基于全子集回归和逐步回归的煤灰氧化物组成对熔融性影响的研究

李吉辉，刘若琛，马嘉成，黄 根，马力强

(中国矿业大学(北京)，北京 100083)

煤灰组成比较复杂，不同氧化物之间的含量变化对煤灰熔融特性会产生不同的影响，并且在高温条件下各个组分之间的相互作用也会对灰熔温度产生显著的影响。虽然氧化物组分变化对煤灰熔融性的影响已经得到证实，但是针对不同煤样其影响规律却不尽相同，需要具体分析。不同学者的研究结论也存在差别，宋宝瑞认为Al2O3通常会增高煤灰熔融温度，而CaO则会降低煤灰熔融温度[1]，而王东旭[2]发现碱性氧化物使灰熔温度升高，而酸性氧化物则会降低灰熔温度，张雷[3]发现在不考虑其他组分影响时，随着SiO2含量的增多，灰熔温度会呈现先降低后升高的趋势。张德祥[4]发现单一化学成分与灰熔温度之间的关系并不显著，卢财[5]通过探究煤灰熔融指数FI与煤灰熔融特性的关系，发现煤灰熔融指数FI可以预测煤灰熔融温度(FI=W(SO3)%+W(Fe2O3)%+W(CaO)%+W(MgO)%+W(Na2O)%+W(K2O)%)。目前，学者们多应用经验公式、相图和热力学软件等方法探究单一氧化物含量变化或熔融指数FI对灰熔特性的影响[6]，发现单一化学成分与灰熔温度的相关性较弱，灰熔指数FI能更综合地反映灰熔温度的变化趋势。SPSS(Statistical Product and Service Solutions)软件是目前最成熟的统计分析软件之一，能够严格地将其对数据的分析与相应的数学运算过程对应起来[7]，广泛应用于探究煤的灰分与发热量之间的关系[8]、预测煤矿事故[9]等，但在分别探究对四个灰熔温度影响最显著的组分从而预测灰熔特性的方面涉及较少。

但对四个特征熔融温度，起影响作用的氧化物组分不同，因此简单以FI为依据预测灰熔温度的变化趋势并不准确。本文借助SPSS进行回归拟合，探究神东矿区多个选煤厂的精煤产品中SiO2、Al2O3、Fe2O3和CaO四种氧化物对灰熔特性的影响，对DT、ST、HT和FT四个灰熔温度影响最显著的组分组合FI，并得到相应的预测方程，更准确地预测灰熔温度的变化趋势，对全面掌握煤灰熔融特性以及结渣规律具有重要意义。

1 实验部分

1.1 数据采集

对神东矿区17个煤矿(煤层)样品进行样品采集，通过X射线荧光光谱仪对煤灰成分进行氧化物含量测定，采用GB/T 219—2008中规定的角锥法测定煤灰的熔融特性，测定四个特征熔融温度[10]，结果见表1。煤中的主要化学成分是SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、Na2O、K2O、SO3、MgO等氧化物，其中以SiO2、Al2O3、Fe2O3和CaO四种氧化物为主。

表1 煤灰的氧化物组成及灰熔温度

1.2 实验方法

在SPSS的数据编辑窗口输入分析数据，在菜单栏中进入“分析”，依次进入“回归” “线性”功能，弹出线性回归参数设置对话框。在左边变量栏中选择4个灰融温度作为因变量，选择4种氧化物(SiO2、Al2O3、Fe2O3和CaO)作为自变量，在方法栏中选择“统计”，进入统计量对话框；选择“回归系数”中的“估算值”，表示输出回归系数和相关统计量，统计量对话框中选择“模型拟合”，点击“继续”，回归方法选择“输入”，其余使用默认选项，单击“确定”按钮运行程序，输出回归分析结果。采用显著性表征氧化物含量对煤灰熔融特征温度的影响强弱，当显著性小于显著性标准0.05时表示氧化物含量变化对煤灰熔融特征温度变化的影响显著[11]。

通过SPSS进行全子集分析，从拟合结果中选出拟合效果最好且对灰熔温度影响最显著的熔融指数，分别定义为FID、FIF、FIH和FIS；对于采用上述拟合方法所得到的显著性较低的特征熔融温度，进一步地在SPSS中以10种氧化物含量为起点，通过逐步回归方法得到预测方程，具体为，在菜单栏中选择“分析”中的回归中的线性，弹出线性回归参数设置，选择特征熔融温度作为因变量，选择所有的氧化物作为自变量，回归方法选择“步进”，其余使用默认选项，单击“确定”按钮运行程序，输出回归分析结果。

2 结果与讨论

2.1 煤灰中单种氧化物组成对灰熔温度的影响

单种氧化物含量-灰熔温度关系如图1所示。灰熔温度-单种氧化物含量的显著性指标见表2。

图1 单种氧化物含量-灰熔温度关系图

表2 灰熔温度-单种氧化物含量的显著性指标

对于DT而言，由图1可知，在Al2O3含量低于20%时，Al2O3含量增加DT几乎不变，Al2O3含量高于20%时，DT随Al2O3含量的增加呈现下降趋势；随SiO2含量增加，DT先降低后逐渐升高；随Fe2O3含量增加，DT先升高后降低；随CaO含量增加，DT几乎不变。由表2显著性指标可知，Fe2O3>Al2O3>CaO>SiO2>0.05，即SiO2含量变化对变形温度DT的影响最为显著。张雷[3]和李彩艳[12]在探究煤灰化学组成与灰熔温度关系时也发现煤灰中的SiO2在煤灰熔融时起到一定的助熔作用，随着SiO2含量升高灰熔温度逐渐降低，但当SiO2含量超过一定比例时灰熔温度又有上升趋势。刘勇晶[13]研究认为是由于当SiO2含量较少时会和硅酸盐作用生成低熔点的共融物质，使灰熔温度降低，超过一定含量时大量的SiO2则以晶体形式存在，导致灰熔温度再升高。

对于ST而言，随SiO2含量增加，ST先降低后升高；随Al2O3含量增加，ST逐渐升高但变化幅度较小；随Fe2O3含量增加，ST先升高后降低；随CaO含量增加，ST逐渐升高。由表2显著性指标可知，SiO2>CaO>Fe2O3>Al2O3>0.05，即Al2O3含量变化对软化温度ST的影响最为显著。

对于HT而言，随SiO2、Al2O3含量增加，HT均呈现升高趋势；随CaO、Fe2O3含量增加，HT逐渐降低。由表2显著性指标可知，Fe2O3>CaO>0.05>Al2O3>SiO2，即SiO2含量变化对半球温度HT的影响最为显著，这与戴爱军[14]研究结论一致。

对于FT而言，随Al2O3、SiO2含量增加而逐渐升高；随Fe2O3含量增加，FT呈先下降后上升趋势；随CaO含量增加，FT逐渐降低。随着SiO2含量升高，ST与FT之差逐渐升高，这是由于高温条件下SiO2易与金属或非金属的氧化物形成玻璃体物质，该物质具有无定形的结构特点，随着SiO2含量越高玻璃体的成分也越高，因此FT与ST之差也越大[15，16]。由表2显著性指标可知，CaO>Fe2O3>0.05>Al2O3>SiO2，即SiO2、Al2O3含量变化对流动温度FT的影响显著，这与卢财[5]探究所得结论相一致。

2.2 煤灰熔融指数FIX对灰熔特性的影响

目前，很多学者、专家通过研究硅铝比对灰熔温度的影响掌握灰熔特性的变化规律[17-20]，但是忽略了除硅铝外其他氧化物组分的影响，本文从全子集回归拟合结果(表3和表4)中分析选出R2与显著性都较好的氧化物组合，分别为FID=Al2O3+Fe2O3，FIF=SiO2+Al2O3+Fe2O3，FIH= SiO2+Al2O3和FIS=SiO2+Al2O3+Fe2O3。

表3 SiO2、Al2O3、Fe2O3和CaO组合对特征熔融温度拟合的R2

注：1—SiO2；2—Al2O3；3—Fe2O3；4—CaO。

表4 SiO2、Al2O3、Fe2O3和CaO组合对特征熔融温度拟合的显著性

注：1—SiO2；2—Al2O3；3—Fe2O3；4—CaO。

图2 氧化物组分对灰熔温度的影响

对变形温度DT拟合最显著的熔融指数FID，绘制图2(a)可知煤灰中FID含量低于30%时，变形温度DT几乎不变化，含量大于30%时降温幅度较大；对ST拟合最显著的熔融指数FIS=SiO2+Al2O3+Fe2O3，由图2(b)可知在FIS高于73%时软化温度ST呈上升趋势，而当FIS大于88%时软化温度ST则呈降低趋势；对HT拟合最显著的熔融指数FIH=SiO2+Al2O3，绘制图2(c)可知随着FIH含量升高，半球温度HT呈上升趋势；对流动温度FT影响最显著的熔融指数为FIF=SiO2+Al2O3+Fe2O3，绘制图2(d)可知随着FIF含量升高，流动温度FT呈上升趋势。但是，拟合结果显示由SiO2，Al2O3，Fe2O3和CaO四种氧化物组合定义的FI对ST和HT的显著性均较差，进一步采用10种氧化物的组合进行回归拟合。

2.3 10种氧化物的逐步回归拟合

上节研究发现，由SiO2、Al2O3、Fe2O3和CaO四种氧化物定义的FIX对ST和HT的拟合结果显著性较差，因此为了能够得到更准确的预测结果，以煤灰中存在的10种氧化物为起点，通过逐步回归方法分析得到灰熔温度的预测方程，拟合相关系数见表5和表6。

表5 10种氧化物逐步回归拟合所得ST预测方程的相关系数

表6 10种氧化物的逐步回归拟合所得HT预测方程的相关系数

逐步回归方法优势在于在众多自变量中选择显著性好的自变量，剔除显著性不好的自变量，从而达到最优结果。由表5可知，除了Al2O3>0.01以外，其余自变量显著性均小于0.01，属于非常显著，而0.010.01以外，其余自变量显著性均小于0.01，属于影响非常显著，而0.01

3 结 论

1)煤灰是由各种矿物质所组成的混合物质，没有固定熔点，煤灰中不同的氧化物组成决定了不同煤灰具有不同的煤灰熔融温度。但研究表明单种氧化物对特征熔融温度的影响不显著。

2)对变形温度DT拟合显著性最高的熔融指数为FID=Al2O3+Fe2O3，煤灰中FID含量低于30%时，变形温度DT几乎不变化，含量大于30%时降温幅度较大；对流动温度FT拟合显著性最高的熔融指数为FIF=SiO2+Al2O3+Fe2O3，且随着FIF含量升高，流动温度FT呈上升趋势；对半球温度HT拟合显著性最高的熔融指数FIH=SiO2+Al2O3，且随着FIH含量升高，半球温度HT呈上升趋势；对软化温度ST拟合显著性最高的熔融指数FIS= SiO2+Al2O3+Fe2O3，且随着FIS含量升高软化温度ST呈上升趋势。

3)由SiO2、Al2O3、Fe2O3和CaO四种氧化物定义的FIX对ST和HT拟合的显著性均较差，通过十种氧化物组合的逐步回归进一步得到半球温度HT以及软化温度ST的预测方程为：HT=-56.855Na2O-6.035SO3-6.226Fe2O3+1389.95，ST=-25.835SiO2-11.150Al2O3-123.363CaO-69.083MgO+250.641Na2O+341.435K2O-34.145TiO2+2421.229。