燃煤發(fā)熱量測定中兩個重要問題的探討

(浙江大唐烏沙山發(fā)電有限責(zé)任公司,浙江 寧波 315722)

0 引 言

煤的發(fā)熱量不僅是一項重要的煤質(zhì)特性指標(biāo)，而且也是重要的工程技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)：是進(jìn)廠商品煤的定價及結(jié)算主要依據(jù)；是鍋爐熱平衡、能量平衡計算的參數(shù)，是估算鍋爐理論燃燒溫度和鍋爐運行時的配煤燃燒及負(fù)荷調(diào)節(jié)的重要依據(jù)；也是電廠主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)——發(fā)電(供電)標(biāo)準(zhǔn)煤耗計算依據(jù)。因此準(zhǔn)確測定煤的發(fā)熱量，對于電廠的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)運行具有重要意義。本文對燃煤發(fā)熱量測定中兩個重要問題進(jìn)行探討，一是發(fā)熱量測定中如何保證煤樣燃燒完全的問題；二是燃煤發(fā)熱量測定結(jié)果準(zhǔn)確性檢驗的問題。

1 發(fā)熱量測定中如何保證煤樣燃燒完全

國標(biāo)GB/T 213-2008中描述彈筒發(fā)熱量定義如下：單位質(zhì)量的試樣在充有過量氧氣的氧彈內(nèi)燃燒，其燃燒后的物質(zhì)組成為氧氣、氮氣、二氧化碳、硝酸和硫酸、液態(tài)水以及固態(tài)灰時放出的熱量[1]。由定義中燃燒產(chǎn)物的組成可見準(zhǔn)確測定煤樣發(fā)熱量的前提是煤樣完全燃燒。而保證煤樣完全燃燒有以下若干注意事項。

1.1 燃燒皿選擇

燃燒皿最好選擇鉑制品，一般可用鎳鉻剛制品，鎳鉻剛?cè)紵蟊诓灰诉^高或過淺，皿壁過高燃燒時不利于氧氣的供應(yīng)，皿壁過低燃燒時容易導(dǎo)致噴濺；皿底不宜過厚，并且燃燒皿底部應(yīng)有明顯的弧度，以免存在死角而造成燃燒不完全。

1.2 綁接點火絲

熔斷式點火情況下，綁接點火絲時應(yīng)注意點火絲與試樣保持良好的接觸，對易飛濺和易燃的煤應(yīng)保持微小的距離，若點火絲埋入煤樣過深會引起燃燒過程中試樣噴濺；并注意勿使點火絲接觸燃燒皿，否則通過點火絲的電流將被大大分流或者形成短路而造成點火失敗，甚至燒毀燃燒皿。

非熔斷式點火情況也要注意根據(jù)煤樣點火難易程度調(diào)節(jié)點火棉線與試樣的搭接程度。

1.3 充氧壓力

充氧壓力不足或者是時間不夠都會造成煤樣燃燒不完全，因此充氧壓力應(yīng)在(2.8～3.0)MPa范圍內(nèi)，達(dá)到壓力后的充氧時間不得少于15 s，若鋼瓶中氧氣壓力低于5.0 MPa時應(yīng)酌量延長充氧時間，低于4.0 MPa時應(yīng)更換氧氣鋼瓶。

1.4 特殊煤樣的處理

(1)對于易噴濺的煤樣，可用已知質(zhì)量的擦鏡紙包緊后測試，或在壓餅機中壓餅并切成粒度約為2～4 mm的小塊使用。

(2)對于不易燃燒完全的煤樣可做如下處理后再進(jìn)行測量:

①可在皿底鋪一層石棉絨，然后用手壓實后進(jìn)行稱樣測試。

②若鋪墊石棉絨無效，可提高充氧壓力至3.2 MPa。

③若鋪墊石棉絨無效，也可用已知質(zhì)量和熱值的擦鏡紙包裹稱好的試樣并用手壓緊后進(jìn)行測試。

針對上述③中內(nèi)容進(jìn)行如下解析：

對于一般燃燒速度慢或熱值低的煤樣，采用燃燒皿內(nèi)墊石棉絨的方法可以保證燃燒完全，另外對于高灰難燃煤的處理由于鋪墊石棉絨的方法不能保證燃燒完全，有些化驗室也采取摻加已知熱值的助燃劑例如無煙煤或者是苯甲酸來測試。但其中會存在一些問題。摻加無煙煤：無煙煤久存容易變質(zhì)，若引用其標(biāo)準(zhǔn)熱值則不如苯甲酸可靠。若摻加粉狀苯甲酸則會出現(xiàn)燃燒不完全的現(xiàn)象，若對粉狀苯甲酸和煤樣進(jìn)行壓餅，則壓餅時會損失部分苯甲酸和煤樣。

為選擇一種切實有效的方法，煤炭科學(xué)院煤炭分析室進(jìn)行了系統(tǒng)的對比實驗并得到了如下結(jié)論：對于測定高灰份、低熱值煤樣包紙法比加苯甲酸法測定結(jié)果更加的可靠，處理手續(xù)也更加的簡便[2]。所以國標(biāo)GB/T 213-2008中采取的是包紙法測定難燃煤樣。

2 燃煤發(fā)熱量測定結(jié)果準(zhǔn)確性檢驗

國標(biāo)GB/T 213-2008對發(fā)熱量測定結(jié)果準(zhǔn)確度的要求是：標(biāo)準(zhǔn)煤樣的測試結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值之差都在不確定度范圍內(nèi)；或者用苯甲酸作為樣品進(jìn)行5次發(fā)熱量測定，其平均值和標(biāo)準(zhǔn)值之差不超過50 J/g。但國標(biāo)并未提及進(jìn)行發(fā)熱量準(zhǔn)確度檢驗時，所需要的正確操作、計算與判斷。下文就如何應(yīng)用反標(biāo)苯甲酸以及標(biāo)準(zhǔn)煤樣來對燃煤發(fā)熱量測定準(zhǔn)確度的檢驗方法進(jìn)行分析，指出操作、計算及評判中應(yīng)注意的問題，闡述不同檢驗方法間的關(guān)系。

2.1 用標(biāo)準(zhǔn)煤樣檢驗

2.1.1 標(biāo)樣選擇

選取與被檢測煤樣揮發(fā)分相近的煤樣，再從其中選取發(fā)熱量也與被檢測煤樣相接近的標(biāo)準(zhǔn)樣作為參比[3]。若被測煤樣煤質(zhì)情況較為復(fù)雜，也可選取發(fā)熱量高、中、低不同的幾種標(biāo)煤進(jìn)行測熱準(zhǔn)確度的檢驗。

2.1.2 準(zhǔn)確度檢驗

對標(biāo)準(zhǔn)煤樣進(jìn)行發(fā)熱量重復(fù)測定，同時測定水分，并用水分測定值對彈筒發(fā)熱量進(jìn)行干基高位發(fā)熱量的計算。若計算結(jié)果與標(biāo)煤標(biāo)準(zhǔn)值之差在不確定范圍內(nèi)，則認(rèn)為發(fā)熱量測定結(jié)果合格，否則不合格。

同時測定水分很重要，煤中水分隨空氣濕度變化而變化，而水分的變化對發(fā)熱量的測定結(jié)果有較大的影響，所以應(yīng)準(zhǔn)確測定標(biāo)準(zhǔn)煤樣水分。另外在計算高位發(fā)熱量過程中用到的是空干基全硫St,ad,所以應(yīng)將標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)證書中的干基硫St,d換算成空干基全硫St,ad再參與計算；或者將空干基彈筒發(fā)熱量換算為干基彈筒發(fā)熱量后再進(jìn)行高位發(fā)熱量計算也可以。

此外應(yīng)注意應(yīng)使用最新的標(biāo)準(zhǔn)煤樣追蹤值來對結(jié)果進(jìn)行評定。標(biāo)準(zhǔn)煤樣標(biāo)準(zhǔn)值通常每年由研制部門組織相關(guān)實驗室進(jìn)行一次追蹤試驗，并提出當(dāng)年的標(biāo)準(zhǔn)煤樣參數(shù)值。也即，同一標(biāo)準(zhǔn)煤樣，在不同年度各特性指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值及不確定度會有略微的變化。

2.2 用反標(biāo)苯甲酸檢驗

2.2.1 苯甲酸預(yù)處理

使用前苯甲酸應(yīng)預(yù)先研細(xì)并在盛有濃硫酸的干燥器中干燥3 d或在60～70 ℃烘箱中干燥(3～4)h，冷卻后壓片。也可使用市售的壓好片的苯甲酸，但應(yīng)注意苯甲酸不易吸水不等于不吸水，所以日常保存時應(yīng)置于干燥器中。

2.2.2 測定苯甲酸熱量時，重復(fù)精密度的確定

國標(biāo)GB/T 213-2008中未提及測定苯甲酸熱量時的重復(fù)精密度，苯甲酸為純有機物質(zhì)，更容易燃燒完全，它的重復(fù)精密度應(yīng)小于煤樣重復(fù)精密度120 J/g。JJG 672-2001氧彈熱量計檢定規(guī)程中對熱容量重復(fù)性有如下規(guī)定：在規(guī)定條件下，用燃燒熱標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)苯甲酸檢定熱量計的熱容量5次，按不同的平均熱容量，其極差不大于表1[4]的規(guī)定。

表1 熱容量檢定技術(shù)指標(biāo) J/K

例如，某廠化驗室型號為IKA C5000量熱儀第一季度的熱容量為10 733 J/K，對照上表，量熱儀量熱系統(tǒng)升高1 ℃時最大差值不應(yīng)超過40 J/K，而苯甲酸熱值通常為26 500 J/g左右，對于上述量熱儀1 g苯甲酸完全燃燒約升高2.469 ℃，那么用苯甲酸進(jìn)行反標(biāo)時，重復(fù)測定的最大差值不應(yīng)超過40×2.469=99 J/g。如重復(fù)測定的差值超過99 J/g，則可認(rèn)為反標(biāo)苯甲酸重復(fù)精密度不合格。

3.2.3 反標(biāo)苯甲酸時要減去硝酸形成熱

反標(biāo)苯甲酸時要減去硝酸形成熱,苯甲酸是碳?xì)溲趸衔?，不含氮，它的燃燒熱只與碳和氫元素的燃燒熱有關(guān)而與氮元素的反應(yīng)熱無關(guān)，也即苯甲酸的標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱不包含硝酸形成熱。但苯甲酸在氧彈內(nèi)燃燒時，殘留于氧彈內(nèi)的空氣中的氮會有一部分生成硝酸，有硝酸形成熱放出。因而在用標(biāo)準(zhǔn)苯甲酸來標(biāo)定熱量計的熱容量時，在計算氧彈內(nèi)的總釋熱量時應(yīng)加上硝酸形成熱；而用苯甲酸來反標(biāo)儀器的準(zhǔn)確度時，也應(yīng)扣除硝酸形成熱。國標(biāo)規(guī)定熱容量標(biāo)定中硝酸形成熱按(1)求得：

qn=0.0015mQ。

(1)

式中:qn為硝酸形成熱，J;0.001 5為苯甲酸燃燒時的硝酸形成熱校正系數(shù)；m為苯甲酸用量，g；Q為苯甲酸的標(biāo)準(zhǔn)熱值，J/g。

故在反標(biāo)苯甲酸時也應(yīng)減去硝酸形成熱并可按(1)式計算。這個結(jié)論在實驗中也得到了證實。[5]

3.2.4 反標(biāo)苯甲酸檢驗準(zhǔn)確性的重復(fù)次數(shù)

對用苯甲酸進(jìn)行熱量計準(zhǔn)確度的檢驗國標(biāo)GB/T 213-2008中的要求是：用苯甲酸作為樣品進(jìn)行5次發(fā)熱量的測定，其平均值和標(biāo)準(zhǔn)值之差不超過50 J/g。如果只對一個或者少數(shù)幾個煤樣測熱準(zhǔn)確性進(jìn)行檢驗，還是重復(fù)測定5次，那必然會影響工作效率，那么可以少測幾次嗎？應(yīng)該測量幾次呢？

如果重復(fù)測定苯甲酸的平均值(在重復(fù)測定精密度合格的前提下，方可取其平均值)與苯甲酸標(biāo)準(zhǔn)值之間的差值不超過表2的規(guī)定界限，則認(rèn)為準(zhǔn)確度合格。[6]

表2 測定苯甲酸發(fā)熱量差值的顯著性界限

為了檢驗準(zhǔn)確度，通常至少作2次重復(fù)測定，如某苯甲酸的標(biāo)準(zhǔn)熱值為26 472 J/g，如果兩次測量平均值為26 409～26 535 J/g之間，則認(rèn)為準(zhǔn)確度合格，反之，為不合格。因此，檢驗煤樣發(fā)熱量測定結(jié)果的準(zhǔn)確性，反標(biāo)苯甲酸重復(fù)次數(shù)不一定是5次，一般情況，重復(fù)2次即可。

3.3 標(biāo)準(zhǔn)煤樣法與反標(biāo)苯甲酸評價結(jié)果不一致的問題

標(biāo)準(zhǔn)煤樣法與反標(biāo)苯甲酸來檢驗測熱準(zhǔn)確度時，有時會出現(xiàn)不同的結(jié)論，特別是使用國產(chǎn)的恒溫式自動量熱儀。在實際應(yīng)用中一般是反標(biāo)苯甲酸合格而標(biāo)準(zhǔn)煤樣不合格。

苯甲酸為碳、氫、氧三種元素組成的有機試劑，均勻性好，重復(fù)測定時其燃燒速度與釋放的熱量一致，必然測量精密度也很好。

某廠化驗室一臺國產(chǎn)的恒溫式自動量熱儀，發(fā)熱量測定總時間是13 min，其中主期時間只占5 min，對于均勻性好的苯甲酸的測定每次的釋熱率十分接近，不僅精密度能符合要求，準(zhǔn)確度也能符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

而采用標(biāo)煤測定時，情況則有所不同了，煤樣不是純化合物，其組成復(fù)雜，均勻性差，不同規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)煤樣特性各異，燃燒速度各不相同，因此在點火后一定時間例如5 min結(jié)束試驗其釋熱率就會出現(xiàn)較大的不一致性。而使用由此判斷的終點溫度以及廠家的經(jīng)驗公式進(jìn)行計算所得的發(fā)熱量結(jié)果就可能與標(biāo)準(zhǔn)煤樣的標(biāo)準(zhǔn)值出現(xiàn)較大的差值，這對揮發(fā)分過大或過小，發(fā)熱量過高或過低的煤樣較為常見。

實踐表明測熱準(zhǔn)確性常隨測熱周期的縮短而降低，也即提高測熱速度往往是以降低測熱準(zhǔn)確性為代價。在發(fā)電廠測定煤的發(fā)熱量務(wù)必準(zhǔn)確。

在對熱量計進(jìn)行全面的性能測試中，可采樣上述兩種方法檢驗準(zhǔn)確度，兩種方法的檢驗結(jié)果一致，將可做出是否合格的結(jié)論；當(dāng)兩種方法的檢驗結(jié)果不一致，一般情況是表現(xiàn)為應(yīng)用苯甲酸準(zhǔn)確度合格而應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)煤樣不合格，此時就不能對該熱量計做出準(zhǔn)確度檢驗合格的結(jié)論[7-8]。

基于苯甲酸與燃煤特性的差異，測準(zhǔn)煤比測準(zhǔn)苯甲酸發(fā)熱量更具難度，故反標(biāo)苯甲酸熱量準(zhǔn)確度合格不等于用標(biāo)準(zhǔn)煤樣檢驗準(zhǔn)確度也合格?；痣姀S要求測準(zhǔn)煤的發(fā)熱量，因而用標(biāo)準(zhǔn)煤樣檢驗更為重要。

4 總 結(jié)

發(fā)熱量測定中為保證煤樣燃燒完全，應(yīng)選擇合適的燃燒皿、正確綁接點火絲、特殊煤樣采取特殊處理等方式。在進(jìn)行燃煤發(fā)熱量測定結(jié)果準(zhǔn)確性檢驗時，不論是應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)煤樣還是反標(biāo)苯甲酸都有相對應(yīng)的操作方法、計算要求以及評判標(biāo)準(zhǔn)。在對熱量計進(jìn)行全面的性能測試中，可同時采樣兩種方法檢驗準(zhǔn)確度，若出現(xiàn)不一致的情況，就不能對該熱量計做出準(zhǔn)確度檢驗合格的結(jié)論。而在日常工作中對一個或者少數(shù)幾個煤樣測熱準(zhǔn)確性進(jìn)行檢驗，基于苯甲酸與燃煤特性的差異，測準(zhǔn)煤比測準(zhǔn)苯甲酸發(fā)熱量更具難度，火電廠要求測準(zhǔn)煤的發(fā)熱量，因而用標(biāo)準(zhǔn)煤樣檢驗更為重要。

[1] GB/T 213-2008,煤的發(fā)熱量測定方法[S].

[2] 段云龍.煤炭試驗方法標(biāo)準(zhǔn)及其說明[M].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011，44(4)：25-26.

[3] 曹長武.火電廠燃料質(zhì)量檢測與應(yīng)用[M].北京：中國電力出版社，2013：234.

[4] JJG 672-2001，中華人民共和國國家計量檢定規(guī)程 氧彈熱量計[S].

[5] 曹長武.火電廠燃料質(zhì)量檢測與應(yīng)用[M].北京：中國電力出版社，2013：236.

[6] 曹長武.火電廠燃料質(zhì)量檢測與應(yīng)用[M].北京：中國電力出版社，2013：237.

[7] 吳金卓，馬 琳，林文樹.生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性研究綜述[J].森林工程，2012，28(5)：102-106.

[8] 曹長武.燃煤發(fā)熱量測定準(zhǔn)確度檢驗問題 [J].電力標(biāo)準(zhǔn)化與計量，2003(44):28-29.