煤炭發熱量測定的實驗研究

原凱凱

(山西煤炭運銷集團陽城四侯煤業有限公司，山西 陽城 048100)

引 言

煤炭發熱量為煤質檢測的關鍵指標，其關系著煤炭的銷售價格，對維護煤炭買賣雙方的企業利益具有顯著作用。因此，為保證煤炭利用效果和買賣雙方企業的利益，需對煤炭的發熱量進行精準測定。經研究可知，影響煤炭發熱量測量精確性的因素眾多，在實際測定過程中應盡可能地避免影響因素的影響[1]。本文著重對影響煤炭發熱量測定精度的因素進行分析，并以實例測定煤炭的發熱量。

1 發熱量及測量設備

1.1 發熱量定義

煤炭發熱量指的是單位質量煤炭在完全燃燒后所散發出的熱量。一般將煤炭發熱量分為彈筒發熱量、高位發熱量和低位發熱量。其測定方法為：將煤炭置于彈筒中完全燃燒后，通過測定內筒中水介質溫度的升高數值，并在對點火熱、冷卻校正值進行校正后完成對彈筒內煤炭發熱量的測量。

1.2 量熱儀

量熱儀為當前應用于測定煤炭、石油等能源發熱量的主要設備，該設備的精度和操作的便捷性直接決定煤炭發熱量的測定精度和效率。根據量熱儀外筒溫度控制方式的不同，可將量熱儀分為恒溫式量熱儀和絕熱式量熱儀。其中，絕熱式量熱儀在市場中的占有率更高。

普通量熱儀的結構主要包括燃燒氧彈、試樣點火裝置、攪拌器、溫度測量控制系統、溫度傳感器、內筒、外筒以及水介質等。水循環系統為量熱儀測定煤炭發熱量的關鍵分系統，通過測定水循環系統水溫變化，換算得到測定煤炭的發熱量[2]。需要注意的是，在實際測定過程中需根據循環水水箱水位變化情況進行及時補水操作。量熱儀水循環系統的結構如圖1所示。

圖1 量熱儀水循環系統結構圖

2 影響煤炭發熱量測定精度的因素分析

煤炭發熱量的測定精度直接決定于煤炭稱量的準確性和煤炭是否完全充分的燃燒。此外，冷卻校正值、熱容量的標定、環境溫度、內筒的水量、充氧量等均會影響煤炭發熱量的測定結果。

1) 為保證熱容量標定值的準確度，試驗中常通過5次重復實驗對其進行標定，且最終標定結果的標準差不超過0.2%。對于量熱儀而言，需每3個月對其熱容量值進行重新標定；

2) 對于煤炭稱重精度的控制，主要采取以下措施：測量前需將電子天平預熱30 min；定期采用1 g的砝碼對電子天平進行校準，確保其誤差值不超過0.5 mg；

3) 發熱量測定環境的溫度將直接影響量熱儀外筒內水文的穩定性，進而影響冷卻校正值。因此，一般在煤炭發熱量測定實驗室中裝空調，保證實驗室內的溫度在標準所規定的15 ℃～30 ℃，同時，保證實驗室內無強對流空氣的出現，避免陽光直接照射量熱儀；

4) 本實驗所采用量熱儀為型號5E-KC自動量熱儀，根據設備使用規范將其內筒的水量控制在2 L～3 L，并根據水量實際減少情況，適當地增加0.5 L～1 L的循環水；保證量熱儀內筒與外筒的水溫差值保持在1 ℃左右[3]。

5) 為保證煤炭的完全充分燃燒，需保證彈筒內的充氧條件。根據標準規定，要求彈筒內充氧的壓力控制在2.8 MPa～3 MPa，將彈筒的充氧時間控制在15 s～30 s。

3 煤炭發熱量測定實驗研究

3.1 實驗準備

為本次煤炭發熱量測定實驗單獨準備一間房間，并在其房間內裝空調，將其室內溫度控制在15 ℃～30 ℃，要求每次對房間室溫測定的誤差不超過1 ℃；保證在實驗期間，該實驗室的門窗均為關閉狀態，避免受到強對流空氣的影響；保證量熱儀不受太陽光的直接照射[4]。本次實驗所采用的設備及相關材料的參數如表1所示。

表1 煤炭發熱量測定實驗設備及材料統計

本次實驗以1#、2#、3#煤樣為研究對象，對影響煤炭發熱量測定的因素進行定量分析。其中，1#煤樣的發熱量為21.84 MJ/kg，絕對值誤差不超過0.22 MJ/kg；2#煤樣的發熱量為27.78 MJ/kg，絕對值誤差不超過0.16 MJ/kg；3#煤樣的發熱量為32.06 MJ/kg，絕對值誤差不超過0.16 MJ/kg；

3.2 實驗步驟

按照順序將實驗相關設備的電源接通，并進入開始測試的狀態；將電子分析天平預熱30 min后，稱質量為1g且粒度不大于0.2 mm的煤樣；將稱重好的樣品置于燃燒皿中，并將氧彈頭掛于氧彈支架上，同時將點火絲分別于氧彈的電極柱連接；向氧彈中充入10 mL的蒸餾水，并采用氧氣瓶均勻向氧彈內充入氧氣，保證氧彈內壓力保持在2.8 MPa～3 MPa；待一切準備就緒后，蓋好上蓋，開始實驗。

值得注意的是，在實驗結束后觀測氧彈內是否有煤炭試樣濺出或存在碳黑的現象，若有上述現場應重復上述步驟重新實驗。實驗完成后應將氧彈內的氧氣排盡，并將燃燒皿、氧彈等部件全部清洗干凈后烘干，待后續使用。

3.3 實驗結果分析

3.3.1 量熱儀熱容量標定結果分析

通過控制實驗室的溫度，分析在不同環境溫度下所得量熱儀熱容量的標定結果是否準確。本次實驗分別對15、17、19、21、23、25、27、29 ℃下量熱儀的熱容量進行標定，標定結果如表2所示。

表2 不同環境溫度下量熱儀熱容量的標定結果

根據表2中所標定的量熱儀的熱容量值對三種煤樣的發熱量進行反復測定。經測定可知，在不同環境溫度下3種煤樣發熱量的測定值不同，且各個煤樣的發熱量均在絕對誤差范圍之內，即證明對量熱儀熱容量的標定結果是正確的。因此，驗證了環境溫度可影響對量熱儀熱容量標定的精度，進而影響煤炭發熱量的測定精度。

3.3.2 測量次數對發熱量測定結果的影響

在上述量熱儀熱容量標定結果的基礎上，將室溫設定為21 ℃，驗證不同測量次數下所得煤炭發熱量的測定結果，實驗結果如圖2所示。

圖2 不同測量次數下發熱量的測量值

如圖2所示，隨著測量次數的增加對應煤炭發熱量的測定值偏高，導致該現象的主要原因為，隨著測量次數的增加，量熱儀外筒的水溫逐漸上升，導致內筒水溫也相應的增大，從而導致最終發熱量測定值偏大。

4 結語

煤質檢驗為對煤炭相關參數測定的環節，根據煤質檢驗結果可綜合判定煤炭的價格和適用范圍。因此，精確實現對煤質的檢測是十分重要的。本文著重對影響煤炭發熱量測定精度的因素進行分析，并得出如下結論：

1) 為保證煤炭發熱量的測定精度應定期對量熱儀的熱容量進行標定，且盡可能保證發熱量測定時環境溫度與量熱儀熱容量標定時的環境溫度一致；

2) 當量熱儀測定次數超過10次以上后，需對設備進行散熱處理，避免由于測定次數過多導致發熱量的測定值偏大。