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)及動力用煤最重要的一項指標，煤炭發(fā)熱量不僅是工業(yè)生產(chǎn)中動力煤熱值計價依據(jù)，也是企業(yè)煤價結(jié)算的重要依據(jù)。準確測定煤的發(fā)熱量，真實反映煤質(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。煤炭發(fā)熱量關系到煤價結(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)學模型

高煤炭發(fā)熱量是指單位質(zhì)量的煤完全燃燒時所發(fā)出的熱量。目前發(fā)熱量的測定普遍使用自動量熱儀，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)水溫的升高來計算煤樣的發(fā)熱量。

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

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)學模型可知，彈筒發(fā)熱量換算到高位發(fā)熱量，若設定全硫值不變，彈筒發(fā)熱量Qbad計算干燥基高位發(fā)熱量Q時，水分Mad對計算值有影響。當彈筒發(fā)熱量在2.00～28.00 MJ/kg時，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。若設定氫值不變，當干基高位發(fā)熱量在22.00～28.00 MJ/kg時，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)熱量影響貢獻較大。

3 煤中水分測定對發(fā)熱量影響的實例說明

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。也可以認為是內(nèi)在水分。

煤中水分是煤進化程度的考量指標。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，煤與大氣達到接近平衡時所失的那部分水（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，制樣人員及化驗人員在操作中需嚴格按照標準化要求執(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備旁。制樣過程需快速，避免吸潮或水分揮發(fā)。樣品到達化驗室后立即測定，若無法立即測定立即稱量，以便進行水分損失校正。

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。在實際試驗檢測中出現(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)或送到化驗室未及時測定或制樣不嚴格未按照國標執(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人員在操作中嚴格執(zhí)行國標的標準化要求，避免測定的發(fā)熱量結(jié)果因水分測定誤差而發(fā)生錯誤，降低數(shù)據(jù)的準確度。

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，首先要解決熱量計的熱容量的標定問題，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量熱物質(zhì)苯甲酸來標定。

4.1 苯甲酸標定熱容量對發(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)國家計量部門檢定合格并標明熱值的二級或二級以上的基準量熱物-苯甲酸。按GB／T213中規(guī)定的方法標定熱容量，確定在不同試驗溫升下需使用的實際熱容量值。量熱儀熱容量的標定一般每3個月進行一次。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，以及量熱儀有較大搬動或標定熱容量和測定發(fā)熱量時內(nèi)筒水溫相差5℃以上，或用苯甲酸檢查測定值與標準熱值之差超過50 J／g，非人為或外界原因造成的情況下，都必須重新標定熱容量。實際工作中每班測試前都必須用高、中、低不同煤標樣檢定儀器運行，檢定實測標樣熱值是否在標準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行進行檢查，或重新標定熱容量。

表1 不同煤標樣熱值 MJ/kg

4.2 量熱儀運行外部環(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，對附加熱進行校正后得出煤的發(fā)熱量。

由于自動量熱儀中數(shù)顯溫度計內(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，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確性。實際工作中發(fā)現(xiàn)，在冬季供暖、春季停暖、夏季陽光直射、對開大門強力通風等狀態(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)設備等方法避免量熱儀外筒溫度驟然升降，還應避免測定發(fā)熱量時近距離同時使用高溫設備如電熱爐、電熱烘箱等發(fā)熱源，造成使測定結(jié)果不準確。因此最好能設置發(fā)熱量測定專用室，每天根據(jù)實際情況和熱容量標定時的溫度，控制保持好室溫恒定，保證每次測定時量熱儀內(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，水量和水的純凈度要保持一致。自動量熱儀內(nèi)筒水的熱容量在整個儀器的熱容量中占相當?shù)牡谋戎兀捎谒谋葻彷^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，導致發(fā)熱量的測定誤差。量熱儀電磁閥，進水閥和放水閥易被點火絲、雜質(zhì)或其他殘渣堵塞，需要隨時檢查和及時清理，保持水中無雜質(zhì)。一旦發(fā)現(xiàn)水中雜質(zhì)須及時換水，換水后儀器的熱容量要用煤標樣重新標定。

4.4 煤樣稱量操作的影響

按照國標GB/T213-2008測定發(fā)熱量時要求空氣干燥煤樣的粒度必須小于0.2mm，質(zhì)量0.9～1.1g(稱準至0.0002g)。松散的煤樣在燃燒時會發(fā)生飛濺，會引起發(fā)熱量測定值偏低而導致試驗失敗。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。重復測試時，稱樣、測量要同時進行，防止煤樣吸收水分而導致試驗數(shù)據(jù)發(fā)生誤差，所以2個煤樣稱量間隔時間不能太長。

4.5 煤樣燃燒不完全的影響

實際操作中，有時在測定完發(fā)熱量后，燃燒皿中會出現(xiàn)剩余的煤樣，這些煤樣都是因為燃燒不完全產(chǎn)生的，而煤樣燃燒不完全會導致測定的發(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增加充氧壓力的辦法，促使煤樣完全燃燒，提高準確度。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致的測定結(jié)果偏低或點火失敗。

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

（3）氧彈使用不當也會使煤樣燃燒不完全，如給氧彈充氧時太急太快，會將煤樣吹濺出去而導致測定結(jié)果偏低，充氧時一定要使壓力緩慢上升。必須正確把握充氧時間和及時更換鋼瓶，當鋼瓶指示的壓力在5.0MPa以下時要適當延長充氧時間，鋼瓶壓力不足（鋼瓶指示壓力＜4.0 MPa時）應及時更換。及時檢查氧彈的氣密性，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)學模型分析并結(jié)合現(xiàn)場試驗，認為煤本身的水分及水分測定準確性影響煤的發(fā)熱量。測定過程中熱容量標定、量熱儀設備內(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。筆者認為，測定中只有嚴格按照國標進行操作，才能保證所測發(fā)熱量數(shù)據(jù)準確、可靠，為企業(yè)生產(chǎn)提供準確的數(shù)據(jù)。