影響煤中全水分測(cè)定準(zhǔn)確度的分析及改進(jìn)

龔 福

（上海上電電力運(yùn)營(yíng)有限公司，上海 200240）

0 引言

水分普遍存在于各種煤中，并按其結(jié)合形態(tài)可分為游離水和化合水。煤中的游離水是指機(jī)械地附著在煤中的水分；煤中的化合水是指以化合的方式與煤中礦物質(zhì)結(jié)合的水。游離水在常壓及105～110℃的高溫下，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的干燥即可除掉，而化合水通常要在200℃以上才能解析出。由于化合水約占全部水分的千分之一，而且較難準(zhǔn)確測(cè)定。因此，全水分測(cè)定結(jié)果并不是煤中所有的水，而只是游離水，還不包括化合水。

煤的全水分測(cè)定是煤質(zhì)化驗(yàn)的常規(guī)項(xiàng)目之一，文獻(xiàn)［1］對(duì)此有明確規(guī)定，但在實(shí)際操作中由于忽視了標(biāo)準(zhǔn)中未做明確規(guī)定的某些細(xì)節(jié)，容易造成測(cè)定誤差，從而導(dǎo)致不能正確評(píng)判煤炭質(zhì)量，給煤炭計(jì)價(jià)和換算帶來(lái)不利影響。煤中全水分每增加1%，則收到基低位發(fā)熱量降低250～300 J／g，從而也就影響了標(biāo)準(zhǔn)煤耗計(jì)算的準(zhǔn)確性。本文就影響煤中全水分測(cè)定的一些問(wèn)題，提出改進(jìn)方法，用以提高檢測(cè)全水分的精度。

1 影響煤中全水分測(cè)定的因素

在《煤的工業(yè)分析方法》GB／T 211—2007中給出了五種不同的測(cè)定方法，分別為通氮／空氣兩步法（方法A1／A2），通氮／空氣一步法（方法B1／B2）和微波干燥法（方法C，新增）。

通氮兩步法適用于無(wú)煙煤、煙煤和褐煤的水分測(cè)定，是仲裁方法；通氮一步法適用于無(wú)煙煤、煙煤和褐煤的水分測(cè)定。由于通氮干燥法必須配備通氮干燥箱及較高純度的氮?dú)猓@在使用上受到一定的限制，操作也比較麻煩，因此實(shí)際上使用者不是很多?？諝鈨刹椒ê鸵徊椒ㄟm用于無(wú)煙煤和煙煤的水分測(cè)定，而微波法適用于煙煤和褐煤的水分測(cè)定。方法B2中有采用粒度小于13 mm的煤樣來(lái)測(cè)定水分，制備試樣時(shí)減少一個(gè)破碎環(huán)節(jié)，煤中水分損失少，測(cè)定全水分時(shí)，稱樣量大，故煤樣代表性相對(duì)較高。加上該法僅使用常規(guī)儀器設(shè)備，電廠中大多采用該法來(lái)測(cè)定全水分。

1.1 煤樣的制備誤差

煤樣制取的正確與否，對(duì)分析結(jié)果的準(zhǔn)確度有一定影響，制樣時(shí)必須減少水分損失和煤樣污染。一般制樣過(guò)程中，采用全水分和分析煤樣的共用煤樣。制樣時(shí)要求從機(jī)械采樣裝置收集的13 mm粒度煤樣中，以最短的時(shí)間制取全水分煤樣，盡量減少水分損失。

煤樣的制備誤差，主要表現(xiàn)在三個(gè)方面。

1）測(cè)試環(huán)境 倘若室內(nèi)發(fā)生空氣強(qiáng)烈對(duì)流、熱水管道運(yùn)行等問(wèn)題，均會(huì)引起煤中水分變化，影響到全水分測(cè)定的準(zhǔn)確度。

2）制作煤樣 制樣時(shí)長(zhǎng)時(shí)間將煤樣敞開(kāi)放置，制樣時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、兩分器使用不正確、干燥過(guò)程不規(guī)范、全水分煤樣未妥善保存等問(wèn)題，都會(huì)造成水分損失。

3）煤樣粒度 按照兩步法測(cè)試要求：外在水分的測(cè)試煤樣粒度為13 mm；內(nèi)在水分的測(cè)試煤樣粒度為3 mm。如果把煤樣粒度13 mm制成6 mm或是3 mm，則對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響極大。

1.2 煤樣的稱取誤差

煤樣的稱取誤差，主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面。

1）忽視煤樣均勻度 在煤樣裝瓶過(guò)程中或裝瓶后放置、搬運(yùn)中，由于顆粒不均勻產(chǎn)生一定的粒度離析作用，使瓶?jī)?nèi)煤的水分分布不均勻。試驗(yàn)人員在稱取煤樣時(shí)，從3 kg或者1.25 kg煤樣中抽取0.5 kg或者0.01 kg煤樣，往往忽視煤樣均勻攪拌和縮分操作，隨意從一個(gè)部位或表面稱取煤樣，導(dǎo)致稱取的煤樣與舍棄的煤樣間產(chǎn)生偏差，影響最終結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2）忽視天平校驗(yàn) 試驗(yàn)人員在稱取煤樣時(shí)，忽視對(duì)天平的校驗(yàn)和檢查，忽視調(diào)節(jié)天平的水平狀態(tài)、零點(diǎn)，稱量盤(pán)的清理等工作，造成測(cè)試結(jié)果出現(xiàn)偏差。

例如：某燃煤電廠不同煤種、未充分?jǐn)嚢杌旌系拿簶优c充分?jǐn)嚢杌旌系拿簶尤衷囼?yàn)結(jié)果，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示，進(jìn)行對(duì)比，如表1所示。

表1 上海某燃煤電廠不同煤樣全水分測(cè)試值 %

1.3 忽視試驗(yàn)條件造成的誤差

測(cè)試全水分時(shí)，試驗(yàn)人員會(huì)忽視對(duì)試驗(yàn)條件的控制。

1）忽視干燥程度 將溫度設(shè)為105～110℃，干燥時(shí)間為1 h，分別測(cè)定煤樣在干燥箱內(nèi)進(jìn)行鼓風(fēng)與不鼓風(fēng)的全水分值，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示，如表2所示。

表2 鼓風(fēng)與不鼓風(fēng)下的全水分測(cè)試值 %

試驗(yàn)結(jié)果表明，如果鼓風(fēng)干燥箱的風(fēng)扇損壞或者排氣閥被關(guān)閉的話，煤樣全水分測(cè)試值的差異相當(dāng)大。

2）忽視控溫范圍 在兩步法中，為了保證煤樣不被氧化，第一步要求控溫范圍為30～40℃；而控溫范圍為105～110℃，是為了保證煤樣中水分能夠完全被析出。

不同溫度下煤樣的水分值，用質(zhì)理分?jǐn)?shù)表示，如表3所示。

表3 不同溫度下的煤樣水分值 %

試驗(yàn)結(jié)果表明，如果溫度達(dá)不到技術(shù)規(guī)范要求，或者為了加快試驗(yàn)過(guò)程提高溫度的話，都會(huì)造成煤樣的不同程度氧化，對(duì)水分測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生影響。

3）忽視檢查性干燥 測(cè)試時(shí)，試驗(yàn)人員往往會(huì)忽視檢查性干燥的操作，而只是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定干燥時(shí)間。3次檢查性干燥操作，煤樣的水分測(cè)試值比較，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示，如表4所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，忽視檢查性干燥將使煤樣測(cè)試結(jié)果偏低，會(huì)給電廠造成不可估量的損失。

表4 3次檢查性干燥煤樣水分值 %

1.4 不同測(cè)試方法造成的誤差

為了降低煤炭成本，燃煤電廠在調(diào)整采購(gòu)策略和機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行中已經(jīng)打破使用單一煤種，采用增加低熱值煤的摻燒比例這一手段。而同時(shí)帶來(lái)的問(wèn)題是煤種結(jié)構(gòu)復(fù)雜，煤炭品種從煙煤到褐煤，多達(dá)10余種，特性各異。

因此，采用空氣一步法對(duì)褐煤進(jìn)行測(cè)試就不適用了，通常會(huì)導(dǎo)致煤樣氧化而使測(cè)試結(jié)果偏低［3］。從考慮煤炭質(zhì)量驗(yàn)收，降低煤炭成本角度出發(fā)，電廠的測(cè)試手段和實(shí)驗(yàn)條件應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要不斷完善。

2 改進(jìn)措施

2.1 規(guī)范制樣過(guò)程

1）按照《火力發(fā)電廠入廠煤檢測(cè)試驗(yàn)室技術(shù)導(dǎo)則》（DL／T 520）的要求，逐條進(jìn)行對(duì)照自查，對(duì)制樣室中的水源和熱源進(jìn)行清除和合理設(shè)置；對(duì)會(huì)引起空氣對(duì)流的電扇、軸流風(fēng)扇等設(shè)施，嚴(yán)禁在制樣時(shí)使用。

2）按照GB／T 211—2007的要求，制定合理的制樣方案。對(duì)于褐煤，應(yīng)該將其粒度破碎至6 mm，再取全水分煤樣；對(duì)于煙煤，可采用粒度小于13 mm的全水分煤樣。

2.2 改進(jìn)煤樣稱取方式

1）每次稱取試樣前需要對(duì)全水分取樣容器中的煤樣進(jìn)行充分混合，以保證取出試樣具有代表性。一般可用堆錐法和棋盤(pán)法進(jìn)行摻合和縮分，即將煤樣用堆錐的方式充分混合，鋪平成厚度大于標(biāo)稱最大粒度3倍的均勻長(zhǎng)方塊，分成20個(gè)小格，再?gòu)母鱾€(gè)小塊中部分別取樣，取出500 g（13 mm）或者10～12 g（6 mm或者3 mm）煤樣。

2）按照使用要求校驗(yàn)天平，稱量前要檢查天平的水平，稱量時(shí)要記錄托盤(pán)重量，托盤(pán)應(yīng)干燥無(wú)其他煤樣等，消除天平使用誤差對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。嚴(yán)格按照GB／T 211—2007的要求，測(cè)水分的煤樣從干燥箱取出后，在室內(nèi)放置5 min便放入干燥器中冷卻20 min左右，即可稱重。

在南方地區(qū)，由于空氣濕度較大，特別是春夏兩季氣溫較高，從烘箱中取出煤樣在空氣中放置5 min，有可能因?yàn)槲湛諝庵械乃畾舛斐伤譁y(cè)定值偏低。這時(shí)就應(yīng)將煤樣從干燥箱中取出后立即放入干燥器中冷卻到室溫再稱量。在夏季氣溫超過(guò)35℃時(shí)，煤樣在干燥器內(nèi)存放30 min后，仍然不能與室溫達(dá)到平衡，如果這時(shí)立即稱量，由于煤樣溫度較高，在分析天平的小環(huán)境中會(huì)產(chǎn)生上升氣流，受其托舉作用會(huì)使煤樣的重量偏低，引起測(cè)定值偏高。因此，掌握冷卻時(shí)間是水分測(cè)定的關(guān)鍵。

需要注意的是，空氣一步法B2中13 mm煤樣的全水分測(cè)試，煤樣自干燥箱中取出后，一定要趁熱稱量。因此，可將天平盤(pán)上擱一隔熱板，將熱樣品盤(pán)置于絕熱板上稱量［4］。

2.3 嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)條件

1）為了準(zhǔn)確地測(cè)定煤中水分，文獻(xiàn)［1］對(duì)空氣干燥箱做了明確規(guī)定。測(cè)定煤中全水分的空氣干燥箱，必須帶有自動(dòng)控溫和鼓風(fēng)裝置，氣體進(jìn)口、出口，每小時(shí)換氣5次以上。而對(duì)通氮干燥箱，要求控溫在105～110℃內(nèi)，氮?dú)膺M(jìn)口、出口，每小時(shí)換氣15次以上。測(cè)試時(shí)必須檢查鼓風(fēng)干燥箱的風(fēng)扇是否正常運(yùn)行，排氣閥是否打開(kāi)，測(cè)試溫度是否在要求范圍內(nèi)。還必須定期年檢，以測(cè)定其恒溫區(qū)的大小以及溫度顯示是否正確。

2）注意測(cè)試結(jié)束的標(biāo)志是煤樣質(zhì)量恒定，就必須進(jìn)行檢查性干燥，每次30 min，直到連續(xù)2次干燥煤樣的質(zhì)量減少不超過(guò)0.1%或質(zhì)量增加為止。注意全水分測(cè)試的初始干燥時(shí)間：一般煙煤為2 h，褐煤為3 h，經(jīng)過(guò)初始干燥后再進(jìn)行檢查性干燥，整個(gè)測(cè)試時(shí)間為3～5 h。

2.4 選擇合適的測(cè)試方法

如果煤樣測(cè)試結(jié)果不作為仲裁數(shù)據(jù)，可以采用GB／T 211—2007中的B2法進(jìn)行測(cè)試，這樣可以縮短測(cè)試時(shí)間，簡(jiǎn)化測(cè)試過(guò)程。而對(duì)于褐煤，則必須采用通氮干燥法，但卻需要配備通氮干燥箱和相應(yīng)的設(shè)備，用以減少因煤樣被氧化帶來(lái)的測(cè)試誤差。

在GB／T 211—2007中，特別指出了某些特殊的煤種，會(huì)出現(xiàn)全水分低于一般測(cè)試分析煤樣的水分，這是源于某些煤的特性和測(cè)試方法不匹配引起的。全水分煤樣使用的粒度為13 mm或者6 mm。煤的顆粒度較大，水分不容易析出或者析出時(shí)間較慢。測(cè)試終止條件是以連續(xù)2次檢查性干燥煤樣的質(zhì)量減少不超過(guò)0.1%或質(zhì)量增加為止。而對(duì)于某些水分析出速度較慢的特殊煤種，敏感度較低的測(cè)試方法通常會(huì)導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果偏低。此時(shí)，可以應(yīng)用兩步法測(cè)定全水分，并用一般分析煤樣水分代替內(nèi)在水分。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，全水分測(cè)定是一項(xiàng)基礎(chǔ)性的、關(guān)系企業(yè)利益、規(guī)范性相當(dāng)強(qiáng)的測(cè)試工作。為此，重溫GB／T 211—2007的技術(shù)規(guī)定，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)煤種制樣過(guò)程中的操作、測(cè)試和排查誤差，分析影響測(cè)試準(zhǔn)確度的主要因素。實(shí)踐證實(shí)了，在煤種制樣和全水分測(cè)試過(guò)程中，只有按照GB／T 211—2007的規(guī)范操作和選擇合適的測(cè)試方法，才能減小測(cè)試的系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差，提高全水分測(cè)定的準(zhǔn)確度。