關研究表明，煤炭發熱量與其他指標之間存在著相關關系，其中灰分對發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，其發熱量降低[4-7]。吳鎮君等[8-11]分別采用不同方法模型研究了動力煤發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熱量的經驗公式。

目前學者們對某一煤種煤的發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熱量的線性相關關系，根據試驗結果分別推導出適用不同煤炭的經驗公式并驗證了預報精度，以依據煤中灰分含量對發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)℃，灰化并灼燒到質量恒定，以殘留物的質量占煤樣質量的質量分數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量分數，%；m為稱取的一般分析試驗煤樣的質量，g；m1為灼燒后的殘留物的質量，g。

灰分測定的精密度見表1規定。

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

%

1.2 發熱量測定方法

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熱量(Qgr,ad)，實驗數據以干燥基高位發熱量計算(Qgr,d)，以排除水分對發熱量的影響[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，使用安裝調節好的熱量計，按照規范逐步完成試驗并顯示數據，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熱量Qgr,d[1]。

(2)

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

發熱量測定的精密度包括重復性限和再現性臨界差,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

現以穩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。試驗數據見表2，灰分對發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，發熱量與灰分含量呈現一元線性相關關系。以y1表示發熱量(Qgr，d)、

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

樣品編號灰分Ad/%發熱量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，從相關系數表中查得臨界值R0.01,8=0.765，|R|>R0.01,8，證明單一煤種的發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。試驗數據見表3，灰分對發熱量的影響曲線如圖2所示。

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

樣品編號灰分Ad/%發熱量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)計算得到混煤發熱量與灰分含量的關系及相關系數R如下:

y2=-0.317 2x2+32.185 9

(6)

R=-0.995 3

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

2.3 單煤和混煤發熱量與灰分相關性的比較

將單煤和混煤發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，該單一煤種的發熱量較高；發熱量相同，該混煤的灰分含量較低，即產生相同熱量時該混煤完全燃燒所產生的殘留物質量較小。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份煤樣實測發熱量與由公式4估算發熱量的差值ΔQgr,d見表4，灰分對發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:

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，其發熱量也相近，且發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，均小于國標規定的再現性臨界差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熱量具有較高可信度。

3 結 語

隨著灰分增加，煤中可燃物質含量下降。煤的發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據，用來推導出利用灰分計算發熱量的經驗公式及相應的誤差范圍。當數據容量足夠大時，在實驗室內只要測定灰分含量即可較好地估算相應煤的發熱量，作為實測值的重要參考。

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

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