СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НИЗШЕЙ ТЕПЛОТЫ СГОРАНИЯ УГЛЕЙ МЕСТОРОЖДЕНИЯ
METHOD TO DETERMINE LOWER CALORIFIC VALUE OF FIELD COALS

Изобретение относится к угольной промышленности, а именно к контролю качества углей.
<mrow><mo stretchy="false">(</mo><msubsup><mi>Q</mi><mi>i</mi><mi>r</mi></msubsup><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
В текущей работе геолога и мастера ОТК угольного разреза постоянно приходится сталкиваться с определением одного из главных показателей качества угля - низшей теплотой сгорания на рабочее состояние топлива
. Теплота сгорания является одной из основных характеристик показателей качества энергетического топлива. Этот показатель определяет цену топлива.
<mrow><mo stretchy="false">(</mo><msubsup><mi>Q</mi><mi>s</mi><mrow><mi>d</mi><mi>a</mi><mi>f</mi></mrow></msubsup><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Высшая теплота сгорания
, характеризует природный тип углей, степень его углефикации и вещественный состав.
Согласно ГОСТ 147-95 «Определение высшей теплоты сгорания и вычисление низшей теплоты сгорания», определение высшей теплоты сгорания основано на полном сжигании массы испытуемого топлива в колориметрической бомбе в изотермическом или адиабатическом режиме при постоянном объеме в среде сжатого кислорода и измерении подъема температуры калориметрического сосуда за счет теплоты, выделяющейся при сгорании топлива и вспомогательных веществ, а также при образовании водных растворов азотной и серной кислот в условиях испытания. Масса навески 0,8-1,5 гр.
Процесс очень сложный и дорогостоящий.
Низшая теплота сгорания выражает количество тепла, которое с учетом балласта (W, А) может быть практически реализовано при сжигании. Величина расчетная - согласно ГОСТ 147-95, рассчитывается из показателей высшей теплоты сгорания по формуле с учетом пересчетных коэффициентов:
<mrow><msubsup><mi>Q</mi><mi>i</mi><mi>d</mi></msubsup><mo>=</mo><msubsup><mi>Q</mi><mi>i</mi><mi>s</mi></msubsup><mo>−</mo><mn>24,42</mn><mo stretchy="false">(</mo><mn>8,94</mn><msup><mi>H</mi><mi>a</mi></msup><mo>+</mo><msup><mi>W</mi><mi>a</mi></msup><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
,
где 24,42 - теплота парообразования;
8,94 - коэффициент пересчета массовой доли водорода на воду;
a
H - массовая доля водорода в аналитической пробе;
a
W - массовая доля воды в аналитической пробе.
Формула довольно громоздкая и неприменимая к оперативным расчетам.
<mrow><mo stretchy="false">(</mo><msubsup><mi>Q</mi><mi>i</mi><mi>r</mi></msubsup><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
r
r
Различными исследователями постоянно изыскиваются пути определения
по известным значениям рабочей влажности и зольности (W, A), методы определения которых менее затратные (как во времени, так и в материальном плане).
Целью изобретения является создание способа оперативного определения одного из основных показателей качества угля - низшей теплоты сгорания на рабочее состояние топлива, необходимое при текущем планировании добычи и отгрузки угля с учетом качественных характеристик, а также сокращение объема дорогостоящих анализов по определению теплотворных свойств углей.
Цель достигается тем, что способ определения низшей теплоты сгорания углей месторождения, заключается в том, что на стадии разведки и технологических испытаний производят определение показателей качества углей: рабочей влажности, зольности и низшей теплоты сгорания, а также средних значений этих параметров по месторождению и определяют низшую теплоту сгорания углей данного месторождения для любого состояния топлива по формуле
<mrow><msup><mi>Q</mi><mi>r</mi></msup><msub><mrow /><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mo stretchy="false">(</mo><msubsup><mi>Q</mi><mn>1</mn><mi>r</mi></msubsup><mo>+</mo><mn>6</mn><msubsup><mi>W</mi><mn>1</mn><mi>r</mi></msubsup><mo stretchy="false">)</mo><mn>100</mn><mo>−</mo><msubsup><mi>W</mi><mn>2</mn><mi>r</mi></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>A</mi><mn>2</mn><mi>r</mi></msubsup><mo>/</mo><mn>100</mn><mo>−</mo><msubsup><mi>W</mi><mn>1</mn><mi>r</mi></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>A</mi><mn>1</mn><mi>r</mi></msubsup><mo>−</mo><mn>6</mn><msubsup><mi>W</mi><mn>2</mn><mi>r</mi></msubsup><mtext>                       </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
,
<mrow><msubsup><mi>Q</mi><mn>1</mn><mi>r</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>W</mi><mn>1</mn><mi>r</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>A</mi><mn>1</mn><mi>r</mi></msubsup></mrow>
где
- средние значения низшей теплоты сгорания, рабочей влажности
и рабочей зольности
, определенные на стадии разведки и технологических испытаний угля;
<mrow><msubsup><mi>A</mi><mn>1</mn><mi>r</mi></msubsup></mrow>
- зольность на рабочее состояние топлива, %
<mrow><msubsup><mi>A</mi><mn>1</mn><mi>r</mi></msubsup><mo>=</mo><msubsup><mi>A</mi><mn>1</mn><mi>d</mi></msubsup><mn>100</mn><mo>−</mo><msubsup><mi>W</mi><mn>1</mn><mi>r</mi></msubsup><mtext>                                                                                  </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
,
<mrow><msubsup><mi>A</mi><mn>1</mn><mi>d</mi></msubsup></mrow>
где
- зольность на сухое состояние топлива, %
<mrow><msubsup><mi>Q</mi><mn>2</mn><mi>r</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>W</mi><mn>2</mn><mi>r</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>A</mi><mn>2</mn><mi>r</mi></msubsup></mrow>
- низшая теплота сгорания на любое состояние топлива с известной рабочей влажностью
и зольностью
,
затем строят график зависимости низшей теплоты сгорания угля от влажности и зольности и осуществляют оперативное определение низшей теплоты сгорания угля по показаниям рабочих влажности и зольности при помощи графика.
Предлагаемый способ был внедрен на Уртуйском месторождении.
<mrow><msubsup><mi>Q</mi><mn>1</mn><mi>r</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>W</mi><mn>1</mn><mi>r</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>A</mi><mn>1</mn><mi>r</mi></msubsup></mrow>
к
к
к
1
1
1
Принимали за
,
,
средние показатели качества углей, достаточно надежно определенные различными исследованиями на стадии разведки и технологических испытаний для Уртуйского месторождения: Q =4020 ккал/кг, W =29,5%, A =12,5%. Выводили формулу расчета зольности на рабочее состояние топлива для углей Уртуйского месторождения:
<mrow><msubsup><mi>A</mi><mn>1</mn><mi>r</mi></msubsup><mo>=</mo><msubsup><mi>A</mi><mn>1</mn><mi>d</mi></msubsup><mn>100</mn><mo>−</mo><msubsup><mi>W</mi><mn>1</mn><mi>r</mi></msubsup><mo>=</mo><mn>8,81</mn><mi>%</mi><mo>,</mo><mtext>                                                                            </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><msubsup><mi>A</mi><mn>1</mn><mi>d</mi></msubsup></mrow>
где
- зольность на сухое состояние топлива.
Подставляя средние значения в формулу (1) получили формулу расчета низшей теплоты сгорания для углей Уртуйского месторождения:
<mrow><msubsup><mi>Q</mi><mn>2</mn><mi>r</mi></msubsup><mo>=</mo><mo stretchy="false">(</mo><msubsup><mi>Q</mi><mn>1</mn><mi>r</mi></msubsup><mo>+</mo><mn>6</mn><msubsup><mi>W</mi><mn>1</mn><mi>r</mi></msubsup><mo stretchy="false">)</mo><mn>100</mn><mo>−</mo><msubsup><mi>W</mi><mn>2</mn><mi>r</mi></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>A</mi><mn>2</mn><mi>r</mi></msubsup><mo>/</mo><mn>100</mn><mo>−</mo><msubsup><mi>W</mi><mn>1</mn><mi>r</mi></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>A</mi><mn>1</mn><mi>r</mi></msubsup><mo>−</mo><mn>6</mn><msubsup><mi>W</mi><mn>2</mn><mi>r</mi></msubsup><mtext>                     </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><msubsup><mi>Q</mi><mn>2</mn><mi>r</mi></msubsup><mo>=</mo><mn>68,0337</mn><mo stretchy="false">(</mo><mn>100</mn><mo>−</mo><msubsup><mi>W</mi><mn>2</mn><mi>r</mi></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>A</mi><mn>2</mn><mi>r</mi></msubsup><mo stretchy="false">)</mo><mo>−</mo><mn>6</mn><msubsup><mi>W</mi><mn>2</mn><mi>r</mi></msubsup><mtext>                                          </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><mo stretchy="false">(</mo><msubsup><mi>Q</mi><mn>2</mn><mi>r</mi></msubsup><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Эта формула позволяет рассчитать низшую теплоту сгорания
Уртуйских углей для любого состояния топлива по известным значениям рабочей влажности и зольности.
к
к
к
1
1
1
<mrow><mo stretchy="false">(</mo><msubsup><mi>Q</mi><mn>2</mn><mi>r</mi></msubsup><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Определив показатели: Q , W , A  - для любого месторождения, используя данную методику, можно определить низшую теплоту сгорания углей
для этого месторождения.
<mrow><mo stretchy="false">(</mo><msubsup><mi>Q</mi><mn>2</mn><mi>r</mi></msubsup><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
На основе данной формулы построен график (палетка) для определения
графическим способом (фиг.1). Масштаб построения графика и количество линий может быть любым.
<mrow><msubsup><mi>W</mi><mn>2</mn><mi>r</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>A</mi><mn>1</mn><mi>r</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>Q</mi><mn>2</mn><mi>r</mi></msubsup></mrow>
Дробные значения зольности и влажности откладываются на палетке путем интерполяции между целыми значениями. Правильность определения низшей теплоты сгорания по формуле (1) и графику проверена по результатам сопоставления этого показателя с лабораторией ТЭЦ г.Краснокаменска. По известным значениям
и
, определенным в лаборатории, рассчитывалась величина
по формуле (1), которая сравнивалась с фактически полученным значением на калориметре. Всего сравнивалось 284 определения.
<mrow><msubsup><mi>Q</mi><mn>2</mn><mi>r</mi></msubsup></mrow>
Среднее квадратическое расхождение между рассчитанными и фактическими значениями составило ±3,5%. Необходимо иметь в виду, что это расхождение является суммой погрешностей определения трех составляющих: влажности, зольности и теплоты сгорания пробы в лабораторных условиях. Исключив один из анализов - собственно определение теплоты сгорания, точность определения
будет зависеть только от точности определения рабочей влажности и рабочей зольности.
<mrow><msubsup><mi>Q</mi><mi>i</mi><mi>r</mi></msubsup></mrow>
r
Рассчитываем
для различных значений влажности (в пределах наиболее часто встречающихся значений) при одинаковой зольности A=Const=8,81%.
Таблица 1
Расчет Q<sup>r</sup> <sub>i2</sub>=f(W<sup>r</sup> <sub>2</sub>)
Влажность <maths num="30"><math display="block"><mrow><msubsup><mi>W</mi><mn>2</mn><mi>r</mi></msubsup></mrow></math><img file="00000029.tif" he="7" wi="7" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
Зольность <maths num="31"><math display="block"><mrow><msubsup><mi>A</mi><mn>2</mn><mi>r</mi></msubsup></mrow></math><img file="00000030.tif" he="7" wi="6" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
Теплота сгорания <maths num="32"><math display="block"><mrow><msubsup><mi>Q</mi><mn>2</mn><mi>r</mi></msubsup></mrow></math><img file="00000031.tif" he="7" wi="6" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
Расчет
1
2
3
4
23
8,81
4501,2
(4020+6×29,5)(100-23-8,81/100-29,5-8,81)-6×23
23
8,81
4427,2
(4020+6×29,5)(100-24-8,81/100-29,5-8,81)-6×24
25
8,81
4353,2
(4020+6×29,5)(100-25-8,81/100-29,5-8,81)-6×25
26
8,81
4279,1
(4020+6×29,5)(100-26-8,81/100-29,5-8,81)-6×26
27
8,81
4205,1
(4020+6×29,5)(100-27-8,81/100-29,5-8,81)-6×27
28
8,81
4131,1
(4020+6×29,5)(100-28-8,81/100-29,5-8,81)-6×28
29
8,81
4057,0
(4020+6×29,5)(100-29-8,81/100-29,5-8,81)-6×29
30
8,81
3983,0
(4020+6×29,5)(100-30-8,81/100-29,5-8,81)-6×30
31
8,81
3908,9
(4020+6×29,5)(100-31-8,81/100-29,5-8,81)-6×31
32
8,81
3834,9
(4020+6×29,5)(100-32-8,81/100-29,5-8,81)-6×32
33
8,81
3760,8
(4020+6×29,5)(100-33-8,81/100-29,5-8,81)-6×32
34
8,81
3686,8
(4020+6×29,5)(100-34-8,81/
100-29,5-8,81)-6×34
35
8,81
3612,8
(4020+6×29,5) (100-35-8,81/100-29,5-8,81)-6×35
36
8,81
3538,8
(4020+6×29,5) (100-36-8,81/100-29,5-8,81)-6×36
<mrow><msubsup><mi>Q</mi><mi>i</mi><mi>r</mi></msubsup></mrow>
Рассчитывали
в зависимости от зольности, при этом достаточно взять одно условное значение, например 20%, т.к. согласно формуле (1), зависимость имеет линейный характер. Расчет приведен в таблице 2.
Таблица 2
Расчет Q<sup>r</sup> <sub>i2</sub>=f(A<sup>r</sup> <sub>2</sub>) при W<sup>r</sup> <sub>1</sub>=Gonst, A<sup>r</sup> <sub>1</sub>=8.81
Влажность <maths num="34"><math display="block"><mrow><msubsup><mi>W</mi><mn>2</mn><mi>r</mi></msubsup></mrow></math><img file="00000029.tif" he="7" wi="7" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
, %
Зольность <maths num="35"><math display="block"><mrow><msubsup><mi>A</mi><mn>2</mn><mi>r</mi></msubsup></mrow></math><img file="00000030.tif" he="7" wi="6" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
, %
Теплота сгорания. <maths num="36"><math display="block"><mrow><msubsup><mi>Q</mi><mn>1</mn><mi>r</mi></msubsup></mrow></math><img file="00000033.tif" he="7" wi="6" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
, ккал/кг
Теплота сгорания <maths num="37"><math display="block"><mrow><msubsup><mi>Q</mi><mn>2</mn><mi>r</mi></msubsup></mrow></math><img file="00000031.tif" he="7" wi="6" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
, ккал/кг
РАСЧЕТ
1
2
3
4
23
20,0
4501,2
3740,0
(4501,2+6×23)(100-23-20/100-23-8,1)-6×23
24
20,0
4427,2
3666,0
(4427,2+6×24)(100-24-20/100-24-8,81)-6×24
25
20,0
4353,2
3592,0
(4353,2+6×25)(100-25-20/100-25-8,81)-6×25
26
20,0
4279,1
3517,9
(4279,1+6×26)(100-26-20/100-26-8,81)-6×26
27
20,0
4205,1
3443,9
(4205,1+6×27)(100-27-20/100-27-8,81)-6×27
28
20,0
4131,1
3369,9
(4131,1+6×28)(100-28-20/100-28-8,81)-6×28
29
20,0
4057,0
3295,8
(4057,0+6×29)(100-29-20/100-29-8,81)-6×29
30
20,0
3983,1
3221,8
(3983,0+6×30)(100-30-20/100-30-8,81)-6×30
31
20,0
3908,9
3147,8
(3908,9+6×31)
(100-31-20/100-31-8,81)-6×31
32
20,0
3834,9
3073,7
(3834,9+6×32)(100-32-20/100-32-8,81)-6×32
33
20,0
3760,9
2999,7
(3760,9+6×33)(100-33-20/100-33-8,81)-6×33
35
20,0
3612,8
2851,8
(3612,8+6×35)(100-35-20/100-35-8,81)-6×35
36
20,0
3538,8
2777,6
(3538,8+6×36)(100-36-20/100-36-8,81)-6×36
<mrow><msubsup><mi>Q</mi><mi>i</mi><mi>r</mi></msubsup></mrow>
Наносим на график полученные значения, соединяем значения
для одинаковой влажности и получаем набор линий (палетку), характеризующих зависимость теплоты сгорания от влажности и зольности (фиг.1).
Эти линии описываются формулами, приведенными в таблице 3.
Таблица 3
Регрессионная зависимость Q<sup>r</sup> <sub>i</sub>=f (A<sup>r</sup> <sub>i</sub>)
W<sup>r</sup>, %
ФОРМУЛА
1
2
23
Q<sup>r</sup> <sub>i</sub>=5100-68.0A<sup>r</sup> <sub>i</sub>
24
Q<sup>r</sup> <sub>i</sub>=5026-68.0A<sup>r</sup> <sub>i</sub>
25
Q<sup>r</sup> <sub>i</sub>=4952-68.0A<sup>r</sup> <sub>i</sub>
26
Q<sup>r</sup> <sub>i</sub>=4878-68.0A<sup>r</sup> <sub>i</sub>
27
Q<sup>r</sup> <sub>i</sub>=4804-68.0A<sup>r</sup> <sub>i</sub>
28
Q<sup>r</sup> <sub>i</sub>=4730-68.0A<sup>r</sup> <sub>i</sub>
29
Q<sup>r</sup> <sub>i</sub>=4656-68.0A<sup>r</sup> <sub>i</sub>
30
Q<sup>r</sup> <sub>i</sub>=4582-68.0A<sup>r</sup> <sub>i</sub>
31
Q<sup>r</sup> <sub>i</sub>=4508-68.0A<sup>r</sup> <sub>i</sub>
32
Q<sup>r</sup> <sub>i</sub>=4434-68.0A<sup>r</sup> <sub>i</sub>
33
Q<sup>r</sup> <sub>i</sub>=4360-68.0A<sup>r</sup> <sub>i</sub>
34
Q<sup>r</sup> <sub>i</sub>=4286-68.0A<sup>r</sup> <sub>i</sub>
35
Q<sup>r</sup> <sub>i</sub>=4212-68.0A<sup>r</sup> <sub>i</sub>
36
Q<sup>r</sup> <sub>i</sub>=4138-68.0A<sup>r</sup> <sub>i</sub>
r
i
Для дробных значений W  теплота сгорания определяется методом интерполяции между линиями целых значений.
Точность снятия отсчета по палетке составляет ±5-10 Ккал/кг, в зависимости от масштаба построения.
<mrow><msubsup><mi>Q</mi><mi>i</mi><mi>r</mi></msubsup><mo>=</mo><mi>f</mi><mo stretchy="false">(</mo><msubsup><mi>A</mi><mi>i</mi><mi>r</mi></msubsup><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><msubsup><mi>Q</mi><mi>i</mi><mi>r</mi></msubsup><mo>=</mo><mi>f</mi><mo stretchy="false">(</mo><msubsup><mi>A</mi><mi>i</mi><mi>r</mi></msubsup><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Линии
параллельны и находятся на расстоянии, равном 74 Ккал/кг. Для построения графика
для других значений влажности достаточно провести параллельную линию через 74 Ккал/кг от соседней.
Используемые методы оперативного контроля качества угля позволяют формировать партии угля по заявкам потребителей и могут быть использованы на любом угольном месторождении с учетом данных по рабочей влажности и зольности для данного месторождения.