曹家滩煤灰分和水分对发热量影响的理论与实验研究

刘佳仪，李治霖，侯玲梅

（陕煤集团榆林化学有限责任公司，陕西 榆林 719000）

煤是人类生活和生产中使用的主要燃料，也是众多化工产品的原料，随着经济的飞速发展，煤炭需求量与日俱增。根据煤的使用目的，将其分为燃料煤和非燃料煤，我国燃料煤的消耗量大约占煤炭总消耗量的1/3。发热量是煤炭燃烧质量最重要的指标，也是煤炭计价的重要依据，影响着能源利用率、电厂运行及发电成本等[1-2]，发热量还作为气化和燃烧过程中热效率、热平衡和煤耗量的重要参数[3]，是工况调整的重要参考。因此，准确快速测定煤炭发热量对减少经济损失和保障安全生产具有双重意义。

陕煤集团榆林化学有限责任公司在日常分析化验中，通常根据GB/T 213—2008《煤的发热量测定方法》测定煤的发热量，但该方法耗时长、测试速度慢、操作复杂、工作效率低等，无法快速判定发热量。本文以榆林曹家滩煤为研究对象，利用最小二乘法，推导出煤样低位发热量与全水分、干基灰分的模拟方程，并讨论了全水分、干基灰分对煤样低位发热量的影响，可为实际化验和生产提供重要的理论参考，现介绍如下。

1 实 验

1.1 实验仪器

实验中使用的仪器如表1所示。

表1 实验仪器

1.2 建立数学模型

选取10组曹家滩煤的全水分、干基灰分和低位发热量化验数据，如表2所示。根据相关资料[4]和表2，曹家滩煤收到基低位发热量与干基灰分、全水分存在线性关系，可用式（1）表示：

表2 曹家滩煤的全水分、干基灰分和低位发热量

式中：Qnet，ar表示收到基低位发热量，MJ/kg。

采用最小二乘法建立回归方程，得到的函数的k1、k2、b值见表3，回归分析见表4，方差分析见表5。

表3 函数的k1、k2、b值

表4 回归分析

表5 方差分析

由表3可知，k1=-0.254 74、k2=-0.322 37，故式（1）可变为式（2）：

由式（2）可知，当灰分一定时，低位发热量随水分的增大而减小；当水分一定时，低位发热量随灰分的减小而增大。

由表4可知，函数的相关系数R2=0.993 683，表明全水分、灰分与低位发热量存在良好的线性关系。

采用F分布检验回归方程的显著性，通过查F界值表可得F0.01(2,7）=9.55。由表5可知，统计值为550.566 3，大于9.55，说明全水分、干基灰分与低位发热量存在显著的线性关系，表明该方程具有统计学意义。采用t检验法，给定置信度α=0.05、t0.01(7）=2.998 0，通过表3数据计算得到6.456、均大于2.998 0，表明全水分和干基灰分对低位发热量有显著影响。

1.3 实验数据验证

选取10组曹家滩煤低位发热量的实测值与拟合数据进行对比，结果见表6。由表6可知，实测值与理论值的绝对值误差小于0.3 MJ/kg，符合GB/T 213—2008中关于低位发热量再现性临界差的要求，进一步表明该模拟方程的准确性。

表6 实验数据与拟合数据对比

2 全水分、干基灰分对低位发热量的影响

为进一步说明全水分、干基灰分对煤低位发热量的影响，另外选取煤样测定其全水分、干基灰分和低位发热量。

2.1 全水分对低位发热量的影响

煤样低位发热量与全水分的关系见图1。

图1 煤样低位发热量与全水分的关系

由图1可知，在相同条件下，煤样的低位发热量随着全水分的减小而增大，且低位发热量与全水分间有良好的线性关系，全水分每增加1个百分点，低位发热量减小约0.25 MJ/kg。这是由于在燃烧过程中，全水分隔绝了煤与空气的接触，使煤燃烧不充分，进而导致其低位发热量降低。

2.2 干基灰分对低位发热量的影响

煤样低位发热量与干基灰分的关系见图2。

图2 煤样低位发热量与干基灰分的关系

由图2可知，在相同条件下，煤样的低位发热量随着干基灰分的减小而增大，且低位发热量与干基灰分间有良好的线性关系，干基灰分每增加1个百分点，低位发热量减小约0.25 MJ/kg。这是因为对于一定质量的煤，灰分越大，表明其有效燃烧组分越少，煤燃烧所放出的热量就越少。

3 结 语

通过数学建模，对全水分、干基灰分与煤样低位发热量的关系进行线性回归分析和验证，结果为煤的低位发热量分别与全水分、干基灰分呈负相关；全水分或干基灰分每增加1个百分点，低位发热量减小约0.25 MJ/kg。本文得到的曹家滩煤全水分、干基灰分与煤低位发热量的通式，可为公司日常化验发热量提供参考，满足对发热量快速测定的需求。