基于商品煤化驗(yàn)數(shù)據(jù)的煤炭發(fā)熱量估算

帖 呈

（晉能控股山西科學(xué)技術(shù)研究院設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，山西 大同 037000）

1 問(wèn)題的提出

煤炭發(fā)熱量作為煤質(zhì)化驗(yàn)中和商品煤價(jià)格結(jié)算最重要的數(shù)據(jù)，為尋找一種精確的發(fā)熱量計(jì)算模型，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)大量煤炭發(fā)熱量數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)研究，推導(dǎo)出一系列煤炭發(fā)熱量計(jì)算公式，如利用工業(yè)分析數(shù)據(jù)計(jì)算煙煤的發(fā)熱量經(jīng)驗(yàn)公式[1]：

Qnet，ad=35 860-73.7Vad-395.7Aad-702Mad（1）

式中：Qnet，ad為空干基低位發(fā)熱量，J·g-1；Mad為一般分析煤樣水分，%；Aad為一般分析煤樣灰分，%；Vad為一般分析煤樣揮發(fā)分，%。

部分學(xué)者還提出了一種基于煤中可燃組分（固定碳、揮發(fā)分）計(jì)算煤炭發(fā)熱量的經(jīng)驗(yàn)公式模型[2]：

式中：Qnet，ar為收到基低位發(fā)熱量，cal·g-1；FCar為收到基固定碳，%；Var為收到基揮發(fā)分，%。

經(jīng)實(shí)踐應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，上述兩種經(jīng)驗(yàn)公式都存在一定系統(tǒng)誤差，且無(wú)法直接利用全水分及工業(yè)分析數(shù)據(jù)（一般分析試驗(yàn)煤樣水分、灰分、揮發(fā)分）來(lái)計(jì)算收到基低位發(fā)熱量。為解決以上問(wèn)題，需研究一種新型發(fā)熱量計(jì)算公式模型。

2 王坪煤礦煙煤發(fā)熱量經(jīng)驗(yàn)公式

王坪煤礦開(kāi)采石炭二疊紀(jì)煤層，氣煤，低灰、低硫，為高揮發(fā)性的優(yōu)質(zhì)工業(yè)動(dòng)力用煤，主要發(fā)運(yùn)18 836～23 022 kJ/kg 之間不同熱值的商品煤。商品煤在火車上人工采樣，2017 年3 月至2021 年7 月共發(fā)運(yùn)2326 列火車880 多萬(wàn)噸商品煤，對(duì)應(yīng)的化驗(yàn)成分變化范圍見(jiàn)表1。

表1 商品煤質(zhì)指標(biāo)變化范圍

王坪煤礦商品煤全水分、分析水、灰分、揮發(fā)分與發(fā)熱量的關(guān)系如圖1～圖4 所示。

圖1 王坪煤礦商品煤全水分與發(fā)熱量的關(guān)系

圖2 王坪煤礦商品煤分析水與發(fā)熱量的關(guān)系

圖3 王坪煤礦商品煤灰分與發(fā)熱量的關(guān)系

圖4 王坪煤礦商品煤揮發(fā)分與發(fā)熱量的關(guān)系

由圖1～圖4 可看出，存在15 組異常數(shù)據(jù)。因本礦區(qū)煤種固定，不存在配煤情況，極有可能是化驗(yàn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)了問(wèn)題。且本次共計(jì)2326 組數(shù)據(jù)，分析量較大，故不對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除。由圖1～圖4可知，全水分、一般分析試驗(yàn)煤樣水分、灰分、揮發(fā)分與發(fā)熱量呈相關(guān)線性關(guān)系，據(jù)此，可假設(shè)發(fā)熱量經(jīng)驗(yàn)公式模型為[3-5]：

3 經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)比分析及應(yīng)用

3.1 經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

推導(dǎo)出王坪煤礦商品煤發(fā)熱量經(jīng)驗(yàn)公式之后，需對(duì)公式精密度進(jìn)行檢驗(yàn)。經(jīng)計(jì)算，在2326 列火車商品煤樣化驗(yàn)數(shù)據(jù)中，式（4）計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的誤差絕對(duì)值≤1%的有1617 列，占69.52%；≤2%的有2172 列，占93.38%；≤3%的有2277 列，占97.89%；≤4%的有2311 列，占99.36%；＞4%的有15 列，占0.64%。分析可知，誤差絕對(duì)值超過(guò)4%是小概率事件，作為日常管理檢查依據(jù)，可將誤差絕對(duì)值超過(guò)4%的數(shù)據(jù)視為異常數(shù)據(jù)。

3.2 經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)比分析及應(yīng)用

使用式（1）對(duì)王坪煤礦商品煤2326 組數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算得到的發(fā)熱量與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，誤差分析如下：誤差絕對(duì)值≤1%的有1032 列，占44.37%；≤2%的有1759 列，占75.62%；≤3%的有2121 列，占91.19%；≤4%的有2257 列，占97.03%；＞4%的有68 列，占2.97%。

使用式（2）對(duì)該礦區(qū)2326 組數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸分析，可得：

Qnet，ar=81.47FCar+82.56Var- 608.9 （5）

使用式（5）對(duì)王坪煤礦商品煤2326 組數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算得到的發(fā)熱量與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，誤差分析如下：誤差絕對(duì)值≤1%的有1534 列，占65.95%；≤2%的有2150 列，占92.43%；≤3%的有2278 列，占97.94%；≤4%的有2310 列，占99.31%；＞4%的有16 列，占0.69%。

將本文經(jīng)驗(yàn)公式（4）與式（1）、式（5）進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 公式（4）與公式（1）、公式（5）對(duì)比

由表2 可知，針對(duì)王坪煤礦商品煤而言，式（4）與式（1）相比誤差更小，更適合當(dāng)?shù)孛悍N，具有更高的精密度；與式（5）相比誤差稍小，兩個(gè)公式都適用于該礦區(qū)煤種，但式（4）不需要進(jìn)行基準(zhǔn)換算，公式更加簡(jiǎn)單實(shí)用。

3.3 應(yīng)用

在實(shí)際工作中，可將式（4）作為商品煤煤質(zhì)化驗(yàn)工作日常管理和檢查依據(jù)，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，對(duì)誤差超過(guò)4%的化驗(yàn)數(shù)據(jù)重新測(cè)定分析，并查找原因。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）大量商品煤化驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，煤中全水分、一般分析試驗(yàn)煤樣水分、灰分、揮發(fā)分與收到基低位發(fā)熱量數(shù)據(jù)相關(guān)，由此得出的發(fā)熱量模型計(jì)算簡(jiǎn)便，可操作性強(qiáng)，精確度高，物理意義明確。

（2）發(fā)熱量經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值雖然不能用作煤價(jià)結(jié)算，但可以作為商品煤煤質(zhì)化驗(yàn)工作日常管理和檢查依據(jù)，可提高煤質(zhì)工作效率，并為查找異常數(shù)據(jù)問(wèn)題提供依據(jù)。經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值與實(shí)測(cè)值誤差超過(guò)4%是小概率事件，故可對(duì)誤差超過(guò)4%的化驗(yàn)數(shù)據(jù)重新測(cè)定分析，查找原因。

（3）本文給出的發(fā)熱量經(jīng)驗(yàn)公式是基于王坪煤礦化驗(yàn)數(shù)據(jù)多元回歸分析得來(lái)的，不同地區(qū)、不同煤種的煤炭發(fā)熱量經(jīng)驗(yàn)公式是不同的，可根據(jù)本文方法，依據(jù)大量化驗(yàn)數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的公式。

（4）應(yīng)注意本文方法只適用于未經(jīng)配煤的商品煤，配煤后的商品煤發(fā)熱量還與配煤比例相關(guān)，需引入其他因素進(jìn)行研究。