基于商品煤化驗數(shù)據(jù)的煤炭發(fā)熱量估算

帖 呈

（晉能控股山西科學技術(shù)研究院設(shè)計研究有限責任公司，山西 大同 037000）

1 問題的提出

煤炭發(fā)熱量作為煤質(zhì)化驗中和商品煤價格結(jié)算最重要的數(shù)據(jù)，為尋找一種精確的發(fā)熱量計算模型，國內(nèi)外眾多學者對大量煤炭發(fā)熱量數(shù)據(jù)進行總結(jié)研究，推導出一系列煤炭發(fā)熱量計算公式，如利用工業(yè)分析數(shù)據(jù)計算煙煤的發(fā)熱量經(jīng)驗公式[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，%。

部分學者還提出了一種基于煤中可燃組分（固定碳、揮發(fā)分）計算煤炭發(fā)熱量的經(jīng)驗公式模型[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)實踐應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，上述兩種經(jīng)驗公式都存在一定系統(tǒng)誤差，且無法直接利用全水分及工業(yè)分析數(shù)據(jù)（一般分析試驗煤樣水分、灰分、揮發(fā)分）來計算收到基低位發(fā)熱量。為解決以上問題，需研究一種新型發(fā)熱量計算公式模型。

2 王坪煤礦煙煤發(fā)熱量經(jīng)驗公式

王坪煤礦開采石炭二疊紀煤層，氣煤，低灰、低硫，為高揮發(fā)性的優(yōu)質(zhì)工業(yè)動力用煤，主要發(fā)運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2326 列火車880 多萬噸商品煤，對應(yīng)的化驗成分變化范圍見表1。

表1 商品煤質(zhì)指標變化范圍

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，極有可能是化驗數(shù)據(jù)出現(xiàn)了問題。且本次共計2326 組數(shù)據(jù)，分析量較大，故不對異常數(shù)據(jù)進行剔除。由圖1～圖4可知，全水分、一般分析試驗煤樣水分、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)驗公式模型為[3-5]：

3 經(jīng)驗公式對比分析及應(yīng)用

3.1 經(jīng)驗公式計算值與實測值對比

推導出王坪煤礦商品煤發(fā)熱量經(jīng)驗公式之后，需對公式精密度進行檢驗。經(jīng)計算，在2326 列火車商品煤樣化驗數(shù)據(jù)中，式（4）計算值與實測值的誤差絕對值≤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，誤差絕對值超過4%是小概率事件，作為日常管理檢查依據(jù)，可將誤差絕對值超過4%的數(shù)據(jù)視為異常數(shù)據(jù)。

3.2 經(jīng)驗公式對比分析及應(yīng)用

使用式（1）對王坪煤礦商品煤2326 組數(shù)據(jù)進行計算得到的發(fā)熱量與實測值進行比較，誤差分析如下：誤差絕對值≤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）對該礦區(qū)2326 組數(shù)據(jù)進行多元回歸分析，可得：

Qnet，ar=81.47FCar+82.56Var- 608.9 （5）

使用式（5）對王坪煤礦商品煤2326 組數(shù)據(jù)進行計算得到的發(fā)熱量與實測值進行比較，誤差分析如下：誤差絕對值≤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)驗公式（4）與式（1）、式（5）進行對比，結(jié)果見表2。

表2 公式（4）與公式（1）、公式（5）對比

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

3.3 應(yīng)用

在實際工作中，可將式（4）作為商品煤煤質(zhì)化驗工作日常管理和檢查依據(jù)，計算值與實測值進行對比，對誤差超過4%的化驗數(shù)據(jù)重新測定分析，并查找原因。

4 結(jié)語

（1）大量商品煤化驗數(shù)據(jù)表明，煤中全水分、一般分析試驗煤樣水分、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)熱量模型計算簡便，可操作性強，精確度高，物理意義明確。

（2）發(fā)熱量經(jīng)驗公式計算值雖然不能用作煤價結(jié)算，但可以作為商品煤煤質(zhì)化驗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)問題提供依據(jù)。經(jīng)驗公式計算值與實測值誤差超過4%是小概率事件，故可對誤差超過4%的化驗數(shù)據(jù)重新測定分析，查找原因。

（3）本文給出的發(fā)熱量經(jīng)驗公式是基于王坪煤礦化驗數(shù)據(jù)多元回歸分析得來的，不同地區(qū)、不同煤種的煤炭發(fā)熱量經(jīng)驗公式是不同的，可根據(jù)本文方法，依據(jù)大量化驗數(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)，需引入其他因素進行研究。