多次充氧法快速測(cè)定無煙煤發(fā)熱量的試驗(yàn)研究

康 菲 楊常青 陳海林

(1. 中國(guó)檢驗(yàn)認(rèn)證集團(tuán)河北有限公司唐山港分公司，河北省唐山市，063600； 2.內(nèi)蒙古出入境檢驗(yàn)檢疫局，內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市，010020)

煤的發(fā)熱量是煤炭分類及煤質(zhì)分析的重要指標(biāo)，也是熱工計(jì)算的基礎(chǔ)。在煤的燃燒或轉(zhuǎn)化過程中，常用發(fā)熱量進(jìn)行熱平衡、熱效率和耗煤量計(jì)算，并以此進(jìn)行設(shè)備的選型或燃燒方式選擇，因此，準(zhǔn)確測(cè)定煤的發(fā)熱量具有重要意義。無煙煤是煤化程度最高的一類煤，具有固定碳高、燃點(diǎn)高等特點(diǎn)，測(cè)定無煙煤尤其是年老無煙煤(也稱無煙煤一號(hào)，Vdaf≤3.5%，Hdaf≤2.0%)的發(fā)熱量時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)因?yàn)槿紵怀浞侄鴮?dǎo)致結(jié)果偏低，不能真實(shí)反映煤炭的真實(shí)品質(zhì)，目前常采用包擦鏡紙、墊石棉絨、摻苯甲酸以及減小樣品量等方法來解決這個(gè)問題。但是，這些方法都存在不同方面的缺點(diǎn)，例如包擦鏡紙法和摻苯甲酸法操作繁瑣，結(jié)果計(jì)算十分復(fù)雜；墊石棉絨法不僅操作復(fù)雜，而且石棉絨粉塵在空氣中會(huì)污染環(huán)境，吸入人體或直接接觸對(duì)人體有一定危害；減少樣品量會(huì)導(dǎo)致樣品代表性變差。在大多數(shù)情況下即使使用這些方法也并不能促進(jìn)樣品完全燃燒。

根據(jù)之前采用氧彈燃燒法來測(cè)定煤炭中汞含量的研究結(jié)果，本試驗(yàn)采用多次充氧法提高氧彈內(nèi)氧氣含量來測(cè)定無煙煤的發(fā)熱量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該方法可以有效地促進(jìn)樣品燃燒分解，不僅可以得到較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，而且具有步驟簡(jiǎn)化、計(jì)算簡(jiǎn)單、試驗(yàn)成功率高、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，可作為準(zhǔn)確測(cè)定無煙煤的彈筒發(fā)熱量的代替方法。

1 試驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

試驗(yàn)采用湖南三德科技股份有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為SDC5015的自動(dòng)量熱儀，中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院生產(chǎn)的苯甲酸(GBW(E)130035)，天津大茂化學(xué)試劑廠生產(chǎn)的堿石棉(分析純)，山東省冶金科學(xué)研究院標(biāo)準(zhǔn)樣品研究所提供的GBW11112i(國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì))，試驗(yàn)所用無煙煤樣品均采集自河北唐山港口岸。為了考察多次充氧法對(duì)不同無煙煤的適用性，本次試驗(yàn)選擇不同揮發(fā)分和灰分的無煙煤進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)樣品分析見表1。

表1 試驗(yàn)樣品分析 %

1.2 試驗(yàn)步驟

分別稱取1～12號(hào)煤樣0.9～1.1 g，稱準(zhǔn)到0.0002 g后，將樣品輕輕壓實(shí)。將氧彈擰緊后，向含空氣的氧彈中充入高純氧氣至3.0 MPa，充放3次后，再向氧彈中充入高純氧氣至3.0 MPa，最終氧氣含量達(dá)到99.03%，然后將氧彈放入設(shè)備中，進(jìn)行點(diǎn)火測(cè)量并記錄結(jié)果。

1.3 測(cè)試條件

試驗(yàn)在避光恒溫條件下進(jìn)行，試驗(yàn)溫度為24℃，所有試驗(yàn)溫度變化小于1℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 充氧次數(shù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響

通常狀況下空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)約為21%，容積為500 mL的氧彈中氧氣的體積約為105 mL。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程為PV=nRT，在一定溫度條件下，P與V成反比關(guān)系。經(jīng)過計(jì)算，每次充氧至氧彈內(nèi)壓力達(dá)到3.0 MPa，然后緩慢放氣至與外界氣壓相同，反復(fù)充氣放氣3次后在第4次充入高純氧氣，此時(shí)氧彈內(nèi)氧氣的體積分?jǐn)?shù)為99.03%。

為了考察充氧次數(shù)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響，本試驗(yàn)選取氫含量低于2.0%、灰分差別較大的2號(hào)和11號(hào)樣品進(jìn)行試驗(yàn)，每個(gè)樣品測(cè)定5次取平均值，考察充氧次數(shù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，充氧次數(shù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響如圖1所示。

圖1 充氧次數(shù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響

由圖1可以看出，隨著充氧次數(shù)的增加，試驗(yàn)熱值結(jié)果也隨之增加。從試驗(yàn)現(xiàn)象來看，充氧1次和2次條件下試驗(yàn)結(jié)束后坩堝內(nèi)會(huì)或多或少會(huì)殘留一些黑色物質(zhì)，而充氧4次后燃燒器皿內(nèi)沒有黑色殘留物質(zhì)。這表明隨著充氧次數(shù)增加，可以有效促進(jìn)年老無煙煤樣品的充分燃燒，測(cè)得更為準(zhǔn)確的發(fā)熱量數(shù)據(jù)。

2.2 不同灰分含量對(duì)不同方法試驗(yàn)結(jié)果的影響

灰分比例的增大導(dǎo)致煤炭中有機(jī)物含量下降，礦物質(zhì)燃燒灰化時(shí)要吸收熱量，大量排渣又要帶走熱量，這直接導(dǎo)致了煤炭發(fā)熱量的下降。同時(shí)灰分增加會(huì)導(dǎo)致煤炭的均勻性變差，這又會(huì)導(dǎo)致發(fā)熱量試驗(yàn)中熱值結(jié)果重復(fù)性變差，間接對(duì)煤的發(fā)熱量產(chǎn)生影響。

為了檢驗(yàn)多次充氧法對(duì)灰分含量不同的無煙煤的適用性，同時(shí)對(duì)比不同測(cè)定發(fā)熱量方法受灰分含量的影響，選擇了2號(hào)、6號(hào)、7號(hào)和8號(hào)這4種灰分含量不同且相差較大的煤樣進(jìn)行測(cè)定。每種方法測(cè)定5次，不同灰分含量對(duì)不同方法試驗(yàn)結(jié)果的影響結(jié)果見表2。

表2 不同灰分含量對(duì)不同方法試驗(yàn)結(jié)果的影響

由表2可以看出，對(duì)于灰分越大的無煙煤，多次充氧法試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比一次充氧法試驗(yàn)結(jié)果越準(zhǔn)確。但是對(duì)于灰分小于20%的無煙煤，多次充氧法試驗(yàn)結(jié)果與一次充氧法試驗(yàn)結(jié)果接近，多次充氧法研究意義不大。多次充氧法與墊堿石棉法、摻苯甲酸法的結(jié)果基本一致，誤差和結(jié)果穩(wěn)定性都在GB/T213-2001方法內(nèi)所要求的誤差范圍內(nèi)。

2.3 準(zhǔn)確度和重復(fù)性

為了驗(yàn)證多次充氧法的準(zhǔn)確性與重復(fù)性，選取2號(hào)樣品和無煙煤標(biāo)準(zhǔn)樣品GBW11112i，分別采用墊石棉絨法(GB/T 213-2008)和多次充氧法進(jìn)行發(fā)熱量的平行測(cè)定，墊石棉絨法與多次充氧法測(cè)定結(jié)果的比較見表3。

表3 墊石棉絨法與多次充氧法測(cè)定結(jié)果的比較

由表3可以看出，在95%的置信范圍，α=0.05，自由度6，查t值表臨界值t0.025,6=2.45。因t<2.45，經(jīng)t檢驗(yàn)兩種方法無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義差異。

3 結(jié)語

本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)預(yù)計(jì)通過多次充氧提高氧彈內(nèi)氧氣的體積含量，使氧彈內(nèi)難以燃燒完全的年老無煙煤徹底燃燒。試驗(yàn)證實(shí)這種設(shè)計(jì)是成功的，多次充氧法結(jié)果與摻苯甲酸法和墊酸洗石棉絨法結(jié)果相比較在允許誤差范圍內(nèi)，而這3種結(jié)果普遍高于直接測(cè)量結(jié)果。而且，多次充氧法比摻如苯甲酸法和墊三溪石棉絨法簡(jiǎn)化了計(jì)算步驟，減少了對(duì)人體的傷害，所以在結(jié)果準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上，采用多次充氧法簡(jiǎn)單可行。