曹家灘煤灰分和水分對(duì)發(fā)熱量影響的理論與實(shí)驗(yàn)研究

劉佳儀，李治霖，侯玲梅

（陜煤集團(tuán)榆林化學(xué)有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719000）

煤是人類生活和生產(chǎn)中使用的主要燃料，也是眾多化工產(chǎn)品的原料，隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，煤炭需求量與日俱增。根據(jù)煤的使用目的，將其分為燃料煤和非燃料煤，我國(guó)燃料煤的消耗量大約占煤炭總消耗量的1/3。發(fā)熱量是煤炭燃燒質(zhì)量最重要的指標(biāo)，也是煤炭計(jì)價(jià)的重要依據(jù)，影響著能源利用率、電廠運(yùn)行及發(fā)電成本等[1-2]，發(fā)熱量還作為氣化和燃燒過(guò)程中熱效率、熱平衡和煤耗量的重要參數(shù)[3]，是工況調(diào)整的重要參考。因此，準(zhǔn)確快速測(cè)定煤炭發(fā)熱量對(duì)減少經(jīng)濟(jì)損失和保障安全生產(chǎn)具有雙重意義。

陜煤集團(tuán)榆林化學(xué)有限責(zé)任公司在日常分析化驗(yàn)中，通常根據(jù)GB/T 213—2008《煤的發(fā)熱量測(cè)定方法》測(cè)定煤的發(fā)熱量，但該方法耗時(shí)長(zhǎng)、測(cè)試速度慢、操作復(fù)雜、工作效率低等，無(wú)法快速判定發(fā)熱量。本文以榆林曹家灘煤為研究對(duì)象，利用最小二乘法，推導(dǎo)出煤樣低位發(fā)熱量與全水分、干基灰分的模擬方程，并討論了全水分、干基灰分對(duì)煤樣低位發(fā)熱量的影響，可為實(shí)際化驗(yàn)和生產(chǎn)提供重要的理論參考，現(xiàn)介紹如下。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)中使用的儀器如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)儀器

1.2 建立數(shù)學(xué)模型

選取10組曹家灘煤的全水分、干基灰分和低位發(fā)熱量化驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表2所示。根據(jù)相關(guān)資料[4]和表2，曹家灘煤收到基低位發(fā)熱量與干基灰分、全水分存在線性關(guān)系，可用式（1）表示：

表2 曹家灘煤的全水分、干基灰分和低位發(fā)熱量

式中：Qnet，ar表示收到基低位發(fā)熱量，MJ/kg。

采用最小二乘法建立回歸方程，得到的函數(shù)的k1、k2、b值見表3，回歸分析見表4，方差分析見表5。

表3 函數(shù)的k1、k2、b值

表4 回歸分析

表5 方差分析

由表3可知，k1=-0.254 74、k2=-0.322 37，故式（1）可變?yōu)槭剑?）：

由式（2）可知，當(dāng)灰分一定時(shí)，低位發(fā)熱量隨水分的增大而減??；當(dāng)水分一定時(shí)，低位發(fā)熱量隨灰分的減小而增大。

由表4可知，函數(shù)的相關(guān)系數(shù)R2=0.993 683，表明全水分、灰分與低位發(fā)熱量存在良好的線性關(guān)系。

采用F分布檢驗(yàn)回歸方程的顯著性，通過(guò)查F界值表可得F0.01(2,7）=9.55。由表5可知，統(tǒng)計(jì)值為550.566 3，大于9.55，說(shuō)明全水分、干基灰分與低位發(fā)熱量存在顯著的線性關(guān)系，表明該方程具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。采用t檢驗(yàn)法，給定置信度α=0.05、t0.01(7）=2.998 0，通過(guò)表3數(shù)據(jù)計(jì)算得到6.456、均大于2.998 0，表明全水分和干基灰分對(duì)低位發(fā)熱量有顯著影響。

1.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證

選取10組曹家灘煤低位發(fā)熱量的實(shí)測(cè)值與擬合數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表6。由表6可知，實(shí)測(cè)值與理論值的絕對(duì)值誤差小于0.3 MJ/kg，符合GB/T 213—2008中關(guān)于低位發(fā)熱量再現(xiàn)性臨界差的要求，進(jìn)一步表明該模擬方程的準(zhǔn)確性。

表6 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與擬合數(shù)據(jù)對(duì)比

2 全水分、干基灰分對(duì)低位發(fā)熱量的影響

為進(jìn)一步說(shuō)明全水分、干基灰分對(duì)煤低位發(fā)熱量的影響，另外選取煤樣測(cè)定其全水分、干基灰分和低位發(fā)熱量。

2.1 全水分對(duì)低位發(fā)熱量的影響

煤樣低位發(fā)熱量與全水分的關(guān)系見圖1。

圖1 煤樣低位發(fā)熱量與全水分的關(guān)系

由圖1可知，在相同條件下，煤樣的低位發(fā)熱量隨著全水分的減小而增大，且低位發(fā)熱量與全水分間有良好的線性關(guān)系，全水分每增加1個(gè)百分點(diǎn)，低位發(fā)熱量減小約0.25 MJ/kg。這是由于在燃燒過(guò)程中，全水分隔絕了煤與空氣的接觸，使煤燃燒不充分，進(jìn)而導(dǎo)致其低位發(fā)熱量降低。

2.2 干基灰分對(duì)低位發(fā)熱量的影響

煤樣低位發(fā)熱量與干基灰分的關(guān)系見圖2。

圖2 煤樣低位發(fā)熱量與干基灰分的關(guān)系

由圖2可知，在相同條件下，煤樣的低位發(fā)熱量隨著干基灰分的減小而增大，且低位發(fā)熱量與干基灰分間有良好的線性關(guān)系，干基灰分每增加1個(gè)百分點(diǎn)，低位發(fā)熱量減小約0.25 MJ/kg。這是因?yàn)閷?duì)于一定質(zhì)量的煤，灰分越大，表明其有效燃燒組分越少，煤燃燒所放出的熱量就越少。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)數(shù)學(xué)建模，對(duì)全水分、干基灰分與煤樣低位發(fā)熱量的關(guān)系進(jìn)行線性回歸分析和驗(yàn)證，結(jié)果為煤的低位發(fā)熱量分別與全水分、干基灰分呈負(fù)相關(guān)；全水分或干基灰分每增加1個(gè)百分點(diǎn)，低位發(fā)熱量減小約0.25 MJ/kg。本文得到的曹家灘煤全水分、干基灰分與煤低位發(fā)熱量的通式，可為公司日?；?yàn)發(fā)熱量提供參考，滿足對(duì)發(fā)熱量快速測(cè)定的需求。