影響煤發熱量測定值的因素淺探

吳琨,苗均,魏鳳英,鄭麗

（1.新疆八一鋼鐵股份有限公司制造管理部；2.新疆八一鋼鐵股份有限公司煉鐵廠）

1 前言

煤炭發熱量是煤質及動力用煤最重要的一項指標，煤炭發熱量不僅是工業生產中動力煤熱值計價依據，也是企業煤價結算的重要依據。準確測定煤的發熱量，真實反映煤質質量，直接影響燃煤工藝過程的熱平衡、耗煤量、熱效率以及企業的生產技術指標。煤炭發熱量關系到煤價結算，也影響到企業的生產成本。

2 煤的發熱量定義及發熱量數學模型

高煤炭發熱量是指單位質量的煤完全燃燒時所發出的熱量。目前發熱量的測定普遍使用自動量熱儀，采用氧彈量熱法。測定工作原理：稱取一定量的煤試樣于氧彈熱量計中，在充有過量的氧氣中燃燒，放出的熱量被一定量的水吸收，根據水溫的升高來計算煤樣的發熱量。

工業燃燒設備中煤炭發熱量常用的收到基低位發熱量,數學模型：

式中：Qnet,ar—收到基煤的低位發熱量，J／g；

Mt—煤的全水分，%；

Hd—煤的干基氫值，%；

Qgr,d—空氣干燥基高位發熱量；

空氣干燥基高位發熱量數學模型：

式中：Qgr,d—干燥基煤的高位發熱量，J/g；

Qbad—煤的彈筒發熱量；

Sad—由彈筒洗液測得的煤的含硫量，%；

Mad—煤分析基水分；

94.1—煤中每1%硫對熱值的校正值，J；

a—硝酸校正系數。

由數學模型可知，彈筒發熱量換算到高位發熱量，若設定全硫值不變，彈筒發熱量Qbad計算干燥基高位發熱量Q時，水分Mad對計算值有影響。當彈筒發熱量在2.00～28.00 MJ/kg時，水分Mad每增加1%，干燥基高位發熱量增加220～290 J/g。

由高位發熱量換算到低位發熱量。收到基低位發熱量主要涉及干基氫值和水分，煤中的氫值主要受煤種的影響，對同類煤而言，氫值(H)的變化不大。若設定氫值不變，當干基高位發熱量在22.00～28.00 MJ/kg時，全水分每增加1%，收到基低位發熱量將減少237～297 J/g。

理論表明，Mad（煤空干基水分）及Mt（煤全水分），即煤的水分對煤的發熱量影響貢獻較大。

3 煤中水分測定對發熱量影響的實例說明

全水分（Mt），是煤中所有內在水分和外在水分的總和。空氣干燥基水分(Mad)，指煤炭在空氣干燥狀態下所含的水分。也可以認為是內在水分。

煤中水分是煤進化程度的考量指標。根據其結構狀態又可分為內在水分和外在水分兩種，吸附和凝聚在煤粒內部毛細孔中的水稱為內在水分；附著在煤粒表面上的水稱為外在水分。日常所說的煤的水分是指在環境溫度和濕度下，煤與大氣達到接近平衡時所失的那部分水（外在水）和留下來的內在水分。外在水分通常在45℃～50℃的溫度下經過一定時間后即能蒸發掉，內在水分比外在水分較難蒸發，要在105℃～110℃的溫度下經過一定時間后才能蒸發掉。

煤的水分受煤種及環境溫度濕度影響較大，在測定中的關鍵問題是保證原來煤樣的水分沒有損失也沒有增加，制樣人員及化驗人員在操作中需嚴格按照標準化要求執行，煤的水分樣品需保存在密封良好的容器內，勿放在陽光直射及高溫設備旁。制樣過程需快速，避免吸潮或水分揮發。樣品到達化驗室后立即測定，若無法立即測定立即稱量，以便進行水分損失校正。

針對某鋼鐵企業使用四種煤，測定了不同批次同煤種的水分及發熱量。見圖1、2、3、4實例。

圖1 不同批次同煤種(ST)水分測定不同與發熱量值

圖2 不同批次同煤種（YM）水分測定不同與發熱量值

圖3 不同批次同煤種(LT)水分測定不同與發熱量值

圖4 不同批次同煤種(JM)水分測定不同與發熱量值

從圖表可看出煤的發熱量受煤的水分含量影響很大。在實際試驗檢測中出現過，同一種煤由于測定水分樣品未保存在密閉良好的容器內或送到化驗室未及時測定或制樣不嚴格未按照國標執行，測定的水分產生誤差造成發熱量存在較大誤差。

因此要求煤樣制樣人員及化驗人員在操作中嚴格執行國標的標準化要求，避免測定的發熱量結果因水分測定誤差而發生錯誤，降低數據的準確度。

4 發熱量過程中的影響因素

依據氧彈發熱量測定工作原理，首先要解決熱量計的熱容量的標定問題，即儀器量熱系統溫度每增加1度需要吸收的熱量，可通過一定量的基準量熱物質苯甲酸來標定。

4.1 苯甲酸標定熱容量對發熱量測定的影響

熱容量是量熱儀非常重要的參數，其標定的正確與否直接對測定結果產生重大影響。必須使用經國家計量部門檢定合格并標明熱值的二級或二級以上的基準量熱物-苯甲酸。按GB／T213中規定的方法標定熱容量，確定在不同試驗溫升下需使用的實際熱容量值。量熱儀熱容量的標定一般每3個月進行一次。在更換感溫探頭（或測溫卡）、量熱儀較大部件(如攪拌器、氧彈)、外筒水時，以及量熱儀有較大搬動或標定熱容量和測定發熱量時內筒水溫相差5℃以上，或用苯甲酸檢查測定值與標準熱值之差超過50 J／g，非人為或外界原因造成的情況下，都必須重新標定熱容量。實際工作中每班測試前都必須用高、中、低不同煤標樣檢定儀器運行，檢定實測標樣熱值是否在標準熱值的不確定度范圍之內。參照表1，若結果異常停止當班生產煤樣的正常測定，必須重新對操作過程及量熱儀運行進行檢查，或重新標定熱容量。

表1 不同煤標樣熱值 MJ/kg

4.2 量熱儀運行外部環境的影響

氧彈量熱儀測定發熱量解決量熱系統與外界的熱交換問題，采用在量熱系統周圍加雙壁水套，通過控制水套溫度消除或校正量熱系統與外界的熱交換。根據試樣燃燒前后量熱系統產生的溫差，對附加熱進行校正后得出煤的發熱量。

由于自動量熱儀中數顯溫度計內元器件大部分是集成塊及電子元器件，溫度過低過高將影響元器件的功能。測定發熱量時，根據室溫調節量熱儀外筒水溫，再由外筒溫度和煤樣的溫升調節內筒初始溫度。因此在發熱量測定過程中，其外部環境溫度變化往往會影響測值的準確性。實際工作中發現，在冬季供暖、春季停暖、夏季陽光直射、對開大門強力通風等狀態下都會引起室溫較大變化，造成熱容量及發熱量測定誤差。因此檢測現場可以采用掛窗簾、安裝空調設備等方法避免量熱儀外筒溫度驟然升降，還應避免測定發熱量時近距離同時使用高溫設備如電熱爐、電熱烘箱等發熱源，造成使測定結果不準確。因此最好能設置發熱量測定專用室，每天根據實際情況和熱容量標定時的溫度，控制保持好室溫恒定，保證每次測定時量熱儀內外筒溫度變化不超過1度。

4.3 內外筒水的影響

自動量熱儀內筒水是從外筒水注入的，在從外筒向內筒水注入時，水量和水的純凈度要保持一致。自動量熱儀內筒水的熱容量在整個儀器的熱容量中占相當的的比重，由于水的比熱較大，內外筒水的量不一致將會使儀器的熱容量發生變化，導致發熱量的測定誤差。量熱儀電磁閥，進水閥和放水閥易被點火絲、雜質或其他殘渣堵塞，需要隨時檢查和及時清理，保持水中無雜質。一旦發現水中雜質須及時換水，換水后儀器的熱容量要用煤標樣重新標定。

4.4 煤樣稱量操作的影響

按照國標GB/T213-2008測定發熱量時要求空氣干燥煤樣的粒度必須小于0.2mm，質量0.9～1.1g(稱準至0.0002g)。松散的煤樣在燃燒時會發生飛濺，會引起發熱量測定值偏低而導致試驗失敗。所以在測定過程中一定要將稱取的煤樣充分混合均勻，再把稱取的松散煤樣輕輕壓實。重復測試時，稱樣、測量要同時進行，防止煤樣吸收水分而導致試驗數據發生誤差，所以2個煤樣稱量間隔時間不能太長。

4.5 煤樣燃燒不完全的影響

實際操作中，有時在測定完發熱量后，燃燒皿中會出現剩余的煤樣，這些煤樣都是因為燃燒不完全產生的，而煤樣燃燒不完全會導致測定的發熱量數值比正常值偏低。

影響煤樣燃燒不完全的因素有很多：（1）煤樣本身質量的問題。例如一些煤進化程度低，煤矸石含量高，灰分大熱值低的煤樣會發生燃燒不完全的情況。對于這些特殊的煤樣，可以用在燃燒皿里鋪石棉絨襯墊和適當增加充氧壓力的辦法，促使煤樣完全燃燒，提高準確度。易飛濺煤樣可采用包擦鏡紙或摻苯甲酸的方法，最大限度地防止因煤樣的飛濺而導致的測定結果偏低或點火失敗。

（2）因點火絲操作不當也會使煤樣燃燒不完全，如點火絲連接不正確，點火絲不能與煤樣恰好接觸;點火絲埋入煤粉埋得過深或者點火絲和煤粉距離太遠，而使得點火絲不能正常點火,都會導致煤樣燃燒不完全，使測定結果偏低。

（3）氧彈使用不當也會使煤樣燃燒不完全，如給氧彈充氧時太急太快，會將煤樣吹濺出去而導致測定結果偏低，充氧時一定要使壓力緩慢上升。必須正確把握充氧時間和及時更換鋼瓶，當鋼瓶指示的壓力在5.0MPa以下時要適當延長充氧時間，鋼瓶壓力不足（鋼瓶指示壓力＜4.0 MPa時）應及時更換。及時檢查氧彈的氣密性，氧彈各部件的連接部分橡皮圈彈性不好或部件磨損造成的接觸不嚴密都會使氧彈發生漏氣，使氧彈氧氣壓力不足，從而影響煤樣的完全燃燒，使測定結果偏低。

5 結語

通過對測定煤發熱量數學模型分析并結合現場試驗，認為煤本身的水分及水分測定準確性影響煤的發熱量。測定過程中熱容量標定、量熱儀設備內外部環境、測定過程中的操作規范性都會對煤的發熱量產生一定影響，為減少對測定過程的影響提出了解決措施。筆者認為，測定中只有嚴格按照國標進行操作，才能保證所測發熱量數據準確、可靠，為企業生產提供準確的數據。