煙煤氫含量經驗公式的選擇與應用

周龍萍

(山西焦煤集團 質量管理與監督服務中心，山西 太原 030021)

煤的發熱量是煤質分析的重要指標之一。煤作為動力燃料，其發熱量越高，經濟價值越高。煤在燃燒或氣化過程中，需要利用發熱量計算熱平衡、耗煤量和熱效率；燃煤鍋爐在選型設計時，需要根據用煤的平均發熱量計算燃料物料平衡等參數[1]，這些計算必須使用收到基低位發熱量。而氫含量是換算收到基低位發熱量不可缺少的指標。

在煤質分析中氫含量的檢測方法多用重量-電量法，測定精確度高，但測定過程比較費時。因此，利用適宜的經驗公式直接計算氫含量，對于準確計算發熱量具有重要意義。

1 公式的選擇與驗證

許多煤質指標間存在著密切的相關關系，如煤的碳含量Cdaf隨著揮發分產率Vdaf的增高而降低；煤中氫含量隨揮發分的增高而增高，即氫含量高的煤，揮發分必然也高，反之，氫含量低的煤(如無煙煤)，其揮發分必然較低。 可利用這種不同指標間的內在關系作為審核煤質分析結果的主要依據。

1.1 公式的選擇

由于地域不同，成煤條件和煤質特征不同，可采用不同的氫含量計算公式。山西焦煤集團主導產品為焦煤、肥煤、1/3焦煤等煤種的煙煤，從《煤炭化驗手冊》和《煤炭化驗結果審查與計算》中，選擇了適合煙煤氫值的8個公式：

(1)

日本對煉焦煤采用公式：

Hdaf=2.82+0.106Vdaf-0.000 8×(Vdaf)2

(2)

適用于無煙煤和Vdaf<24%的煙煤：

Hdaf=Vdaf/ (0.146 2Vdaf+1.112 4)

(3)

適用于Vdaf>24%且焦渣特征為3～8的煙煤：

Hdaf=Vdaf/ (0.143 6Vdaf+2.24)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

式中：

Hdaf——干燥無灰基氫的質量分數，%；

Aad——空氣干燥基灰分的質量分數，%；

Vdaf——干燥無灰基揮發分的質量分數，%；

St,d——干燥基全硫質量分數，%；

Qgr,daf——干燥無灰基高位發熱量，MJ/kg；

TRDd——干燥煤的真相對密度。

1.2 公式優劣驗證對比

以山西焦煤集團2016年62個商品煤樣為研究對象，采用式(1)—(8)計算氫含量，并與實測值進行對比。對對比結果進行統計，統計結果見表1.

表1 商品煤樣計算值與實測值差值對比統計表

從表1可以看出，式(1)優于其他7個公式，接近實測值的數量最多，誤差≤0.30%的占90.3%，占比最高，誤差≤0.50%的占95.2%；式(3)誤差≤0.50%的是100%，但式(3)誤差≤0.30%的值只占到16.0%，即接近實測值的數量少，且這個公式只適用于Vdaf<24%的煤樣氫值的計算，有局限性，不適用于所有煙煤。

1.3 異常值分析

62組商品煤樣中共出現3個異常值，其他計算值與實測值差值波動在(-0.38～0.33).與實測值誤差>0.50%的3個數據情況見表2.

表2 式(1)計算值與實測值>0.50%的值統計表

采用其他方法驗證表2中3組數據中實測值是否存在異常。

1.3.1與過去值對比判斷實測值是否異常

1) 雙柳煤礦：肥煤，商品煤，2015年1、2季度值分別為5.11、5.01；2016年前3季度值分別為4.94、4.94、4.82，前5次平均值為4.96，極差為0.29，2016年4季度值為4.02，比最低值4.82低0.80，明顯異常。

2) 宜興煤業：肥煤，商品煤，2015年1、2季度值分別為5.13、5.09；2016年前3季度值為5.12、5.12、5.12，前5次平均值為5.12，極差為0.04，2016年4季度值為4.19，比最低值5.09低0.90，明顯異常。

3) 呂臨能化：1/3焦煤，商品煤，2015年1季度值為4.94,2016年為4.14，比2015年低0.80，明顯異常。

1.3.2根據我國氫含量變化范圍判斷

不同類別中含量的變化范圍，也可作為煤質分析結果是否出現問題時的判斷依據。我國各類煤的氫含量Hdaf變化范圍見表3.

表3 不同煤類氫含量Hdaf的變化范圍表

從表3中變化范圍可以看出，肥煤值為4.80～6.60，雙柳煤礦和宜興煤業前5次值均在范圍內，2016年4季度值為4.02、4.19，比下限值4.80低0.78與0.61；1/3焦煤范圍為4.70～5.80，呂臨能化2015年值正常，2016年為4.14，比下限值4.70低0.56，明顯異常。

表2中的3個異常值，不論與過去值對比，還是利用氫含量跟指標間的內在關系用經驗公式得出的結果對比，還是跟各類煤的Hdaf變化范圍對比，均可看出明顯差異，應核查，由于距離檢測時間較長，無法核查，分析剔除異常值。

用實測值與8個公式計算結果進行對比，山西焦煤的煙煤用式(1)計算出氫值更接近實測值。

2 式(1)計算氫值的應用

2.1 判定實測值

許多煤質指標間存在著密切的相互關系，可利用這種不同指標間的內在關系作為審核煤質分析結果的主要技術依據。

一般來說，煤的氫含量Hdaf隨著揮發分Vdaf的增高而增高，灰分增高也會使氫值降低，當揮發分和灰分與先前值差別大時，這種與先前值對比方法將失去優勢。

式(1)可以作為煙煤氫含量煤質分析結果是否出現問題時的判斷依據，可以確定一個接近于實測值的數值。

2.2 式(1)用于發熱量計算值與實測計算值對比

用式(1)得出氫含量來計算收到基低位發熱量，與用實測氫值計算的收到基低位發熱量進行對比，分析對低位收到基發熱量值的影響。實際參與低位發熱量計算的氫值是空氣干燥基氫值Had，計算時將Hdaf換算成Had即可。

將2016年3季度商品煤用式(1)計算得出的氫值計算發熱量，與實測值進行對比，共參與對比數為28組。結果對比見表4.

表4 商品煤經驗公式計算結果與實測計算結果對比表

從表4的28組數據可以看出，氫含量有1組異常(序號為22)，氫含量實測值比計算值低0.93，在上文中已經判斷過該值(表2中序號為3)為異常值，用異常實測氫含量偏低0.93左右的氫值計算發熱量值，比用經驗公式計算出的氫含量計算出的低位發熱量高出150 J/g，超出實驗室的重復性限120 J/g.剔除這組數據，對另27組數據進行對比。

在27組數據中，氫含量的計算值與實測值差值在-0.38～0.33，發熱量差值在-40～60 J/g，低于重復性限為120 J/g，與用實測值計算得出的值相差小，產生的誤差在實驗室規定的重復性限范圍內，接近于實測值，能夠滿足生產的需要。

3 結 論

根據試驗數據與8個經驗公式計算值對比得出：式(1)對于山西焦煤集團商品煤來說，計算得出的氫值最接近實測值，誤差在0.3%以內沒有超過同一煤樣不同試驗室的允許誤差，該公式有足夠的準確性，可作為有檢測條件實驗室對測定值氫含量結果審核的判斷依據；式(1)中使用的參數少，對于無法進行檢測氫含量的礦、廠，完全可以利用式(1)得出的氫值計算低位發熱量。因此，利用式(1)計算Hdaf含量具有一定實用價值。