煤中全水分的測定方法及儀器的改進(jìn)

黃煒

（福建省鍋爐壓力容器檢驗研究院 南平分院，福建　南平　353000）

0 引言

煤中全水分包括外在水分和內(nèi)在水分，不包括化合水分。外在水分存在于煤的表面，主要是采煤、運輸、保管過程中，附著于煤粒表面的外來水分，雨水等。內(nèi)在水分是附吸于煤粒內(nèi)部的水分,內(nèi)在水分的含量和煤粒的組成結(jié)構(gòu)有關(guān)，內(nèi)在水分不易消失，其蒸發(fā)需要較高的溫度?；纤质敲褐械V物質(zhì)的結(jié)晶水，這種水分含量很少，需要蒸發(fā)溫度高，不易測定，在工業(yè)分析中一般都不分析化合水分[1]。煤中水分不僅會影響鍋爐運行穩(wěn)定性和燃燒效率，而且與其加工利用、貿(mào)易、儲運等方面都密切相關(guān)，是一個重要的計質(zhì)計量指標(biāo)。煤中全水分以實際收到的水分為基準(zhǔn)，即收到基水分，以字母Mar代表。在檢測活動中報出的收到基灰分、揮發(fā)分、低位發(fā)熱量等一系列結(jié)果都是通過收到基水分換算得來的，如果全水分沒有測準(zhǔn)，對化驗室報出的其他結(jié)果會造成不同程度的偏差，所以得到準(zhǔn)確可靠的全水分測定結(jié)果至關(guān)重要。本文針對煤中全水分傳統(tǒng)測定過程中（GB/T211-2007法）存在測定效率低、誤差大、準(zhǔn)確可靠性低等問題，采取適當(dāng)提高干燥溫度、適當(dāng)減小煤樣粒徑、消除熱浮力作用等措施，研究改進(jìn)測定方法和儀器，對今后的全水分測定工作有重要的意義。

1 煤中全水分測定方法的改進(jìn)

1.1 兩種方法的比較

傳統(tǒng)方法按GB/T211-2007中規(guī)定：步驟一，在預(yù)先干燥和已稱量的淺盤內(nèi)稱?。?3 mm的煤樣（500±10）g，于40℃干燥箱中連續(xù)干燥1h，進(jìn)行檢查性干燥，直到質(zhì)量變化不超過0.5 g，將干燥后的煤制成空干基分析樣；步驟二，在預(yù)先干燥和已稱量的淺盤內(nèi)稱?。?3 mm的煤樣（500±10）g，放入預(yù)先加熱到（105-110）℃的干燥箱中，在鼓風(fēng)條件下煙煤干燥2 h，無煙煤干燥3h，將淺盤取出趁熱稱重，進(jìn)行檢查性干燥，每次30 min，直到質(zhì)量變化不超過0.5 g，計算出全水分[2-3]。

改進(jìn)方法：稱?。? mm的煤樣（500±10）g，于50℃干燥箱中連續(xù)干燥1 h，進(jìn)行檢查性干燥，直到質(zhì)量變化不超過0.5 g，計算出外水分；再將干燥箱提升至125℃進(jìn)行干燥1 h，按每次10 min進(jìn)行檢查性干燥，直到質(zhì)量變化不超過0.5 g，計算出內(nèi)水分，最后根據(jù)所測的內(nèi)、外水分得出全水分。

根據(jù)上述將兩種方法的主要差別歸納成表1：

表1 以測定同一無煙煤煤樣全水分為例

對主要差別項進(jìn)行分析比較：

（1）從煤樣粒度來看，改進(jìn)法要比GB/T211-2007法干燥效率高。因為在相同溫度下，干燥速率隨煤樣粒徑增大而減小，粒徑越大水分?jǐn)U散到顆粒表面的路徑變長，擴散過程中阻力增大。對不同粒度的白源礦煙煤在相同干燥溫度下進(jìn)行實驗，粒度小于6 mm的比粒度小于13 mm的干燥效率更好：

（2）從干燥溫度來看。對干燥過程進(jìn)行熱能動力學(xué)分析，干燥過程的驅(qū)動力在宏觀上表現(xiàn)為煤樣和周圍空氣的平衡水分壓力差。煤樣表面的空氣隨著溫度的升高相對濕度降低，平衡水分的壓力差值增大，干燥的驅(qū)動力增大，干燥速率增大。對相同粒度白源礦煙煤在不同干燥溫度下進(jìn)行實驗，干燥溫度為50℃/125℃時干燥效率更好：結(jié)合煤的氧化特性，進(jìn)行干燥溫度可行性分析。煤的氧化氣體產(chǎn)率與煤溫成正相關(guān)關(guān)系，煤溫越高氧化越劇烈，產(chǎn)生氣體濃度越高。對褐煤、煙煤、無煙煤在氧化模擬實驗過程中生成氣體的濃度進(jìn)行分析，煤溫0-50℃階段均未測出氧化氣體，50-125℃階段僅有微量CO，一般不超過300×10-6-400×10-6，當(dāng)煤溫高于125℃后CO濃度增長的速度越來越快，表明氧化反應(yīng)越來越劇烈，說明125℃是煤氧化的拐點溫度。當(dāng)煤溫低于150℃時基本檢測不到C2H4和C2H6，文獻(xiàn)也得到類似結(jié)論。因此改進(jìn)法提高干燥溫度至125℃并不會引起煤樣的變質(zhì)，是可行的。

（3）從烘干時間角度看，改進(jìn)法顯然要比GB/T211-2007法短許多。以對同一種煤樣（江西萍鄉(xiāng)礦無煙煤）進(jìn)行全水分測定實驗為例，用GB/T211-2007法測定16組，平均用時6.38 h。用改進(jìn)法測定16組，平均僅用時2.85 h。綜上，改進(jìn)法在不引起煤樣氧化變質(zhì)的前提下，干燥溫度提高至50℃/125℃可行，干燥所用時間短，測定工作效率大幅提高。

1.2 實驗結(jié)果與方差分析[4]

分別用GB/T211-2007法和改進(jìn)法對同一煤樣全水分進(jìn)行多次重復(fù)測定，煤樣為江西萍鄉(xiāng)礦無煙煤，實驗結(jié)果見表2：

圖1 不同粒徑煤樣在相同溫度下的干燥曲線

圖2 相同粒徑煤樣在不同溫度下的干燥曲線

圖3 CO濃度隨溫度變化規(guī)律曲線

圖4 實驗室儀器布置圖

由概率統(tǒng)計基礎(chǔ)知識可知，先設(shè)兩種方法分別測得的兩組總體是相互獨立的正態(tài)總體，它們的方差相等，則它們的樣本方差比的分布是自由度為16的F分布。由表2可得這兩組樣本的均值和樣本的方差：X1=8.75%，S12=0.00269，X2=8.68%，S22=0.00301。

查t分布表得到t0.95,30=1.697，因t＜t0.95,30，所以判定在95%的置信度下兩種測定方法的結(jié)果無明顯差異。因此，在兩種測定方法無明顯差異的情況下，采用改進(jìn)法會更省時省力，提高工作效率。

2 測定儀器的改進(jìn)

（1）兩種儀器的比較。傳統(tǒng)檢測儀器設(shè)備主要是烘箱和天平，由人工將干燥后的煤樣取出，再放在天平上稱重，讀出重量手工記錄。改進(jìn)后的儀器（見圖4），是以南通三思科技有限公司的YG777型烘箱為模板進(jìn)行改造和完善，特點是在干燥箱的上方加裝電子天平和自動掛籃機構(gòu)，通過外部電腦控制實現(xiàn)自動稱量全過程，干燥后的煤樣在烘箱里就直接被稱重，克服取出稱重時煤樣吸收空氣中水分所帶來的誤差，提高了準(zhǔn)確性。實驗可得出內(nèi)、外水分和全水分，測定結(jié)果自動輸入電腦并保存。

（2）改進(jìn)儀器減小了系統(tǒng)誤差，結(jié)果數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確、可靠。GB/T211-2007分析中的誤差主要來源于系統(tǒng)誤差，是由儀器、測定方法、環(huán)境誤差造成的，采用改進(jìn)儀器可將這些誤差大幅減?。孩貵B/T211-2007中“將淺盤取出趁熱稱重”的方法誤差。把干燥后的煤樣從（105-110）℃的干燥箱中取出趁熱稱重，高溫煤樣表面和間隙中的空氣密度較低，與其周圍環(huán)境產(chǎn)生熱浮壓差，受熱浮力的托舉作用煤樣的稱重值偏小，測定值偏大。而改進(jìn)儀器的高溫煤樣在烘箱里就直接被稱重，不產(chǎn)生熱浮力作用，不影響稱重結(jié)果和測定值。②改進(jìn)儀器規(guī)避了環(huán)境誤差。環(huán)境誤差是由于環(huán)境變化時對化驗結(jié)果產(chǎn)生的影響。高溫煤樣從干燥箱中取出稱重時，周圍環(huán)境的相對濕度迅速變化是造成稱重誤差的主要因素。南方地區(qū)由于空氣濕度高，尤其是春夏季節(jié)，從烘箱中取出的煤樣很容易受到空氣濕度的影響，吸收了一部分的水分之后就會導(dǎo)致最后測出的結(jié)果偏小。改進(jìn)儀器改善了這一情況，在稱重過程中不會有環(huán)境誤差產(chǎn)生[5-6]。

（3）改進(jìn)儀器操作方便、自動化程度高，改善實驗室工作條件。使用傳統(tǒng)儀器過程中，人工將干燥后的煤樣取出，再放在天平上稱重，讀出重量手工記錄和計算，進(jìn)行檢查性干燥仍需反復(fù)數(shù)次，這樣做費時費工。而化驗員使用改進(jìn)儀器只需設(shè)置好干燥溫度、時間和檢查性干燥時間等參數(shù)，儀器便可自動完成測定全過程[7]，并將測定結(jié)果自動導(dǎo)入電腦，化驗員可以不必呆在那兒反復(fù)打開烘箱取出樣品來稱重，降低了勞動強度，改善了工作環(huán)境[8-11]。

表2 用兩種方法對同一煤樣全水分分別進(jìn)行16次重復(fù)測定

3 結(jié)語

本文針對傳統(tǒng)測定方法和儀器存在效率低、誤差大的問題，提出對測定方法和相應(yīng)儀器進(jìn)行改進(jìn)，得出以下結(jié)論：①利用概率統(tǒng)計學(xué)知識對改進(jìn)方法的實驗結(jié)果進(jìn)行方差分析和計算，證明了改進(jìn)方法的合理性。②采用熱能動力學(xué)進(jìn)行分析，為提高干燥過程的驅(qū)動力，可以適當(dāng)提高干燥溫度。③為減少煤中水分子的擴散阻力，可以適當(dāng)減小煤樣粒徑，從而提高干燥效率。④GB/T211-2007測定方法會導(dǎo)致產(chǎn)生熱浮力作用，引起稱量誤差，采用改進(jìn)儀器可以消除該誤差，使測定結(jié)果更準(zhǔn)確可靠。⑤采用改進(jìn)儀器，干燥后的煤樣在烘箱里就直接被稱重，克服取出稱重時煤樣吸收空氣中水分所帶來的誤差，提高實驗準(zhǔn)確性。⑥改進(jìn)儀器大大改善實驗室條件，自動化程度高，操作方便快捷。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉乃杰.煤質(zhì)分析中的誤差[J].山東工業(yè)技術(shù),2013,13(17).

[2]張瓊.淺析如何提高煤質(zhì)化驗分析的準(zhǔn)確性[J].應(yīng)用技術(shù),2013,11(5).180.

[3]李鋒.寧西鋒.煤的水分測定常見問題分析[J].工業(yè)設(shè)計,2015,4(2).11-12.

[4]張慧.煤的低溫氧化及指標(biāo)氣體實驗研究[J].安全,2016,7(4).21-22.

[5]董憲偉,王福生,孟亞寧.不同煤種升溫氧化過程中氣體產(chǎn)物特征研究[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2014,10(3).48-52.

[6]GB/T 211-2007.煤中全水分的測定方法[s].

[7]張佳春,解洪成. 質(zhì)量成本管理理論和實務(wù)中的問題分析[J]. 華東船舶工業(yè)學(xué)院學(xué)報,2000,(06):92-95.

[8]孫南翔. 低階煤熱敏特性及其熱力破碎機理研究[D].中國礦業(yè)大學(xué)(北京),2016.

[9]李洪巖. 褐煤炭化型煤的水蒸氣氣化反應(yīng)特性研究[D].太原理工大學(xué),2015.

[10]馮利國. 煤礦井下溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J]. 新型工業(yè)化,2017,7(05):15-19.

[11]宋子龍. 煤田地勘瓦斯含量智能檢測與存儲系統(tǒng)設(shè)計[J]. 軟件,2015,36(12):194-196+200.