基于煤质灰分修正的煤场热值损失计算方法

彭志福

中国大唐集团科学技术研究总院有限公司华东电力试验研究院

0 煤质变化过程

燃煤在进入煤场进行堆煤后会与空气中的氧气产生低温氧化反应，煤堆的氧化过程主要是由于内部的物理化学反应［1-3］。在煤体与空气接触后，首先会对空气中的氧进行物理吸附，放出物理吸附热；之后，进一步发生煤体与氧的化学吸附和化学反应，同时放出化学吸附热和化学反应热。当氧化放出的热量超出散热量时，热量就会积蓄，导致局部温度升高加速煤堆的氧化，从而导致煤堆的燃煤成分发生变化，同时煤堆的总质量也会发生变化。

对于不同的煤种，煤发生低温氧化的过程并不一致，而且由于煤堆低温氧化过程难以预测和监测，因此，煤堆的热值损失并不能通过预测来得到准确的数值。火力发电厂一般都是通过对入厂煤和入炉煤进行化验，再通过两者之间热值差来表征煤堆热损失。本文提出了一种基于煤质工业分析修正的煤场热值损失计算方法，利用煤中的灰分不参与低温氧化反应的特性，采用灰分的变化对煤堆的质量进行修正，从而得到更精确的煤场总热值损失。

1 煤的灰分比与质量比

煤在煤场堆积的过程中会参与多种物理及化学反应，同时很多煤场为了防止煤堆温度过高而造成的煤堆自燃、发热等对煤堆喷水降温［4-5］。煤堆的各种反应无法准确监测，水分的补充与挥发量也无法准确统计，因此煤堆的总重量变化无法通过直接计算或者称重得出。

煤的灰分是指煤完全燃烧后剩下来的残渣，这些残渣几乎全部来自煤中的矿物质。煤在堆积的过程中，不论煤堆在进行低温氧化反应或蒸发挥发抑或喷水减温的过程中，煤的灰分是不参与反应的，即在不考虑扬尘情况下，煤堆的灰分总质量并不会发生变化，保持为一个常数。煤堆的总灰分质量为煤堆的总质量与煤堆的收到基灰分的乘积，以此可以得到式（1）。

式（1）中：Aar1——入厂煤的收到基灰分，%；

Aar2——入炉煤的收到基灰分，%；

M1——入厂煤总质量，kg；

M2——入炉煤总质量，kg。

为得到煤堆在不同时间的总质量关系，根据式（1）得到式（2）。

其中，X为煤堆重量系数，即煤堆现存煤总质量同原始总质量的比值，用以表征燃煤在存储一定时间后的煤堆重量变化情况，X越小，煤堆重量损失越大。煤堆的灰分可以通过化验得出结果，利用式（2），可以通过灰分的变化表示出煤堆的总质量变化，解决了煤堆总质量难以直接称重的问题。

2 实验验证

为验证利用灰分来表征煤堆重量变化的准确性和可行性，取3种煤进行相关实验验证，煤样编号分别为A煤、B煤、C煤。

将三种煤样分别各自充分均匀混合，并均匀分成10 kg的两等份，对原始煤样进行称重并化验原始煤样收到基灰分数据。为模拟煤场堆煤时煤的物理化学反应，取每个煤样的其中一个样品置于60℃恒温箱，另外一个样品置于80℃恒温箱，恒温箱内通空气，保温72 h后取出煤样，对各个样品进行称重，并化验收到基灰分。原始煤样及保温72 h后取出煤样的质量和收到基灰分结果见表1。

通过对表1中的三种煤样数据分析，三种煤样的样品分别在60℃和80℃的恒温箱内存放72 h后，六个样品总质量均出现了不同程度的下降，对煤样进行工业分析后，煤样的收到基灰分均出现了增长。同时三个煤样在80℃的恒温箱中的质量下降程度均高于在60℃的恒温箱中，三个煤样80℃的恒温箱中的收到基灰分升高程度均高于在60℃的恒温箱中煤样。将恒温箱中的煤样质量与原始质量重量之比作为X，将恒温箱中的样品收到基灰分与原始样品收到基之比作为Y，将X与Y相乘，可以看出结果均在1附近，最大偏差不超过5‰。

表1 煤样化验灰分结果

根据上述实验结果分析可以得出，煤样的堆积反应过程中，煤样的收到基灰分与煤样的总质量之间存在式（2）的关系，因此，使用灰分比来表征煤的重量损失是可靠的。

3 基于灰分修正的煤场热量损失

传统测定煤场热损失的定义为针对同一煤源对象，在一段时期内现有煤堆的煤样同初始煤堆的煤样的收到基低位发热量在同一水分下的差值。测定现有煤堆煤样的低位发热量及全水分，并折算至煤堆初始水分，折算公式见式（3）。

式中：Q——入炉煤折算低位发热量，kJ/kg；

Qa——入炉煤的实际低位发热量，kJ/kg；

Mt1——入厂煤全水分，%；

Mt2——入炉煤全水分，%。

该方法虽然将煤的发热量折算到同一全水分水平下，但是未考虑煤堆在存放过程中，煤中的挥发分参与了化学反应，且不同煤质的挥发分含量及发生反应的活化性均不相同，因此使用该方法计算煤场煤堆的热值损失并不准确。

对于燃煤电厂，煤的可利用热量为煤的收到基低位发热量，对于入厂煤，即为入厂煤总的低位发热量，对于入炉煤即为总的入炉煤发热量。但因入炉煤及入厂煤的准确称重都难以实现，为真实反映煤堆在存放的过程中的热值损失，基于煤堆在存放过程中煤堆中的灰分总质量不发生变化的原理，提出了一种基于煤质灰分修正的煤场热值损失计算方法，该方法综合考虑了煤堆在存放过程中煤的低位发热量变化与煤堆的总质量变化，能够更加准确真实地表征煤堆存放过程中的煤堆的热值损失。

本文选取一个煤堆为研究对象，煤堆的总发热量为煤样的平均发热量与煤堆总质量的乘积，见式（4）。

式中：Q——煤堆总发热量，kJ；

Qa——煤堆煤样的低位发热量，kJ/kg；

M——煤堆总质量，kg。

燃煤因煤堆取样时按照均匀取样的原则，则认为所取煤样的发热量即煤堆的平均发热量。煤堆总的低位发热量为煤堆总质量与煤样低位发热量之间的乘积，即：

式中：Q1——入厂煤总发热量，kJ；

Qa1——入厂煤样的低位发热量，kJ/kg；

Q2——入炉煤的总发热量，kJ；

Qa2——入炉煤的煤样低位发热量，kJ/kg。

因为煤场的热值损失包含了煤堆的重量损失以及热量损失，故以煤堆总发热量来表征煤堆的热值损失能够更加客观。将式（5）与式（2）合并可得：

其中，α为煤堆热值损失比，即整个煤堆的热值损失占煤堆原总热值的比重，用以表征煤堆热值损失的大小。

对某电厂两个堆放时间较长的煤堆分别取样化验，取样时间分别为刚入煤场时、堆放5天、堆放10天、堆放20天，化验结果见表2。两种煤样的热值损失对比见图1。

表2 燃煤化验结果

图1 两种煤样的热值损失对比

从图1可见，煤样1及煤样2的基于灰分修正的煤堆热量损失比均高于基于全水分修正的热值损失比，且堆放时间越长，两种损失之间的差值越大。本文提出的基于灰分修正煤堆热值损失计算方法相较于基于水分修正的计算方法考虑了因煤样中挥发分受热发生化学反应带来的损失，且煤堆的堆放时间越长，煤的挥发分参与反应的程度越高，故两种计算方法的差值越大。

4 结论

本文以煤场的煤堆为研究对象，以总的可利用低位发热量为依据，利用煤堆在堆煤存放的过程中灰分总质量不发生变化的特性，从而用煤的灰分变化来修正煤堆的质量变化，综合考虑煤堆的总质量变化与煤堆煤样的发热量变化，提出了一种基于煤的灰分修正的煤场热值损失的计算方法。相较于常用折算水分的煤场热值损失计算方法，本文所提出的计算方法充分考虑了由挥发分反应而带来的热值损失部分，通过实验分析，基于灰分修正的煤场热值损失均高于基于水分修正的煤场热值损失。

本文所提出的基于灰分修正的煤场热值损失的计算方法对煤场热值损失或者质量损失的计算有指导意义。