煤炭发热量测定的实验研究

原凯凯

(山西煤炭运销集团阳城四侯煤业有限公司，山西 阳城 048100)

引 言

煤炭发热量为煤质检测的关键指标，其关系着煤炭的销售价格，对维护煤炭买卖双方的企业利益具有显著作用。因此，为保证煤炭利用效果和买卖双方企业的利益，需对煤炭的发热量进行精准测定。经研究可知，影响煤炭发热量测量精确性的因素众多，在实际测定过程中应尽可能地避免影响因素的影响[1]。本文着重对影响煤炭发热量测定精度的因素进行分析，并以实例测定煤炭的发热量。

1 发热量及测量设备

1.1 发热量定义

煤炭发热量指的是单位质量煤炭在完全燃烧后所散发出的热量。一般将煤炭发热量分为弹筒发热量、高位发热量和低位发热量。其测定方法为：将煤炭置于弹筒中完全燃烧后，通过测定内筒中水介质温度的升高数值，并在对点火热、冷却校正值进行校正后完成对弹筒内煤炭发热量的测量。

1.2 量热仪

量热仪为当前应用于测定煤炭、石油等能源发热量的主要设备，该设备的精度和操作的便捷性直接决定煤炭发热量的测定精度和效率。根据量热仪外筒温度控制方式的不同，可将量热仪分为恒温式量热仪和绝热式量热仪。其中，绝热式量热仪在市场中的占有率更高。

普通量热仪的结构主要包括燃烧氧弹、试样点火装置、搅拌器、温度测量控制系统、温度传感器、内筒、外筒以及水介质等。水循环系统为量热仪测定煤炭发热量的关键分系统，通过测定水循环系统水温变化，换算得到测定煤炭的发热量[2]。需要注意的是，在实际测定过程中需根据循环水水箱水位变化情况进行及时补水操作。量热仪水循环系统的结构如图1所示。

图1 量热仪水循环系统结构图

2 影响煤炭发热量测定精度的因素分析

煤炭发热量的测定精度直接决定于煤炭称量的准确性和煤炭是否完全充分的燃烧。此外，冷却校正值、热容量的标定、环境温度、内筒的水量、充氧量等均会影响煤炭发热量的测定结果。

1) 为保证热容量标定值的准确度，试验中常通过5次重复实验对其进行标定，且最终标定结果的标准差不超过0.2%。对于量热仪而言，需每3个月对其热容量值进行重新标定；

2) 对于煤炭称重精度的控制，主要采取以下措施：测量前需将电子天平预热30 min；定期采用1 g的砝码对电子天平进行校准，确保其误差值不超过0.5 mg；

3) 发热量测定环境的温度将直接影响量热仪外筒内水文的稳定性，进而影响冷却校正值。因此，一般在煤炭发热量测定实验室中装空调，保证实验室内的温度在标准所规定的15 ℃～30 ℃，同时，保证实验室内无强对流空气的出现，避免阳光直接照射量热仪；

4) 本实验所采用量热仪为型号5E-KC自动量热仪，根据设备使用规范将其内筒的水量控制在2 L～3 L，并根据水量实际减少情况，适当地增加0.5 L～1 L的循环水；保证量热仪内筒与外筒的水温差值保持在1 ℃左右[3]。

5) 为保证煤炭的完全充分燃烧，需保证弹筒内的充氧条件。根据标准规定，要求弹筒内充氧的压力控制在2.8 MPa～3 MPa，将弹筒的充氧时间控制在15 s～30 s。

3 煤炭发热量测定实验研究

3.1 实验准备

为本次煤炭发热量测定实验单独准备一间房间，并在其房间内装空调，将其室内温度控制在15 ℃～30 ℃，要求每次对房间室温测定的误差不超过1 ℃；保证在实验期间，该实验室的门窗均为关闭状态，避免受到强对流空气的影响；保证量热仪不受太阳光的直接照射[4]。本次实验所采用的设备及相关材料的参数如表1所示。

表1 煤炭发热量测定实验设备及材料统计

本次实验以1#、2#、3#煤样为研究对象，对影响煤炭发热量测定的因素进行定量分析。其中，1#煤样的发热量为21.84 MJ/kg，绝对值误差不超过0.22 MJ/kg；2#煤样的发热量为27.78 MJ/kg，绝对值误差不超过0.16 MJ/kg；3#煤样的发热量为32.06 MJ/kg，绝对值误差不超过0.16 MJ/kg；

3.2 实验步骤

按照顺序将实验相关设备的电源接通，并进入开始测试的状态；将电子分析天平预热30 min后，称质量为1g且粒度不大于0.2 mm的煤样；将称重好的样品置于燃烧皿中，并将氧弹头挂于氧弹支架上，同时将点火丝分别于氧弹的电极柱连接；向氧弹中充入10 mL的蒸馏水，并采用氧气瓶均匀向氧弹内充入氧气，保证氧弹内压力保持在2.8 MPa～3 MPa；待一切准备就绪后，盖好上盖，开始实验。

值得注意的是，在实验结束后观测氧弹内是否有煤炭试样溅出或存在碳黑的现象，若有上述现场应重复上述步骤重新实验。实验完成后应将氧弹内的氧气排尽，并将燃烧皿、氧弹等部件全部清洗干净后烘干，待后续使用。

3.3 实验结果分析

3.3.1 量热仪热容量标定结果分析

通过控制实验室的温度，分析在不同环境温度下所得量热仪热容量的标定结果是否准确。本次实验分别对15、17、19、21、23、25、27、29 ℃下量热仪的热容量进行标定，标定结果如表2所示。

表2 不同环境温度下量热仪热容量的标定结果

根据表2中所标定的量热仪的热容量值对三种煤样的发热量进行反复测定。经测定可知，在不同环境温度下3种煤样发热量的测定值不同，且各个煤样的发热量均在绝对误差范围之内，即证明对量热仪热容量的标定结果是正确的。因此，验证了环境温度可影响对量热仪热容量标定的精度，进而影响煤炭发热量的测定精度。

3.3.2 测量次数对发热量测定结果的影响

在上述量热仪热容量标定结果的基础上，将室温设定为21 ℃，验证不同测量次数下所得煤炭发热量的测定结果，实验结果如图2所示。

图2 不同测量次数下发热量的测量值

如图2所示，随着测量次数的增加对应煤炭发热量的测定值偏高，导致该现象的主要原因为，随着测量次数的增加，量热仪外筒的水温逐渐上升，导致内筒水温也相应的增大，从而导致最终发热量测定值偏大。

4 结语

煤质检验为对煤炭相关参数测定的环节，根据煤质检验结果可综合判定煤炭的价格和适用范围。因此，精确实现对煤质的检测是十分重要的。本文着重对影响煤炭发热量测定精度的因素进行分析，并得出如下结论：

1) 为保证煤炭发热量的测定精度应定期对量热仪的热容量进行标定，且尽可能保证发热量测定时环境温度与量热仪热容量标定时的环境温度一致；

2) 当量热仪测定次数超过10次以上后，需对设备进行散热处理，避免由于测定次数过多导致发热量的测定值偏大。