火電廠煤化驗(yàn)室發(fā)熱量測(cè)定的質(zhì)量控制

竇文婷(國神集團(tuán)陜西德源府谷能源有限公司，陜西 榆林 719407)

1 恒溫式量熱儀的發(fā)熱量測(cè)定原理

目前狀況下，恒溫量熱儀是較常使用的發(fā)熱量測(cè)定儀器，其測(cè)定原理主要如下：稱取1.0±0.1 g稱準(zhǔn)到0.000 2 g的0.2 mm空干基煤樣，煤樣稱取完成后將之放置于氧彈之中，并按照規(guī)定比例向其中充入氧氣。在這種情況之下，煤樣與氧氣接觸得以充分燃燒，煤樣燃燒產(chǎn)生的熱量促使量熱儀的計(jì)量體系升溫。需要注意的是，此時(shí)量熱體系與恒溫環(huán)境之間存在熱交換，針對(duì)這一情況應(yīng)當(dāng)依據(jù)牛頓冷卻定律對(duì)其進(jìn)行一定程度地修正，由此可獲得煤樣發(fā)熱量的數(shù)據(jù)。需要說明的是，恒溫式量熱儀在整個(gè)熱量測(cè)定的過程之中外筒的溫度是保持恒定不變的，但是量熱儀內(nèi)筒與外筒之間存在著一定的誤差，在誤差之下內(nèi)外筒之間會(huì)發(fā)生熱交換，基于這一方面的考慮需要對(duì)其進(jìn)行冷卻校正[1]。

2 恒溫式量熱儀的影響因素

(1)外筒溫度。對(duì)于恒溫式量熱儀而言，其內(nèi)筒溫度與外筒溫度之間存在著一定的差異，在這一差異的影響下恒溫式量熱儀的內(nèi)筒與外筒之間會(huì)發(fā)生熱交換。在實(shí)驗(yàn)的過程中，熱交換的值會(huì)對(duì)冷卻校正造成直接影響，量熱儀外筒水溫的不穩(wěn)定性進(jìn)一步造成了冷卻校正值的不穩(wěn)定。冷卻校正值是發(fā)熱量測(cè)定中的重要參數(shù)，它是對(duì)主期溫升的重要補(bǔ)充與調(diào)整，進(jìn)而對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成一定程度的影響。外筒水溫應(yīng)該是多個(gè)不同位置溫度的函數(shù)，且具有一定的復(fù)雜性。因此要想確保恒溫式量熱儀測(cè)定發(fā)熱量的準(zhǔn)確性，就必須保證量熱儀外筒溫度的穩(wěn)定且均勻。

(2)內(nèi)筒中的水量。在整個(gè)儀器的熱容量之中，恒溫式量熱儀的內(nèi)筒水熱容量占有很大的比重。因?yàn)樗谋葻彷^大，所以當(dāng)量熱儀內(nèi)筒中的水不確定時(shí)，量熱儀的熱容量也會(huì)隨之發(fā)生一定程度的變化，這種變化進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差。根據(jù)相關(guān)研究顯示，如果恒溫式量熱儀內(nèi)筒中水的質(zhì)量發(fā)生了5 g的變化，則量熱儀的熱容量也會(huì)隨之發(fā)生一定程度的變化，經(jīng)過測(cè)量確定其具體變化值為21 J/(kg·K)?；谶@一點(diǎn)的考慮，在運(yùn)用恒溫式量熱儀對(duì)發(fā)熱量進(jìn)行測(cè)定的過程中，需要考慮內(nèi)筒中水量的問題，應(yīng)當(dāng)運(yùn)用稱量法對(duì)內(nèi)筒中的水量進(jìn)行量取，以此確保定量的一致性。

(3)熱容量。在對(duì)熱容量進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，需要嚴(yán)格遵循行業(yè)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，采用合格有效的苯甲酸來進(jìn)行標(biāo)定，操作過程中熱量的形成主要是通過添加硝酸的形式予以實(shí)現(xiàn)。需要說明的是，所使用的苯甲酸務(wù)必確保合格且有效，否則會(huì)造成一定程度的誤差。而如果在操作過程中沒有添加硝酸形成熱，會(huì)造成熱容量偏低的問題，進(jìn)而致使所測(cè)定的結(jié)果相對(duì)偏低。

3 火電廠煤化實(shí)驗(yàn)室測(cè)定過程質(zhì)量控制

(1)測(cè)定方法。當(dāng)前狀況下對(duì)于發(fā)熱量的測(cè)定，較常使用的測(cè)定方法主要有兩種，分別為恒溫式測(cè)定與絕熱式測(cè)定。相比于絕熱式測(cè)定方法，恒溫式測(cè)定方法在精密度與準(zhǔn)確性方面表現(xiàn)更佳，滿足國標(biāo)要求[2]。

(2)儀器設(shè)備。本文論述的煤化實(shí)驗(yàn)室，所使用的測(cè)量儀器為SDC311各點(diǎn)等溫恒溫式量熱儀。這是一種新式量熱儀，與傳統(tǒng)量熱儀在一些方面存在著差異性。對(duì)于傳統(tǒng)量熱儀而言，它在點(diǎn)火之前吸熱主要是由內(nèi)筒完成的：當(dāng)對(duì)其點(diǎn)火之后，內(nèi)筒的溫度會(huì)逐漸升高；當(dāng)達(dá)到一定值且超過外筒溫度時(shí)，在熱傳遞的作用下內(nèi)筒開始放熱。對(duì)于各點(diǎn)等溫恒溫式量熱儀而言，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，內(nèi)筒始終處于吸熱狀態(tài)，單向的、穩(wěn)定的內(nèi)桶趨勢(shì)將獲得趨勢(shì)一致的冷卻校正C值，因此恒溫式量熱儀可以對(duì)因內(nèi)外筒溫差所引起的熱交換進(jìn)行準(zhǔn)確而有效地校正。除此之外，當(dāng)各點(diǎn)等溫恒溫室量熱儀的水箱水溫升高時(shí)，其外筒的恒溫點(diǎn)將發(fā)生一定程度的變化。不同于傳統(tǒng)量熱儀熱容量始終保持不變，各點(diǎn)等溫恒溫室量熱儀的熱容量是會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)變化的。經(jīng)過實(shí)踐證明，各點(diǎn)等溫恒溫室量熱儀符合相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，能夠滿足發(fā)熱量測(cè)定的要求。

(3)粒度控制。對(duì)于煤炭而言，去化學(xué)組成具有不穩(wěn)定，且粒度的組分也很不均勻，因此如果對(duì)煤樣的粒度進(jìn)行科學(xué)有效地控制十分關(guān)鍵。當(dāng)前狀況下我國的粒度標(biāo)準(zhǔn)為0.2 mm，因此為了確保能夠達(dá)到要求，在制樣時(shí)將煤樣磨細(xì)到0.149 mm之內(nèi)較為適宜。需要說明的是，存在某些煤樣的哈氏可磨指數(shù)較大，難以將其有效磨碎，這樣一來會(huì)導(dǎo)致制樣的力度過粗。針對(duì)這種情況，可以運(yùn)用瑪瑙研缽研細(xì)后再開展進(jìn)一步測(cè)試。

(4)測(cè)定方式。為了對(duì)發(fā)熱量測(cè)定的準(zhǔn)確性進(jìn)行有效保證，需要做好兩個(gè)方面的工作：一方面保證所選的煤樣具有代表性。這就要求操作人員在正式稱樣之前對(duì)煤樣進(jìn)行充分地?fù)u勻處理，并在此基礎(chǔ)之上采用多點(diǎn)稱樣法對(duì)樣煤進(jìn)行稱取。另一方面需要確保煤樣稱量的準(zhǔn)確性。在正式測(cè)樣過程中煤樣質(zhì)量只需1 g即可。相關(guān)操作人員在測(cè)樣之前應(yīng)充分做好準(zhǔn)備工作：首先需要保證天平的清潔性，并定期進(jìn)行校準(zhǔn)；其次在每次實(shí)驗(yàn)之前需保證空氧彈內(nèi)充足氣，同時(shí)需要注意將氧彈浸沒在水中保持一定時(shí)間，由此判定氧彈的密封性是否滿足測(cè)定要求。對(duì)不易完全燃燒的煤樣，一方面需要對(duì)煤樣的粒度進(jìn)行一定程度的控制，使其保持在0.1 mm以內(nèi)，另一方面還要通過使用一些淺底和壁要薄燃燒皿、在燃燒皿底部墊一層經(jīng)800 ℃灼燒過的石棉絨、減少試樣量。同時(shí)對(duì)充氧壓力進(jìn)行適當(dāng)提高，或采用已知質(zhì)量和熱值的標(biāo)準(zhǔn)煤樣均勻混合的方法對(duì)試樣測(cè)試結(jié)果的穩(wěn)定性、可靠性與準(zhǔn)確性進(jìn)行有效地保證。

(5)定期標(biāo)定。測(cè)量儀器是否精準(zhǔn)有效會(huì)對(duì)發(fā)熱量的測(cè)試結(jié)果造成直接的影響。在實(shí)際的測(cè)量過程中，受到各種因素的影響，恒溫式量熱儀所測(cè)出的測(cè)定值與標(biāo)準(zhǔn)值之間存在著一定的系統(tǒng)誤差。針對(duì)這種情況，應(yīng)定期對(duì)量熱儀器進(jìn)行標(biāo)定。對(duì)于量熱系統(tǒng)而言，其構(gòu)成具有一定的復(fù)雜性，且不同構(gòu)件有著差異性的吸熱能力，采用簡單的累計(jì)增加方法計(jì)算無法得到有效且準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。針對(duì)這一情況，對(duì)量熱儀做出了一些調(diào)整，具體調(diào)整如下：首先更換了量熱儀的大部件、量熱溫度計(jì)；其次對(duì)標(biāo)定熱容量與測(cè)定發(fā)熱量時(shí)內(nèi)筒溫度相差5 K時(shí)重新標(biāo)定，標(biāo)定之后應(yīng)當(dāng)配套開展有效性檢驗(yàn)工作。一般情況下每隔半個(gè)月對(duì)儀器進(jìn)行檢查一次[3]。

4 火電廠煤化實(shí)驗(yàn)室測(cè)定注意事項(xiàng)

(1)重復(fù)測(cè)定。對(duì)每一個(gè)煤樣的不同時(shí)間段做重復(fù)樣，一方面可以有效避免一些人為因素造成的測(cè)量誤差，例如：操作人員拿錯(cuò)藥品、重復(fù)稱樣等；另一方面可以依據(jù)測(cè)定結(jié)果對(duì)相關(guān)儀器運(yùn)行的穩(wěn)定性與可靠性進(jìn)行判定。在重復(fù)測(cè)定后，如果兩次的測(cè)定結(jié)果存在較大的差值，且這一差值已經(jīng)超出了規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，那么則認(rèn)為這兩次測(cè)定均為無效結(jié)果，需要重新開展測(cè)定工作。對(duì)同一臺(tái)測(cè)量儀，如果在同一個(gè)批次中所測(cè)量的結(jié)果差值同樣超過了規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，則這多次測(cè)定也被認(rèn)為是無效的，需要對(duì)可能出現(xiàn)的原因進(jìn)行分析，檢查儀器，反思操作過程，找出原因并有效糾正后再重新測(cè)定。

(2)有證煤標(biāo)煤樣或監(jiān)控樣。為了進(jìn)一步保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性，在對(duì)待測(cè)樣進(jìn)行分析之前，需要依據(jù)相關(guān)規(guī)定做1個(gè)中等發(fā)熱量的有證煤標(biāo)煤樣或者監(jiān)控樣。如果所制作的有證煤標(biāo)煤樣或者監(jiān)控樣的發(fā)熱量不正常，則認(rèn)為本次試驗(yàn)存在問題。針對(duì)這種情況應(yīng)對(duì)試驗(yàn)過程進(jìn)行復(fù)盤分析，及時(shí)找出試驗(yàn)過程中存在的問題或者不完善的地方，并進(jìn)行綜合性考慮找出具體的原因，尋求解決辦法。只有保證標(biāo)煤樣或者監(jiān)控樣的發(fā)熱量在規(guī)定范圍之內(nèi)，才能繼續(xù)開展試驗(yàn)。除此之外，操作人員還需進(jìn)行抽樣檢查，在試驗(yàn)過程中隨機(jī)抽取一臺(tái)量熱儀進(jìn)行檢查。如果抽查的量熱儀的測(cè)定異常，因及時(shí)找出原因并排出故障，對(duì)自上次檢查以來的所有煤樣進(jìn)行重新測(cè)定。

(3)定期開展復(fù)檢工作。對(duì)于所有完成實(shí)驗(yàn)的煤樣，應(yīng)當(dāng)繼續(xù)將其保存一段時(shí)間以便需要時(shí)進(jìn)行備查。在開展復(fù)查工作的過程中，如果條件允許，盡量應(yīng)安排與上次試驗(yàn)不同的儀器設(shè)備與操作人員，這樣安排有利于發(fā)現(xiàn)問題。如果復(fù)檢與初檢的測(cè)試結(jié)果差值超出了允許偏差范圍，應(yīng)當(dāng)盡快找到原因，并及時(shí)解決。

(4)不同儀器檢驗(yàn)。不同儀器檢驗(yàn)是實(shí)驗(yàn)室測(cè)定中的一項(xiàng)重要內(nèi)容。以某一火電廠為例，其化驗(yàn)室中存在有三臺(tái)型號(hào)一致的量熱儀，且每臺(tái)量熱儀均有三個(gè)筒，在開展試驗(yàn)時(shí)互相不干擾。在試驗(yàn)過程中，可以隨機(jī)抽取同一操作人員在同一個(gè)時(shí)間段內(nèi)在不同操作儀器上操作的同一個(gè)煤樣的測(cè)定結(jié)果。如果三套量熱儀在任意九個(gè)筒之間的測(cè)定值重復(fù)性大于規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，則需要及時(shí)找出原因并排出故障。通過這種方法可以檢驗(yàn)出操作人員的作業(yè)水平與量熱儀運(yùn)行是否穩(wěn)定。

(5)變量控制。室內(nèi)溫度與攪拌器攪拌速度等因素會(huì)對(duì)發(fā)熱量測(cè)定質(zhì)量造成一定程度的影響，因此控制好變量也是保證測(cè)量準(zhǔn)確度的重要措施。恒定的室溫可以保證量熱儀內(nèi)外筒溫度的變化幅度控制在1 ℃以內(nèi)。在對(duì)室溫控制時(shí)，一方面要充分參考熱容量標(biāo)定時(shí)的溫度，另一方面還需要對(duì)內(nèi)筒水溫進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，將內(nèi)外筒溫差控制在1 ℃以下。值得一提的是，連續(xù)測(cè)試必然會(huì)導(dǎo)致外筒水溫與外部氣溫的變化，針對(duì)這種情況還需要對(duì)外界環(huán)境氣溫進(jìn)行一定的結(jié)合與參考，并做出適當(dāng)調(diào)節(jié)。在實(shí)際操作過程中，攪拌器攪拌不均勻經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致發(fā)熱量測(cè)定誤差較大的情況。如果在重復(fù)計(jì)算發(fā)熱量、熱容量時(shí)發(fā)現(xiàn)存在較大的誤差時(shí)，則可以考慮是否為攪拌器方面的問題，可能是攪拌機(jī)攪拌速度不均勻所導(dǎo)致的。

5 結(jié)語

總而言之，煤中發(fā)熱量的測(cè)定具有一定難度，測(cè)量結(jié)果會(huì)受到各個(gè)方面因素的影響，很有可能會(huì)產(chǎn)生誤差。針對(duì)這種情況，首先需要選擇對(duì)周圍環(huán)境、相關(guān)儀器設(shè)備進(jìn)行檢查。同時(shí)進(jìn)一步規(guī)范操作人員的操作規(guī)范，把各種影響因素有效控制住，保證測(cè)定數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性與可靠性。