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        電廠用煤元素組成與發(fā)熱量的數(shù)值關(guān)系研究

        2014-04-26 06:36:18
        山東電力技術(shù) 2014年1期
        關(guān)鍵詞:發(fā)熱量煤質(zhì)煤樣

        李 莉

        ﹙國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)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(zhì)的重要指標,是鍋爐設(shè)計和熱力計算的重要參數(shù)。 因此,煤質(zhì)檢測是保證燃煤電廠安全生產(chǎn)的重要措施,也是科學(xué)管理的重要組成部分[1]。其中,元素分析是了解和研究煤質(zhì)的基礎(chǔ),發(fā)熱量是衡量發(fā)電成本和效益的核心,兩者均關(guān)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(jīng)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(jié)果的因素較多,在計算結(jié)果時還必須進行一系列校正,且操作的正確與否直接關(guān)系到試驗人員與儀器設(shè)備的安全[2]。隨著對于煤質(zhì)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(jù)已知化驗結(jié)果進行換算,這樣既提高了工作效率又方便了數(shù)據(jù)的核準[3]。在2009—2012年期間對山東省內(nèi)眾多燃煤電廠選取了1 898個煤質(zhì)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(zhì)發(fā)熱量估算方法。

        1 確定煤質(zhì)分析樣本

        對山東省內(nèi)眾多燃煤電廠選取了1898份煤質(zhì)樣本進行了元素分析并收集匯總發(fā)熱量等數(shù)據(jù)。這些樣本主要是山東省內(nèi)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(dǎo)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(jié)果,同時也對發(fā)熱量進行了測定并匯總了檢測結(jié)果。數(shù)據(jù)概況,見表1。

        2 研究儀器及設(shè)備

        煤質(zhì)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(shè)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(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析采用SPSS 17.0軟件。

        3 實驗結(jié)果及分析

        依據(jù)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(jié)果,繪制典型樣本水分、灰分、碳、氫、氮、硫、氧質(zhì)量分數(shù)的條形圖,見圖1。

        表1 數(shù)據(jù)概況(數(shù)據(jù)個數(shù)N=1 898個)

        圖1 典型煤樣各組分質(zhì)量分數(shù)

        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(cè)鏈的芳環(huán)和雜環(huán)的核構(gòu)成的。碳是這些環(huán)的骨架[1]。礦物質(zhì)(例如碳酸鹽)中含有的碳,不參與燃燒。

        隨著煤變質(zhì)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(chǔ)。很明顯,樣本干基碳數(shù)值集中在50.00%~70.00%。

        根據(jù)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(shù)量的百分比

        本研究中使用較先進的紅外—熱導(dǎo)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(zhuǎn)化為CO2,與煤中其它元素形成的產(chǎn)物(如煤中硫經(jīng)燃燒生產(chǎn)的SOx,鹵素形成的鹵素單質(zhì)、鹵化氫等)混合在一起,經(jīng)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(guān)分析計算

        碳是主要熱源,兩者有密切關(guān)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(guān)的趨勢。

        試對碳與發(fā)熱量這兩個變量進行相關(guān)性檢驗,結(jié)果如表2。

        表2 干基碳與干基高位發(fā)熱量的相關(guān)分析

        由表2可知,有效數(shù)據(jù)對為217個,雙側(cè)檢驗結(jié)果證明顯著性參數(shù)p<0.01,兩者呈顯著正相關(guān),干基碳與干基高位發(fā)熱量Pearson相關(guān)系數(shù)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(zhì)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(zhì)結(jié)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(zhì)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(shù)據(jù)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(zhuǎn)化為H2O,連同煤樣原有水分,經(jīng)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(jié)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(guān)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(guān)性檢驗,結(jié)果如表3。

        表3 干基氫與干基高位發(fā)熱量的相關(guān)分析

        表3顯示,有效數(shù)據(jù)對為217個,雙側(cè)顯著性檢驗結(jié)果證明,兩者呈顯著(p<0.01)正相關(guān),干基氫與干基高位發(fā)熱量Pearson相關(guān)系數(shù)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(shù)據(jù)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(guān)分析

        揮發(fā)分與燃燒關(guān)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(guān)分析,結(jié)果見表4。

        表4 干基氮與干基高位發(fā)熱量的相關(guān)分析

        由表4可知,有效數(shù)據(jù)對為217個,雙側(cè)顯著性檢驗結(jié)果證明,兩者呈顯著(p<0.01)正相關(guān),干基氮與干基高位發(fā)熱量Pearson相關(guān)系數(shù)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(jié)在低溫受熱面上,腐蝕設(shè)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(jié)渣。在鍋爐設(shè)計、環(huán)保設(shè)施調(diào)試中,均需硫含量的數(shù)據(jù)[6]。

        本研究的1 898個樣本硫含量的分布,見圖7??梢?,硫的分布接近正態(tài)。將樣本按硫質(zhì)量分數(shù)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(shù)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(guān)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(guān)分析,結(jié)果見表5。

        表5 干基硫與干基高位發(fā)熱量的相關(guān)分析

        表5結(jié)果顯示,有效數(shù)據(jù)對為214個,雙側(cè)顯著性檢驗結(jié)果證明(p>0.05),兩者相關(guān)不顯著。由此,可初步判斷:干基硫與干基高溫發(fā)熱量數(shù)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(zhì)量分數(shù)通常由100%減去水分、灰分、碳、氫、氮的質(zhì)量分數(shù)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(guān)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(guān)分析,結(jié)果見表6。

        表6 干基氧與干基高位發(fā)熱量的相關(guān)分析

        表6結(jié)果顯示,有效數(shù)據(jù)對為216個,雙側(cè)顯著性檢驗結(jié)果證明(p>0.05),兩者相關(guān)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(shù)值關(guān)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(guān)性,通過回歸分析,可以進一步探討它們對發(fā)熱量的預(yù)測效應(yīng)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(zhì)量分數(shù)對干基高位發(fā)熱量(Qgr,d)進行線性逐步回歸,結(jié)果見表 7。

        由表7可知,經(jīng)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(yù)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(yù)測效應(yīng)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(shù)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(zhì)量分數(shù),%;ω(Hd)為干基氫的質(zhì)量分數(shù),%;ω(Nd)為干基氮的質(zhì)量分數(shù),%。

        表7 各干基元素對干基高位發(fā)熱量的逐步回歸分析結(jié)果(N=216)

        5 結(jié)語

        通過對2009—2012年期間山東省內(nèi)眾多燃煤電廠1 898個煤質(zhì)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(chǔ)上通過相關(guān)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(shù)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(zhì)發(fā)熱量這一方法。采用煤質(zhì)元素分析方法來預(yù)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(zhì)檢測是保證燃煤電廠安全生產(chǎn)的重要措施,也是科學(xué)管理的重要組成部分。元素分析是了解和研究煤質(zhì)的基礎(chǔ),發(fā)熱量是衡量發(fā)電成本和效益的核心,兩者均關(guān)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(jīng)濟性。

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