燃煤發(fā)熱量測(cè)定中兩個(gè)重要問(wèn)題的探討

(浙江大唐烏沙山發(fā)電有限責(zé)任公司,浙江 寧波 315722)

0 引 言

煤的發(fā)熱量不僅是一項(xiàng)重要的煤質(zhì)特性指標(biāo)，而且也是重要的工程技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)：是進(jìn)廠商品煤的定價(jià)及結(jié)算主要依據(jù)；是鍋爐熱平衡、能量平衡計(jì)算的參數(shù)，是估算鍋爐理論燃燒溫度和鍋爐運(yùn)行時(shí)的配煤燃燒及負(fù)荷調(diào)節(jié)的重要依據(jù)；也是電廠主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)——發(fā)電(供電)標(biāo)準(zhǔn)煤耗計(jì)算依據(jù)。因此準(zhǔn)確測(cè)定煤的發(fā)熱量，對(duì)于電廠的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要意義。本文對(duì)燃煤發(fā)熱量測(cè)定中兩個(gè)重要問(wèn)題進(jìn)行探討，一是發(fā)熱量測(cè)定中如何保證煤樣燃燒完全的問(wèn)題；二是燃煤發(fā)熱量測(cè)定結(jié)果準(zhǔn)確性檢驗(yàn)的問(wèn)題。

1 發(fā)熱量測(cè)定中如何保證煤樣燃燒完全

國(guó)標(biāo)GB/T 213-2008中描述彈筒發(fā)熱量定義如下：?jiǎn)挝毁|(zhì)量的試樣在充有過(guò)量氧氣的氧彈內(nèi)燃燒，其燃燒后的物質(zhì)組成為氧氣、氮?dú)狻⒍趸肌⑾跛岷土蛩帷⒁簯B(tài)水以及固態(tài)灰時(shí)放出的熱量[1]。由定義中燃燒產(chǎn)物的組成可見準(zhǔn)確測(cè)定煤樣發(fā)熱量的前提是煤樣完全燃燒。而保證煤樣完全燃燒有以下若干注意事項(xiàng)。

1.1 燃燒皿選擇

燃燒皿最好選擇鉑制品，一般可用鎳鉻剛制品，鎳鉻剛?cè)紵蟊诓灰诉^(guò)高或過(guò)淺，皿壁過(guò)高燃燒時(shí)不利于氧氣的供應(yīng)，皿壁過(guò)低燃燒時(shí)容易導(dǎo)致噴濺；皿底不宜過(guò)厚，并且燃燒皿底部應(yīng)有明顯的弧度，以免存在死角而造成燃燒不完全。

1.2 綁接點(diǎn)火絲

熔斷式點(diǎn)火情況下，綁接點(diǎn)火絲時(shí)應(yīng)注意點(diǎn)火絲與試樣保持良好的接觸，對(duì)易飛濺和易燃的煤應(yīng)保持微小的距離，若點(diǎn)火絲埋入煤樣過(guò)深會(huì)引起燃燒過(guò)程中試樣噴濺；并注意勿使點(diǎn)火絲接觸燃燒皿，否則通過(guò)點(diǎn)火絲的電流將被大大分流或者形成短路而造成點(diǎn)火失敗，甚至燒毀燃燒皿。

非熔斷式點(diǎn)火情況也要注意根據(jù)煤樣點(diǎn)火難易程度調(diào)節(jié)點(diǎn)火棉線與試樣的搭接程度。

1.3 充氧壓力

充氧壓力不足或者是時(shí)間不夠都會(huì)造成煤樣燃燒不完全，因此充氧壓力應(yīng)在(2.8～3.0)MPa范圍內(nèi)，達(dá)到壓力后的充氧時(shí)間不得少于15 s，若鋼瓶中氧氣壓力低于5.0 MPa時(shí)應(yīng)酌量延長(zhǎng)充氧時(shí)間，低于4.0 MPa時(shí)應(yīng)更換氧氣鋼瓶。

1.4 特殊煤樣的處理

(1)對(duì)于易噴濺的煤樣，可用已知質(zhì)量的擦鏡紙包緊后測(cè)試，或在壓餅機(jī)中壓餅并切成粒度約為2～4 mm的小塊使用。

(2)對(duì)于不易燃燒完全的煤樣可做如下處理后再進(jìn)行測(cè)量:

①可在皿底鋪一層石棉絨，然后用手壓實(shí)后進(jìn)行稱樣測(cè)試。

②若鋪墊石棉絨無(wú)效，可提高充氧壓力至3.2 MPa。

③若鋪墊石棉絨無(wú)效，也可用已知質(zhì)量和熱值的擦鏡紙包裹稱好的試樣并用手壓緊后進(jìn)行測(cè)試。

針對(duì)上述③中內(nèi)容進(jìn)行如下解析：

對(duì)于一般燃燒速度慢或熱值低的煤樣，采用燃燒皿內(nèi)墊石棉絨的方法可以保證燃燒完全，另外對(duì)于高灰難燃煤的處理由于鋪墊石棉絨的方法不能保證燃燒完全，有些化驗(yàn)室也采取摻加已知熱值的助燃劑例如無(wú)煙煤或者是苯甲酸來(lái)測(cè)試。但其中會(huì)存在一些問(wèn)題。摻加無(wú)煙煤：無(wú)煙煤久存容易變質(zhì)，若引用其標(biāo)準(zhǔn)熱值則不如苯甲酸可靠。若摻加粉狀苯甲酸則會(huì)出現(xiàn)燃燒不完全的現(xiàn)象，若對(duì)粉狀苯甲酸和煤樣進(jìn)行壓餅，則壓餅時(shí)會(huì)損失部分苯甲酸和煤樣。

為選擇一種切實(shí)有效的方法，煤炭科學(xué)院煤炭分析室進(jìn)行了系統(tǒng)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)并得到了如下結(jié)論：對(duì)于測(cè)定高灰份、低熱值煤樣包紙法比加苯甲酸法測(cè)定結(jié)果更加的可靠，處理手續(xù)也更加的簡(jiǎn)便[2]。所以國(guó)標(biāo)GB/T 213-2008中采取的是包紙法測(cè)定難燃煤樣。

2 燃煤發(fā)熱量測(cè)定結(jié)果準(zhǔn)確性檢驗(yàn)

國(guó)標(biāo)GB/T 213-2008對(duì)發(fā)熱量測(cè)定結(jié)果準(zhǔn)確度的要求是：標(biāo)準(zhǔn)煤樣的測(cè)試結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值之差都在不確定度范圍內(nèi)；或者用苯甲酸作為樣品進(jìn)行5次發(fā)熱量測(cè)定，其平均值和標(biāo)準(zhǔn)值之差不超過(guò)50 J/g。但國(guó)標(biāo)并未提及進(jìn)行發(fā)熱量準(zhǔn)確度檢驗(yàn)時(shí)，所需要的正確操作、計(jì)算與判斷。下文就如何應(yīng)用反標(biāo)苯甲酸以及標(biāo)準(zhǔn)煤樣來(lái)對(duì)燃煤發(fā)熱量測(cè)定準(zhǔn)確度的檢驗(yàn)方法進(jìn)行分析，指出操作、計(jì)算及評(píng)判中應(yīng)注意的問(wèn)題，闡述不同檢驗(yàn)方法間的關(guān)系。

2.1 用標(biāo)準(zhǔn)煤樣檢驗(yàn)

2.1.1 標(biāo)樣選擇

選取與被檢測(cè)煤樣揮發(fā)分相近的煤樣，再?gòu)钠渲羞x取發(fā)熱量也與被檢測(cè)煤樣相接近的標(biāo)準(zhǔn)樣作為參比[3]。若被測(cè)煤樣煤質(zhì)情況較為復(fù)雜，也可選取發(fā)熱量高、中、低不同的幾種標(biāo)煤進(jìn)行測(cè)熱準(zhǔn)確度的檢驗(yàn)。

2.1.2 準(zhǔn)確度檢驗(yàn)

對(duì)標(biāo)準(zhǔn)煤樣進(jìn)行發(fā)熱量重復(fù)測(cè)定，同時(shí)測(cè)定水分，并用水分測(cè)定值對(duì)彈筒發(fā)熱量進(jìn)行干基高位發(fā)熱量的計(jì)算。若計(jì)算結(jié)果與標(biāo)煤標(biāo)準(zhǔn)值之差在不確定范圍內(nèi)，則認(rèn)為發(fā)熱量測(cè)定結(jié)果合格，否則不合格。

同時(shí)測(cè)定水分很重要，煤中水分隨空氣濕度變化而變化，而水分的變化對(duì)發(fā)熱量的測(cè)定結(jié)果有較大的影響，所以應(yīng)準(zhǔn)確測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)煤樣水分。另外在計(jì)算高位發(fā)熱量過(guò)程中用到的是空干基全硫St,ad,所以應(yīng)將標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)證書中的干基硫St,d換算成空干基全硫St,ad再參與計(jì)算；或者將空干基彈筒發(fā)熱量換算為干基彈筒發(fā)熱量后再進(jìn)行高位發(fā)熱量計(jì)算也可以。

此外應(yīng)注意應(yīng)使用最新的標(biāo)準(zhǔn)煤樣追蹤值來(lái)對(duì)結(jié)果進(jìn)行評(píng)定。標(biāo)準(zhǔn)煤樣標(biāo)準(zhǔn)值通常每年由研制部門組織相關(guān)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行一次追蹤試驗(yàn)，并提出當(dāng)年的標(biāo)準(zhǔn)煤樣參數(shù)值。也即，同一標(biāo)準(zhǔn)煤樣，在不同年度各特性指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值及不確定度會(huì)有略微的變化。

2.2 用反標(biāo)苯甲酸檢驗(yàn)

2.2.1 苯甲酸預(yù)處理

使用前苯甲酸應(yīng)預(yù)先研細(xì)并在盛有濃硫酸的干燥器中干燥3 d或在60～70 ℃烘箱中干燥(3～4)h，冷卻后壓片。也可使用市售的壓好片的苯甲酸，但應(yīng)注意苯甲酸不易吸水不等于不吸水，所以日常保存時(shí)應(yīng)置于干燥器中。

2.2.2 測(cè)定苯甲酸熱量時(shí)，重復(fù)精密度的確定

國(guó)標(biāo)GB/T 213-2008中未提及測(cè)定苯甲酸熱量時(shí)的重復(fù)精密度，苯甲酸為純有機(jī)物質(zhì)，更容易燃燒完全，它的重復(fù)精密度應(yīng)小于煤樣重復(fù)精密度120 J/g。JJG 672-2001氧彈熱量計(jì)檢定規(guī)程中對(duì)熱容量重復(fù)性有如下規(guī)定：在規(guī)定條件下，用燃燒熱標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)苯甲酸檢定熱量計(jì)的熱容量5次，按不同的平均熱容量，其極差不大于表1[4]的規(guī)定。

表1 熱容量檢定技術(shù)指標(biāo) J/K

例如，某廠化驗(yàn)室型號(hào)為IKA C5000量熱儀第一季度的熱容量為10 733 J/K，對(duì)照上表，量熱儀量熱系統(tǒng)升高1 ℃時(shí)最大差值不應(yīng)超過(guò)40 J/K，而苯甲酸熱值通常為26 500 J/g左右，對(duì)于上述量熱儀1 g苯甲酸完全燃燒約升高2.469 ℃，那么用苯甲酸進(jìn)行反標(biāo)時(shí)，重復(fù)測(cè)定的最大差值不應(yīng)超過(guò)40×2.469=99 J/g。如重復(fù)測(cè)定的差值超過(guò)99 J/g，則可認(rèn)為反標(biāo)苯甲酸重復(fù)精密度不合格。

3.2.3 反標(biāo)苯甲酸時(shí)要減去硝酸形成熱

反標(biāo)苯甲酸時(shí)要減去硝酸形成熱,苯甲酸是碳?xì)溲趸衔铮缓娜紵裏嶂慌c碳和氫元素的燃燒熱有關(guān)而與氮元素的反應(yīng)熱無(wú)關(guān)，也即苯甲酸的標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱不包含硝酸形成熱。但苯甲酸在氧彈內(nèi)燃燒時(shí)，殘留于氧彈內(nèi)的空氣中的氮會(huì)有一部分生成硝酸，有硝酸形成熱放出。因而在用標(biāo)準(zhǔn)苯甲酸來(lái)標(biāo)定熱量計(jì)的熱容量時(shí)，在計(jì)算氧彈內(nèi)的總釋熱量時(shí)應(yīng)加上硝酸形成熱；而用苯甲酸來(lái)反標(biāo)儀器的準(zhǔn)確度時(shí)，也應(yīng)扣除硝酸形成熱。國(guó)標(biāo)規(guī)定熱容量標(biāo)定中硝酸形成熱按(1)求得：

qn=0.0015mQ。

(1)

式中:qn為硝酸形成熱，J;0.001 5為苯甲酸燃燒時(shí)的硝酸形成熱校正系數(shù)；m為苯甲酸用量，g；Q為苯甲酸的標(biāo)準(zhǔn)熱值，J/g。

故在反標(biāo)苯甲酸時(shí)也應(yīng)減去硝酸形成熱并可按(1)式計(jì)算。這個(gè)結(jié)論在實(shí)驗(yàn)中也得到了證實(shí)。[5]

3.2.4 反標(biāo)苯甲酸檢驗(yàn)準(zhǔn)確性的重復(fù)次數(shù)

對(duì)用苯甲酸進(jìn)行熱量計(jì)準(zhǔn)確度的檢驗(yàn)國(guó)標(biāo)GB/T 213-2008中的要求是：用苯甲酸作為樣品進(jìn)行5次發(fā)熱量的測(cè)定，其平均值和標(biāo)準(zhǔn)值之差不超過(guò)50 J/g。如果只對(duì)一個(gè)或者少數(shù)幾個(gè)煤樣測(cè)熱準(zhǔn)確性進(jìn)行檢驗(yàn)，還是重復(fù)測(cè)定5次，那必然會(huì)影響工作效率，那么可以少測(cè)幾次嗎？應(yīng)該測(cè)量幾次呢？

如果重復(fù)測(cè)定苯甲酸的平均值(在重復(fù)測(cè)定精密度合格的前提下，方可取其平均值)與苯甲酸標(biāo)準(zhǔn)值之間的差值不超過(guò)表2的規(guī)定界限，則認(rèn)為準(zhǔn)確度合格。[6]

表2 測(cè)定苯甲酸發(fā)熱量差值的顯著性界限

為了檢驗(yàn)準(zhǔn)確度，通常至少作2次重復(fù)測(cè)定，如某苯甲酸的標(biāo)準(zhǔn)熱值為26 472 J/g，如果兩次測(cè)量平均值為26 409～26 535 J/g之間，則認(rèn)為準(zhǔn)確度合格，反之，為不合格。因此，檢驗(yàn)煤樣發(fā)熱量測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性，反標(biāo)苯甲酸重復(fù)次數(shù)不一定是5次，一般情況，重復(fù)2次即可。

3.3 標(biāo)準(zhǔn)煤樣法與反標(biāo)苯甲酸評(píng)價(jià)結(jié)果不一致的問(wèn)題

標(biāo)準(zhǔn)煤樣法與反標(biāo)苯甲酸來(lái)檢驗(yàn)測(cè)熱準(zhǔn)確度時(shí)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)不同的結(jié)論，特別是使用國(guó)產(chǎn)的恒溫式自動(dòng)量熱儀。在實(shí)際應(yīng)用中一般是反標(biāo)苯甲酸合格而標(biāo)準(zhǔn)煤樣不合格。

苯甲酸為碳、氫、氧三種元素組成的有機(jī)試劑，均勻性好，重復(fù)測(cè)定時(shí)其燃燒速度與釋放的熱量一致，必然測(cè)量精密度也很好。

某廠化驗(yàn)室一臺(tái)國(guó)產(chǎn)的恒溫式自動(dòng)量熱儀，發(fā)熱量測(cè)定總時(shí)間是13 min，其中主期時(shí)間只占5 min，對(duì)于均勻性好的苯甲酸的測(cè)定每次的釋熱率十分接近，不僅精密度能符合要求，準(zhǔn)確度也能符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

而采用標(biāo)煤測(cè)定時(shí)，情況則有所不同了，煤樣不是純化合物，其組成復(fù)雜，均勻性差，不同規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)煤樣特性各異，燃燒速度各不相同，因此在點(diǎn)火后一定時(shí)間例如5 min結(jié)束試驗(yàn)其釋熱率就會(huì)出現(xiàn)較大的不一致性。而使用由此判斷的終點(diǎn)溫度以及廠家的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算所得的發(fā)熱量結(jié)果就可能與標(biāo)準(zhǔn)煤樣的標(biāo)準(zhǔn)值出現(xiàn)較大的差值，這對(duì)揮發(fā)分過(guò)大或過(guò)小，發(fā)熱量過(guò)高或過(guò)低的煤樣較為常見。

實(shí)踐表明測(cè)熱準(zhǔn)確性常隨測(cè)熱周期的縮短而降低，也即提高測(cè)熱速度往往是以降低測(cè)熱準(zhǔn)確性為代價(jià)。在發(fā)電廠測(cè)定煤的發(fā)熱量務(wù)必準(zhǔn)確。

在對(duì)熱量計(jì)進(jìn)行全面的性能測(cè)試中，可采樣上述兩種方法檢驗(yàn)準(zhǔn)確度，兩種方法的檢驗(yàn)結(jié)果一致，將可做出是否合格的結(jié)論；當(dāng)兩種方法的檢驗(yàn)結(jié)果不一致，一般情況是表現(xiàn)為應(yīng)用苯甲酸準(zhǔn)確度合格而應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)煤樣不合格，此時(shí)就不能對(duì)該熱量計(jì)做出準(zhǔn)確度檢驗(yàn)合格的結(jié)論[7-8]。

基于苯甲酸與燃煤特性的差異，測(cè)準(zhǔn)煤比測(cè)準(zhǔn)苯甲酸發(fā)熱量更具難度，故反標(biāo)苯甲酸熱量準(zhǔn)確度合格不等于用標(biāo)準(zhǔn)煤樣檢驗(yàn)準(zhǔn)確度也合格。火電廠要求測(cè)準(zhǔn)煤的發(fā)熱量，因而用標(biāo)準(zhǔn)煤樣檢驗(yàn)更為重要。

4 總 結(jié)

發(fā)熱量測(cè)定中為保證煤樣燃燒完全，應(yīng)選擇合適的燃燒皿、正確綁接點(diǎn)火絲、特殊煤樣采取特殊處理等方式。在進(jìn)行燃煤發(fā)熱量測(cè)定結(jié)果準(zhǔn)確性檢驗(yàn)時(shí)，不論是應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)煤樣還是反標(biāo)苯甲酸都有相對(duì)應(yīng)的操作方法、計(jì)算要求以及評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。在對(duì)熱量計(jì)進(jìn)行全面的性能測(cè)試中，可同時(shí)采樣兩種方法檢驗(yàn)準(zhǔn)確度，若出現(xiàn)不一致的情況，就不能對(duì)該熱量計(jì)做出準(zhǔn)確度檢驗(yàn)合格的結(jié)論。而在日常工作中對(duì)一個(gè)或者少數(shù)幾個(gè)煤樣測(cè)熱準(zhǔn)確性進(jìn)行檢驗(yàn)，基于苯甲酸與燃煤特性的差異，測(cè)準(zhǔn)煤比測(cè)準(zhǔn)苯甲酸發(fā)熱量更具難度，火電廠要求測(cè)準(zhǔn)煤的發(fā)熱量，因而用標(biāo)準(zhǔn)煤樣檢驗(yàn)更為重要。

[1] GB/T 213-2008,煤的發(fā)熱量測(cè)定方法[S].

[2] 段云龍.煤炭試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)及其說(shuō)明[M].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011，44(4)：25-26.

[3] 曹長(zhǎng)武.火電廠燃料質(zhì)量檢測(cè)與應(yīng)用[M].北京：中國(guó)電力出版社，2013：234.

[4] JJG 672-2001，中華人民共和國(guó)國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程 氧彈熱量計(jì)[S].

[5] 曹長(zhǎng)武.火電廠燃料質(zhì)量檢測(cè)與應(yīng)用[M].北京：中國(guó)電力出版社，2013：236.

[6] 曹長(zhǎng)武.火電廠燃料質(zhì)量檢測(cè)與應(yīng)用[M].北京：中國(guó)電力出版社，2013：237.

[7] 吳金卓，馬 琳，林文樹.生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性研究綜述[J].森林工程，2012，28(5)：102-106.

[8] 曹長(zhǎng)武.燃煤發(fā)熱量測(cè)定準(zhǔn)確度檢驗(yàn)問(wèn)題 [J].電力標(biāo)準(zhǔn)化與計(jì)量，2003(44):28-29.