煤的元素分析与工业分析关系的逐层分析与模型构建

李 祥 刘翠茹 李春艳

(国电科学技术研究院，江苏省南京市，210031)



★ 煤炭科技·加工转化 ★

煤的元素分析与工业分析关系的逐层分析与模型构建

李 祥 刘翠茹 李春艳

(国电科学技术研究院，江苏省南京市，210031)

以123个煤样的元素分析和工业分析数据为研究对象，采用多元线性回归方法逐层分析了煤元素分析与工业分析的关系，进而构建了相应的数学模型，并检验了模型的适应性。研究结果表明，煤热解后，碳元素主要存在于固定碳中，挥发分中虽含有碳元素，但其含量远小于固定碳中的碳元素；在热解过程中，煤中的氧元素主要以CO和CO2的形态逸出而集中于挥发分中，固定碳中虽含有氧元素，但其含量远小于挥发分中的氧元素；热解后煤中的碳元素、氢元素和氧元素协同存在于挥发分和固定碳中，且由于这3种含量不同而导致协同效果产生差异；灰分与煤中的碳元素、氢元素和氧元素的关系实际反映的是煤中可燃物与可燃物中碳、氢和氧的关系，基于煤元素分析与工业分析关系逐层分析所提出的预测模型均具有较好的适应性。

煤 元素分析 工业分析 回归分析 模型构建

煤的元素分析和工业分析从不同侧面反映了煤的性质，两者之间有着显著的相关性，与工业分析相比，元素分析操作复杂且耗时长，因此工业上一般只做工业分析。相关专家利用BP神经网络、VB编程以及支持向量机等方法建立了元素分析与工业分析结果的关联，进而实现了由工业分析结果从理论上近似计算煤中元素的组成。然而，煤的结构决定其性质，煤的元素组成将直接影响煤的工业分析数据，因此，研究煤的元素分析与工业分析之间的关系是十分必要的，且此方面的研究相对较少。

由于煤的复杂性和一些煤质指标难以量化，描述制约了现有经验计算公式的推广，有专家基于向前选择法的思想，以多元线性回归方法逐层研究了FT-IR参数与G值的关系，这为研究煤的元素分析与工业分析的关系提供了新思路。综上所述，本文拟采用多元线性回归方法逐层研究煤的元素分析数据与工业分析数据的关联性，并提出相应的预测模型。

1 煤质数据采集及分析

以2016年4月-9月间国电南京煤炭质量监督检验中心所检测的123个煤样的工业分析和元素分析数据为研究对象，煤质分析数据见表1。

表1 煤质分析数据 %

*由“差减法”得

由表1可以看出，123个煤样的工业分析数据范围为4.71% ≤Ad≤47.91%、11.96% ≤Vd≤50.09%、27.50% ≤FCd≤62.54%；元素分析数据范围为37.81% ≤ Cd≤ 73.16%、2.16% ≤Hd≤ 5.04%、4.72% ≤ Od≤ 21.46%、0.41% ≤Nd≤ 1.62%、0.23% ≤St,d≤ 1.92%，其中Nd和St,d的含量相对较小，故后续研究中将不予考虑。

2 结果与讨论

2.1 回归分析

2.2 煤中碳元素、氢元素和氧元素与挥发分和固定碳的关系研究

表2 煤的元素分析与工业分析指标间关系的多元线性回归分析结果

*√表示该变量参与回归分析

图1 Cd与FCd的关系

Vd=1.67Od+4.65Hd-4.87

(1)

图3 E13的三维空间图像

FCd=0.85Cd-0.83Od+3.92

(2)

图4 E19的空间三维图像

图5 Cd与Ad的关系

Ad=-1.04Cd-1.06Od+97.72

(3)

图6 E5的空间三维图像

2.3 机理分析

由上述分析可知，挥发分和固定碳中均含有碳元素、氢元素和氧元素，只是这3种元素在煤中的含量不同。因此，热解后煤中的碳元素、氢元素和氧元素协同存在于挥发分和固定碳中，且这3种含量的不同导致协同效果产生差异。煤灰是煤中各种矿物质燃烧后生成的复杂混合物，而表2中E1～E7表明Ad与Cd、Hd和Od存在不同程度的线性相关性，其原因是Ad+Vd+FCd=100%，即Ad=100%-(Vd+FCd)，因此以Ad为因变量进行多元线性回归分析时，其实际是以(Vd+FCd)为因变量，分析结果反映的是煤中可燃物与可燃物中碳、氢和氧的关系。

2.4 模型构建与适应性分析

图7 模型一Vd实测值与预测值对比

综上所述，本文提出了基于煤元素分析数据的工业分析数据预测模型，见式(1)、式(2)和式(3)。为了检验模型的适应性，利用所建立的模型对表1中未参与模型构建的96～123号煤样的工业分析结果进行预测，结果如图7、图8和图9所示。

图8 模型二FCd实测值与预测值对比

图9 模型三Ad实测值与预测值对比

图10 模型四FCd实测值与预测值对比

3 结论

(1)一元线性回归结果表明，煤热解后，碳元素主要集中在固定碳中，而在挥发分中含量相对较少；氢元素在挥发分和固定碳中均有分布，且在挥发分中含量大于在固定碳中；氧元素主要集中于挥发分中，而固定碳中基本没有氧元素分布。

(2)多元线性回归结果表明，热解后煤中的碳元素、氢元素和氧元素协同存在于挥发分和固定碳中，且这3种含量的不同导致协同效果的差异；灰分与煤中的碳元素、氢元素和氧元素的关系实际反映的是煤中可燃物与可燃物中碳、氢和氧的关系。

(3)本文基于煤元素分析与工业分析关系逐层分析所提出的预测模型均具有较好的适应性。

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(责任编辑 王雅琴)

河北省将推行用煤权交易制度

近日，河北省十二届人大常委会第二十六次会议听取并分组审议了《河北省节约能源条例(修订草案)》。《河北省节约能源条例(修订草案)》明确提出，该省推行用能权、用煤权等交易制度，逐步建立健全用能权、用煤权核定和交易机制，坚持总量严控、减量出售、超量购买、企业自愿的原则，建立用能权、用煤权交易平台，组织企业依法依规开展交易，推动跨区域交易，提高有限资源的有效利用率。《河北省节约能源条例(修订草案)》规定，该省实行有利于节能的价格政策，引导用能单位和个人节能。实行峰谷分时电价、季节性电价、可中断负荷电价制度，提高用电效率。对能源消耗超过国家和省能耗限额标准的用能单位，实行惩罚性电价；对主要耗能行业的用能单位，分淘汰、限制、允许和鼓励类实行差别电价。实行居民用电阶梯电价，引导合理、节约用电。

Layer-by-layer analysis and model establishment of relationship between ultimate and industrial analysis of coal

Li Xiang, Liu Cuiru, Li Chunyan

(Guodian Science and Technology Research Institute, Nanjing, Jiangsu 210031, China)

Data of ultimate and industrial analysis of 123 coal samples were used as experiment objects and multiple linear regression method was carried out to analysis layer-by-layer on relationship between ultimate and industrial analysis of coal. Corresponding mathematical models of the relationship were built and the adaptability of the models was tested. The results showed that carbon mainly exists in fixed carbon after coal pyrolysis. Although volatile matter contained carbon, the amount of carbon in volatile matter was much less than that in fixed carbon. During coal pyrolysis, oxygen escaped as the form of CO and CO2. The amount of oxygen in fixed carbon was much less than that involatile matter though fixed carbon contains oxygen.Burned carbon, hydrogen and oxygen coexisted in volatile matter and fixed carbon, and the coexist effect among the three were different. Relationship between ash and the three elements actually reflected the relationship between combustible matter and the three elements in combustible matter. Prediction models based on layer-by-layer analysis for relationship between ultimate and industrial analysis of coal had favorable adaptability.

coal, ultimate analysis, industrial analysis, regression analysis, model establishment

国家重点研发计划“大气污染成因与控制技术研究”重点专项资助(2016YFC0208102)

李祥，刘翠茹，李春艳.煤的元素分析与工业分析关系的逐层分析与模型构建 [J].中国煤炭，2017，43(4)，99-104. Li Xiang, Liu Cuiru, Li Chunyan. Layer-by-layer analysis and model establishment of relationship between ultimate and industrial analysis of coal [J].China Coal，2017，43(4)，99-104.

TQ533

A

李祥(1988-)，男，河南鹤壁人，硕士研究生，目前主要从事燃料检测方面的工作。