影響煤中全水分測定準確度的分析及改進

龔 福

（上海上電電力運營有限公司，上海 200240）

0 引言

水分普遍存在于各種煤中，并按其結合形態可分為游離水和化合水。煤中的游離水是指機械地附著在煤中的水分；煤中的化合水是指以化合的方式與煤中礦物質結合的水。游離水在常壓及105～110℃的高溫下，經過一定時間的干燥即可除掉，而化合水通常要在200℃以上才能解析出。由于化合水約占全部水分的千分之一，而且較難準確測定。因此，全水分測定結果并不是煤中所有的水，而只是游離水，還不包括化合水。

煤的全水分測定是煤質化驗的常規項目之一，文獻［1］對此有明確規定，但在實際操作中由于忽視了標準中未做明確規定的某些細節，容易造成測定誤差，從而導致不能正確評判煤炭質量，給煤炭計價和換算帶來不利影響。煤中全水分每增加1%，則收到基低位發熱量降低250～300 J／g，從而也就影響了標準煤耗計算的準確性。本文就影響煤中全水分測定的一些問題，提出改進方法，用以提高檢測全水分的精度。

1 影響煤中全水分測定的因素

在《煤的工業分析方法》GB／T 211—2007中給出了五種不同的測定方法，分別為通氮／空氣兩步法（方法A1／A2），通氮／空氣一步法（方法B1／B2）和微波干燥法（方法C，新增）。

通氮兩步法適用于無煙煤、煙煤和褐煤的水分測定，是仲裁方法；通氮一步法適用于無煙煤、煙煤和褐煤的水分測定。由于通氮干燥法必須配備通氮干燥箱及較高純度的氮氣，這在使用上受到一定的限制，操作也比較麻煩，因此實際上使用者不是很多。空氣兩步法和一步法適用于無煙煤和煙煤的水分測定，而微波法適用于煙煤和褐煤的水分測定。方法B2中有采用粒度小于13 mm的煤樣來測定水分，制備試樣時減少一個破碎環節，煤中水分損失少，測定全水分時，稱樣量大，故煤樣代表性相對較高。加上該法僅使用常規儀器設備，電廠中大多采用該法來測定全水分。

1.1 煤樣的制備誤差

煤樣制取的正確與否，對分析結果的準確度有一定影響，制樣時必須減少水分損失和煤樣污染。一般制樣過程中，采用全水分和分析煤樣的共用煤樣。制樣時要求從機械采樣裝置收集的13 mm粒度煤樣中，以最短的時間制取全水分煤樣，盡量減少水分損失。

煤樣的制備誤差，主要表現在三個方面。

1）測試環境 倘若室內發生空氣強烈對流、熱水管道運行等問題，均會引起煤中水分變化，影響到全水分測定的準確度。

2）制作煤樣 制樣時長時間將煤樣敞開放置，制樣時間過長、兩分器使用不正確、干燥過程不規范、全水分煤樣未妥善保存等問題，都會造成水分損失。

3）煤樣粒度 按照兩步法測試要求：外在水分的測試煤樣粒度為13 mm；內在水分的測試煤樣粒度為3 mm。如果把煤樣粒度13 mm制成6 mm或是3 mm，則對測試結果的影響極大。

1.2 煤樣的稱取誤差

煤樣的稱取誤差，主要表現在兩個方面。

1）忽視煤樣均勻度 在煤樣裝瓶過程中或裝瓶后放置、搬運中，由于顆粒不均勻產生一定的粒度離析作用，使瓶內煤的水分分布不均勻。試驗人員在稱取煤樣時，從3 kg或者1.25 kg煤樣中抽取0.5 kg或者0.01 kg煤樣，往往忽視煤樣均勻攪拌和縮分操作，隨意從一個部位或表面稱取煤樣，導致稱取的煤樣與舍棄的煤樣間產生偏差，影響最終結果的準確性。

2）忽視天平校驗 試驗人員在稱取煤樣時，忽視對天平的校驗和檢查，忽視調節天平的水平狀態、零點，稱量盤的清理等工作，造成測試結果出現偏差。

例如：某燃煤電廠不同煤種、未充分攪拌混合的煤樣與充分攪拌混合的煤樣全水分試驗結果，用質量分數表示，進行對比，如表1所示。

表1 上海某燃煤電廠不同煤樣全水分測試值 %

1.3 忽視試驗條件造成的誤差

測試全水分時，試驗人員會忽視對試驗條件的控制。

1）忽視干燥程度 將溫度設為105～110℃，干燥時間為1 h，分別測定煤樣在干燥箱內進行鼓風與不鼓風的全水分值，用質量分數表示，如表2所示。

表2 鼓風與不鼓風下的全水分測試值 %

試驗結果表明，如果鼓風干燥箱的風扇損壞或者排氣閥被關閉的話，煤樣全水分測試值的差異相當大。

2）忽視控溫范圍 在兩步法中，為了保證煤樣不被氧化，第一步要求控溫范圍為30～40℃；而控溫范圍為105～110℃，是為了保證煤樣中水分能夠完全被析出。

不同溫度下煤樣的水分值，用質理分數表示，如表3所示。

表3 不同溫度下的煤樣水分值 %

試驗結果表明，如果溫度達不到技術規范要求，或者為了加快試驗過程提高溫度的話，都會造成煤樣的不同程度氧化，對水分測試結果產生影響。

3）忽視檢查性干燥 測試時，試驗人員往往會忽視檢查性干燥的操作，而只是根據經驗確定干燥時間。3次檢查性干燥操作，煤樣的水分測試值比較，用質量分數表示，如表4所示。試驗結果表明，忽視檢查性干燥將使煤樣測試結果偏低，會給電廠造成不可估量的損失。

表4 3次檢查性干燥煤樣水分值 %

1.4 不同測試方法造成的誤差

為了降低煤炭成本，燃煤電廠在調整采購策略和機組經濟運行中已經打破使用單一煤種，采用增加低熱值煤的摻燒比例這一手段。而同時帶來的問題是煤種結構復雜，煤炭品種從煙煤到褐煤，多達10余種，特性各異。

因此，采用空氣一步法對褐煤進行測試就不適用了，通常會導致煤樣氧化而使測試結果偏低［3］。從考慮煤炭質量驗收，降低煤炭成本角度出發，電廠的測試手段和實驗條件應根據實際需要不斷完善。

2 改進措施

2.1 規范制樣過程

1）按照《火力發電廠入廠煤檢測試驗室技術導則》（DL／T 520）的要求，逐條進行對照自查，對制樣室中的水源和熱源進行清除和合理設置；對會引起空氣對流的電扇、軸流風扇等設施，嚴禁在制樣時使用。

2）按照GB／T 211—2007的要求，制定合理的制樣方案。對于褐煤，應該將其粒度破碎至6 mm，再取全水分煤樣；對于煙煤，可采用粒度小于13 mm的全水分煤樣。

2.2 改進煤樣稱取方式

1）每次稱取試樣前需要對全水分取樣容器中的煤樣進行充分混合，以保證取出試樣具有代表性。一般可用堆錐法和棋盤法進行摻合和縮分，即將煤樣用堆錐的方式充分混合，鋪平成厚度大于標稱最大粒度3倍的均勻長方塊，分成20個小格，再從各個小塊中部分別取樣，取出500 g（13 mm）或者10～12 g（6 mm或者3 mm）煤樣。

2）按照使用要求校驗天平，稱量前要檢查天平的水平，稱量時要記錄托盤重量，托盤應干燥無其他煤樣等，消除天平使用誤差對測試結果的影響。嚴格按照GB／T 211—2007的要求，測水分的煤樣從干燥箱取出后，在室內放置5 min便放入干燥器中冷卻20 min左右，即可稱重。

在南方地區，由于空氣濕度較大，特別是春夏兩季氣溫較高，從烘箱中取出煤樣在空氣中放置5 min，有可能因為吸收空氣中的水氣而造成水分測定值偏低。這時就應將煤樣從干燥箱中取出后立即放入干燥器中冷卻到室溫再稱量。在夏季氣溫超過35℃時，煤樣在干燥器內存放30 min后，仍然不能與室溫達到平衡，如果這時立即稱量，由于煤樣溫度較高，在分析天平的小環境中會產生上升氣流，受其托舉作用會使煤樣的重量偏低，引起測定值偏高。因此，掌握冷卻時間是水分測定的關鍵。

需要注意的是，空氣一步法B2中13 mm煤樣的全水分測試，煤樣自干燥箱中取出后，一定要趁熱稱量。因此，可將天平盤上擱一隔熱板，將熱樣品盤置于絕熱板上稱量［4］。

2.3 嚴格控制實驗條件

1）為了準確地測定煤中水分，文獻［1］對空氣干燥箱做了明確規定。測定煤中全水分的空氣干燥箱，必須帶有自動控溫和鼓風裝置，氣體進口、出口，每小時換氣5次以上。而對通氮干燥箱，要求控溫在105～110℃內，氮氣進口、出口，每小時換氣15次以上。測試時必須檢查鼓風干燥箱的風扇是否正常運行，排氣閥是否打開，測試溫度是否在要求范圍內。還必須定期年檢，以測定其恒溫區的大小以及溫度顯示是否正確。

2）注意測試結束的標志是煤樣質量恒定，就必須進行檢查性干燥，每次30 min，直到連續2次干燥煤樣的質量減少不超過0.1%或質量增加為止。注意全水分測試的初始干燥時間：一般煙煤為2 h，褐煤為3 h，經過初始干燥后再進行檢查性干燥，整個測試時間為3～5 h。

2.4 選擇合適的測試方法

如果煤樣測試結果不作為仲裁數據，可以采用GB／T 211—2007中的B2法進行測試，這樣可以縮短測試時間，簡化測試過程。而對于褐煤，則必須采用通氮干燥法，但卻需要配備通氮干燥箱和相應的設備，用以減少因煤樣被氧化帶來的測試誤差。

在GB／T 211—2007中，特別指出了某些特殊的煤種，會出現全水分低于一般測試分析煤樣的水分，這是源于某些煤的特性和測試方法不匹配引起的。全水分煤樣使用的粒度為13 mm或者6 mm。煤的顆粒度較大，水分不容易析出或者析出時間較慢。測試終止條件是以連續2次檢查性干燥煤樣的質量減少不超過0.1%或質量增加為止。而對于某些水分析出速度較慢的特殊煤種，敏感度較低的測試方法通常會導致測試結果偏低。此時，可以應用兩步法測定全水分，并用一般分析煤樣水分代替內在水分。

3 結語

綜上所述，全水分測定是一項基礎性的、關系企業利益、規范性相當強的測試工作。為此，重溫GB／T 211—2007的技術規定，通過現場對煤種制樣過程中的操作、測試和排查誤差，分析影響測試準確度的主要因素。實踐證實了，在煤種制樣和全水分測試過程中，只有按照GB／T 211—2007的規范操作和選擇合適的測試方法，才能減小測試的系統誤差和隨機誤差，提高全水分測定的準確度。