動力煤工業分析指標相關性探索

知識 10-24

鄭商所從期貨1701合約開始實施新的交割品品質規定，增加對灰分、揮發分的要求

通過對動力煤發熱量、灰分、揮發分和硫分工業指標建立相關的關係模型，來分析動力煤發熱量與灰分、揮發分、硫分之間的關係，進而得出影響發熱量的主要因素，為煤質快捷統計分類提供一定的理論依據。

煤炭的定義與形成

煤炭是千百萬年來植物的枝葉和根莖，在地面上堆積而成的一層極厚的黑色的腐植質，由於地殼變動而不斷埋入地下，長期與空氣隔絕，並在高溫高壓下，經過一系列複雜的物理化學變化因素，形成的黑色可燃沉積岩。

大量的科學研究表明，煤是由植物的死亡堆積及其分解而逐漸變化產生的。具體形成過程是，群落生長的陸生植物在漫長的地質年代，經過地殼不斷變動，隨著地殼下沉，慢慢被水淹沒或被山石覆蓋。在多水缺氧的情況下，堆積在水中的植物殘骸受一種「厭氧細菌」的作用，脫去不穩定的含氧物質，使殘留物氧和氫的含量減少，碳含量相對增高。

與此同時，植物殘骸還受到其他生物化學作用，產生大量的腐植酸和瀝青類物質。這種既含有植物殘骸未被分解的組成部分（如根、莖、葉、樹皮等），又含有腐植酸，而且碳含量比植物殘骸高、水分比較大的物質稱為泥炭。

在泥炭形成的過程中，往往出現植物生死交替和地殼不斷運動的情況。如果地殼垂直下沉的速度與泥炭堆積的速度差不多，泥炭層就會不斷地變厚；如果地殼垂直下沉的速度比泥炭堆積的速度大，隨著時間推移，泥炭層的上面就會被沙土覆蓋而形成頂板，頂板越厚，泥炭受壓力和地熱的作用越大。地熱和壓力的作用使泥炭中的腐植酸轉變為腐植質，腐植質進一步受到壓力和溫度的作用，氫和氧的含量減少，泥炭逐漸全部轉變為變質程度不同的煤。

當泥炭被其他沉積物覆蓋後，泥炭化作用結束，生物化學作用逐漸減弱，從而開始從泥炭經褐煤轉變為無煙煤的煤化階段。因此，我們通常所稱的煤都是處於一定煤化階段的產物。

煤炭的物理和化學性質

煤炭的物理性質，是指煤一定的化學組成和分子結構的外部表現。它是由成煤的原始物質及其聚積條件、轉化過程、煤化程度、風化程度、氧化程度等因素所決定，包括顏色、光澤、粉色、比重和容重、硬度、脆度、斷口及導電性等。其中，除了比重和導電性需要在實驗室測定外，其他根據肉眼觀察就可以確定。煤的物理性質可以作為初步評價煤質的依據，也可以用於研究煤的成因、變質機理和解決煤層對比等地質問題。

煤的化學組成很複雜，基本可以分為有機質和無機質兩大類，主要為有機質。其中，構成煤炭有機質的元素主要有碳、氫、氧、氮、硫等，還有極少量的磷、氟、氯、砷等元素。碳、氫、氧是煤炭有機質的主體，大約佔95%以上。其中，煤化程度越高，碳含量越高，氫和氧含量相對越低。碳和氫是煤炭燃燒過程中產生熱量的物質，氧起助燃作用。煤炭在燃燒過程中，氮無法產生熱量，往往會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，煤炭在燃燒的過程中，硫會被氧化為二氧化硫，隨著煙氣排放到大氣中，對環境造成嚴重的污染。因此，硫分是評價煤質的重要指標。

煤炭中有機質在一定溫度和條件下，受熱分解產生的可燃性氣體被稱為揮發分，它是由各種碳氫化合物、氫氣、一氧化碳等化合物組成的混合型氣體。揮發分也是評價煤質的重要指標，通常情況下，煤化程度低的煤揮發分往往較高。

煤中的無機質含量很少，主要有水分和礦物質，它們的存在降低了煤的質量和利用價值。礦物質是煤炭的主要雜質，如硫化物、硫酸鹽、碳酸鹽等，大部分屬於有害成分。

煤炭的工業分析指標

通過工業分析可以初步了解煤的性質，大致判斷煤的種類和用途，煤炭的工業分析主要從發熱量、灰分、揮發分、水分、固定碳、硫分等方面進行測定。

發熱量

單位重量的煤在完全燃燒時所產生的熱量，也稱熱值，它是評價煤炭質量，尤其是評價動力用煤的重要指標。國際市場上動力用煤以熱值計價，我國自1985年6月起，將以灰分計價改為以熱值計價，發熱量主要與煤中的可燃元素含量和煤化程度有關。為便於比較耗煤量，在工業生產中，常常將實際消耗的煤量摺合成發熱量為29308千焦/千克（合7000千卡/千克）的標準煤來進行計算。

灰分

煤在燃燒之後留下的殘渣，它是煤中的礦物質經過氧化、分解而來的。通常情況下，灰分越高，熱效率越低。灰分過高會使排渣困難，使灰分在煉焦時全部轉入焦炭，降低焦炭的強度，嚴重影響焦炭質量。常用的指標主要有以下幾種：空氣乾燥基灰分（Aad）、乾燥基灰分（Ad）、收到基灰分（Aar）。

揮發分

煤中的有機物質受熱分解產生的可燃性氣體。揮發分大小與煤的變質程度有關，煤炭質量程度越高，揮發分往往越低。常用的指標主要有以下幾種：空氣乾燥基揮發分（Vad）、乾燥基揮發分（Vd）、乾燥無灰基揮發分（Vdaf）、收到基揮發分（Var）。

水分

煤中的水分分為內在水分、外在水分、結晶水和分解水，一般以水的內在水分作為評定煤質的指標。煤化程度越低，煤的內部表面積越大，水分含量越高，水分過高會增加運費、降低生產效率、使煤凍結。全水分（Mt）是煤中所有內在水分和外在水分的總和，用Mar表示，通常規定在8%以下。常用的指標主要有以下幾種：全水分（Mt）、空氣乾燥基水分（Mad）。

固定碳

測定煤的揮發分時，剩下的不揮發物稱為焦渣，焦渣減去灰分稱為固定碳，是煤中不揮發的固體可燃物。焦煤的外觀與煤種有機質的性質有密切關係，所以根據焦渣的外觀特徵，可以定性地判斷煤的黏結性和工業用途。

硫分

硫是煤中的有害元素，包括有機硫、無機硫。硫含量低於1%才可用於燃料，部分地區要求在0.6%和0.8%以下，現在常說的環保煤、綠色能源均為硫份較低的煤。常用的指標主要有以下幾種：空氣乾燥基全硫（St，ad）、乾燥基全硫（St，d）、收到基全硫（St，ar）。

動力煤及其相關指標

從廣義上講，凡是以發電、機車推進、鍋爐燃燒等為目的，產生動力而使用的煤炭都屬於動力用煤，簡稱動力煤。就類別來說，主要有褐煤、長焰煤、不粘煤、貧煤、氣煤以及少量的無煙煤。

鄭商所對動力煤1701合約交割品進行修改，提高硫分的同時增加了揮發分、灰分方面的要求。實際上，動力煤現貨市場中通常使用發熱量、揮發分、灰分和硫分對煤質進行區別，不同煤質的動力煤報價也有很大區別。簡單直觀來看，對於動力煤來講，煤化程度越高，揮發分往往越低，而煤化程度高的煤往往發熱量較高。因此，發熱量與揮發分、灰分和硫分之間存在一定的關係。

動力煤工業分析指標相關性探索

圖為發熱量與揮發分、灰分和硫分之間的關係

為此我們共收集138組全國不同煤礦動力煤煤質指標，對不同煤炭的發熱量、灰分、揮發分和硫分進行統計研究，通過SPSS22統計軟體建立多元回歸性進行統計分析，其結果如下：

動力煤工業分析指標相關性探索

表為多元回歸性統計分析結果

從相關性來看，發熱量（Q）與灰分（A）、揮發分（V）之間存在一定的負相關性，即灰分越大、揮發分越高的動力煤發熱量往往越低，而發熱量與硫分（S）之間基本上不存在相關性，即發熱量與硫分之間不存在一定的線性關係。

具體分析數據可以對上述四項指標進行逐步多元回歸，其結果如下：

動力煤工業分析指標相關性探索

表為灰分、揮發分和硫分逐步回歸結果

以高熱值、低灰、低揮發性的朝鮮無煙煤為例，假設朝鮮煤灰分為15，揮發分為6，通過回歸方程大概可以計算出朝鮮煤熱值為6100大卡，即基本屬於高熱值的無煙煤，但是硫分與發熱量之間不存在一定的線性關係。也就是說，硫分的高低並不能實質意義上影響熱值的大小，硫分較高的高污染低劣煤種也有可能是發熱量較高的無煙煤。

綜上所述，雖然地質的不同導致不同地區產生的煤種大不相同，但是通過探索我們發現，不同煤炭指標之間仍然有千絲萬縷的規律存在。最近市場傳言，朝鮮煤由於其揮發性太低導致配煤出現困難，下游電廠不能使用，市場上一度將朝鮮煤歸為低劣煤種。其實朝鮮煤具有高熱值、低灰、低硫、低揮發分、高固定碳等特點，在燃燒時煤煙較少，對環境污染較小，還可以減輕高爐裝置的負擔，能夠延長設備的使用壽命，相比其他燒結爐料價格較低，屬於典型的高熱值優質無煙煤，主要用於鋼鐵及發電行業。

至於揮發性較低，其實是符合煤種形成規律和線性關係的，包括國產煤在內，熱值較高的無煙煤往往也具有揮發分、灰分較低的特點。鄭商所從動力煤1701合約開始實施新的交割品品質規定，增加對灰分、揮發分的要求，更加科學地促進動力煤期貨市場的健康發展，也讓期現貨市場人士對煤炭有更加科學客觀的認識。

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