燃煤发热量测定中两个重要问题的探讨

(浙江大唐乌沙山发电有限责任公司,浙江 宁波 315722)

0 引 言

煤的发热量不仅是一项重要的煤质特性指标，而且也是重要的工程技术指标和经济指标：是进厂商品煤的定价及结算主要依据；是锅炉热平衡、能量平衡计算的参数，是估算锅炉理论燃烧温度和锅炉运行时的配煤燃烧及负荷调节的重要依据；也是电厂主要经济指标——发电(供电)标准煤耗计算依据。因此准确测定煤的发热量，对于电厂的安全生产和经济运行具有重要意义。本文对燃煤发热量测定中两个重要问题进行探讨，一是发热量测定中如何保证煤样燃烧完全的问题；二是燃煤发热量测定结果准确性检验的问题。

1 发热量测定中如何保证煤样燃烧完全

国标GB/T 213-2008中描述弹筒发热量定义如下：单位质量的试样在充有过量氧气的氧弹内燃烧，其燃烧后的物质组成为氧气、氮气、二氧化碳、硝酸和硫酸、液态水以及固态灰时放出的热量[1]。由定义中燃烧产物的组成可见准确测定煤样发热量的前提是煤样完全燃烧。而保证煤样完全燃烧有以下若干注意事项。

1.1 燃烧皿选择

燃烧皿最好选择铂制品，一般可用镍铬刚制品，镍铬刚燃烧皿壁不宜过高或过浅，皿壁过高燃烧时不利于氧气的供应，皿壁过低燃烧时容易导致喷溅；皿底不宜过厚，并且燃烧皿底部应有明显的弧度，以免存在死角而造成燃烧不完全。

1.2 绑接点火丝

熔断式点火情况下，绑接点火丝时应注意点火丝与试样保持良好的接触，对易飞溅和易燃的煤应保持微小的距离，若点火丝埋入煤样过深会引起燃烧过程中试样喷溅；并注意勿使点火丝接触燃烧皿，否则通过点火丝的电流将被大大分流或者形成短路而造成点火失败，甚至烧毁燃烧皿。

非熔断式点火情况也要注意根据煤样点火难易程度调节点火棉线与试样的搭接程度。

1.3 充氧压力

充氧压力不足或者是时间不够都会造成煤样燃烧不完全，因此充氧压力应在(2.8～3.0)MPa范围内，达到压力后的充氧时间不得少于15 s，若钢瓶中氧气压力低于5.0 MPa时应酌量延长充氧时间，低于4.0 MPa时应更换氧气钢瓶。

1.4 特殊煤样的处理

(1)对于易喷溅的煤样，可用已知质量的擦镜纸包紧后测试，或在压饼机中压饼并切成粒度约为2～4 mm的小块使用。

(2)对于不易燃烧完全的煤样可做如下处理后再进行测量:

①可在皿底铺一层石棉绒，然后用手压实后进行称样测试。

②若铺垫石棉绒无效，可提高充氧压力至3.2 MPa。

③若铺垫石棉绒无效，也可用已知质量和热值的擦镜纸包裹称好的试样并用手压紧后进行测试。

针对上述③中内容进行如下解析：

对于一般燃烧速度慢或热值低的煤样，采用燃烧皿内垫石棉绒的方法可以保证燃烧完全，另外对于高灰难燃煤的处理由于铺垫石棉绒的方法不能保证燃烧完全，有些化验室也采取掺加已知热值的助燃剂例如无烟煤或者是苯甲酸来测试。但其中会存在一些问题。掺加无烟煤：无烟煤久存容易变质，若引用其标准热值则不如苯甲酸可靠。若掺加粉状苯甲酸则会出现燃烧不完全的现象，若对粉状苯甲酸和煤样进行压饼，则压饼时会损失部分苯甲酸和煤样。

为选择一种切实有效的方法，煤炭科学院煤炭分析室进行了系统的对比实验并得到了如下结论：对于测定高灰份、低热值煤样包纸法比加苯甲酸法测定结果更加的可靠，处理手续也更加的简便[2]。所以国标GB/T 213-2008中采取的是包纸法测定难燃煤样。

2 燃煤发热量测定结果准确性检验

国标GB/T 213-2008对发热量测定结果准确度的要求是：标准煤样的测试结果与标准值之差都在不确定度范围内；或者用苯甲酸作为样品进行5次发热量测定，其平均值和标准值之差不超过50 J/g。但国标并未提及进行发热量准确度检验时，所需要的正确操作、计算与判断。下文就如何应用反标苯甲酸以及标准煤样来对燃煤发热量测定准确度的检验方法进行分析，指出操作、计算及评判中应注意的问题，阐述不同检验方法间的关系。

2.1 用标准煤样检验

2.1.1 标样选择

选取与被检测煤样挥发分相近的煤样，再从其中选取发热量也与被检测煤样相接近的标准样作为参比[3]。若被测煤样煤质情况较为复杂，也可选取发热量高、中、低不同的几种标煤进行测热准确度的检验。

2.1.2 准确度检验

对标准煤样进行发热量重复测定，同时测定水分，并用水分测定值对弹筒发热量进行干基高位发热量的计算。若计算结果与标煤标准值之差在不确定范围内，则认为发热量测定结果合格，否则不合格。

同时测定水分很重要，煤中水分随空气湿度变化而变化，而水分的变化对发热量的测定结果有较大的影响，所以应准确测定标准煤样水分。另外在计算高位发热量过程中用到的是空干基全硫St,ad,所以应将标准物质证书中的干基硫St,d换算成空干基全硫St,ad再参与计算；或者将空干基弹筒发热量换算为干基弹筒发热量后再进行高位发热量计算也可以。

此外应注意应使用最新的标准煤样追踪值来对结果进行评定。标准煤样标准值通常每年由研制部门组织相关实验室进行一次追踪试验，并提出当年的标准煤样参数值。也即，同一标准煤样，在不同年度各特性指标的标准值及不确定度会有略微的变化。

2.2 用反标苯甲酸检验

2.2.1 苯甲酸预处理

使用前苯甲酸应预先研细并在盛有浓硫酸的干燥器中干燥3 d或在60～70 ℃烘箱中干燥(3～4)h，冷却后压片。也可使用市售的压好片的苯甲酸，但应注意苯甲酸不易吸水不等于不吸水，所以日常保存时应置于干燥器中。

2.2.2 测定苯甲酸热量时，重复精密度的确定

国标GB/T 213-2008中未提及测定苯甲酸热量时的重复精密度，苯甲酸为纯有机物质，更容易燃烧完全，它的重复精密度应小于煤样重复精密度120 J/g。JJG 672-2001氧弹热量计检定规程中对热容量重复性有如下规定：在规定条件下，用燃烧热标准物质苯甲酸检定热量计的热容量5次，按不同的平均热容量，其极差不大于表1[4]的规定。

表1 热容量检定技术指标 J/K

例如，某厂化验室型号为IKA C5000量热仪第一季度的热容量为10 733 J/K，对照上表，量热仪量热系统升高1 ℃时最大差值不应超过40 J/K，而苯甲酸热值通常为26 500 J/g左右，对于上述量热仪1 g苯甲酸完全燃烧约升高2.469 ℃，那么用苯甲酸进行反标时，重复测定的最大差值不应超过40×2.469=99 J/g。如重复测定的差值超过99 J/g，则可认为反标苯甲酸重复精密度不合格。

3.2.3 反标苯甲酸时要减去硝酸形成热

反标苯甲酸时要减去硝酸形成热,苯甲酸是碳氢氧化合物，不含氮，它的燃烧热只与碳和氢元素的燃烧热有关而与氮元素的反应热无关，也即苯甲酸的标准燃烧热不包含硝酸形成热。但苯甲酸在氧弹内燃烧时，残留于氧弹内的空气中的氮会有一部分生成硝酸，有硝酸形成热放出。因而在用标准苯甲酸来标定热量计的热容量时，在计算氧弹内的总释热量时应加上硝酸形成热；而用苯甲酸来反标仪器的准确度时，也应扣除硝酸形成热。国标规定热容量标定中硝酸形成热按(1)求得：

qn=0.0015mQ。

(1)

式中:qn为硝酸形成热，J;0.001 5为苯甲酸燃烧时的硝酸形成热校正系数；m为苯甲酸用量，g；Q为苯甲酸的标准热值，J/g。

故在反标苯甲酸时也应减去硝酸形成热并可按(1)式计算。这个结论在实验中也得到了证实。[5]

3.2.4 反标苯甲酸检验准确性的重复次数

对用苯甲酸进行热量计准确度的检验国标GB/T 213-2008中的要求是：用苯甲酸作为样品进行5次发热量的测定，其平均值和标准值之差不超过50 J/g。如果只对一个或者少数几个煤样测热准确性进行检验，还是重复测定5次，那必然会影响工作效率，那么可以少测几次吗？应该测量几次呢？

如果重复测定苯甲酸的平均值(在重复测定精密度合格的前提下，方可取其平均值)与苯甲酸标准值之间的差值不超过表2的规定界限，则认为准确度合格。[6]

表2 测定苯甲酸发热量差值的显著性界限

为了检验准确度，通常至少作2次重复测定，如某苯甲酸的标准热值为26 472 J/g，如果两次测量平均值为26 409～26 535 J/g之间，则认为准确度合格，反之，为不合格。因此，检验煤样发热量测定结果的准确性，反标苯甲酸重复次数不一定是5次，一般情况，重复2次即可。

3.3 标准煤样法与反标苯甲酸评价结果不一致的问题

标准煤样法与反标苯甲酸来检验测热准确度时，有时会出现不同的结论，特别是使用国产的恒温式自动量热仪。在实际应用中一般是反标苯甲酸合格而标准煤样不合格。

苯甲酸为碳、氢、氧三种元素组成的有机试剂，均匀性好，重复测定时其燃烧速度与释放的热量一致，必然测量精密度也很好。

某厂化验室一台国产的恒温式自动量热仪，发热量测定总时间是13 min，其中主期时间只占5 min，对于均匀性好的苯甲酸的测定每次的释热率十分接近，不仅精密度能符合要求，准确度也能符合标准要求。

而采用标煤测定时，情况则有所不同了，煤样不是纯化合物，其组成复杂，均匀性差，不同规格的标准煤样特性各异，燃烧速度各不相同，因此在点火后一定时间例如5 min结束试验其释热率就会出现较大的不一致性。而使用由此判断的终点温度以及厂家的经验公式进行计算所得的发热量结果就可能与标准煤样的标准值出现较大的差值，这对挥发分过大或过小，发热量过高或过低的煤样较为常见。

实践表明测热准确性常随测热周期的缩短而降低，也即提高测热速度往往是以降低测热准确性为代价。在发电厂测定煤的发热量务必准确。

在对热量计进行全面的性能测试中，可采样上述两种方法检验准确度，两种方法的检验结果一致，将可做出是否合格的结论；当两种方法的检验结果不一致，一般情况是表现为应用苯甲酸准确度合格而应用标准煤样不合格，此时就不能对该热量计做出准确度检验合格的结论[7-8]。

基于苯甲酸与燃煤特性的差异，测准煤比测准苯甲酸发热量更具难度，故反标苯甲酸热量准确度合格不等于用标准煤样检验准确度也合格。火电厂要求测准煤的发热量，因而用标准煤样检验更为重要。

4 总 结

发热量测定中为保证煤样燃烧完全，应选择合适的燃烧皿、正确绑接点火丝、特殊煤样采取特殊处理等方式。在进行燃煤发热量测定结果准确性检验时，不论是应用标准煤样还是反标苯甲酸都有相对应的操作方法、计算要求以及评判标准。在对热量计进行全面的性能测试中，可同时采样两种方法检验准确度，若出现不一致的情况，就不能对该热量计做出准确度检验合格的结论。而在日常工作中对一个或者少数几个煤样测热准确性进行检验，基于苯甲酸与燃煤特性的差异，测准煤比测准苯甲酸发热量更具难度，火电厂要求测准煤的发热量，因而用标准煤样检验更为重要。

[1] GB/T 213-2008,煤的发热量测定方法[S].

[2] 段云龙.煤炭试验方法标准及其说明[M].北京：中国标准出版社，2011，44(4)：25-26.

[3] 曹长武.火电厂燃料质量检测与应用[M].北京：中国电力出版社，2013：234.

[4] JJG 672-2001，中华人民共和国国家计量检定规程 氧弹热量计[S].

[5] 曹长武.火电厂燃料质量检测与应用[M].北京：中国电力出版社，2013：236.

[6] 曹长武.火电厂燃料质量检测与应用[M].北京：中国电力出版社，2013：237.

[7] 吴金卓，马 琳，林文树.生物质发电技术和经济性研究综述[J].森林工程，2012，28(5)：102-106.

[8] 曹长武.燃煤发热量测定准确度检验问题 [J].电力标准化与计量，2003(44):28-29.