恒温式热量计测定煤炭发热量的误差原因分析及对策

陈淑兰(华电江苏能源有限公司句容发电分公司，江苏 镇江 212413)

0 引言

我国“富煤、缺油、少气”的能源结构决定着燃煤机组长期以来一直占据我国电源结构的重要地位。2017年全国燃煤机组装机容量10.2亿千瓦，占发电装机容量的58%。燃煤机组发电42000亿千瓦时，发电量占比高达67%。全国燃煤电厂日耗煤量达400多万吨，煤炭成本占燃煤电厂发电成本的75%～80%，煤炭的发热量又是煤炭价格和完成等煤量任务的关键要素，因此煤炭发热量准确测定意义重大，发热量测量结果的准确率高低直接影响电厂的经济效益。

煤炭的发热量测定误差原因很多，主要有采样、制样和化验三个环节，本文仅阐述化验环节，重点分析了恒温式热量计测定煤发热量的误差原因，并制定了相应的对策。

1 测定煤炭发热量的基本原理

测定煤炭发热量的基本原理是取一定量的煤炭试样并在装有过量氧气的氧弹中燃烧，取适量的水吸收煤炭燃烧释放出的热量，准确测量水的温升，依据试样质量和水的温升值，最后确定试样的发热量，按照下列式计算：

式中：Qb为试样的弹筒发热量(J/g)；m为试样的质量(g)；E为量热体系的热容量[J/K(J/℃)]；tn为量热体系在试样开始燃烧时的温度(℃)；to为量热体系在试样完全燃烧后使量热体系温升达到最高时的温度(℃)。

2 发热量的表示方法

煤的热值主要取决于煤炭中可燃物的化学成分和燃烧条件。根据不同的燃烧条件，可将煤的发热量分为弹筒、高位及低位发热量。

3 化验室确定煤炭发热量的条件

测定发热量的化验室条件对测定结果准确性有很大的影响，国内外对测定发热量化验室的条件都有严格而详细的规定。

(1)化验室的朝向应向北，避免阳光直接照射，其他测试项目不得同时在同一房间内进行。

（2）化验室的温度应一年内保持恒定，夏季和冬季室温变化以不超过15～30℃为宜。若不满足此要求，则需要安装房间温度调节设备，但热量计不应正对着温度调节设备的出风口。

（3）化验室不应有强烈的空气对流和任何热源。也就是说禁止使用电风扇和其他发热设备，在实验过程中，应尽量避免开门窗。

（4）为了提高工作效率，化验室应配备除盐水和自来水装置。

4 热值测量装置的组成和技术要求

氧弹热量计是一种用于热值测量的特殊仪器，其主要部件有氧弹、内筒、外筒、搅拌器、量热计、减压阀及压力表和氧气导管。

4.1 氧弹的应用问题

在平时分析煤样时，由于氧弹的各部件连接部分的密封圈使用时间太久，出现老化，弹性差，或受含硫气体的腐蚀导致接触不严密，造成氧弹在试验过程中出现漏气，煤炭试样会出现不完全燃烧，造成测试结果偏低或点火失败，前功尽弃，需重新试验。有时为了节省时间，充氧时间没有达到15s，或两只重复试样充氧的时间不一样，造成测试结果相差太大，则必须重新试验。因此，每次测定完发热量，务必将氧弹的各零件仔细冲洗擦净。

4.2 内筒

由紫铜、黄铜或不锈钢制成，可容纳2000～3000mL水，外表面镀铬且要求表面光泽细致，无点状，无气泡。

4.3 外筒

一种双壁容器，由金属制成，带有紧密的盖子。恒温式热量计外筒应装满足够的水以便循环用。

4.4 搅拌器

(1)搅拌器的转速一般为400～600rpm，转速应恒定且噪声小。

(2)搅拌器效率要很高。

(3)不应产生过多的搅拌热，连续搅拌所产生的热量不应该超过120J。

(4)内筒支架应用隔热材料隔开。

(5)搅拌器的螺旋桨叶片应具有一定的强度，长期使用时不应变形，以免降低搅拌效率。

(6)搅拌器应易于装卸。在实际操作中，通常不满足技术要求，并且有时热量计的搅拌器的接线部分接触不良或搅拌器桨叶安装不当，均会导致搅拌器转动不正常，内筒水局部获得的热不能及时均匀地传导，测量结果会出现太大的误差。

4.5 量热温度计

玻璃温度计最小刻度值应为0.01K，并附有刻度校正和平均刻度值的鉴定、校准证书。

4.6 压力表与氧气导管

氧弹中充满规定压力值是确保试样完全燃烧的必要条件。充氧压力一般控制在2.5～3.0MPa，充氧时间通常控制在30～60s。

氧气瓶装有一个减压阀和两个压力表，右侧表指示氧气瓶内的压力，左侧表指示经减压后充入氧弹的压力。压力表及其连接部分不得接触油脂或使用润滑油。

4.7 点火装置

点火电压较多采用12V。作为一款自动量热仪，它具有一台带有特殊测量和控制软件的微电脑。

5 热量计测定煤炭发热量的误差校正

为了消除内、外筒热交换对温升的影响，则必须对内筒水温加一个校正值(通常用于符号C表示)。该校正值称为冷却校正值，计算方法如下：

首先根据点火时和终点时的内外筒温差(t0-tj)和(tn-tj)、v—(t-tj)关系曲线中查出相应的v0和vn或根据下列公式计算出v0和vn。

式中：v0为在点火时内外筒温差的影响下造成的内筒降温速度(Kmin-1)；vn为在终点时内外筒温差的影响下造成的内筒降温速度(Kmin-1)；A为固定热效应常数(min-1)；t0为点火时的内筒温度(℃)；tn为终点时的内筒温度(℃)；tj为外筒温度(℃)。

然后按着下列公式计算冷却校正值：

式中：C为冷却校验值(K)；n为由点火到终点的时间(min)；a为热量计的综合常数。

冷却校正系数计算公式中，a值的确定是关键因素，一般采用卜—陈公式获得较准确的a值。

6 对策

6.1 内容水量准确称量

在发热量测定过程中，优选使用天平称重内筒水。

6.2 恒温式量热法的冷却校正

现在化验室使用的热量计通过微机进行自动校正。

7 热容量的标定结果

7.1 苯甲酸的选用

苯甲酸又名安息香酸，由于它不易吸水并具有稳定的燃烧性能，经国家计量机关检定并标有精确热值的苯甲酸才能用以标定热容量。

在选用苯甲酸时应注意：(1)热值必须精确到1J。(2)受潮的苯甲酸不能用。(3)最好使用机械加工的苯甲酸片。

7.2 热量计量热体系热容量的测定

热容量E是指量热系统升高1℃所需要的热量，单位为J/℃。量热体系是指发热量测定过程中试样燃烧热所涉及的全部物件，包括浸没氧弹的水、氧弹、搅拌器、温度计和盛水用的内筒等。

由于在一定的温度下，各种物质的比热有一确定值，因此，质量值确定后，热容量是恒定的，热容量仅随着温度的变化而变化。

传统热量计热容量标定的操作：

(1)标定热容量时，苯甲酸称量误差控制在±0.0002g以内。

(2)结点火丝和棉纱线应选用原色纯棉纱线，且需要准确称量。

(3)用带有刻度的量管将10mL水加入氧弹中。

(4)调节内筒水温，内筒水温较外筒的通常低0.6～0.8℃，二者的温差随热量计热容量的增大而减少。对同一台热量计来说，二者的温差随产生热量的增大而增大。调节内筒水温的目的是为了缓慢下降内筒终点时的水温。

(5)用工业电子天平或机械天平称量内筒和其装水量。

(6)向氧弹中充氧气，当压力达到2.6～2.8MPa时停止并维持30～60s。

(7)将充好氧气的氧弹放入装有规定水量的内筒中，接上电极后观察氧弹是否漏气。如漏气，则应排掉氧气，检查原因并消除漏气后重复步骤(6)和(7)。如不漏气则盖上热量计盖并Beckman温度计。

(8)开动搅拌计，5min后开始计时，借助放大镜读取温度值，每隔1min读取一个温度值，持续5min，试验结束。除速升阶段外，在每次读数前须摇晃温度计3～5s。

a.取出氧弹，排出氧弹内气体，观察苯甲酸是否完全燃烧。试样完全燃烧后燃烧皿内不会留有任何残渣；如燃烧不完全，则在燃烧皿底部有一层碳黑，标定结果无效。

b.量取残存点火丝的长度，热容量标定中的硝酸生成热按下式计算

式中：qn为硝酸的生成热(J)；Q为苯甲酸的热值(J/g)；m为苯甲酸的质量(g)。

c.热容量应重复标定5次，每次差值不应大于40J/℃，取5次标定结果的平均值，作为该热量计在该温度下的热容量。

7.3 热容量标定时间间隔

热容量标定时间间隔通常为三个月。但是如果遇到以下情况，应重新标定：①更换热量计中大的部件，如氧弹头、连接环、搅拌器；②标定热容量与测定发热量时的内筒水温相差5℃。③热量计经过较大范围的搬动之后。

8 发热量的计算

热容量标定以后，进行发热量测定，化验室计算的发热量为弹筒发热量Qb，ad，而生产中最常用的是空干基高位发热量Qgr，ad及收到基低位发热量Qar，net。

8.1 弹筒发热量的计算

弹筒发热量是指化验室中用热量计实测的发热量，用符号Qb表示。此条件下，煤中碳燃烧后生成二氧化碳，氢燃烧后生成水气，冷却后凝结成水，硫在高压氧气中燃烧生成三氧化硫，少量氮转变为氮氧化物。它们溶于水分别生成硫酸与硝酸。由于上述反应都是放热反应，因而弹筒发热量要高于煤在实际燃烧时释放的热量。

8.2 空干基高位发热量的计算

在电厂中常用的高位发热量用Qgr表示。由弹筒发热量减去硫酸、硝酸的生成热，就得高位发热量。电厂中评价煤的质量时，多采用高位发热量。

8.3 收到基低位发热量Qner，v，ar的计算

单位质量的煤在锅炉中完全燃烧时所产生的热量，称为低位发热量，用Qnet表示。由于煤在锅炉中燃烧，煤中原有的水分及氢燃烧后生成的水呈蒸汽状态随烟气排出。而在氧弹中，水蒸气则凝结成水，故将高位发热量减去水的汽化潜热，就得到低位发热量。

8.3.1 收到基煤的恒容低位发热量的计算公式

式中：Qnet，v，ar为收到基煤的低位发热量(J/g)；Qgr，ad为分析试样的高位发热量(J/g)；Mt为收到基全水分(%)；Mad为分析试样干燥基水分(%)；Mar为分析试样收到基水分(%)；Had为分析试样干燥基氢含量(%)。

8.3.2 恒压低位发热量的计算公式

式中：Qgr，ad为分析试样的高位发热量(J/g)；Mar为收到基全水分(%)；Mad为分析试样的水分(%)；Had为分析试样的氢含量(%)；Oad为分析试样的氧含量(%)。

煤在氧弹中与在锅炉中燃烧条件不同，其燃烧产物也不一样，因此，发热量有弹筒、高位及低位发热量。它们的区别在于煤样在氧弹中燃烧，是在恒容状态下进行的，而煤在工业锅炉中燃烧，是在恒压状态下进行的，前者称为恒容发热量，后者称为恒压发热量。

9 结语

我厂现在使用的是5E系列多功能汉字电脑量热仪，在平时使用过程中，有时会出现测试结果的偏差，根据平时的经验积累主要从以下几个方面找出原因：(1)试样重量是否准确；(2)外筒水是否加满，并为内筒水的5倍以上；(3)内筒水是否盖住了氧弹(除留出插点火电极突出的部分外)；(4)内筒水重是否标准，且测热容量、发热量时应一致，误差＜1g；(5)系统设置中的各项数据是否为该项试验所要的；(6)人工输入热容量的值时，系统温度是否是15℃；(7)外筒水温与室温之差的绝热值是否小于1.5℃；(8)测试过程中室温变化是否超过1℃；(9)装氧气的钢瓶压力是否＞5MPa；(10)减压阀的压力是否在2.6～3MPa之间；(11)充氧时间是否＞30s；(12)苯甲酸是否烘干；(13)标煤是否搅匀，是否测出所含水分，并将空干基高位热值换算成了干基高位热值；(14)工作时电压是否稳定。

综上所述，随着现代科技的飞速发展，煤质检测水平的提高，化验时的每一个环节都非常重要，平时要高标准、严要求，化验员要以高度的责任心、扎实的专业知识和熟练操作化验仪器的技能以适应现代科技高速发展的要求。