李 莉

﹙國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250002﹚

0 引言

目前，煤炭是中國(guó)能源的主體，是主要的動(dòng)力燃料。火力發(fā)電廠中煤的費(fèi)用約占發(fā)電成本的80%，煤的元素組成影響燃燒特性。碳、氫、氮、硫、氧的值是了解和研究煤質(zhì)的重要指標(biāo)，是鍋爐設(shè)計(jì)和熱力計(jì)算的重要參數(shù)。 因此，煤質(zhì)檢測(cè)是保證燃煤電廠安全生產(chǎn)的重要措施，也是科學(xué)管理的重要組成部分［1］。其中，元素分析是了解和研究煤質(zhì)的基礎(chǔ)，發(fā)熱量是衡量發(fā)電成本和效益的核心，兩者均關(guān)系到電廠存煤、輸煤、制粉、鍋爐運(yùn)行、除塵、除灰和脫硫的安全性和經(jīng)濟(jì)性。測(cè)定煤的發(fā)熱量主要采用恒溫式微機(jī)熱量計(jì)，這種方法測(cè)定手續(xù)比較麻煩，影響測(cè)定結(jié)果的因素較多，在計(jì)算結(jié)果時(shí)還必須進(jìn)行一系列校正，且操作的正確與否直接關(guān)系到試驗(yàn)人員與儀器設(shè)備的安全［2］。隨著對(duì)于煤質(zhì)分析的日益重視和煤檢工作的日益繁重，在不進(jìn)行發(fā)熱量直接測(cè)試的情況下，如能根據(jù)已知化驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行換算，這樣既提高了工作效率又方便了數(shù)據(jù)的核準(zhǔn)［3］。在2009—2012年期間對(duì)山東省內(nèi)眾多燃煤電廠選取了1 898個(gè)煤質(zhì)樣本進(jìn)行了元素分析，希望通過(guò)分析研究能夠找到一種簡(jiǎn)便易行的煤質(zhì)發(fā)熱量估算方法。

1 確定煤質(zhì)分析樣本

對(duì)山東省內(nèi)眾多燃煤電廠選取了1898份煤質(zhì)樣本進(jìn)行了元素分析并收集匯總發(fā)熱量等數(shù)據(jù)。這些樣本主要是山東省內(nèi)燃煤電廠的入廠煤和入爐煤，分為季度樣、半年樣和年度樣。另外，還有為指導(dǎo)鍋爐運(yùn)行、分析事故原因、進(jìn)行法律仲裁而檢測(cè)的樣品等。在這里主要分析碳、氫、氮、硫、氧的檢測(cè)結(jié)果，同時(shí)也對(duì)發(fā)熱量進(jìn)行了測(cè)定并匯總了檢測(cè)結(jié)果。數(shù)據(jù)概況，見表1。

2 研究?jī)x器及設(shè)備

煤質(zhì)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室配備電子天平、鼓風(fēng)干燥箱、高溫爐、元素分析儀、定硫儀、測(cè)熱儀等必要的檢測(cè)用儀器設(shè)備。按照規(guī)定，定期進(jìn)行計(jì)量檢定和校準(zhǔn)，使之保持良好狀態(tài)。

數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS 17.0軟件。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

依據(jù)研究樣本，排除極端值影響，取工業(yè)分析（水、灰）和元素分析的各指標(biāo)空干基中值結(jié)果，繪制典型樣本水分、灰分、碳、氫、氮、硫、氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)的條形圖，見圖1。

表1 數(shù)據(jù)概況（數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)N=1 898個(gè)）

圖1 典型煤樣各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)

由圖1可知，碳是煤中含量最高的元素。

3.1 碳的分析

3.1.1 碳的描述統(tǒng)計(jì)

碳是熱量的主要來(lái)源。在空氣充足時(shí)，1 g碳完全燃燒釋放34 040 J的熱量。一般認(rèn)為，煤是由帶側(cè)鏈的芳環(huán)和雜環(huán)的核構(gòu)成的。碳是這些環(huán)的骨架［1］。礦物質(zhì)（例如碳酸鹽）中含有的碳，不參與燃燒。

隨著煤變質(zhì)程度加深，碳含量升高。研究樣本的干基碳直方圖及正態(tài)曲線，見圖2。

圖2 干基碳分布直方圖及正態(tài)曲線

圖2顯示，干基碳呈正態(tài)分布，這為統(tǒng)計(jì)方法的選擇奠定了基礎(chǔ)。很明顯，樣本干基碳數(shù)值集中在50.00%～70.00%。

根據(jù)均值加減一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差的分類方法 （56.75±8.15%），可以分為低含碳量（0.00%～48.60%）、中含碳量（48.60%～64.90%）和高含碳量（64.90%～100%），繪制直方圖可以看出不同碳含量煤樣所占比例，見圖3?？梢园l(fā)現(xiàn)1 891個(gè)樣品，中等含碳量的煤樣約占70%，高含碳量、低含碳量煤樣所占比例在15%左右。

圖3 不同干基碳含量煤樣占總樣品數(shù)量的百分比

本研究中使用較先進(jìn)的紅外—熱導(dǎo)聯(lián)合法測(cè)定煤中碳、氫、氮含量。煤樣在氧氣流中充分燃燒，碳全部轉(zhuǎn)化為CO2，與煤中其它元素形成的產(chǎn)物（如煤中硫經(jīng)燃燒生產(chǎn)的SOx，鹵素形成的鹵素單質(zhì)、鹵化氫等）混合在一起，經(jīng)燃燒爐中的爐試劑（主要為CaO）凈化后，被收集在混氣罐當(dāng)中，充分混勻后，混氣罐將氣體送入CO2紅外檢測(cè)池中測(cè)定［4］。

紅外檢測(cè)器隨環(huán)境和時(shí)間會(huì)出現(xiàn)漂移。為了準(zhǔn)確測(cè)定碳含量，除了足夠的穩(wěn)定時(shí)間以外，在待測(cè)樣品中間以適度間隔測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)樣品也是十分必要的。

3.1.2 碳與發(fā)熱量的相關(guān)分析計(jì)算

碳是主要熱源，兩者有密切關(guān)系。繪制干基碳與干基高位發(fā)熱量的散點(diǎn)圖，見圖4。

圖4 干基碳與干基高位發(fā)熱量散點(diǎn)圖

可見，兩者有呈線性正相關(guān)的趨勢(shì)。

試對(duì)碳與發(fā)熱量這兩個(gè)變量進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn)，結(jié)果如表2。

表2 干基碳與干基高位發(fā)熱量的相關(guān)分析

由表2可知，有效數(shù)據(jù)對(duì)為217個(gè)，雙側(cè)檢驗(yàn)結(jié)果證明顯著性參數(shù)p＜0.01，兩者呈顯著正相關(guān)，干基碳與干基高位發(fā)熱量Pearson相關(guān)系數(shù)為0.975。由此，可以初步判斷：干基碳越大，干基高位發(fā)熱量越高。

3.2 氫的分析

3.2.1 氫的描述統(tǒng)計(jì)

氫也是發(fā)熱量的來(lái)源之一，隨煤變質(zhì)程度的加深而減少。氫在煤中以化合態(tài)和游離態(tài)兩種方式存在?；蠎B(tài)的氫一般是指礦物質(zhì)結(jié)晶水中的氫，不能燃燒；游離態(tài)的氫在燃燒時(shí)釋放出很高的熱量，1 g游離氫可釋放143 010 J的熱量，幾乎是等質(zhì)量碳的4倍［5］。氫和碳是揮發(fā)分的主要成分。

通過(guò)直方圖，可以更清楚地看到研究樣本氫分布狀況，參見圖5。干基氫成正態(tài)分布，數(shù)據(jù)集中在2.50%～4.00%。

圖5 干基氫分布直方圖及正態(tài)曲線

測(cè)定氫時(shí)，煤樣在氧氣流中充分燃燒，氫全部轉(zhuǎn)化為H2O，連同煤樣原有水分，經(jīng)燃燒爐中的爐試劑凈化，被收集在混氣罐當(dāng)中，充分混勻后，混氣罐將氣體送入H2O紅外池中測(cè)定［4］。從儀器給出的結(jié)果中扣除煤樣原有的水分中的氫，才是煤中的氫含量。

3.2.2 氫與發(fā)熱量的相關(guān)分析

既然氫也是主要熱源，試對(duì)氫與發(fā)熱量這兩個(gè)變量進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn)，結(jié)果如表3。

表3 干基氫與干基高位發(fā)熱量的相關(guān)分析

表3顯示，有效數(shù)據(jù)對(duì)為217個(gè)，雙側(cè)顯著性檢驗(yàn)結(jié)果證明，兩者呈顯著（p＜0.01）正相關(guān)，干基氫與干基高位發(fā)熱量Pearson相關(guān)系數(shù)為-0.545。由此，可以初步判斷：干基氫越大，干基高位發(fā)熱量越高。

3.3 氮的分析

3.3.1 氮的描述統(tǒng)計(jì)

由圖1可知，氮含量通常很低。在煤燃燒時(shí)，氮多呈游離態(tài)隨煙氣逸出。如燃燒溫度達(dá)到1 600℃以上，氮與氧化合生成氮氧化物的比率增大，對(duì)環(huán)境造成污染［5］。

繪制樣本直方圖可以清楚地看到樣本中氮元素的分布情況，見圖6。數(shù)據(jù)接近正態(tài)分布，集中在0.60%～1.20%之間。

圖6 干基氮分布直方圖及正態(tài)曲線

3.3.2 氮與發(fā)熱量的相關(guān)分析

揮發(fā)分與燃燒關(guān)系密切。對(duì)干燥無(wú)灰基揮發(fā)分和干基高位發(fā)熱量進(jìn)行雙變量相關(guān)分析，結(jié)果見表4。

表4 干基氮與干基高位發(fā)熱量的相關(guān)分析

由表4可知，有效數(shù)據(jù)對(duì)為217個(gè)，雙側(cè)顯著性檢驗(yàn)結(jié)果證明，兩者呈顯著（p＜0.01）正相關(guān)，干基氮與干基高位發(fā)熱量Pearson相關(guān)系數(shù)為-0.765。由此，可以初步判斷：干基氮越大，干基高位發(fā)熱量越高。

3.4 硫的分析

3.4.1 硫的描述統(tǒng)計(jì)

煤中硫可分為可燃硫和不可燃硫。硫燃燒后生成SO2和少量SO3。含有SO2和SO3及水蒸汽的煙氣進(jìn)入鍋爐底部時(shí)會(huì)形成硫酸，凝結(jié)在低溫受熱面上，腐蝕設(shè)備［5］。排出煙氣中的SO2會(huì)造成大氣污染。黃鐵礦中的硫是造成灰熔融溫度降低的原因之一，促使鍋爐發(fā)生結(jié)渣。在鍋爐設(shè)計(jì)、環(huán)保設(shè)施調(diào)試中，均需硫含量的數(shù)據(jù)［6］。

本研究的1 898個(gè)樣本硫含量的分布，見圖7?？梢?，硫的分布接近正態(tài)。將樣本按硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.00%～1.50%、1.51%～3.00%、3.01%～8.00%劃分，從條形圖可以明顯看出低含硫量、中含硫量和高含硫量三種樣本的比例，見圖8。

圖7 干基硫分布直方圖及正態(tài)曲線

圖8 不同干基硫含量煤樣占總樣品數(shù)量的百分比

由圖8可知，低含硫量的樣本約占55%，中含硫量樣本約占40%，高含硫量的樣本所占比例不超過(guò)5%。

3.4.2 硫與干基高位發(fā)熱量的相關(guān)分析

硫燃燒，也能釋放一定熱量。對(duì)干基硫和干基高位發(fā)熱量進(jìn)行雙變量相關(guān)分析，結(jié)果見表5。

表5 干基硫與干基高位發(fā)熱量的相關(guān)分析

表5結(jié)果顯示，有效數(shù)據(jù)對(duì)為214個(gè)，雙側(cè)顯著性檢驗(yàn)結(jié)果證明（p＞0.05），兩者相關(guān)不顯著。由此，可初步判斷：干基硫與干基高溫發(fā)熱量數(shù)值變動(dòng)方向沒有明顯規(guī)律性。

3.5 氧的分析

3.5.1 氧的描述統(tǒng)計(jì)

氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)通常由100%減去水分、灰分、碳、氫、氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算獲得。在煤中，氧多呈化合態(tài)存在，本身不燃燒 。在加熱時(shí)，氧促進(jìn)有機(jī)組分分解。干基氧的分布見圖9。3.5.2氧與發(fā)熱量的相關(guān)分析

圖9 干基氧分布直方圖及正態(tài)曲線

氧對(duì)干基氧和干基高位發(fā)熱量進(jìn)行雙變量相關(guān)分析，結(jié)果見表6。

表6 干基氧與干基高位發(fā)熱量的相關(guān)分析

表6結(jié)果顯示，有效數(shù)據(jù)對(duì)為216個(gè)，雙側(cè)顯著性檢驗(yàn)結(jié)果證明（p＞0.05），兩者相關(guān)不顯著。由此可知：干基氧與干基高位發(fā)熱量變動(dòng)的方向，沒有明顯規(guī)律性。

4 各元素與發(fā)熱量數(shù)值關(guān)系

通過(guò)計(jì)算分析和理論研究，可以發(fā)現(xiàn)各元素分布均接近正態(tài)分布，且碳、氫、氮與發(fā)熱量存在不同程度的相關(guān)性，通過(guò)回歸分析，可以進(jìn)一步探討它們對(duì)發(fā)熱量的預(yù)測(cè)效應(yīng)的大小和方向［8］。排除水分影響，將標(biāo)準(zhǔn)差大于3的觀測(cè)量判為離群值，將干基碳（Cd）、干基氫（Hd）、干基氮（Nd）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)干基高位發(fā)熱量（Qgr，d）進(jìn)行線性逐步回歸，結(jié)果見表 7。

由表7可知，經(jīng)過(guò)逐步回歸形成模型3，常量不顯著（β=-0.159，t=-0.546，p>0.1），自變量干基碳、干基氫、干基氮均進(jìn)入模型3方程（R2=96.9%，F(xiàn)=2 212.809，p<0.001），且均顯著正向預(yù)測(cè)干基高位發(fā)熱量，按效果量ΔR大小（效果量顯示自變量對(duì)于擬合模型的預(yù)測(cè)效應(yīng)或貢獻(xiàn)大?。?］），依次為干基碳（β=0.335，t=50.665，p<0.001，ΔR2=94.9%）、 干基氫（β=0.742，t=8.659，p<0.001，ΔR2=1.8%）、干基氮（β=1.368，t=3.674，p<0.001，ΔR2=0.2%）。 即得出碳、氫、氮、硫、氧等元素的指標(biāo)與發(fā)熱量的數(shù)值計(jì)算公式

式中：Qgr，d為高位發(fā)熱量，J／g；ω（Cd）為干基碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；ω（Hd）為干基氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；ω（Nd）為干基氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

表7 各干基元素對(duì)干基高位發(fā)熱量的逐步回歸分析結(jié)果（N=216）

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)2009—2012年期間山東省內(nèi)眾多燃煤電廠1 898個(gè)煤質(zhì)樣本進(jìn)行了元素分析，統(tǒng)計(jì)了碳、氫、氮、硫、氧等元素的指標(biāo)分布情況。 在此基礎(chǔ)上通過(guò)相關(guān)性分析以及采用回歸分析方法進(jìn)行理論研究，最終得出了碳、氫、氮、硫、氧等元素的指標(biāo)與發(fā)熱量的數(shù)值計(jì)算規(guī)律，從而發(fā)現(xiàn)了可以采用元素分析來(lái)估算煤質(zhì)發(fā)熱量這一方法。采用煤質(zhì)元素分析方法來(lái)預(yù)測(cè)發(fā)熱量具有簡(jiǎn)單、可行，試驗(yàn)條件要求相對(duì)較低的優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)與熱量計(jì)測(cè)定方法的相互驗(yàn)證。

煤質(zhì)檢測(cè)是保證燃煤電廠安全生產(chǎn)的重要措施，也是科學(xué)管理的重要組成部分。元素分析是了解和研究煤質(zhì)的基礎(chǔ)，發(fā)熱量是衡量發(fā)電成本和效益的核心，兩者均關(guān)系到電廠存煤、輸煤、制粉、鍋爐運(yùn)行、除塵、除灰和脫硫的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

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