多次充氧法快速測定無煙煤發熱量的試驗研究

康 菲 楊常青 陳海林

(1. 中國檢驗認證集團河北有限公司唐山港分公司，河北省唐山市，063600； 2.內蒙古出入境檢驗檢疫局，內蒙古自治區呼和浩特市，010020)

煤的發熱量是煤炭分類及煤質分析的重要指標，也是熱工計算的基礎。在煤的燃燒或轉化過程中，常用發熱量進行熱平衡、熱效率和耗煤量計算，并以此進行設備的選型或燃燒方式選擇，因此，準確測定煤的發熱量具有重要意義。無煙煤是煤化程度最高的一類煤，具有固定碳高、燃點高等特點，測定無煙煤尤其是年老無煙煤(也稱無煙煤一號，Vdaf≤3.5%，Hdaf≤2.0%)的發熱量時，經常會出現因為燃燒不充分而導致結果偏低，不能真實反映煤炭的真實品質，目前常采用包擦鏡紙、墊石棉絨、摻苯甲酸以及減小樣品量等方法來解決這個問題。但是，這些方法都存在不同方面的缺點，例如包擦鏡紙法和摻苯甲酸法操作繁瑣，結果計算十分復雜；墊石棉絨法不僅操作復雜，而且石棉絨粉塵在空氣中會污染環境，吸入人體或直接接觸對人體有一定危害；減少樣品量會導致樣品代表性變差。在大多數情況下即使使用這些方法也并不能促進樣品完全燃燒。

根據之前采用氧彈燃燒法來測定煤炭中汞含量的研究結果，本試驗采用多次充氧法提高氧彈內氧氣含量來測定無煙煤的發熱量，結果發現該方法可以有效地促進樣品燃燒分解，不僅可以得到較為準確的數據，而且具有步驟簡化、計算簡單、試驗成功率高、重復性好等優點，可作為準確測定無煙煤的彈筒發熱量的代替方法。

1 試驗部分

1.1 儀器與試劑

試驗采用湖南三德科技股份有限公司生產的型號為SDC5015的自動量熱儀，中國計量科學研究院生產的苯甲酸(GBW(E)130035)，天津大茂化學試劑廠生產的堿石棉(分析純)，山東省冶金科學研究院標準樣品研究所提供的GBW11112i(國家標準物質)，試驗所用無煙煤樣品均采集自河北唐山港口岸。為了考察多次充氧法對不同無煙煤的適用性，本次試驗選擇不同揮發分和灰分的無煙煤進行了對比試驗，試驗樣品分析見表1。

表1 試驗樣品分析 %

1.2 試驗步驟

分別稱取1～12號煤樣0.9～1.1 g，稱準到0.0002 g后，將樣品輕輕壓實。將氧彈擰緊后，向含空氣的氧彈中充入高純氧氣至3.0 MPa，充放3次后，再向氧彈中充入高純氧氣至3.0 MPa，最終氧氣含量達到99.03%，然后將氧彈放入設備中，進行點火測量并記錄結果。

1.3 測試條件

試驗在避光恒溫條件下進行，試驗溫度為24℃，所有試驗溫度變化小于1℃。

2 結果與討論

2.1 充氧次數對試驗結果的影響

通常狀況下空氣中氧氣的體積分數約為21%，容積為500 mL的氧彈中氧氣的體積約為105 mL。根據理想氣體狀態方程為PV=nRT，在一定溫度條件下，P與V成反比關系。經過計算，每次充氧至氧彈內壓力達到3.0 MPa，然后緩慢放氣至與外界氣壓相同，反復充氣放氣3次后在第4次充入高純氧氣，此時氧彈內氧氣的體積分數為99.03%。

為了考察充氧次數對試驗數據的影響，本試驗選取氫含量低于2.0%、灰分差別較大的2號和11號樣品進行試驗，每個樣品測定5次取平均值，考察充氧次數對試驗結果的影響，充氧次數對試驗結果的影響如圖1所示。

圖1 充氧次數對試驗結果的影響

由圖1可以看出，隨著充氧次數的增加，試驗熱值結果也隨之增加。從試驗現象來看，充氧1次和2次條件下試驗結束后坩堝內會或多或少會殘留一些黑色物質，而充氧4次后燃燒器皿內沒有黑色殘留物質。這表明隨著充氧次數增加，可以有效促進年老無煙煤樣品的充分燃燒，測得更為準確的發熱量數據。

2.2 不同灰分含量對不同方法試驗結果的影響

灰分比例的增大導致煤炭中有機物含量下降，礦物質燃燒灰化時要吸收熱量，大量排渣又要帶走熱量，這直接導致了煤炭發熱量的下降。同時灰分增加會導致煤炭的均勻性變差，這又會導致發熱量試驗中熱值結果重復性變差，間接對煤的發熱量產生影響。

為了檢驗多次充氧法對灰分含量不同的無煙煤的適用性，同時對比不同測定發熱量方法受灰分含量的影響，選擇了2號、6號、7號和8號這4種灰分含量不同且相差較大的煤樣進行測定。每種方法測定5次，不同灰分含量對不同方法試驗結果的影響結果見表2。

表2 不同灰分含量對不同方法試驗結果的影響

由表2可以看出，對于灰分越大的無煙煤，多次充氧法試驗結果對比一次充氧法試驗結果越準確。但是對于灰分小于20%的無煙煤，多次充氧法試驗結果與一次充氧法試驗結果接近，多次充氧法研究意義不大。多次充氧法與墊堿石棉法、摻苯甲酸法的結果基本一致，誤差和結果穩定性都在GB/T213-2001方法內所要求的誤差范圍內。

2.3 準確度和重復性

為了驗證多次充氧法的準確性與重復性，選取2號樣品和無煙煤標準樣品GBW11112i，分別采用墊石棉絨法(GB/T 213-2008)和多次充氧法進行發熱量的平行測定，墊石棉絨法與多次充氧法測定結果的比較見表3。

表3 墊石棉絨法與多次充氧法測定結果的比較

由表3可以看出，在95%的置信范圍，α=0.05，自由度6，查t值表臨界值t0.025,6=2.45。因t<2.45，經t檢驗兩種方法無統計學意義差異。

3 結語

本次試驗設計預計通過多次充氧提高氧彈內氧氣的體積含量，使氧彈內難以燃燒完全的年老無煙煤徹底燃燒。試驗證實這種設計是成功的，多次充氧法結果與摻苯甲酸法和墊酸洗石棉絨法結果相比較在允許誤差范圍內，而這3種結果普遍高于直接測量結果。而且，多次充氧法比摻如苯甲酸法和墊三溪石棉絨法簡化了計算步驟，減少了對人體的傷害，所以在結果準確的基礎上，采用多次充氧法簡單可行。