烟煤氢含量经验公式的选择与应用

周龙萍

(山西焦煤集团 质量管理与监督服务中心，山西 太原 030021)

煤的发热量是煤质分析的重要指标之一。煤作为动力燃料，其发热量越高，经济价值越高。煤在燃烧或气化过程中，需要利用发热量计算热平衡、耗煤量和热效率；燃煤锅炉在选型设计时，需要根据用煤的平均发热量计算燃料物料平衡等参数[1]，这些计算必须使用收到基低位发热量。而氢含量是换算收到基低位发热量不可缺少的指标。

在煤质分析中氢含量的检测方法多用重量-电量法，测定精确度高，但测定过程比较费时。因此，利用适宜的经验公式直接计算氢含量，对于准确计算发热量具有重要意义。

1 公式的选择与验证

许多煤质指标间存在着密切的相关关系，如煤的碳含量Cdaf随着挥发分产率Vdaf的增高而降低；煤中氢含量随挥发分的增高而增高，即氢含量高的煤，挥发分必然也高，反之，氢含量低的煤(如无烟煤)，其挥发分必然较低。 可利用这种不同指标间的内在关系作为审核煤质分析结果的主要依据。

1.1 公式的选择

由于地域不同，成煤条件和煤质特征不同，可采用不同的氢含量计算公式。山西焦煤集团主导产品为焦煤、肥煤、1/3焦煤等煤种的烟煤，从《煤炭化验手册》和《煤炭化验结果审查与计算》中，选择了适合烟煤氢值的8个公式：

(1)

日本对炼焦煤采用公式：

Hdaf=2.82+0.106Vdaf-0.000 8×(Vdaf)2

(2)

适用于无烟煤和Vdaf<24%的烟煤：

Hdaf=Vdaf/ (0.146 2Vdaf+1.112 4)

(3)

适用于Vdaf>24%且焦渣特征为3～8的烟煤：

Hdaf=Vdaf/ (0.143 6Vdaf+2.24)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

式中：

Hdaf——干燥无灰基氢的质量分数，%；

Aad——空气干燥基灰分的质量分数，%；

Vdaf——干燥无灰基挥发分的质量分数，%；

St,d——干燥基全硫质量分数，%；

Qgr,daf——干燥无灰基高位发热量，MJ/kg；

TRDd——干燥煤的真相对密度。

1.2 公式优劣验证对比

以山西焦煤集团2016年62个商品煤样为研究对象，采用式(1)—(8)计算氢含量，并与实测值进行对比。对对比结果进行统计，统计结果见表1.

表1 商品煤样计算值与实测值差值对比统计表

从表1可以看出，式(1)优于其他7个公式，接近实测值的数量最多，误差≤0.30%的占90.3%，占比最高，误差≤0.50%的占95.2%；式(3)误差≤0.50%的是100%，但式(3)误差≤0.30%的值只占到16.0%，即接近实测值的数量少，且这个公式只适用于Vdaf<24%的煤样氢值的计算，有局限性，不适用于所有烟煤。

1.3 异常值分析

62组商品煤样中共出现3个异常值，其他计算值与实测值差值波动在(-0.38～0.33).与实测值误差>0.50%的3个数据情况见表2.

表2 式(1)计算值与实测值>0.50%的值统计表

采用其他方法验证表2中3组数据中实测值是否存在异常。

1.3.1与过去值对比判断实测值是否异常

1) 双柳煤矿：肥煤，商品煤，2015年1、2季度值分别为5.11、5.01；2016年前3季度值分别为4.94、4.94、4.82，前5次平均值为4.96，极差为0.29，2016年4季度值为4.02，比最低值4.82低0.80，明显异常。

2) 宜兴煤业：肥煤，商品煤，2015年1、2季度值分别为5.13、5.09；2016年前3季度值为5.12、5.12、5.12，前5次平均值为5.12，极差为0.04，2016年4季度值为4.19，比最低值5.09低0.90，明显异常。

3) 吕临能化：1/3焦煤，商品煤，2015年1季度值为4.94,2016年为4.14，比2015年低0.80，明显异常。

1.3.2根据我国氢含量变化范围判断

不同类别中含量的变化范围，也可作为煤质分析结果是否出现问题时的判断依据。我国各类煤的氢含量Hdaf变化范围见表3.

表3 不同煤类氢含量Hdaf的变化范围表

从表3中变化范围可以看出，肥煤值为4.80～6.60，双柳煤矿和宜兴煤业前5次值均在范围内，2016年4季度值为4.02、4.19，比下限值4.80低0.78与0.61；1/3焦煤范围为4.70～5.80，吕临能化2015年值正常，2016年为4.14，比下限值4.70低0.56，明显异常。

表2中的3个异常值，不论与过去值对比，还是利用氢含量跟指标间的内在关系用经验公式得出的结果对比，还是跟各类煤的Hdaf变化范围对比，均可看出明显差异，应核查，由于距离检测时间较长，无法核查，分析剔除异常值。

用实测值与8个公式计算结果进行对比，山西焦煤的烟煤用式(1)计算出氢值更接近实测值。

2 式(1)计算氢值的应用

2.1 判定实测值

许多煤质指标间存在着密切的相互关系，可利用这种不同指标间的内在关系作为审核煤质分析结果的主要技术依据。

一般来说，煤的氢含量Hdaf随着挥发分Vdaf的增高而增高，灰分增高也会使氢值降低，当挥发分和灰分与先前值差别大时，这种与先前值对比方法将失去优势。

式(1)可以作为烟煤氢含量煤质分析结果是否出现问题时的判断依据，可以确定一个接近于实测值的数值。

2.2 式(1)用于发热量计算值与实测计算值对比

用式(1)得出氢含量来计算收到基低位发热量，与用实测氢值计算的收到基低位发热量进行对比，分析对低位收到基发热量值的影响。实际参与低位发热量计算的氢值是空气干燥基氢值Had，计算时将Hdaf换算成Had即可。

将2016年3季度商品煤用式(1)计算得出的氢值计算发热量，与实测值进行对比，共参与对比数为28组。结果对比见表4.

表4 商品煤经验公式计算结果与实测计算结果对比表

从表4的28组数据可以看出，氢含量有1组异常(序号为22)，氢含量实测值比计算值低0.93，在上文中已经判断过该值(表2中序号为3)为异常值，用异常实测氢含量偏低0.93左右的氢值计算发热量值，比用经验公式计算出的氢含量计算出的低位发热量高出150 J/g，超出实验室的重复性限120 J/g.剔除这组数据，对另27组数据进行对比。

在27组数据中，氢含量的计算值与实测值差值在-0.38～0.33，发热量差值在-40～60 J/g，低于重复性限为120 J/g，与用实测值计算得出的值相差小，产生的误差在实验室规定的重复性限范围内，接近于实测值，能够满足生产的需要。

3 结 论

根据试验数据与8个经验公式计算值对比得出：式(1)对于山西焦煤集团商品煤来说，计算得出的氢值最接近实测值，误差在0.3%以内没有超过同一煤样不同试验室的允许误差，该公式有足够的准确性，可作为有检测条件实验室对测定值氢含量结果审核的判断依据；式(1)中使用的参数少，对于无法进行检测氢含量的矿、厂，完全可以利用式(1)得出的氢值计算低位发热量。因此，利用式(1)计算Hdaf含量具有一定实用价值。