浅析单一煤种及混煤中灰分与发热量的相关关系

章 靖，王 绩

(浙江越华能源检测有限公司，浙江 宁波 315211)

0 引 言

在煤质分析中，煤的发热量是单位质量的煤在一定温度下完全燃烧时所释放出的热[1]，是动力煤炭的重要指标，是锅炉热平衡、能量计算等的重要依据。灰分是指煤样在规定条件下完全燃烧后所得的残留物[2]，是煤中矿物质氧化和分解的产物。从工业分析来看，煤的主要组成成分是固定碳、挥发分、不同数量的矿物质以及水分，其中矿物质中除硫铁矿在燃烧时产生少量热以外，其他绝大多数在燃烧时不产生热量，反而会吸热分解[3]。作为动力煤计价的主要指标，煤的发热量与其可燃成分及其含量直接有关。因此，为了审核实验室发热量测定结果是否可靠，需对发热量与灰分进行相关分析，推导出两者之间的相关关系。

煤用作动力燃料时，灰分含量增加，煤中可燃及其他产热物质含量相对减少，煤的发热量降低。相关研究表明，煤炭发热量与其他指标之间存在着相关关系，其中灰分对发热量的影响较为显著，在其他特性相似的情况下，随着煤中灰分含量的增加，其发热量降低[4-7]。吴镇君等[8-11]分别采用不同方法模型研究了动力煤发热量与灰分含量之间的相关关系，刘伟等[12-16]推导了利用煤中灰分含量估算发热量的经验公式。

目前学者们对某一煤种煤的发热量与灰分之间的关系研究较多，而分别针对单一煤种、混煤的发热量与其灰分含量关系的研究对比鲜有所闻。笔者通过试验进一步探究了单一煤种及混煤中灰分与发热量的线性相关关系，根据试验结果分别推导出适用不同煤炭的经验公式并验证了预报精度，以依据煤中灰分含量对发热量进行预测及校核。

1 测定方法

1.1 灰分测定方法

试验选取快速灰化法[2]，即在预先灼烧至质量恒定的灰皿中，称取粒度小于0.2 mm的一般分析试验煤样(1±0.1) g，称准至0.000 2 g，放入马弗炉中，以一定的速度加热到(815±10)℃，灰化并灼烧到质量恒定，以残留物的质量占煤样质量的质量分数作为该煤样的空气干燥基灰分(Aad,%)，计算方法见公式(1)。同时测定内水，计算干燥基灰分(Ad)作为试验探究，以排除水分的影响。

(1)

式中,Aad为空气干燥基灰分的质量分数，%；m为称取的一般分析试验煤样的质量，g；m1为灼烧后的残留物的质量，g。

灰分测定的精密度见表1规定。

表1 灰分测定的重复性限和再现性临界差 Table 1 Repeatability limit and reproducibility critical difference of ash content determination

%

1.2 发热量测定方法

试验采用自动氧弹热量计法测定比对煤的空气干燥基高位发热量(Qgr,ad)，实验数据以干燥基高位发热量计算(Qgr,d)，以排除水分对发热量的影响[4]，即在燃烧皿中称取粒度小于0.2 mm的空气干燥基煤样(0.9～1.1) g，称准到0.000 2 g，使用安装调节好的热量计，按照规范逐步完成试验并显示数据，扣除硝酸形成热及硫酸与二氧化硫形成热之差后通过公式(2)计算得出煤的干燥基高位发热量Qgr,d[1]。

(2)

式中，Qgr,ad为空气干燥基高位发热量，J/g；Mad为煤的空气干燥基水分的质量分数，%。

发热量测定的精密度包括重复性限和再现性临界差,国标中其值分别为120 J/g、300 J/g。

2 试验部分

2.1 单一煤种试验

现以稳定性较好的单一煤种为试验样品，随机选取10份灰分不同其他特性相似的煤样，分别编号A1，A2，…，A10进行试验。试验数据见表2，灰分对发热量的影响曲线如图1所示。

分析表2可知，单一煤种煤炭的发热量随着灰分含量增加而降低，两者之间存在着负相关关系。观察图1散点分布情况可知，发热量与灰分含量呈现一元线性相关关系。以y1表示发热量(Qgr，d)、

表2 单一煤种煤样所测得的发热量
Table 2 Calorific value measured from single type coal sample

样品编号灰分Ad/%发热量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

图1 单一煤种灰分含量对发热量的影响曲线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)，利用一元线性回归法(公式(3))求出发热量与灰分的关系如公式(4)所示，线性相关性可利用公式(5)中相关系数R进行检验。

(3)

y1=-0.291 3x1+32.499 7

(4)

(5)

计算得出R=-0.976 9，从相关系数表中查得临界值R0.01,8=0.765，|R|>R0.01,8，证明单一煤种的发热量与灰分含量相关高度显著。由公式4预测，煤中灰分每增加1%，其发热量下降约291 J/g，且估算误差会比较小。

2.2 混煤试验

以1种混煤为试验样品，随机选取10份灰分不同但其他特性相似的煤样，分别将其编号为B1，B2，…，B10并进行试验。试验数据见表3，灰分对发热量的影响曲线如图2所示。

表3 混煤煤样所测得的发热量
Table 3 Calorific value measured by a sample of mixed coal

样品编号灰分Ad/%发热量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

图2 混煤中灰分含量对发热量的影响曲线Fig.2 The influence curve of ash content on calorific value of mixed coal

分析表3及图2，利用公式(3)、公式(5)计算得到混煤发热量与灰分含量的关系及相关系数R如下:

y2=-0.317 2x2+32.185 9

(6)

R=-0.995 3

同理有|R|>R0.01,8，可证明该混煤发热量与其灰分含量线性相关高度显著，这一性质与单一煤种相似。

2.3 单煤和混煤发热量与灰分相关性的比较

将单煤和混煤发热量与灰分的相关性绘制在同一坐标系下，得图3。

图3 单一煤种和混合煤种灰分含量对发热量的影响 曲线对比Fig.3 Comparison of influence curves of ash content on calorific value of single type coal and mixed coal

分析图3可知，当灰分含量相同时，该单一煤种的发热量较高；发热量相同，该混煤的灰分含量较低，即产生相同热量时该混煤完全燃烧所产生的残留物质量较小。通过比较两条曲线的斜率可知，相对于单一煤种，该混煤的发热量受煤中灰分含量的影响更大。

2.4 验证试验

仍以试验2.1中的单一煤种为试验样品，随机选取10份灰分含量接近21%且其他特性相似的煤样，分别编号C1，C2，…，C10进行试验。10份煤样实测发热量与由公式4估算发热量的差值ΔQgr,d见表4，灰分对发热量的影响曲线如图4所示。

分析表4和图4，利用公式(3)计算得到灰分与发热量的关系，参见公式(7):

y3=-2.404x3+77.067 8

(7)

利用公式(5)计算得到相关系数:

R=-0.862 3

同理有|R|>R0.01,8=0.765，仍可证得y与x线性相关高度显著。

表4 相近灰分单一煤种煤样所测得的发热量
Table 4 Calorific value measured from coal samples of single type coal with similar ash content

样品编号灰分Ad/%发热量Qgr,d/(MJ·kg-1)估算实测差值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

图4 灰分相近单一煤种灰分含量对发热量的影响曲线Fig.4 The influence curve of ash content on calorific value of single type coal with similar ash content

由此可知，其他特性相似时，灰分含量相近的单一煤种煤炭，其发热量也相近，且发热量与灰分之间仍存在高度显著的线性相关关系。

为表示回归方程的预报精度[3]，利用公式(8)计算回归方程的标准偏差S。

(8)

经计算，试验2.1、2.2、2.4中回归方程的预报精度分别为:S2.1=0.199、S2.2=0.107、S2.4=0.104，即对发热量的一次观测值的平均变差的大小分别为:199 J/g、107 J/g、104 J/g，均小于国标规定的再现性临界差300 J/g。

针对3个试验中的煤炭，由相应的回归方程计算可知，若使其发热量差值ΔQgr，d小于300 J/g，则应使灰分差值ΔAad分别小于1.02% 、0.95% 、0.12%，此时利用回归方程估算煤的发热量具有较高可信度。

3 结 语

随着灰分增加，煤中可燃物质含量下降。煤的发热量随灰分含量的增高而降低，且两者之间线性相关高度显著。不论是单一煤种煤炭还是混煤，煤的发热量均可用灰分含量进行估算。实验室通过日常积累大量实测有效数据，用来推导出利用灰分计算发热量的经验公式及相应的误差范围。当数据容量足够大时，在实验室内只要测定灰分含量即可较好地估算相应煤的发热量，作为实测值的重要参考。

对于同一煤田同一煤层产出的或来自同一流向性质稳定的单一煤种煤炭，经验公式对煤炭生产、洗选控制煤质等具有重要的指导意义。而动力煤炭多为筛混煤、洗混煤等，基于经验公式估算入炉煤发热量，可有效减小燃煤化验数据滞后的影响，便于及时掌握燃煤信息以指导燃烧调整及配煤掺烧管理。

需指出，用经验公式估算的发热量只可用于实验室结果审查及生产(加工利用)厂矿质量控制，不能用作商业结算或其他要求较高准确度的场合。