曹家灘煤灰分和水分對發熱量影響的理論與實驗研究

劉佳儀，李治霖，侯玲梅

（陜煤集團榆林化學有限責任公司，陜西 榆林 719000）

煤是人類生活和生產中使用的主要燃料，也是眾多化工產品的原料，隨著經濟的飛速發展，煤炭需求量與日俱增。根據煤的使用目的，將其分為燃料煤和非燃料煤，我國燃料煤的消耗量大約占煤炭總消耗量的1/3。發熱量是煤炭燃燒質量最重要的指標，也是煤炭計價的重要依據，影響著能源利用率、電廠運行及發電成本等[1-2]，發熱量還作為氣化和燃燒過程中熱效率、熱平衡和煤耗量的重要參數[3]，是工況調整的重要參考。因此，準確快速測定煤炭發熱量對減少經濟損失和保障安全生產具有雙重意義。

陜煤集團榆林化學有限責任公司在日常分析化驗中，通常根據GB/T 213—2008《煤的發熱量測定方法》測定煤的發熱量，但該方法耗時長、測試速度慢、操作復雜、工作效率低等，無法快速判定發熱量。本文以榆林曹家灘煤為研究對象，利用最小二乘法，推導出煤樣低位發熱量與全水分、干基灰分的模擬方程，并討論了全水分、干基灰分對煤樣低位發熱量的影響，可為實際化驗和生產提供重要的理論參考，現介紹如下。

1 實 驗

1.1 實驗儀器

實驗中使用的儀器如表1所示。

表1 實驗儀器

1.2 建立數學模型

選取10組曹家灘煤的全水分、干基灰分和低位發熱量化驗數據，如表2所示。根據相關資料[4]和表2，曹家灘煤收到基低位發熱量與干基灰分、全水分存在線性關系，可用式（1）表示：

表2 曹家灘煤的全水分、干基灰分和低位發熱量

式中：Qnet，ar表示收到基低位發熱量，MJ/kg。

采用最小二乘法建立回歸方程，得到的函數的k1、k2、b值見表3，回歸分析見表4，方差分析見表5。

表3 函數的k1、k2、b值

表4 回歸分析

表5 方差分析

由表3可知，k1=-0.254 74、k2=-0.322 37，故式（1）可變為式（2）：

由式（2）可知，當灰分一定時，低位發熱量隨水分的增大而減小；當水分一定時，低位發熱量隨灰分的減小而增大。

由表4可知，函數的相關系數R2=0.993 683，表明全水分、灰分與低位發熱量存在良好的線性關系。

采用F分布檢驗回歸方程的顯著性，通過查F界值表可得F0.01(2,7）=9.55。由表5可知，統計值為550.566 3，大于9.55，說明全水分、干基灰分與低位發熱量存在顯著的線性關系，表明該方程具有統計學意義。采用t檢驗法，給定置信度α=0.05、t0.01(7）=2.998 0，通過表3數據計算得到6.456、均大于2.998 0，表明全水分和干基灰分對低位發熱量有顯著影響。

1.3 實驗數據驗證

選取10組曹家灘煤低位發熱量的實測值與擬合數據進行對比，結果見表6。由表6可知，實測值與理論值的絕對值誤差小于0.3 MJ/kg，符合GB/T 213—2008中關于低位發熱量再現性臨界差的要求，進一步表明該模擬方程的準確性。

表6 實驗數據與擬合數據對比

2 全水分、干基灰分對低位發熱量的影響

為進一步說明全水分、干基灰分對煤低位發熱量的影響，另外選取煤樣測定其全水分、干基灰分和低位發熱量。

2.1 全水分對低位發熱量的影響

煤樣低位發熱量與全水分的關系見圖1。

圖1 煤樣低位發熱量與全水分的關系

由圖1可知，在相同條件下，煤樣的低位發熱量隨著全水分的減小而增大，且低位發熱量與全水分間有良好的線性關系，全水分每增加1個百分點，低位發熱量減小約0.25 MJ/kg。這是由于在燃燒過程中，全水分隔絕了煤與空氣的接觸，使煤燃燒不充分，進而導致其低位發熱量降低。

2.2 干基灰分對低位發熱量的影響

煤樣低位發熱量與干基灰分的關系見圖2。

圖2 煤樣低位發熱量與干基灰分的關系

由圖2可知，在相同條件下，煤樣的低位發熱量隨著干基灰分的減小而增大，且低位發熱量與干基灰分間有良好的線性關系，干基灰分每增加1個百分點，低位發熱量減小約0.25 MJ/kg。這是因為對于一定質量的煤，灰分越大，表明其有效燃燒組分越少，煤燃燒所放出的熱量就越少。

3 結 語

通過數學建模，對全水分、干基灰分與煤樣低位發熱量的關系進行線性回歸分析和驗證，結果為煤的低位發熱量分別與全水分、干基灰分呈負相關；全水分或干基灰分每增加1個百分點，低位發熱量減小約0.25 MJ/kg。本文得到的曹家灘煤全水分、干基灰分與煤低位發熱量的通式，可為公司日常化驗發熱量提供參考，滿足對發熱量快速測定的需求。