吳琨,苗均,魏鳳英,鄭麗

（1.新疆八一鋼鐵股份有限公司制造管理部；2.新疆八一鋼鐵股份有限公司煉鐵廠）

1 前言

煤炭發(fā)熱量是煤質(zhì)及動(dòng)力用煤最重要的一項(xiàng)指標(biāo)，煤炭發(fā)熱量不僅是工業(yè)生產(chǎn)中動(dòng)力煤熱值計(jì)價(jià)依據(jù)，也是企業(yè)煤價(jià)結(jié)算的重要依據(jù)。準(zhǔn)確測定煤的發(fā)熱量，真實(shí)反映煤質(zhì)質(zhì)量，直接影響燃煤工藝過程的熱平衡、耗煤量、熱效率以及企業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)。煤炭發(fā)熱量關(guān)系到煤價(jià)結(jié)算，也影響到企業(yè)的生產(chǎn)成本。

2 煤的發(fā)熱量定義及發(fā)熱量數(shù)學(xué)模型

高煤炭發(fā)熱量是指單位質(zhì)量的煤完全燃燒時(shí)所發(fā)出的熱量。目前發(fā)熱量的測定普遍使用自動(dòng)量熱儀，采用氧彈量熱法。測定工作原理：稱取一定量的煤試樣于氧彈熱量計(jì)中，在充有過量的氧氣中燃燒，放出的熱量被一定量的水吸收，根據(jù)水溫的升高來計(jì)算煤樣的發(fā)熱量。

工業(yè)燃燒設(shè)備中煤炭發(fā)熱量常用的收到基低位發(fā)熱量,數(shù)學(xué)模型：

式中：Qnet,ar—收到基煤的低位發(fā)熱量，J／g；

Mt—煤的全水分，%；

Hd—煤的干基氫值，%；

Qgr,d—空氣干燥基高位發(fā)熱量；

空氣干燥基高位發(fā)熱量數(shù)學(xué)模型：

式中：Qgr,d—干燥基煤的高位發(fā)熱量，J/g；

Qbad—煤的彈筒發(fā)熱量；

Sad—由彈筒洗液測得的煤的含硫量，%；

Mad—煤分析基水分；

94.1—煤中每1%硫?qū)嶂档男Ｕ担琂；

a—硝酸校正系數(shù)。

由數(shù)學(xué)模型可知，彈筒發(fā)熱量換算到高位發(fā)熱量，若設(shè)定全硫值不變，彈筒發(fā)熱量Qbad計(jì)算干燥基高位發(fā)熱量Q時(shí)，水分Mad對計(jì)算值有影響。當(dāng)彈筒發(fā)熱量在2.00～28.00 MJ/kg時(shí)，水分Mad每增加1%，干燥基高位發(fā)熱量增加220～290 J/g。

由高位發(fā)熱量換算到低位發(fā)熱量。收到基低位發(fā)熱量主要涉及干基氫值和水分，煤中的氫值主要受煤種的影響，對同類煤而言，氫值(H)的變化不大。若設(shè)定氫值不變，當(dāng)干基高位發(fā)熱量在22.00～28.00 MJ/kg時(shí)，全水分每增加1%，收到基低位發(fā)熱量將減少237～297 J/g。

理論表明，Mad（煤空干基水分）及Mt（煤全水分），即煤的水分對煤的發(fā)熱量影響貢獻(xiàn)較大。

3 煤中水分測定對發(fā)熱量影響的實(shí)例說明

全水分（Mt），是煤中所有內(nèi)在水分和外在水分的總和。空氣干燥基水分(Mad)，指煤炭在空氣干燥狀態(tài)下所含的水分。也可以認(rèn)為是內(nèi)在水分。

煤中水分是煤進(jìn)化程度的考量指標(biāo)。根據(jù)其結(jié)構(gòu)狀態(tài)又可分為內(nèi)在水分和外在水分兩種，吸附和凝聚在煤粒內(nèi)部毛細(xì)孔中的水稱為內(nèi)在水分；附著在煤粒表面上的水稱為外在水分。日常所說的煤的水分是指在環(huán)境溫度和濕度下，煤與大氣達(dá)到接近平衡時(shí)所失的那部分水（外在水）和留下來的內(nèi)在水分。外在水分通常在45℃～50℃的溫度下經(jīng)過一定時(shí)間后即能蒸發(fā)掉，內(nèi)在水分比外在水分較難蒸發(fā)，要在105℃～110℃的溫度下經(jīng)過一定時(shí)間后才能蒸發(fā)掉。

煤的水分受煤種及環(huán)境溫度濕度影響較大，在測定中的關(guān)鍵問題是保證原來煤樣的水分沒有損失也沒有增加，制樣人員及化驗(yàn)人員在操作中需嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)化要求執(zhí)行，煤的水分樣品需保存在密封良好的容器內(nèi)，勿放在陽光直射及高溫設(shè)備旁。制樣過程需快速，避免吸潮或水分揮發(fā)。樣品到達(dá)化驗(yàn)室后立即測定，若無法立即測定立即稱量，以便進(jìn)行水分損失校正。

針對某鋼鐵企業(yè)使用四種煤，測定了不同批次同煤種的水分及發(fā)熱量。見圖1、2、3、4實(shí)例。

圖1 不同批次同煤種(ST)水分測定不同與發(fā)熱量值

圖2 不同批次同煤種（YM）水分測定不同與發(fā)熱量值

圖3 不同批次同煤種(LT)水分測定不同與發(fā)熱量值

圖4 不同批次同煤種(JM)水分測定不同與發(fā)熱量值

從圖表可看出煤的發(fā)熱量受煤的水分含量影響很大。在實(shí)際試驗(yàn)檢測中出現(xiàn)過，同一種煤由于測定水分樣品未保存在密閉良好的容器內(nèi)或送到化驗(yàn)室未及時(shí)測定或制樣不嚴(yán)格未按照國標(biāo)執(zhí)行，測定的水分產(chǎn)生誤差造成發(fā)熱量存在較大誤差。

因此要求煤樣制樣人員及化驗(yàn)人員在操作中嚴(yán)格執(zhí)行國標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化要求，避免測定的發(fā)熱量結(jié)果因水分測定誤差而發(fā)生錯(cuò)誤，降低數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。

4 發(fā)熱量過程中的影響因素

依據(jù)氧彈發(fā)熱量測定工作原理，首先要解決熱量計(jì)的熱容量的標(biāo)定問題，即儀器量熱系統(tǒng)溫度每增加1度需要吸收的熱量，可通過一定量的基準(zhǔn)量熱物質(zhì)苯甲酸來標(biāo)定。

4.1 苯甲酸標(biāo)定熱容量對發(fā)熱量測定的影響

熱容量是量熱儀非常重要的參數(shù)，其標(biāo)定的正確與否直接對測定結(jié)果產(chǎn)生重大影響。必須使用經(jīng)國家計(jì)量部門檢定合格并標(biāo)明熱值的二級或二級以上的基準(zhǔn)量熱物-苯甲酸。按GB／T213中規(guī)定的方法標(biāo)定熱容量，確定在不同試驗(yàn)溫升下需使用的實(shí)際熱容量值。量熱儀熱容量的標(biāo)定一般每3個(gè)月進(jìn)行一次。在更換感溫探頭（或測溫卡）、量熱儀較大部件(如攪拌器、氧彈)、外筒水時(shí)，以及量熱儀有較大搬動(dòng)或標(biāo)定熱容量和測定發(fā)熱量時(shí)內(nèi)筒水溫相差5℃以上，或用苯甲酸檢查測定值與標(biāo)準(zhǔn)熱值之差超過50 J／g，非人為或外界原因造成的情況下，都必須重新標(biāo)定熱容量。實(shí)際工作中每班測試前都必須用高、中、低不同煤標(biāo)樣檢定儀器運(yùn)行，檢定實(shí)測標(biāo)樣熱值是否在標(biāo)準(zhǔn)熱值的不確定度范圍之內(nèi)。參照表1，若結(jié)果異常停止當(dāng)班生產(chǎn)煤樣的正常測定，必須重新對操作過程及量熱儀運(yùn)行進(jìn)行檢查，或重新標(biāo)定熱容量。

表1 不同煤標(biāo)樣熱值 MJ/kg

4.2 量熱儀運(yùn)行外部環(huán)境的影響

氧彈量熱儀測定發(fā)熱量解決量熱系統(tǒng)與外界的熱交換問題，采用在量熱系統(tǒng)周圍加雙壁水套，通過控制水套溫度消除或校正量熱系統(tǒng)與外界的熱交換。根據(jù)試樣燃燒前后量熱系統(tǒng)產(chǎn)生的溫差，對附加熱進(jìn)行校正后得出煤的發(fā)熱量。

由于自動(dòng)量熱儀中數(shù)顯溫度計(jì)內(nèi)元器件大部分是集成塊及電子元器件，溫度過低過高將影響元器件的功能。測定發(fā)熱量時(shí)，根據(jù)室溫調(diào)節(jié)量熱儀外筒水溫，再由外筒溫度和煤樣的溫升調(diào)節(jié)內(nèi)筒初始溫度。因此在發(fā)熱量測定過程中，其外部環(huán)境溫度變化往往會影響測值的準(zhǔn)確性。實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn)，在冬季供暖、春季停暖、夏季陽光直射、對開大門強(qiáng)力通風(fēng)等狀態(tài)下都會引起室溫較大變化，造成熱容量及發(fā)熱量測定誤差。因此檢測現(xiàn)場可以采用掛窗簾、安裝空調(diào)設(shè)備等方法避免量熱儀外筒溫度驟然升降，還應(yīng)避免測定發(fā)熱量時(shí)近距離同時(shí)使用高溫設(shè)備如電熱爐、電熱烘箱等發(fā)熱源，造成使測定結(jié)果不準(zhǔn)確。因此最好能設(shè)置發(fā)熱量測定專用室，每天根據(jù)實(shí)際情況和熱容量標(biāo)定時(shí)的溫度，控制保持好室溫恒定，保證每次測定時(shí)量熱儀內(nèi)外筒溫度變化不超過1度。

4.3 內(nèi)外筒水的影響

自動(dòng)量熱儀內(nèi)筒水是從外筒水注入的，在從外筒向內(nèi)筒水注入時(shí)，水量和水的純凈度要保持一致。自動(dòng)量熱儀內(nèi)筒水的熱容量在整個(gè)儀器的熱容量中占相當(dāng)?shù)牡谋戎?，由于水的比熱較大，內(nèi)外筒水的量不一致將會使儀器的熱容量發(fā)生變化，導(dǎo)致發(fā)熱量的測定誤差。量熱儀電磁閥，進(jìn)水閥和放水閥易被點(diǎn)火絲、雜質(zhì)或其他殘?jiān)氯?，需要隨時(shí)檢查和及時(shí)清理，保持水中無雜質(zhì)。一旦發(fā)現(xiàn)水中雜質(zhì)須及時(shí)換水，換水后儀器的熱容量要用煤標(biāo)樣重新標(biāo)定。

4.4 煤樣稱量操作的影響

按照國標(biāo)GB/T213-2008測定發(fā)熱量時(shí)要求空氣干燥煤樣的粒度必須小于0.2mm，質(zhì)量0.9～1.1g(稱準(zhǔn)至0.0002g)。松散的煤樣在燃燒時(shí)會發(fā)生飛濺，會引起發(fā)熱量測定值偏低而導(dǎo)致試驗(yàn)失敗。所以在測定過程中一定要將稱取的煤樣充分混合均勻，再把稱取的松散煤樣輕輕壓實(shí)。重復(fù)測試時(shí)，稱樣、測量要同時(shí)進(jìn)行，防止煤樣吸收水分而導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)生誤差，所以2個(gè)煤樣稱量間隔時(shí)間不能太長。

4.5 煤樣燃燒不完全的影響

實(shí)際操作中，有時(shí)在測定完發(fā)熱量后，燃燒皿中會出現(xiàn)剩余的煤樣，這些煤樣都是因?yàn)槿紵煌耆a(chǎn)生的，而煤樣燃燒不完全會導(dǎo)致測定的發(fā)熱量數(shù)值比正常值偏低。

影響煤樣燃燒不完全的因素有很多：（1）煤樣本身質(zhì)量的問題。例如一些煤進(jìn)化程度低，煤矸石含量高，灰分大熱值低的煤樣會發(fā)生燃燒不完全的情況。對于這些特殊的煤樣，可以用在燃燒皿里鋪石棉絨襯墊和適當(dāng)增加充氧壓力的辦法，促使煤樣完全燃燒，提高準(zhǔn)確度。易飛濺煤樣可采用包擦鏡紙或摻苯甲酸的方法，最大限度地防止因煤樣的飛濺而導(dǎo)致的測定結(jié)果偏低或點(diǎn)火失敗。

（2）因點(diǎn)火絲操作不當(dāng)也會使煤樣燃燒不完全，如點(diǎn)火絲連接不正確，點(diǎn)火絲不能與煤樣恰好接觸;點(diǎn)火絲埋入煤粉埋得過深或者點(diǎn)火絲和煤粉距離太遠(yuǎn)，而使得點(diǎn)火絲不能正常點(diǎn)火,都會導(dǎo)致煤樣燃燒不完全，使測定結(jié)果偏低。

（3）氧彈使用不當(dāng)也會使煤樣燃燒不完全，如給氧彈充氧時(shí)太急太快，會將煤樣吹濺出去而導(dǎo)致測定結(jié)果偏低，充氧時(shí)一定要使壓力緩慢上升。必須正確把握充氧時(shí)間和及時(shí)更換鋼瓶，當(dāng)鋼瓶指示的壓力在5.0MPa以下時(shí)要適當(dāng)延長充氧時(shí)間，鋼瓶壓力不足（鋼瓶指示壓力＜4.0 MPa時(shí)）應(yīng)及時(shí)更換。及時(shí)檢查氧彈的氣密性，氧彈各部件的連接部分橡皮圈彈性不好或部件磨損造成的接觸不嚴(yán)密都會使氧彈發(fā)生漏氣，使氧彈氧氣壓力不足，從而影響煤樣的完全燃燒，使測定結(jié)果偏低。

5 結(jié)語

通過對測定煤發(fā)熱量數(shù)學(xué)模型分析并結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)，認(rèn)為煤本身的水分及水分測定準(zhǔn)確性影響煤的發(fā)熱量。測定過程中熱容量標(biāo)定、量熱儀設(shè)備內(nèi)外部環(huán)境、測定過程中的操作規(guī)范性都會對煤的發(fā)熱量產(chǎn)生一定影響，為減少對測定過程的影響提出了解決措施。筆者認(rèn)為，測定中只有嚴(yán)格按照國標(biāo)進(jìn)行操作，才能保證所測發(fā)熱量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠，為企業(yè)生產(chǎn)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。