煙煤發熱量與收到基灰分及全水之和的關系研究

楊洋，安鵬天

(石家莊海關技術中心黃驊港業務部，河北 滄州 061000)

0 引言

石家莊海關技術中心黃驊港業務部自成立以來，擁有及在建8 個專業實驗室，可進行礦產品檢測、煤炭檢測、化工品檢測、原油及相關產品檢測。其中煤炭檢測技術相對成熟。商品煤中煙煤儲量豐富，用途廣泛，可用于煉焦、動力、氣化用煤、燃料、燃料電池、催化劑或載體等[1]。煙煤煤化程度高于褐煤而低于無煙煤。包括長焰煤、氣煤、肥煤、焦煤、瘦煤、貧煤等。外觀呈灰黑至黑色，具瀝青光澤或者金剛光澤。形狀一般為粒狀、小塊狀，也有粉狀的，含揮發分30%以上，燃點不太高，較易點燃；其含碳量與發熱量較高，燃燒時上火快，火焰長，有大量黑煙，燃燒時間較長；絕大部分灰分和水分含量較少，發熱量較高；少部分高灰分和高水分的煙煤，發熱量很低，燃燒時有結渣。發熱量數據是煤質分析中最重要的指標，所以對煙煤發熱量測量以及影響煙煤發熱量關鍵因素的研究尤為重要[2-4]。

目前，國內尚無相關文獻描述煤炭的煤質特點，文章通過對大量煙煤檢測數據的長期匯總研究，結合數據處理軟件origin 作圖，詳細分析了煙煤低位發熱量與灰分收到基與全水之和的相關關系。

1 實驗部分

1.1 原料與設備

原料：商品煙煤；煤炭標準樣品(煤科總院煤炭分析實驗室)；苯甲酸標準物質(中國計量科學研究院)。設備：分析天平；機械對流烘箱；智能馬弗爐；測硫儀；小氧彈全自動量熱儀；稱量瓶、坩堝等。

1.2 樣品的制備

煤炭經現場采集后，經研磨篩分，取粒度<6 mm 或<13 mm 的煤樣作為全水分分析樣品，取粒度<0.2 mm的煤樣作為常規分析樣品。

1.3 樣品分析

1.3.1 全水分分析

利用分析天平準確稱取一定量的粒度為<6 mm或<13 mm 的煤樣，在氮氣流或在空氣流的烘箱內105～110 ℃干燥到質量恒定。根據干燥前后的質量差計算出煤樣全水分[5-6]。

1.3.2 工業分析

水分：利用分析天平稱取1±0.1 g 試驗煤樣，精準稱至0.000 2 g，平攤在預先干燥并已稱量的稱量瓶內，置于105～110 ℃鼓風干燥箱或通氮干燥箱內，于空氣流中干燥到質量恒定。根據煤樣的質量損失計算出水分的質量分數。

灰分：利用分析天平稱取1±0.1 g 試驗煤樣，精準稱至0.000 2 g，平攤在預先灼燒至質量恒定的灰皿中，置于爐溫不超過100 ℃的馬弗爐恒溫區中，并確保爐門關閉后有15 mm 左右的縫隙，確保空氣能夠流動，以保障煤樣完全燃燒。在不少于30 min 的時間內將馬弗爐緩慢升溫至500 ℃，并保持30 min。隨后升溫至815±10 ℃，并在該溫度下灼燒1 h。取出后在空氣中冷卻5 min 左右，隨后移到干燥器中冷卻至室溫后進行稱量，計算出煤中灰分占比。或依據快速灰化法進行灰分測定。

揮發分：利用分析天平稱取1±0.01 g 試驗煤樣，精準稱至0.000 2 g，放置于預先900 ℃灼燒至恒重的帶蓋瓷坩堝中，并輕輕振動坩堝，確保煤樣攤平，蓋上蓋子，放在坩堝架上。將馬弗爐預熱至920 ℃左右后，迅速將帶有坩堝的坩堝架放置于馬弗爐恒溫區，并計時7 min。馬弗爐需在3 min 內恢復至900±10 ℃，并在此溫度下保持至計時結束。取出后在空氣中冷卻5 min 左右，隨后移到干燥器中冷卻至室溫后進行稱量，計算出煤中揮發分結果。

1.3.3 全硫分析

在分析天平上稱取一定質量的<0.2 mm 的煤炭樣品，在測硫儀上利用煤炭標準樣品建立標準曲線并完成煤炭全硫的測定[7]。

1.3.4 發熱量分析

在分析天平上稱取一定質量的苯甲酸和<0.2 mm的煤炭樣品，在小氧彈全自動量熱儀上用苯甲酸標準物質標定熱值并完成煤炭彈筒發熱量分析[8-10]。

2 結果與討論

2.1 煤質大致特征

經過大量的日常實驗和數據整理，并隨機取出近300 組煙煤檢測數據進行分析，煤炭含碳量(Cd)大致在40%～70%之間，揮發分含量(Vd)在30%～40%之間。如表1 所示，可以看出煙煤的特征為：灰分含量(Ad)在10%～40%之間，全水含量(Mt)在10%～25%之間，收到基低位發熱量(Qnet,ar)在17 000～25 000 kJ/kg之間。表1 是300 組煙煤取樣檢測后的部分數據匯總。

2.2 煤質關系分析

如圖1 所示，為發熱量與收到基灰分、全水之和的線性關系。

圖1 發熱量與收到基灰分、全水之和的關系

由圖1 可以看出，煙煤發熱量與收到基灰分、全水之和的存在清晰的線性關系，方程式為：

表2為相關系數顯著性檢驗表，如表2 所示，在自由度n-2=274，顯著性水平α=0.05 時，取df=200，R0=0.138，因為|R|=0.999 57>0.138，所以該樣本的相關性高度顯著。

表2 相關系數顯著性檢驗表

2.3 線性關系檢驗

隨機取出另外92 組數據對方程準確性進行檢驗，所選數據如表3 所示。

表3 部分驗證數據匯總

由表3 可以看出，隨機取出的92 組檢驗數據的計算值與實測值的相對誤差均在0.5%以下，可知對于收到基低位發熱量25 000 kJ/kg 的煙煤，其估算誤差不大于125 kJ/kg，代入相對標準偏差公式RSD=0.20%，表明數據精密度良好。所以利用方程式(1) 可以在一定程度上驗證符合上述煙煤特點的收到基低位發熱量值。

2.4 實驗室數據驗算

為進一步確定實驗方程式(1)的準確性，需要在實驗室中展開進一步討論，實驗室要求實驗數據的準確性、完整性、可靠性。所以方程式(1)計算結果最大誤差應該在所允許的實驗誤差范圍內。對符合條件的煙煤所有的計算結果進行統計得出以下結論，如表4 所示。

表4 實測值與計算值差值

從表4 中可以得出結論，方程式(1)最大計算誤差均在化驗室所允許的實驗誤差范圍內，同化驗室之區間300kJ/kg，再現性較好。由此進一步證明了所推導方程式(1) 可實用性、操作性。對于實驗室煤炭檢測數據能夠起到良好的把控和監督作用。

3 結語

(1) 方程式(1) 僅適用于部分煙煤數據特征，并且僅限于推導方程所允許的數據變化范圍。

(2)以上方程式(1)推導時未考慮氫值波動的影響(氫值一般在3%～4%)由于氫值的都相對穩定性，所以該方程具有較高的準確性。

(3)對于含碳量(Cd)大致在40%～70%之間，揮發分含量(Vd)在30%～40%之間的煙煤，建立方程式(1)：Qnet,ar=34 076.99-430.2×(Mt+Aar)(R=-0.999 57)，概括了煙煤的收到基低位發熱量與收到基灰分和全水之和的線性關系，方程的線性關系好，數據驗證結果滿意。從方程式(1) 中不難看出收到基灰分和全水之和每升高一個單位，收到基低位發熱量就降低430 kJ/kg。必要時用方程式(1)對一些不確定因素進行綜合評估及預測發熱量，對日常數據進行隨機檢驗以確保煤質檢測的準確性、可靠性。