影響煤炭發(fā)熱量測(cè)量的常見(jiàn)因素分析

郝 飛

(神華包頭能源有限責(zé)任公司 運(yùn)銷(xiāo)處，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

發(fā)熱量是單位質(zhì)量的煤炭燃燒后所釋放的熱量，其為煤炭質(zhì)量的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，受到煤炭形成條件、煤炭組成等多方面因素的影響，其測(cè)定的準(zhǔn)確性也受到很多外界因素的影響[1-16]。煤炭形成條件等外部因素在不同地區(qū)、不同煤種之間存在較大的差異，不易通過(guò)試驗(yàn)獲得。煤炭組成對(duì)發(fā)熱量具有決定性的影響。在國(guó)標(biāo)規(guī)定的條件下，分別制備不同組成成分的試樣，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定多個(gè)不同含量的硫分、水分、灰分和碳含量對(duì)煤炭發(fā)熱量的影響，收集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制影響曲線，為分析煤炭發(fā)熱量測(cè)定的影響因素提供參考。

1 樣品準(zhǔn)備

1.1 制樣材料

分別選取煤樣A、B和C 3個(gè)不同煤樣，水分含量均約為10%，灰分約為10%，硫分含量為0.6%左右。煤樣A碳含量50%～55%，煤樣B碳含量65%～70%，均為煙煤；煤樣C碳含量約80%，為無(wú)煙煤。其他煤樣制作材料包括蒸餾水、分析純碳粉、完全灰化后的煤灰和分析純硫磺。

1.2 樣品制備

按照GB 474—2008煤樣的制備方法，從700 g以上煤樣(粒度<3 mm)中縮分出100 g以上品質(zhì)分析樣，再研磨至粒度0.2 mm以下的煤樣。此試驗(yàn)共制備3種樣品，粒度均小于3 mm。

從煤樣品A中縮分出1 200 g樣品，粒度<3 mm，全部研磨至粒度<0.2 mm，在空氣中進(jìn)行干燥。使用自動(dòng)分樣儀將干燥后的樣品均分成50份以上，每份樣品質(zhì)量精確控制在20.0 g。

從煤樣品B中縮分出粒度<3 mm的550 g樣品，全部研磨至粒度<0.2 mm，在空氣中進(jìn)行干燥。使用自動(dòng)分樣儀將干燥后的樣品均分成25份以上，每份樣品質(zhì)量精確控制在20.0 g。

從煤樣品C中縮分出550 g樣品，粒度<3 mm，全部研磨至粒度<0.2 mm，在空氣中進(jìn)行干燥。使用自動(dòng)分樣儀將干燥后的樣品均分成25份以上，每份樣品質(zhì)量精確控制在20.0 g。

從煤樣A、B和C中分別選取1份樣品進(jìn)行硫分、水分、灰分和碳含量的檢測(cè)并進(jìn)行記錄。使用蒸餾水、分析純碳粉、完全灰化后的煤灰和分析純硫磺，按比例人工添加至煤樣，對(duì)所選煤樣的硫分、水分、灰分和碳含量進(jìn)行調(diào)整，以滿足試驗(yàn)要求。

2 發(fā)熱量測(cè)定的影響因素研究

煤炭發(fā)熱量的影響因素很多，包括煤炭的形成條件、組成成分等，而煤炭組成成分主要包涵硫分、水分、灰分和碳含量等。與其他外部因素相比，煤炭組成成分對(duì)發(fā)熱量影響更具有研究?jī)r(jià)值。通過(guò)在制樣過(guò)程中對(duì)不同煤樣的硫分、水分、灰分和碳含量進(jìn)行調(diào)整，對(duì)此4個(gè)組分進(jìn)行煤炭發(fā)熱量的影響試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，可掌握各組分對(duì)煤炭發(fā)熱量的影響，也可對(duì)不同煤樣的發(fā)熱量大小進(jìn)行判斷。

2.1 水分含量對(duì)煤炭發(fā)熱量的影響

選取已知熱容量的熱量計(jì)，并檢查保證熱容量在有效期內(nèi)。從煤樣A中選取5份樣品作為試驗(yàn)對(duì)象，通過(guò)添加蒸餾水調(diào)整樣品的水分含量，每份樣品取1.0 g進(jìn)行試驗(yàn)。檢測(cè)結(jié)果詳見(jiàn)表1，水分對(duì)煤炭發(fā)熱量的影響曲線如圖1所示，其中ΔT為試驗(yàn)過(guò)程中熱量計(jì)內(nèi)水溫的變化值。

表1 不同水分含量煤樣所測(cè)得的發(fā)熱量

圖1 水分對(duì)煤炭發(fā)熱量的影響曲線

由于全水分試驗(yàn)無(wú)法進(jìn)行煤炭發(fā)熱量測(cè)定，此試驗(yàn)煤炭中的水分所指空干基水分。通過(guò)對(duì)表1數(shù)據(jù)和圖1曲線分析可知，煤炭發(fā)熱量隨著煤炭中空干基水分的增加而減小。主要由于水分在煤炭中為無(wú)用的組成部分，在煤炭燃燒過(guò)程中會(huì)吸收熱量蒸發(fā)，而煤樣中水分含量的增大會(huì)直接降低煤炭中有機(jī)物的含量。另外，煤炭中的結(jié)合水需要吸收較多的熱量方可釋放，因而也會(huì)降低煤炭的發(fā)熱量。

從圖1所示曲線分析可知，煤炭的水分含量與發(fā)熱量呈線性關(guān)系，根據(jù)表1中所列數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，以(x)表示水分含量，以(Y)表示發(fā)熱量，得出水分含量與發(fā)熱量的線性關(guān)系式如下:

Y=-142.8x+6 976.8R=0.993 6

另外，對(duì)同一個(gè)煤炭樣品來(lái)說(shuō)，也不能絕對(duì)認(rèn)為水分越高發(fā)熱量越低。煤炭收到基低位發(fā)熱量重要指標(biāo)的影響可通過(guò)計(jì)算確定，計(jì)算公式如下:

式中，Qnet,ar為收到基低位發(fā)熱量，J/g；Qnet,ar為空干基高位發(fā)熱量，J/g；Had為空干基氫含量，%；Mt為全水分，%；Mad為空干基水分，%。

從上式可知，對(duì)同一樣品來(lái)說(shuō)，隨著全水分含量的增加煤炭的收到基低位發(fā)熱量降低。研究表明:全水分含量每增加1%，煤炭的收到基低位發(fā)熱量就會(huì)降低約260 J/g。因此應(yīng)盡量避免在雨天裝卸煤炭，不得在雨天取樣。此試驗(yàn)所選試樣是空干基煤樣，與以上結(jié)論并不產(chǎn)生沖突，試驗(yàn)結(jié)果證明隨著水分含量的增加空干基高位發(fā)熱量會(huì)下降。

2.2 碳含量對(duì)煤炭發(fā)熱量的影響

選取已知熱容量的熱量計(jì)，并檢查保證熱容量在有效期內(nèi)。從煤樣A中選取5份樣品作為試驗(yàn)對(duì)象，通過(guò)人工操作調(diào)整樣品的碳含量，每份樣品取1.0 g進(jìn)行試驗(yàn)。檢測(cè)結(jié)果詳見(jiàn)表2，碳對(duì)煤炭發(fā)熱量的影響曲線如圖2所示，其中ΔT為試驗(yàn)過(guò)程中熱量計(jì)內(nèi)水溫的變化值。

表2 不同碳含量煤樣所測(cè)得的發(fā)熱量

圖2 碳含量對(duì)煤炭發(fā)熱量的影響曲線

碳是煤炭中的重要組成部分，其為煤炭中最重要的可燃物質(zhì)，煤化程度越高則碳含量越高。通過(guò)對(duì)表2數(shù)據(jù)和圖2曲線分析可知，煤樣中碳含量低于75%時(shí)，隨著碳含量的增加則發(fā)熱量不斷增加，且二者呈線性關(guān)系。根據(jù)表2中所列數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，以x表示水分含量、Y表示發(fā)熱量，得出碳含量與發(fā)熱量的線性關(guān)系式如下:

Y=109.5x+965.3R=0.998 9

碳是煤炭的重要組成部分，所占的比例最高，因此選擇碳含量作為計(jì)算參數(shù)所得出的線性公式為準(zhǔn)確可靠。然而并非所有煤炭的碳含量和發(fā)熱量都滿足以上線性關(guān)系。按相同的方法從樣品C中選取試驗(yàn)樣品，控制碳含量在85%以上，試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3，碳對(duì)煤炭發(fā)熱量的影響曲線如圖3所示。

表3 不同碳含量(85%以上)煤樣所測(cè)得的發(fā)熱量

圖3 碳含量(85%以上)對(duì)煤炭發(fā)熱量的影響曲線

煤炭發(fā)熱量的來(lái)源主要是碳燃燒所產(chǎn)生的熱量，還包括煤炭中氫燃燒所產(chǎn)生的熱量。隨著煤化程度的加深，煤中氫含量不斷下降，其中泥炭中氫的含量最高，其次為褐煤、煙煤，無(wú)煙煤氫含量最低(僅為0.5%～4.0%)。當(dāng)煤中碳含量超過(guò)85%時(shí)，其氫含量大幅降低，隨著碳含量的增加其發(fā)熱量反而下降，在無(wú)煙煤中此特性較明顯。

2.3 灰分對(duì)煤炭發(fā)熱量的影響

選取已知熱容量的熱量計(jì)，并檢查保證熱容量在有效期內(nèi)。從煤樣B中選取5份樣品作為試驗(yàn)對(duì)象，通過(guò)人工操作調(diào)整樣品的灰分含量，每份樣品取1.0 g進(jìn)行試驗(yàn)。檢測(cè)結(jié)果詳見(jiàn)表4，灰分對(duì)煤炭發(fā)熱量的影響曲線如圖4所示，其中ΔT為試驗(yàn)過(guò)程中熱量計(jì)內(nèi)水溫的變化值。

灰分是煤在規(guī)定條件下燃燒后得到的殘留物，是煤炭中礦物質(zhì)經(jīng)過(guò)一系列復(fù)雜的物理化學(xué)作用而得到。灰分的產(chǎn)率與礦物質(zhì)含量存在一定的關(guān)系，可通過(guò)對(duì)煤炭燃燒后的灰分來(lái)分析煤炭中礦物質(zhì)的含量。

表4 不同灰分含量煤樣所測(cè)得的發(fā)熱量

圖4 灰分含量對(duì)煤炭發(fā)熱量的影響曲線

通過(guò)對(duì)表4數(shù)據(jù)和圖4曲線進(jìn)行分析，得出隨灰分含量的增加，煤炭發(fā)熱量不斷降低，且呈現(xiàn)一定的線性關(guān)系，以x表示灰分含量，Y表示發(fā)熱量，經(jīng)線性擬合后得出以下關(guān)系曲線:

Y=-58.3x+6 365.8R=0.998 4

與水分相同，灰分在煤炭中也屬于無(wú)用的組成部分。隨著灰分含量的增加，煤中有機(jī)物含量不斷下降，煤炭燃燒后發(fā)熱量也不斷下降。同時(shí)，煤炭燃燒后產(chǎn)生大量灰分，造成排渣量增加，也造成煤炭發(fā)熱量下降。試驗(yàn)證明:灰分含量每增加1%，煤炭發(fā)熱量會(huì)減少209.3 J/g～334.9 J/g。另外，隨著灰分含量的增加，煤炭的均勻性也會(huì)變差，因此灰分將直接影響發(fā)熱量試驗(yàn)的重復(fù)性，降低檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.4 硫分對(duì)煤炭發(fā)熱量的影響

選取已知熱容量的熱量計(jì)，并檢查保證熱容量在有效期內(nèi)。從煤樣B中選取5份樣品作為試驗(yàn)對(duì)象，通過(guò)人工操作調(diào)整樣品的硫分含量，每份樣品取1.0 g進(jìn)行試驗(yàn)。檢測(cè)結(jié)果詳見(jiàn)表5，硫分對(duì)煤炭發(fā)熱量的影響曲線如圖5所示，其中ΔT為試驗(yàn)過(guò)程中熱量計(jì)內(nèi)水溫的變化值。

表5 不同硫分含量煤樣所測(cè)得的發(fā)熱量

圖5 硫分含量對(duì)煤炭發(fā)熱量的影響曲線

通過(guò)對(duì)表5數(shù)據(jù)和圖5曲線走勢(shì)進(jìn)行分析，得出隨著硫分含量的增加，發(fā)熱量不斷降低，當(dāng)降低的幅度很小。數(shù)據(jù)顯示，硫分含量從0.60%增加到1.00%，煤炭發(fā)熱量只降低了33.49 J/g，說(shuō)明隨硫分的變化煤炭發(fā)熱量變化幅度較小。

煤中硫分在參與燃燒后大部分生成二氧化硫，少部分進(jìn)一步轉(zhuǎn)化生成三氧化硫。三氧化硫和煤炭燃燒后產(chǎn)生的煙氣反應(yīng)生產(chǎn)硫酸，低溫狀態(tài)下硫酸變成酸霧。硫酸在大氣中形成酸雨，對(duì)周邊環(huán)境形成嚴(yán)重危害。另外，二氧化硫與空氣中的物質(zhì)進(jìn)一步反應(yīng)產(chǎn)生三氧化硫，進(jìn)而形成酸霧或酸雨。

若含硫量較大的煤炭用于電廠發(fā)電，由于煤炭后燃燒的煤灰熔融溫度會(huì)下降，進(jìn)而加劇鍋爐結(jié)渣，也會(huì)造成輸煤管道和磨煤機(jī)內(nèi)部金屬部件的腐蝕破壞。另外，含硫量高的煤炭在存放過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生二氧化硫，溶于水后進(jìn)一步產(chǎn)生亞硫酸并釋放出大量的熱量，導(dǎo)致煤堆溫度升高，嚴(yán)重時(shí)造成煤堆自燃，直接影響電廠運(yùn)營(yíng)安全。因此，硫分是煤炭中的有害物質(zhì)，煤炭中硫?qū)γ禾堪l(fā)熱量影響較小，但對(duì)周邊環(huán)境影響較大。

3 結(jié) 論

與外部影響因素相比，煤中水分、碳含量、灰分和硫分對(duì)煤炭發(fā)熱量的測(cè)定影響較大。通過(guò)影響曲線分析煤炭主要組成成分對(duì)煤炭發(fā)熱量的影響，并得出以下結(jié)論:

(1)煤炭發(fā)熱量隨著水分含量的增加而降低，水分在煤炭燃燒過(guò)程中會(huì)吸收熱量蒸發(fā)，而煤樣中水分含量的增大會(huì)直接降低煤炭中有機(jī)物的含量。另外，煤炭中的結(jié)合水需要吸收較多的熱量方可釋放，也會(huì)降低煤炭的發(fā)熱量。

(2)灰分是煤炭中礦物質(zhì)氧化分解后的產(chǎn)物，自身不會(huì)產(chǎn)生熱量；同時(shí)，煤炭燃燒后產(chǎn)生大量灰分，造成排渣量增加，也造成煤炭發(fā)熱量的下降；煤炭中灰分含量的增加還會(huì)影響煤炭的均勻性。

(3)碳的含量對(duì)煤炭的發(fā)熱量影響最大，燃燒過(guò)程中會(huì)直接轉(zhuǎn)化為熱量，隨著碳含量增加，發(fā)熱量不斷增加，碳含量在70%～80%時(shí)，發(fā)熱量最大，但隨著碳含量的增加，煤炭中氫含量不斷減少，發(fā)熱量反而會(huì)降低。

(4)硫分屬于煤中有害物質(zhì)，對(duì)煤炭發(fā)熱量的影響較小，會(huì)在煤炭燃燒中產(chǎn)生二氧化硫和三氧化硫等有害氣體，產(chǎn)生酸霧和酸雨，對(duì)環(huán)境造成污染。