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动力煤工业分析指标相关性探索

2020-01-10 08:53

  郑商所从期货1701合约开始实施新的交割品品质规定,增加对灰分、挥发分的要求

  通过对动力煤发热量、灰分、挥发分和硫分工业指标建立相关的关系模型,来分析动力煤发热量与灰分、挥发分、硫分之间的关系,进而得出影响发热量的主要因素,为煤质快捷统计分类提供一定的理论依据。

  煤炭是千百万年来植物的枝叶和根茎,在地面上堆积而成的一层极厚的黑色的腐植质,由于地壳变动而不断埋入地下,长期与空气隔绝,并在高温高压下,经过一系列复杂的物理化学变化因素,形成的黑色可燃沉积岩。

  大量的科学研究表明,煤是由植物的死亡堆积及其分解而逐渐变化产生的。具体形成过程是,群落生长的陆生植物在漫长的地质年代,经过地壳不断变动,随着地壳下沉,慢慢被水淹没或被山石覆盖。在多水缺氧的情况下,堆积在水中的植物残骸受一种“厌氧细菌”的作用,脱去不稳定的含氧物质,使残留物氧和氢的含量减少,碳含量相对增高。

  与此同时,植物残骸还受到其他生物化学作用,产生大量的腐植酸和沥青类物质。这种既含有植物残骸未被分解的组成部分(如根、茎、叶、树皮等),又含有腐植酸,而且碳含量比植物残骸高、水分比较大的物质称为泥炭。

  在泥炭形成的过程中,往往出现植物生死交替和地壳不断运动的情况。如果地壳垂直下沉的速度与泥炭堆积的速度差不多,泥炭层就会不断地变厚;如果地壳垂直下沉的速度比泥炭堆积的速度大,随着时间推移,泥炭层的上面就会被沙土覆盖而形成顶板,顶板越厚,泥炭受压力和地热的作用越大。地热和压力的作用使泥炭中的腐植酸转变为腐植质,腐植质进一步受到压力和温度的作用,氢和氧的含量减少,泥炭逐渐全部转变为变质程度不同的煤。

  当泥炭被其他沉积物覆盖后,泥炭化作用结束,生物化学作用逐渐减弱,从而开始从泥炭经褐煤转变为无烟煤的煤化阶段。因此,我们通常所称的煤都是处于一定煤化阶段的产物。

  煤炭的物理性质,是指煤一定的化学组成和分子结构的外部表现。它是由成煤的原始物质及其聚积条件、转化过程、煤化程度、风化程度、氧化程度等因素所决定,包括颜色、光泽、粉色、比重和容重、硬度、脆度、断口及导电性等。其中,除了比重和导电性需要在实验室测定外,其他根据肉眼观察就可以确定。AG平台煤的物理性质可以作为初步评价煤质的依据,也可以用于研究煤的成因、变质机理和解决煤层对比等地质问题。

  煤的化学组成很复杂,基本可以分为有机质和无机质两大类,主要为有机质。其中,构成煤炭有机质的元素主要有碳、氢、氧、氮、硫等,还有极少量的磷、氟、氯、砷等元素。碳、氢、氧是煤炭有机质的主体,大约占95%以上。其中,煤化程度越高,碳含量越高,氢和氧含量相对越低。碳和氢是煤炭燃烧过程中产生热量的物质,氧起助燃作用。煤炭在燃烧过程中,氮无法产生热量,往往会以氮氧化合物或氨的形式析出。硫、磷、氟、氯、砷等是煤炭中的有害成分,尤其是硫,煤炭在燃烧的过程中,硫会被氧化为二氧化硫,随着烟气排放到大气中,对环境造成严重的污染。因此,硫分是评价煤质的重要指标。

  煤炭中有机质在一定温度和条件下,受热分解产生的可燃性气体被称为挥发分,它是由各种碳氢化合物、氢气、一氧化碳等化合物组成的混合型气体。挥发分也是评价煤质的重要指标,通常情况下,煤化程度低的煤挥发分往往较高。

  煤中的无机质含量很少,主要有水分和矿物质,它们的存在降低了煤的质量和利用价值。矿物质是煤炭的主要杂质,如硫化物、硫酸盐、碳酸盐等,大部分属于有害成分。

  通过工业分析可以初步了解煤的性质,大致判断煤的种类和用途,煤炭的工业分析主要从发热量、灰分、挥发分、水分、固定碳、硫分等方面进行测定。

  单位重量的煤在完全燃烧时所产生的热量,也称热值,它是评价煤炭质量,尤其是评价动力用煤的重要指标。国际市场上动力用煤以热值计价,我国自1985年6月起,将以灰分计价改为以热值计价,发热量主要与煤中的可燃元素含量和煤化程度有关。为便于比较耗煤量,在工业生产中,常常将实际消耗的煤量折合成发热量为29308千焦/千克(合7000千卡/千克)的标准煤来进行计算。

  煤在燃烧之后留下的残渣,它是煤中的矿物质经过氧化、分解而来的。通常情况下,灰分越高,热效率越低。灰分过高会使排渣困难,使灰分在炼焦时全部转入焦炭,降低焦炭的强度,严重影响焦炭质量。常用的指标主要有以下几种:空气干燥基灰分(Aad)、干燥基灰分(Ad)、收到基灰分(Aar)。

  煤中的有机物质受热分解产生的可燃性气体。挥发分大小与煤的变质程度有关,煤炭质量程度越高,挥发分往往越低。常用的指标主要有以下几种:空气干燥基挥发分(Vad)、干燥基挥发分(Vd)、干燥无灰基挥发分(Vdaf)、收到基挥发分(Var)。

  煤中的水分分为内在水分、外在水分、结晶水和分解水,一般以水的内在水分作为评定煤质的指标。煤化程度越低,煤的内部表面积越大,水分含量越高,水分过高会增加运费、降低生产效率、使煤冻结。全水分(Mt)是煤中所有内在水分和外在水分的总和,用Mar表示,通常规定在8%以下。常用的指标主要有以下几种:全水分(Mt)、空气干燥基水分(Mad)。

  测定煤的挥发分时,剩下的不挥发物称为焦渣,焦渣减去灰分称为固定碳,是煤中不挥发的固体可燃物。焦煤的外观与煤种有机质的性质有密切关系,所以根据焦渣的外观特征,可以定性地判断煤的黏结性和工业用途。

  硫是煤中的有害元素,包括有机硫、无机硫。硫含量低于1%才可用于燃料,部分地区要求在0.6%和0.8%以下,现在常说的环保煤、绿色能源均为硫份较低的煤。常用的指标主要有以下几种:空气干燥基全硫(St,ad)、干燥基全硫(St,d)、收到基全硫(St,ar)。

  从广义上讲,凡是以发电、机车推进、锅炉燃烧等为目的,产生动力而使用的煤炭都属于动力用煤,简称动力煤。就类别来说,主要有褐煤、长焰煤、不粘煤、贫煤、气煤以及少量的无烟煤。

  郑商所对动力煤1701合约交割品进行修改,提高硫分的同时增加了挥发分、灰分方面的要求。实际上,动力煤现货市场中通常使用发热量、挥发分、灰分和硫分对煤质进行区别,不同煤质的动力煤报价也有很大区别。简单直观来看,对于动力煤来讲,煤化程度越高,挥发分往往越低,而煤化程度高的煤往往发热量较高。因此,发热量与挥发分、灰分和硫分之间存在一定的关系。

  为此我们共收集138组全国不同煤矿动力煤煤质指标,对不同煤炭的发热量、灰分、挥发分和硫分进行统计研究,通过SPSS22统计软件建立多元回归性进行统计分析,其结果如下:

  从相关性来看,发热量(Q)与灰分(A)、挥发分(V)之间存在一定的负相关性,即灰分越大、挥发分越高的动力煤发热量往往越低,而发热量与硫分(S)之间基本上不存在相关性,即发热量与硫分之间不存在一定的线性关系。

  通过分别对灰分、挥发分和硫分进行逐步回归,可以看出模型3中硫分对应参数的t检验结果并不显著。然而,模型2中灰分和挥发分对应系数分别为-73.625、-14.408,t检验结果在1%显著水平下均拒绝原假设,即在其他解释变量保持不变的情况下,解释变量灰分、挥发分分别对被解释变量发热量均有显著的影响。可以据此得出发热量与灰分、挥发分的回归方程:发热量(Q)=-73.625×灰分(A)-14.408×挥发分(V)+7300.596。

  以高热值、低灰、低挥发性的朝鲜无烟煤为例,假设朝鲜煤灰分为15,挥发分为6,通过回归方程大概可以计算出朝鲜煤热值为6100大卡,即基本属于高热值的无烟煤,但是硫分与发热量之间不存在一定的线性关系。也就是说,硫分的高低并不能实质意义上影响热值的大小,硫分较高的高污染低劣煤种也有可能是发热量较高的无烟煤。

  综上所述,虽然地质的不同导致不同地区产生的煤种大不相同,但是通过探索我们发现,不同煤炭指标之间仍然有千丝万缕的规律存在。最近市场传言,朝鲜煤由于其挥发性太低导致配煤出现困难,下游电厂不能使用,市场上一度将朝鲜煤归为低劣煤种。其实朝鲜煤具有高热值、低灰、低硫、低挥发分、高固定碳等特点,在燃烧时煤烟较少,对环境污染较小,还可以减轻高炉装置的负担,能够延长设备的使用寿命,相比其他烧结炉料价格较低,属于典型的高热值优质无烟煤,主要用于钢铁及发电行业。

  至于挥发性较低,其实是符合煤种形成规律和线性关系的,包括国产煤在内,热值较高的无烟煤往往也具有挥发分、灰分较低的特点。郑商所从动力煤1701合约开始实施新的交割品品质规定,增加对灰分、挥发分的要求,更加科学地促进动力煤期货市场的健康发展,也让期现货市场人士对煤炭有更加科学客观的认识。