分析發(fā)熱量測定影響的因素及采取措施

安香菊

（漳澤電力河津發(fā)電分公司，山西 河津 043300）

0 引言

發(fā)熱量是表征煤質(zhì)的一項重要指標(biāo)，它不僅是電廠入廠煤計價的依據(jù)，也是商品煤質(zhì)量的評價指標(biāo)、電廠發(fā)電煤耗的計算，以及電廠經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的主要參數(shù)。漳澤電力河津發(fā)電分公司裝機容量為130 MW，年用煤量超過400萬t，如果在入廠煤的驗收中，發(fā)熱量測定結(jié)果偏高50～100 J/g，每年的經(jīng)濟(jì)損失可達(dá)到400萬元到800萬元。所以在電廠煤質(zhì)檢驗中，煤的發(fā)熱量檢測結(jié)果就顯得尤為重要，只有充分了解煤的發(fā)熱量檢驗中的影響因素，才可以使測定結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

1 恒溫式自動熱量計的結(jié)構(gòu)及測試過程

漳澤電力河津發(fā)電分公司入廠煤驗收中使用的是長沙開元儀器廠生產(chǎn)的內(nèi)置定量容器的恒溫式自動熱量計。該設(shè)備的工作過程為：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(jìn)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。

2 發(fā)熱量測定原理

發(fā)熱量測定原理是：稱取一定量的標(biāo)準(zhǔn)量熱物質(zhì)苯甲酸置于氧彈中，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(jìn)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，單位為J/g。

E=（QM+q1+qn）/[(Tn-To)+C]式中：Q——標(biāo)準(zhǔn)苯甲酸的熱值，J/g；

M——標(biāo)準(zhǔn)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。當(dāng)測定煤的發(fā)熱熱量時，是將一定量的煤樣在一標(biāo)定熱容量完全相同的條件下燃燒，測出試樣燃燒前后的內(nèi)筒水溫溫差，計算出煤的彈筒發(fā)熱量。

Qb，ad=｛E[(Tn-To)+C]-q1-qn｝/M

式中：Qb，ad——煤樣彈筒發(fā)熱量，J/g；

M——煤樣的質(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。

煤的高位發(fā)熱量為

Qgr，ad=Qb，ad-94.1 Sb，ad-ɑQb，ad

式中：Qgr，ad——空氣干燥基煤樣的高位發(fā)熱量，J/g；

Sb，ad——空氣干燥基煤樣的彈筒硫（當(dāng)St，ad＜4%時，可用 St，ad代替）；

ɑ——硝酸的校正系數(shù)，根據(jù)Qb，ad的高低，可以取0.001 0、0.0012、0.001 6。

煤的低位發(fā)熱量為

Qnet，ar=(Qgr，ad-206Had)×(100-Mt)/（100-Mad）-23 Mt

式中：Qnet，ar——煤樣的收到基低位發(fā)熱量，J/g；

Had——空氣干燥基煤樣的氫值，%；

Mt——煤樣的全水分，%；

Mad——空氣干燥基煤樣水分，%。

3 影響發(fā)熱量測定因素分析及處理措施

3.1 儀器對發(fā)熱量影響及處理措施

根據(jù)發(fā)熱量測定原理和設(shè)備結(jié)構(gòu)，煤的發(fā)熱量測定過程中，主要是由內(nèi)筒水量和水溫溫度升高來計算煤的發(fā)熱量，同時要考慮熱量傳遞過程中的損失。

a）內(nèi)筒水量對發(fā)熱量影響。國標(biāo)規(guī)定：內(nèi)筒水量在所有試驗中保持相同，相差不超過0.5 g。量熱儀的內(nèi)筒水量是通過定量容器進(jìn)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(biāo)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 min左右，再開始進(jìn)行第二次試驗；連續(xù)做5個煤樣后，應(yīng)將儀器散熱30 min，重新開始試驗，避免由于內(nèi)筒水溫升高影響內(nèi)筒水量。

b）內(nèi)筒水溫對發(fā)熱量影響。 煤燃燒釋放的發(fā)熱量，隨著燃燒產(chǎn)物的最終溫度而改變，溫度越高，燃燒釋放的發(fā)熱量越低，通常溫度每升高1℃，煤燃燒釋放的熱量約降低0.4～1.3 J/g。通過a）的處理措施解決水溫對煤的發(fā)熱量的影響。

c）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(zhǔn)發(fā)熱量的關(guān)鍵在于測準(zhǔn)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(zhǔn)到1/100℃，估讀到1/1 000℃。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(zhǔn)度和靈敏度高的溫度計，定期對溫度計進(jìn)行校驗，杜絕使用不合格的溫度計。

d）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。冷卻校正公式為

式中：C——冷卻校正值，K；

n——由點火到終點的時間，min；

V0——點火時內(nèi)外筒溫差的內(nèi)筒降溫速度，K/min；

Vn——終點時內(nèi)外筒溫差的內(nèi)筒降溫速度，K/min；

T0——點火時內(nèi)筒溫度，K；

Tn——終點時內(nèi)筒溫度，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(zhǔn)確進(jìn)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(zhǔn)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?，F(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(zhǔn)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 min以上。

3.2 人員操作對發(fā)熱量影響及處理措施

a）天平稱量對發(fā)熱量影響。 不論是熱容量標(biāo)定或煤樣的發(fā)熱量測試，都需要準(zhǔn)確的物質(zhì)重量。如果一個電子天平在對1 g重的物質(zhì)實際稱量結(jié)果為0.997 5 g，在熱容量測試過程中，熱容量結(jié)果就會平均降低25 J/K。對于25 MJ/kg的煤樣，在發(fā)熱量測試過程中，發(fā)熱量就會升高60 J/g。

處理措施：天平使用前要預(yù)熱30 min，稱量時要校準(zhǔn)，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1 g的砝碼進(jìn)行稱量鑒定，誤差盡可能不超過0.5 mg。對于稱量偏差較大的天平，應(yīng)及時淘汰，禁止使用。

b）熱容量對發(fā)熱量影響。如果熱容量標(biāo)定不準(zhǔn)確，發(fā)熱量測試計算結(jié)果就會偏高或偏低，造成系統(tǒng)誤差。

處理措施：在標(biāo)定儀器熱容量時，選用二級及以上的苯甲酸標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，使用前應(yīng)進(jìn)行干燥，準(zhǔn)確稱量，嚴(yán)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(biāo)定結(jié)果的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差控制在0.1%以內(nèi)。

c）氧彈操作不當(dāng)對發(fā)熱量的影響及處理措施。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10 ml水不準(zhǔn)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7.5 cm左右,氧彈清洗后應(yīng)將內(nèi)部擦拭干凈不留水，用10 ml的移液管準(zhǔn)確加入蒸餾水；氧彈充氧壓力應(yīng)為2.9 MPa，充氧時間為30 s；氧彈嚴(yán)密性測試后要將外表水擦拭干凈，再放入熱量儀中，以保證測試結(jié)果準(zhǔn)確。

d）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(dāng)，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(jìn)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。

e）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(jìn)行充分混合，并進(jìn)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(jìn)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(jìn)行壓餅處理或用擦鏡紙抱緊煤樣進(jìn)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。

3.3 分析煤樣對發(fā)熱量影響及處理措施

分析煤樣一般是指粒度小于0.2 mm，達(dá)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0.1 mm。煤樣粒度過粗，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。若煤樣未達(dá)到空氣干燥狀態(tài)即干燥過度，或煤樣水分與空氣濕度達(dá)到平衡，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(zhǔn)確，影響發(fā)熱量結(jié)果。

處理措施：購買符合國家標(biāo)準(zhǔn)的0.2 mm煤樣篩，分析煤樣在制樣過程中要全部通過0.2 mm的篩子，對于劣質(zhì)煤，要將煤樣制備到0.1 mm。煤樣在烘箱中進(jìn)行干燥后，要在空氣中放置至少30 min，達(dá)到與空氣濕度平衡后再裝瓶。進(jìn)入實驗室的煤樣，化驗人員每天進(jìn)行粒度抽檢檢驗，監(jiān)督制樣人員做好制樣工作[1-2]。

3.4 全水分、分析基水分、全硫分、氫含量對發(fā)熱量影響

低位發(fā)熱量在計算過程中，要用到全水分、分析基水分、硫分、氫含量等數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確，直接影響發(fā)熱量結(jié)果。電廠入廠煤采樣采用機械采制樣裝置，由于采樣時間長和破碎縮分設(shè)備存在水分損失，致使全水分化驗結(jié)果與入廠煤水分存在偏差，會造成低位發(fā)熱量偏高；全硫含量要高于彈筒硫，使用全硫值進(jìn)行計算，會使發(fā)熱量結(jié)果產(chǎn)生偏差。氫值是通過經(jīng)驗公式計算出來的，經(jīng)驗公式不一定對所有煤種都適用，也會對測試結(jié)果產(chǎn)生偏差。

處理措施：對于機械化采樣的入廠煤水分結(jié)果應(yīng)根據(jù)試驗偏差情況進(jìn)行校正處理。對于氫值，一方面監(jiān)督供應(yīng)商在一定時期的煤炭種類要保持相同，另一方面應(yīng)加強氫元素分析，提高氫值結(jié)果的準(zhǔn)確性[3]。

4 結(jié)論

a）熱量計在購買時，要對設(shè)備的工作原理、溫度計精準(zhǔn)度、冷卻校正值使用公式等進(jìn)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(zhǔn)確度。

b）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(zhǔn)確性；加強熱量計熱容量的標(biāo)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。

c）加強制樣過程中分析煤樣的粒度分析監(jiān)督機制，分析煤樣達(dá)到空氣濕度平衡，是煤樣發(fā)熱量測試準(zhǔn)確的前提。

d）在低位發(fā)熱量計算中所要用到的全水分、分析基水分、全硫分、氫值數(shù)值，要能夠代表入廠煤的真實數(shù)據(jù)。

[1]曹長武.電力用煤采制化技術(shù)[M].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

[2]山東發(fā)電用煤質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心.電力用煤標(biāo)準(zhǔn)匯編[M].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2012.

[3]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.