影響煤質(zhì)發(fā)熱量測定的因素及其應(yīng)對措施分析

陶麗　張琦

摘要：文章通過了解熱量計的結(jié)構(gòu)、工作流程及測定原理，從影響發(fā)熱量測定的因素如測量設(shè)備、人員操作、一般分析煤樣及數(shù)據(jù)處理等方面進行分析。經(jīng)過采取合理有效的措施，保證入廠煤發(fā)熱量測定結(jié)果準確可靠。

關(guān)鍵詞：商品煤；煤質(zhì)量評價；發(fā)熱量測定；熱量計；煤質(zhì)計價 文獻標識碼：A

中圖分類號：TQ533 文章編號：1009-2374（2015）12-0155-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.12.077

1 概述

發(fā)熱量是商品煤煤質(zhì)量評價的主要指標，是電廠煤質(zhì)計價的依據(jù)，也是發(fā)電煤耗的計算根據(jù)，是電廠經(jīng)濟指標的主要參數(shù)。河津發(fā)電分公司裝機容量為130MW，年用煤量超過400萬噸，如果在入廠煤的驗收中，發(fā)熱量測定結(jié)果偏高50～100J/g，每年的經(jīng)濟損失可達到400萬元到800萬元。因此，電廠入廠煤質(zhì)驗收中，煤的發(fā)熱量檢驗就顯得尤為重要，認真分析影響煤質(zhì)發(fā)熱量的測定因素并采取相應(yīng)措施，才可以使測定結(jié)果準確

可靠。

2 恒溫式自動熱量計的結(jié)構(gòu)及工作流程

河津發(fā)電分公司入廠煤驗收中使用的是恒溫式自動熱量計。該設(shè)備的工作流程：將裝好煤樣并充有過量氧氣的氧彈放置在熱量計的內(nèi)筒并蓋好蓋子，磁力泵從備用水箱中抽水裝滿定量容器，定量后的水進入內(nèi)筒，攪拌器可以使內(nèi)筒水溫保持均勻。煤樣在點火燃燒后放出熱量，通過氧彈傳遞到內(nèi)筒水中，根據(jù)點火前后內(nèi)筒水溫的升高及熱量計的熱容量，計算出煤的發(fā)熱量。試驗結(jié)束后內(nèi)筒水返回到備用水箱，一次試驗完成。

3 發(fā)熱量測定原理

發(fā)熱量測定原理是：稱取一定量的標準量熱物質(zhì)苯甲酸至于氧彈中，氧彈充以一定壓力的氧氣，苯甲酸在氧彈內(nèi)完全燃燒，所釋放的熱量使得熱量計量熱體系溫度升高。量熱體系包括內(nèi)筒及水，浸沒于水中的氧彈、攪拌器、溫度計等部分。根據(jù)牛頓冷卻定律，將燃燒過程中量熱系統(tǒng)與恒溫環(huán)境之間的熱交換進行修正，就可以計算出熱量計的熱容量E。即量熱體系升高1℃所吸收的熱量，單位J/g。

E=（QM+q1+qn）/[（Tn-To）+C]

式中：

Q——標準苯甲酸的熱值J/g

M——標準苯甲酸的質(zhì)量g

Tn——量熱體系的終點溫度℃

To——量熱體系的起點溫度℃

C——冷卻校正值，℃

q1——點火熱，J

qn——其他附加熱，J

4 影響發(fā)熱量測定因素分析及處理措施

4.1 儀器對發(fā)熱量影響及處理措施

4.1.1 內(nèi)筒水量對發(fā)熱量影響。國標規(guī)定：內(nèi)筒水量在所有試驗中保持相同，相差不超過0.5g。量熱儀的內(nèi)筒水量是通過定量容器進行計量，這種方式相對來說體積基本恒定。由于試驗過程中內(nèi)筒水吸收燃料燃燒釋放的熱量，試驗結(jié)束后內(nèi)筒水返回到備用水箱，隨著試驗次數(shù)的增加，備用水箱水溫也會增加，備用水箱水量是內(nèi)筒水水量的20倍，連續(xù)10個試驗，備用水箱水溫就會升高1℃。由于環(huán)境溫度和試樣放出熱量使水溫升高而影響內(nèi)筒水量的變化，從而影響煤的發(fā)熱量結(jié)果。

處理措施：在熱量計室通過暖氣和空調(diào)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度保持在23℃～25℃范圍，并根據(jù)季節(jié)和溫度變化，通過熱容量的標定來減少對煤的發(fā)熱量影響；在試驗過程中，做完一次測試后，應(yīng)將儀器蓋子打開，停放5分鐘左右，再開始進行第二次試驗；連續(xù)做5個煤樣后，應(yīng)將儀器散熱半個小時，重新開始試驗，避免由于內(nèi)筒水溫升高影響內(nèi)筒水量。

4.1.2 溫度計對發(fā)熱量影響。根據(jù)發(fā)熱量測定原理可知，測準發(fā)熱量的關(guān)鍵在于測準內(nèi)筒的溫升。熱量計配用的鉑電阻溫度計，其技術(shù)要求是能測準到1/100℃，估讀到1/1000℃。這種溫度計存在著電阻與溫度的線性關(guān)系和平均分度值問題和老化的問題。

處理措施：應(yīng)選用精準度和靈敏度高的溫度計，定期對溫度計進行校驗，杜絕使用不合格的溫度計。

4.1.3 熱量計測試時間對發(fā)熱量影響。恒溫式熱量計在測定發(fā)熱量過程中，它的內(nèi)外筒之間始終存在熱交換，冷卻校正值就是為了校正熱交換。冷卻校正公式如下：

C=nV0+（Vn-V0）/（Tn-T0）×[∑ln-1Ti+（T0+Tn）/2-nT0]

式中：

C——冷卻校正值，單位為開爾文（K）

n——由點火到終點的時間，單位為分（min）

V0——點火時內(nèi)外筒溫差的內(nèi)筒降溫速度，單位為開爾文每分（K/min）

Vn——終點時內(nèi)外筒溫差的內(nèi)筒降溫速度，單位為開爾文每分（K/min）

T0——點火時內(nèi)筒溫度，單位開爾文（K）

Tn——終點時內(nèi)筒溫度，單位開爾文（K）

Ti——主期內(nèi)第i分鐘時的內(nèi)筒溫度

由于溫度和時間在發(fā)熱量測試過程中儀器可以準確進行讀數(shù)，所以冷卻校正值很大程度上是與點火前內(nèi)筒降溫速度和終點后內(nèi)筒降溫速度有關(guān)，準確測定這兩個數(shù)值，就需要熱量計延長實驗初期和末期的測試時間。現(xiàn)在很多設(shè)備廠家為了縮短實驗周期，在設(shè)計中縮短了初期時間和去掉了末期試驗過程，采用經(jīng)驗數(shù)值，這樣就降低了發(fā)熱量測試的精準度。

處理措施：在選用設(shè)備時，要注意冷卻校正公式數(shù)值的采集方式，一個煤樣發(fā)熱量的測試時間應(yīng)控制在20分鐘以上。

4.2 人員操作對發(fā)熱量影響及處理措施

4.2.1 天平稱量對發(fā)熱量影響。不論是熱容量標定或煤樣的發(fā)熱量測試，都需要準確的物質(zhì)重量，如果一個電子天平在對1g重的物質(zhì)實際稱量結(jié)果為0.9975g，在熱容量測試過程中，熱容量結(jié)果就會平均降低25J/K。對于25MJ/kg的煤樣，在發(fā)熱量測試過程中，發(fā)熱量就會升高60J/g。

處理措施：天平使用前要預(yù)熱半個小時，稱量時要校準，使用中要清掃、及時歸零，讀數(shù)時要關(guān)閉天平門并要等到數(shù)值穩(wěn)定；對于使用年限較長的天平，要經(jīng)常用1g的砝碼進行稱量鑒定，誤差盡可能不超過0.5mg。

4.2.2 熱容量對發(fā)熱量影響。如果熱容量標定不準確，發(fā)熱量測試計算結(jié)果就會系統(tǒng)偏高或偏低，造成系統(tǒng)誤差。

處理措施：在標定儀器熱容量時，選用二級及以上的苯甲酸標準物質(zhì)，使用前應(yīng)進行干燥，準確稱量，嚴格控制操作過程，每次充氧壓力和充氧時間要相同，熱容量標定結(jié)果的相對標準偏差控制在0.1%以內(nèi)。

4.2.3 氧彈操作不當對發(fā)熱量影響及處理措施。氧彈漏氣會使發(fā)熱量測試結(jié)果偏低，氧彈內(nèi)電極上的防火罩距離煤樣坩堝太近，會造成燃燒不充分；氧彈內(nèi)清洗后未擦拭干凈和氧彈外部有水時，會使煤樣測試結(jié)果偏低；氧彈內(nèi)加10mL水不準確，會影響發(fā)熱量結(jié)果；氧彈充氧壓力和充氧時間不正確會影響結(jié)果。

處理措施：氧彈內(nèi)電極上的防火罩距離坩堝應(yīng)在7.5cm左右，氧彈清洗后應(yīng)將內(nèi)部擦拭干凈不留水，用10mL的移液管準確加入蒸餾水；氧彈充氧壓力應(yīng)2.9MPa，充氧時間為30s。

4.2.4 坩堝對發(fā)熱量影響。發(fā)熱量坩堝的形狀和壁的薄厚會影響發(fā)熱量測試結(jié)果，坩堝內(nèi)部成90°或坩堝壁太厚，在燃燒試驗中會發(fā)生煤樣不能完全燃燒；坩堝材質(zhì)選擇不當，在試驗過程中會發(fā)生坩堝燃燒融化。坩堝長時間使用后變薄，在試驗過程中會發(fā)生熱效應(yīng)變形；坩堝內(nèi)清潔程度會影響發(fā)熱量。

處理措施：購買坩堝時選擇壁薄、內(nèi)部呈弧形的坩堝；坩堝材質(zhì)在煤樣測試過程中不發(fā)生融化；長時間使用的坩堝要定期進行淘汰，不能使用變形的坩堝。使用坩堝前應(yīng)將坩堝清潔干凈。

4.2.5 煤樣處理對發(fā)熱量影響。煤屬于不均勻性物料，在稱樣前煤樣攪拌不均勻，會影響發(fā)熱量的測試結(jié)果；對于矸石量較高的不易燃燒的煤和揮發(fā)分高燃燒中易飛濺的煤，如果不經(jīng)過處理直接燃燒試驗，會造成燃燒不完全。

處理措施：煤樣在稱樣前，應(yīng)對煤樣進行充分混合，并進行多點取樣，以增加煤樣的代表性；對于矸石量較高的不易燃燒的煤，應(yīng)在坩堝底部墊一層經(jīng)過灼燒過的石棉絨或用擦鏡紙抱緊煤樣進行試驗，用擦鏡紙包裹的煤樣，測試結(jié)果應(yīng)減去擦鏡紙的熱值；對于高揮發(fā)分的燃煤，在試驗中應(yīng)進行壓餅處理或用擦鏡紙抱緊煤樣進行試驗，在壓餅處理時，注意煤樣的污染問題，在用擦鏡紙包裹煤樣結(jié)果計算時應(yīng)減去擦鏡紙的熱值。

4.3 煤樣對發(fā)熱量影響及處理措施分析

分析煤樣一般是指粒度小于0.2mm，達到空氣干燥狀態(tài)的煤樣，對于劣質(zhì)煤，分析煤樣粒度應(yīng)小于0.1mm。煤樣粒度過粗，煤樣在攪拌過程中不能充分混合均勻，使稱量取樣時代表性變差，影響發(fā)熱量結(jié)果；煤樣未達到空氣干燥狀態(tài)即干燥過度或煤樣水分與空氣濕度溫達到平衡，煤樣在稱量過程中就會吸收空氣中的水分或?qū)⒚簶又械乃终舭l(fā)出來，造成稱量結(jié)果不準確，影響發(fā)熱量結(jié)果。

處理措施：購買符合國家標準的0.2mm煤樣篩，分析煤樣在制樣過程中要全部通過0.2mm的篩子，對于劣質(zhì)煤，要將煤樣制備到0.1mm。煤樣在烘箱中進行干燥后，要在空氣中放置至少半個小時，以達到與空氣濕度平衡后再裝瓶。進入實驗室的煤樣，化驗人員每天進行粒度抽檢檢驗，監(jiān)督制樣人員做好制樣工作。

5 結(jié)語

第一，熱量計在購買時，要對設(shè)備的工作原理、溫度計精準度、冷卻校正值使用公式等進行了解和熟悉，技術(shù)性能應(yīng)符合GB/T213-2008煤的發(fā)熱量測定方法的技術(shù)要求，在使用時根據(jù)設(shè)備構(gòu)造合理安排試驗操作方法，盡可能提高儀器的精確度和準確度。

第二，在試驗過程中，要提高化驗人員對天平使用狀況的分析判斷，提高稱量的準確性；加強熱量計熱容量的標定工作；熟練掌握氧彈的操作過程；正確選擇發(fā)熱量坩堝；合理使用石棉絨和擦鏡紙。

第三，加強制樣過程中煤樣的粒度分析監(jiān)督機制，分析煤樣一定要達到空氣濕度平衡，這是煤樣發(fā)熱量測試準確的前提。

參考文獻

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[2] 方文沐，杜惠敏，李天榮.燃料分析技術(shù)問答[M].北京：中國電力出版社，2014.

作者簡介：陶麗（1978-），女，山西永濟人，山西河津發(fā)電分公司工程師；張琦（1977-），男，山西永濟人，山西大同煤礦集團有限責任公司高級工程師。

（責任編輯：陳 倩）