李 莉

﹙國網山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250002﹚

0 引言

目前，煤炭是中國能源的主體，是主要的動力燃料?；鹆Πl(fā)電廠中煤的費用約占發(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的重要指標，是鍋爐設計和熱力計算的重要參數。 因此，煤質檢測是保證燃煤電廠安全生產的重要措施，也是科學管理的重要組成部分［1］。其中，元素分析是了解和研究煤質的基礎，發(fā)熱量是衡量發(fā)電成本和效益的核心，兩者均關系到電廠存煤、輸煤、制粉、鍋爐運行、除塵、除灰和脫硫的安全性和經濟性。測定煤的發(fā)熱量主要采用恒溫式微機熱量計，這種方法測定手續(xù)比較麻煩，影響測定結果的因素較多，在計算結果時還必須進行一系列校正，且操作的正確與否直接關系到試驗人員與儀器設備的安全［2］。隨著對于煤質分析的日益重視和煤檢工作的日益繁重，在不進行發(fā)熱量直接測試的情況下，如能根據已知化驗結果進行換算，這樣既提高了工作效率又方便了數據的核準［3］。在2009—2012年期間對山東省內眾多燃煤電廠選取了1 898個煤質樣本進行了元素分析，希望通過分析研究能夠找到一種簡便易行的煤質發(fā)熱量估算方法。

1 確定煤質分析樣本

對山東省內眾多燃煤電廠選取了1898份煤質樣本進行了元素分析并收集匯總發(fā)熱量等數據。這些樣本主要是山東省內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，還有為指導鍋爐運行、分析事故原因、進行法律仲裁而檢測的樣品等。在這里主要分析碳、氫、氮、硫、氧的檢測結果，同時也對發(fā)熱量進行了測定并匯總了檢測結果。數據概況，見表1。

2 研究儀器及設備

煤質檢測實驗室配備電子天平、鼓風干燥箱、高溫爐、元素分析儀、定硫儀、測熱儀等必要的檢測用儀器設備。按照規(guī)定，定期進行計量檢定和校準，使之保持良好狀態(tài)。

數據的統(tǒng)計分析采用SPSS 17.0軟件。

3 實驗結果及分析

依據研究樣本，排除極端值影響，取工業(yè)分析（水、灰）和元素分析的各指標空干基中值結果，繪制典型樣本水分、灰分、碳、氫、氮、硫、氧質量分數的條形圖，見圖1。

表1 數據概況（數據個數N=1 898個）

圖1 典型煤樣各組分質量分數

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

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

隨著煤變質程度加深，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)計方法的選擇奠定了基礎。很明顯，樣本干基碳數值集中在50.00%～70.00%。

根據均值加減一個標準差的分類方法 （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量的百分比

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

紅外檢測器隨環(huán)境和時間會出現(xiàn)漂移。為了準確測定碳含量，除了足夠的穩(wěn)定時間以外，在待測樣品中間以適度間隔測定標準樣品也是十分必要的。

3.1.2 碳與發(fā)熱量的相關分析計算

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

圖4 干基碳與干基高位發(fā)熱量散點圖

可見，兩者有呈線性正相關的趨勢。

試對碳與發(fā)熱量這兩個變量進行相關性檢驗，結果如表2。

表2 干基碳與干基高位發(fā)熱量的相關分析

由表2可知，有效數據對為217個，雙側檢驗結果證明顯著性參數p＜0.01，兩者呈顯著正相關，干基碳與干基高位發(fā)熱量Pearson相關系數為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

氫也是發(fā)熱量的來源之一，隨煤變質程度的加深而減少。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結晶水中的氫，不能燃燒；游離態(tài)的氫在燃燒時釋放出很高的熱量，1 g游離氫可釋放143 010 J的熱量，幾乎是等質量碳的4倍［5］。氫和碳是揮發(fā)分的主要成分。

通過直方圖，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，數據集中在2.50%～4.00%。

圖5 干基氫分布直方圖及正態(tài)曲線

測定氫時，煤樣在氧氣流中充分燃燒，氫全部轉化為H2O，連同煤樣原有水分，經燃燒爐中的爐試劑凈化，被收集在混氣罐當中，充分混勻后，混氣罐將氣體送入H2O紅外池中測定［4］。從儀器給出的結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)熱量的相關分析

既然氫也是主要熱源，試對氫與發(fā)熱量這兩個變量進行相關性檢驗，結果如表3。

表3 干基氫與干基高位發(fā)熱量的相關分析

表3顯示，有效數據對為217個，雙側顯著性檢驗結果證明，兩者呈顯著（p＜0.01）正相關，干基氫與干基高位發(fā)熱量Pearson相關系數為-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

由圖1可知，氮含量通常很低。在煤燃燒時，氮多呈游離態(tài)隨煙氣逸出。如燃燒溫度達到1 600℃以上，氮與氧化合生成氮氧化物的比率增大，對環(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。數據接近正態(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)熱量的相關分析

揮發(fā)分與燃燒關系密切。對干燥無灰基揮發(fā)分和干基高位發(fā)熱量進行雙變量相關分析，結果見表4。

表4 干基氮與干基高位發(fā)熱量的相關分析

由表4可知，有效數據對為217個，雙側顯著性檢驗結果證明，兩者呈顯著（p＜0.01）正相關，干基氮與干基高位發(fā)熱量Pearson相關系數為-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

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及水蒸汽的煙氣進入鍋爐底部時會形成硫酸，凝結在低溫受熱面上，腐蝕設備［5］。排出煙氣中的SO2會造成大氣污染。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)生結渣。在鍋爐設計、環(huán)保設施調試中，均需硫含量的數據［6］。

本研究的1 898個樣本硫含量的分布，見圖7?？梢姡虻姆植冀咏龖B(tài)。將樣本按硫質量分數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5%。

3.4.2 硫與干基高位發(fā)熱量的相關分析

硫燃燒，也能釋放一定熱量。對干基硫和干基高位發(fā)熱量進行雙變量相關分析，結果見表5。

表5 干基硫與干基高位發(fā)熱量的相關分析

表5結果顯示，有效數據對為214個，雙側顯著性檢驗結果證明（p＞0.05），兩者相關不顯著。由此，可初步判斷：干基硫與干基高溫發(fā)熱量數值變動方向沒有明顯規(guī)律性。

3.5 氧的分析

3.5.1 氧的描述統(tǒng)計

氧質量分數通常由100%減去水分、灰分、碳、氫、氮的質量分數計算獲得。在煤中，氧多呈化合態(tài)存在，本身不燃燒 。在加熱時，氧促進有機組分分解。干基氧的分布見圖9。3.5.2氧與發(fā)熱量的相關分析

圖9 干基氧分布直方圖及正態(tài)曲線

氧對干基氧和干基高位發(fā)熱量進行雙變量相關分析，結果見表6。

表6 干基氧與干基高位發(fā)熱量的相關分析

表6結果顯示，有效數據對為216個，雙側顯著性檢驗結果證明（p＞0.05），兩者相關不顯著。由此可知：干基氧與干基高位發(fā)熱量變動的方向，沒有明顯規(guī)律性。

4 各元素與發(fā)熱量數值關系

通過計算分析和理論研究，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性，通過回歸分析，可以進一步探討它們對發(fā)熱量的預測效應的大小和方向［8］。排除水分影響，將標準差大于3的觀測量判為離群值，將干基碳（Cd）、干基氫（Hd）、干基氮（Nd）的質量分數對干基高位發(fā)熱量（Qgr，d）進行線性逐步回歸，結果見表 7。

由表7可知，經過逐步回歸形成模型3，常量不顯著（β=-0.159，t=-0.546，p>0.1），自變量干基碳、干基氫、干基氮均進入模型3方程（R2=96.9%，F(xiàn)=2 212.809，p<0.001），且均顯著正向預測干基高位發(fā)熱量，按效果量ΔR大小（效果量顯示自變量對于擬合模型的預測效應或貢獻大?。?］），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、氧等元素的指標與發(fā)熱量的數值計算公式

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

表7 各干基元素對干基高位發(fā)熱量的逐步回歸分析結果（N=216）

5 結語

通過對2009—2012年期間山東省內眾多燃煤電廠1 898個煤質樣本進行了元素分析，統(tǒng)計了碳、氫、氮、硫、氧等元素的指標分布情況。 在此基礎上通過相關性分析以及采用回歸分析方法進行理論研究，最終得出了碳、氫、氮、硫、氧等元素的指標與發(fā)熱量的數值計算規(guī)律，從而發(fā)現(xiàn)了可以采用元素分析來估算煤質發(fā)熱量這一方法。采用煤質元素分析方法來預測發(fā)熱量具有簡單、可行，試驗條件要求相對較低的優(yōu)勢，可以實現(xiàn)與熱量計測定方法的相互驗證。

煤質檢測是保證燃煤電廠安全生產的重要措施，也是科學管理的重要組成部分。元素分析是了解和研究煤質的基礎，發(fā)熱量是衡量發(fā)電成本和效益的核心，兩者均關系到電廠存煤、輸煤、制粉、鍋爐運行、除塵、除灰和脫硫的安全性和經濟性。

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