煤質(zhì)工業(yè)分析中坩堝濕度對(duì)浮力效應(yīng)校正值的影響

張慧然，郭 翠

（國家能源泰安熱電有限公司，山東 泰安 271000）

0 引言

電廠燃煤工業(yè)分析是入廠煤和入爐煤的常規(guī)檢驗(yàn)項(xiàng)目，是總體上評(píng)價(jià)煤質(zhì)和合理利用煤炭資源的基本依據(jù)。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定它們均應(yīng)采用經(jīng)典的干燥和灼燒法測定，但比較費(fèi)時(shí)費(fèi)力，難以滿足電廠及時(shí)控制煤質(zhì)，指導(dǎo)鍋爐燃燒的要求。為了提高檢測效率，很多電廠采用全自動(dòng)工業(yè)分析儀，簡稱“工分儀”。

5E-MAG6600B全自動(dòng)工業(yè)分析儀，有兩個(gè)測試部分組成，一部分專門測試揮發(fā)分，另一部分測試水分和灰分，可同時(shí)或單獨(dú)工作。工作過程中不需要更換坩堝或揭蓋，放完煤樣，就可無人值守，自動(dòng)得到水分、灰分、揮發(fā)分和固定碳的結(jié)果。該設(shè)備采用熱天平技術(shù)，在同一環(huán)境下用空白坩堝進(jìn)行浮力效應(yīng)校正，保證稱量精準(zhǔn)，測定結(jié)果準(zhǔn)確。

1 實(shí)驗(yàn)方法

采用DL/T1030—2006《煤的工業(yè)分析自動(dòng)儀器法》中的標(biāo)準(zhǔn)法。

1.1 水分和灰分的測定

在淺壁坩堝中稱取0.5～1.1 g粒度小于0.2 mm的空氣干燥基煤樣，攤平，置于工分儀的加熱爐內(nèi)，在105℃烘干15 min。根據(jù)煤樣的質(zhì)量損失計(jì)算出水分的百分含量。然后，將煤樣繼續(xù)加熱到（500±10）℃，預(yù)熱 30 min，按規(guī)定速度加熱到（815±10）℃，灼燒60 min，以殘留物的質(zhì)量占煤樣質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)作為灰分。

1.2 揮發(fā)分的測定

在揮發(fā)分坩堝中稱取0.9～1.0 g上述空氣干燥基煤樣，均勻攤平在坩堝底部，在（900±10）℃下加熱7 min，以減少質(zhì)量占煤樣質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)減去該煤樣空氣干燥基水分作為揮發(fā)分。

影響工業(yè)分析結(jié)果準(zhǔn)確度的因素有環(huán)境因素、人為因素和設(shè)備因素等。在實(shí)際工作中，坩堝的儲(chǔ)存條件對(duì)測定結(jié)果準(zhǔn)確度有一定影響，尤其是在空氣濕度大時(shí)，此影響尤為明顯。

2 實(shí)際案例

2018年8月15日和16日，連續(xù)下了2天雨，空氣濕度比較大。煤化驗(yàn)人員發(fā)現(xiàn)工業(yè)分析標(biāo)煤測定結(jié)果準(zhǔn)確度較差，為了進(jìn)行原因分析，用標(biāo)煤GBW11109m和GBW11111L又做了2次實(shí)驗(yàn)。

2.1 用1號(hào)工分儀進(jìn)行分析

實(shí)驗(yàn)人員用1號(hào)工分儀進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)灰分儀空白坩堝位置缺少2個(gè)坩堝（平時(shí)坩堝均在灰分儀內(nèi)坩堝架上放置），就從馬弗爐中取出2個(gè)經(jīng)過920℃高溫灼燒過的坩堝，將其補(bǔ)上。其他坩堝在前一天只做過水分（105℃烘干），而且灰分儀不是完全密封的，與空氣有一定接觸，因此會(huì)吸收一定量的水分。測定揮發(fā)分所用坩堝全部從馬弗爐中取出，比較干燥。以下實(shí)驗(yàn)均取下雨之前5天的內(nèi)水平均值作為假定標(biāo)準(zhǔn)值，與實(shí)驗(yàn)當(dāng)天所測內(nèi)水進(jìn)行比較。分析結(jié)果見表1。

表1 1號(hào)工分儀GBW11109m實(shí)驗(yàn)結(jié)果%

結(jié)果顯示，所有煤樣內(nèi)水均較高。由于空氣濕度大，故認(rèn)為是煤樣含水量高。但標(biāo)煤GBW11109m測定結(jié)果顯示，內(nèi)水偏高，灰分和揮發(fā)分均超出不確定度范圍，但是精密度符合國標(biāo)要求。

2.2 用2號(hào)工分儀進(jìn)行分析

為查找1號(hào)工分儀測定結(jié)果不準(zhǔn)確的原因，用2號(hào)工分儀對(duì)GBW11109m和GBW11111L進(jìn)行分析。

坩堝的存放條件：灰分坩堝全部在灰分儀內(nèi)，儲(chǔ)存條件一致。揮發(fā)分空白坩堝在揮發(fā)分儀內(nèi)，其余坩堝在無蓋的托盤內(nèi)。揮發(fā)分儀爐門關(guān)閉，是一個(gè)相對(duì)密封的空間，坩堝吸收水分較少。無蓋托盤內(nèi)的坩堝，完全暴露在空氣中，而且存放時(shí)間較長，吸收水分較多。分析結(jié)果見表2。

表2 2號(hào)工分儀GBW11109m和GBW11111L實(shí)驗(yàn)結(jié)果 %

結(jié)果顯示，所測內(nèi)水比1號(hào)工分儀低，與下雨前數(shù)值接近；灰分準(zhǔn)確度和精密度均較高；揮發(fā)分精密度較高，但準(zhǔn)確度較低，測定值均超出不確定度范圍。

2.3 再次用1號(hào)工分儀進(jìn)行分析

用1號(hào)工分儀對(duì)GBW11109m和GBW11111L進(jìn)行分析。

坩堝存放條件：揮發(fā)分坩堝全部從馬弗爐中取出，灰分坩堝全部在灰分儀內(nèi)存放，即測同一項(xiàng)目的坩堝，儲(chǔ)存條件一致。分析結(jié)果見表3。

表3 1號(hào)工分儀GBW11109m和GBW11111L實(shí)驗(yàn)結(jié)果%

結(jié)果顯示，內(nèi)水含量與下雨前平均值接近，灰分和揮發(fā)分準(zhǔn)確度和精密度均較高。

對(duì)以上3次實(shí)驗(yàn)的測定條件進(jìn)行比較，初步判斷前兩次數(shù)值異常是由空白坩堝和測樣坩堝儲(chǔ)存條件不一致造成的。

3 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證以上判斷結(jié)果的正確性，做了下面的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。本組實(shí)驗(yàn)選用GBW11105i和GBW11109p兩種標(biāo)煤，一部分坩堝在潮濕環(huán)境中放置24 h，另一部分坩堝在干燥器內(nèi)放置。將實(shí)驗(yàn)當(dāng)天（天氣晴朗）正常測試所得內(nèi)水假定為內(nèi)水標(biāo)準(zhǔn)值。

3.1 灰分空白坩堝潮濕

灰分儀空白坩堝位置放置潮濕坩堝，測樣位置放置干燥坩堝，測定揮發(fā)分全部用干燥坩堝，對(duì)2種標(biāo)煤各做2個(gè)平行樣，分析結(jié)果見表4。

表4 灰分空白坩堝潮濕時(shí)GBW11105i和GBW11109p實(shí)驗(yàn)結(jié)果 %

由以上數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)灰分空白坩堝潮濕，測樣坩堝干燥時(shí)，分析結(jié)果內(nèi)水偏小，灰分、揮發(fā)分偏大，精密度均較高。

3.2 揮發(fā)分空白坩堝潮濕

揮發(fā)分儀空白坩堝位置放置潮濕坩堝，測樣位置放置干燥坩堝，測定灰分全部用干燥坩堝，對(duì)2種標(biāo)煤各做2個(gè)平行樣，分析結(jié)果見表5。

表5 揮發(fā)分空白坩堝潮濕時(shí)GBW11105i和GBW11109p實(shí)驗(yàn)結(jié)果 %

由以上數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)揮發(fā)分空白坩堝潮濕，測樣坩堝干燥時(shí)，分析結(jié)果內(nèi)水和灰分準(zhǔn)確，揮發(fā)分偏小，精密度均較高。

3.3 灰分測樣坩堝潮濕

灰分儀空白坩堝位置放置干燥坩堝，測樣位置放置潮濕坩堝，測定揮發(fā)分全部用干燥坩堝，對(duì)2種標(biāo)煤各做2個(gè)平行樣，分析結(jié)果見表6。

表6 灰分測樣坩堝潮濕時(shí)GBW11105i和GBW11109p實(shí)驗(yàn)結(jié)果 %

由以上數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)灰分測樣坩堝潮濕，其他坩堝干燥時(shí)，分析結(jié)果內(nèi)水偏大，灰分、揮發(fā)分偏小，精密度均較高。

3.4 揮發(fā)分測樣坩堝潮濕

揮發(fā)分儀空白坩堝位置放置干燥坩堝，測樣位置放置潮濕坩堝，測定灰分全部用干燥坩堝，對(duì)兩種標(biāo)煤各做兩個(gè)平行樣，分析結(jié)果見表7。

表7 揮發(fā)分測樣坩堝潮濕時(shí)GBW11105i和GBW11109p實(shí)驗(yàn)結(jié)果 %

由以上數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)揮發(fā)分測樣坩堝潮濕，其他坩堝干燥時(shí)，分析結(jié)果內(nèi)水和灰分準(zhǔn)確，揮發(fā)分偏大，精密度均較高。

3.5 所用坩堝均潮濕

測定灰分和揮發(fā)分均用潮濕坩堝，對(duì)2種標(biāo)煤各做2個(gè)平行樣，分析結(jié)果見表8。

表8 所用坩堝均潮濕時(shí)GBW11105i和GBW11109p實(shí)驗(yàn)結(jié)果 %

由以上數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)所有坩堝吸潮程度一樣時(shí)，對(duì)測定結(jié)果的準(zhǔn)確度和精密度無影響。

4 理論分析

在燃煤工業(yè)分析中，常溫實(shí)驗(yàn)室稱量條件下，通常忽略空氣浮力對(duì)物體質(zhì)量的影響。在熱作用下不發(fā)生變化的物體，加熱時(shí)，由于受到氣體密度、氣體流量、溫度和相對(duì)濕度變化等因素的影響，相對(duì)于常溫實(shí)驗(yàn)室稱量條件，物體的質(zhì)量產(chǎn)生變化的現(xiàn)象稱為浮力效應(yīng)?？瞻综釄宓淖饔檬沁M(jìn)行浮力效應(yīng)校正。

4.1 浮力效應(yīng)校正

工業(yè)分析浮力效應(yīng)校正經(jīng)驗(yàn)公式為

此公式可變形為

式中：mf為加熱并經(jīng)浮力效應(yīng)校正后的樣品和坩堝質(zhì)量，g；ma為室溫下空白坩堝質(zhì)量，g；mt為測定溫度下空白坩堝質(zhì)量，g；mst為測定溫度下帶樣坩堝質(zhì)量，g。

在測定溫度下，由于水分全部蒸發(fā)，所以，mt和mst不受測樣前坩堝濕度的影響。

由式（2）可以看出，當(dāng)空白坩堝潮濕，含水量大于測樣坩堝時(shí)，ma相對(duì)增加，mt和mst不受影響，故mf增大；當(dāng)空白坩堝干燥，而測樣坩堝潮濕時(shí)，相對(duì)于測樣坩堝而言，空白坩堝質(zhì)量減小，即ma相對(duì)減小，mt和 mst不受影響，故 mf減小。

4.2 測樣結(jié)果計(jì)算公式

4.2.1 空氣干燥基煤樣水分（內(nèi)水）

式中：Mad為空氣干燥基水分，%；m0為室溫下空坩堝質(zhì)量，g；m1為加熱前樣品和坩堝的質(zhì)量，g；m2為加熱干燥并經(jīng)校正浮力效應(yīng)值后樣品和坩堝的質(zhì)量，g。

4.2.2 空氣干燥基煤樣灰分

式中：Aad為空氣干燥基煤樣灰分，%；m3為灰化后并經(jīng)校正浮力效應(yīng)值后樣品和坩堝的質(zhì)量，g。

4.2.3 空氣干燥基煤樣揮發(fā)分

式中：Vad為空氣干燥基煤樣揮發(fā)分，%；m4為室溫下帶蓋空坩堝質(zhì)量，g；m6為加熱后經(jīng)校正浮力效應(yīng)值后樣品和坩堝的質(zhì)量，g。

4.3 坩堝處在不同狀態(tài)對(duì)各項(xiàng)測定結(jié)果的影響

空白坩堝與測樣坩堝含水量不一致，會(huì)對(duì)浮力效應(yīng)校正值的準(zhǔn)確度產(chǎn)生影響，從而影響水分、灰分、揮發(fā)分復(fù)算結(jié)果的準(zhǔn)確度。

4.3.1 灰分空白坩堝潮濕

灰分空白坩堝潮濕，式（3）中m2增大，Mad減??；式（4）中 m3增大，Aad增大；式（5）中 Mad減小，Vad增大。

4.3.2 灰分測樣坩堝潮濕

灰分測樣坩堝潮濕，式（3）中m2減小，Mad增大；式（4）中 m3減小，Aad減小；式（5）中 Mad增大，Vad減小。

4.3.3 揮發(fā)分空白坩堝潮濕

揮發(fā)分空白坩堝潮濕，式（3）和（4）不受影響，式（5）中 m6增大，Vad減小。

4.3.4 揮發(fā)分測樣坩堝潮濕

揮發(fā)分測樣坩堝潮濕，式（3）和（4）不受影響，式（5）中 m6減小，Vad增大。

以上推理結(jié)果顯示，影響趨勢與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果一致。

4.4 影響趨勢匯總

空白坩堝與測樣坩堝儲(chǔ)存條件不一致，對(duì)測定結(jié)果造成的影響趨勢匯總見表9。

表9 影響趨勢匯總表

5 結(jié)語

坩堝濕度不同影響測定結(jié)果準(zhǔn)確度的根本原因是，此種情況會(huì)引起浮力效應(yīng)校正值發(fā)生偏差。

在空氣濕度較大時(shí)，如果測定灰分所用空白坩堝和測樣坩堝的儲(chǔ)存條件不一致，將影響一整爐煤樣水分、灰分和揮發(fā)分測定結(jié)果的準(zhǔn)確度；如果測定揮發(fā)分所用空白坩堝和測樣坩堝的儲(chǔ)存條件不一致，將影響一整爐煤樣揮發(fā)分測定結(jié)果的準(zhǔn)確度，但水分和灰分不受影響。

所以，為了減少坩堝的吸潮性不一致對(duì)測定結(jié)果的影響，當(dāng)測樣完畢后，應(yīng)將坩堝清理干凈，儲(chǔ)存在干燥器內(nèi)。另外，在購買坩堝時(shí)，應(yīng)盡量選擇材料和質(zhì)量相同的坩堝，以保證各坩堝的吸潮性相同，保證煤質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確可靠，為鍋爐安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供可靠保障。