燃煤水分測試方法與影響因素分析

摘" 要：煤的水分是煤炭分析的一項重要指標，其測試結果對煤炭基準轉換、熱值計算、存貯運輸、質(zhì)量分級及了解煤的變質(zhì)程度有重要意義，必須全過程嚴格執(zhí)行國家標準，才能得到準確結果。

關鍵詞：水分測試;加熱干燥;采樣;制樣;影響因素

中圖分類號：TQ533.2" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）25-0147-04

Abstract： The moisture content of coal is an important indicator in coal analysis， and its test results are of great significance for coal benchmark conversion， calorific value calculation， storage and transportation， quality classification， and understanding of coal metamorphism. It is necessary to strictly follow national standards throughout the entire process to obtain accurate results.

Keywords： moisture test; heating and drying; sampling; sample preparation; influencing factor

煤礦、火力發(fā)電廠等開采和使用煤炭的企業(yè)，都有自己的煤化驗室，開展煤的工業(yè)分析、元素分析等各種煤質(zhì)分析，以了解煤的成分、變質(zhì)程度、物理化學特性等。煤中水分測試是其中重要的一項，以下就實際工作經(jīng)驗簡要談一下煤中水分測試的方法和影響因素。

1" 煤中水分在燃煤分析中的意義

煤的水分是煤質(zhì)分析的一項重要指標，尤其是在燃煤火力發(fā)電廠中，煤中水分是計算煤炭低位發(fā)熱量必不可少的參數(shù)，只有水分得到準確測量，才能得出準確的發(fā)電煤耗。

通過對煤中水分進行測試，可以了解煤的變質(zhì)情況。煤的含水量還直接影響到煤炭的運輸、儲存和加工。在北方寒冷冬季，水分含量較大的煤經(jīng)常會在煤車上發(fā)生“蓬煤”現(xiàn)象，煤炭在煤車上凍了一層硬殼，嚴重時甚至會整車煤凍住，需要長時間解凍或人工清理，不但影響生產(chǎn)，還會產(chǎn)生高昂的延時費用。煤中水分在燃燒過程中會吸收熱量產(chǎn)生蒸汽，計算低位發(fā)熱量時要將煤的汽化潛熱減去，水分越多，煤的發(fā)熱量下降越多。在鍋爐燃燒中，水分高會影響燃燒的穩(wěn)定性，并降低鍋爐的熱效率。水分高的煤，在通過篩煤機、碎煤機時不易破碎，對制粉系統(tǒng)影響也很大;如水分過大，輸送皮帶傾角較大時還會發(fā)生打滑。在煤的貯存過程中，其能加速風化、破裂，甚至自燃。同時，煤中水分也會導致金屬設備被腐蝕。

所以，測量煤中分析水分、全水分在煤炭分析過程中有重要意義，可以掌握煤的變質(zhì)程度、對發(fā)熱量的影響程度，也有助于及時調(diào)整煤的運輸、存儲方式。

2" 燃煤中水分的存在形式

煤的水分通俗地說就是一定重量的煤中含有多少水分，其細分又分為游離水和結晶水，其中游離水又可以分為外在水分和內(nèi)在水分，又稱為煤的全水分。

2.1" 煤中游離水和結晶水

煤中的游離水是指吸附在煤顆粒內(nèi)部毛細管中或附著在煤顆粒表面的水分，其受環(huán)境影響較大，煤樣如果不加以密封，其會隨著空氣溫度變化而變化，其也是一般煤化驗室需要測試的水分。而煤的化合水是與礦物質(zhì)結合方式存在于煤中，一般化驗室不進行分析測試。

2.2" 煤的外在水分和內(nèi)在水分

煤的外在水分，是指附著在煤顆粒表面的水分。而煤的內(nèi)在水分，是指吸附在煤顆粒內(nèi)部毛細孔中的水分，也稱分析水。在測試煤的變質(zhì)時間時，有時會測量煤的最高內(nèi)在水分，其是指煤顆粒內(nèi)部毛細孔內(nèi)吸附的水分達到飽和狀態(tài)時煤中內(nèi)在水分的含量。

2.3" 煤的全水分

煤中全水分，是指煤中全部的游離水分，即煤中外在水分和內(nèi)在水分之和。即將投入使用狀態(tài)下的煤的水分是能夠代表煤在剛剛開采的狀態(tài)下的煤的水分。

在實際化驗室中測量的煤的水分與上述概念中講的水分是有區(qū)別的，這是因為環(huán)境的溫度和濕度對煤中水分影響很大，所以化驗室測量的水分是指在測試環(huán)境下與空氣中水分達到平衡的水分。

3" 煤中水分的測試方法和原理

目前，國家標準中規(guī)定的測試煤水分的方法有空氣干燥法、通氮干燥法、微波干燥法、一步法和兩步法等方法，歸納起來都屬于熱重法，即通過加熱后根據(jù)損失的重量來計算煤的水分。

3.1" 空氣干燥法

顧名思義，即使用空氣對煤進行加熱干燥來測試煤中的水分。具體則是將煤樣在105～110 ℃的熱空氣中進行加熱干燥，根據(jù)煤樣剩余的重量來計算煤的含水量。利用熱空氣加熱的干燥法方法簡單，便于開展，能大大加快干燥的速度，空氣可選用蒸汽、爐氣或電熱等各種方式加熱，因而用途很廣。

此法要有專門的保留熱空氣的容器即干燥室。干燥室的操作可分成周期式和連續(xù)式2類。周期式的干燥室只適用于單件生產(chǎn)或小批生產(chǎn)，干燥時送入室內(nèi)，干燥完畢再從同一扇門取出，裝入和取出煤樣既花費時間，又降低了熱空氣的溫度。

3.2" 通氮干燥法

空氣干燥法對于設備和試驗環(huán)境要求不高，比較適用于成煤時間較長、變質(zhì)程度較高的煙煤或者無煙煤中水分的測試，對于變質(zhì)程度相對較低的褐煤，由于在加熱過程中煤樣會氧化，從而導致測試結果相對與正常值要低一些。為此，國家標準中規(guī)定了采取通氮干燥法測試水分的方法，即將煤在氮氣流中加熱，最后根據(jù)失重計算出煤的水分。

3.3" 微波干燥法

即使用微波對煤樣進行加熱，來測試煤中的水分。需要用到微波水分測試儀來進行測試。

微波干燥法是通過微波加熱原理使物料內(nèi)部水分加熱蒸發(fā)得到干燥效果。由于使用微波加熱時，微波的特性是由內(nèi)而外，故而加熱速度快，煤樣受熱均勻，水分能在較短時間內(nèi)排出，所以相比較于空氣干燥和通氮干燥，使用微波進行加熱效果更好，解決了煤樣受熱時間長而產(chǎn)生氧化的問題，比較適用于褐煤和煙煤的水分測試。

3.4" 一步法和兩步法

在GB/T 211—2017《煤中全水分的測定方法》中，還規(guī)定了使用一步法和兩步法來測試煤的全水分的方法。這2種方法主要用于測量外水分比較高的煙煤和無煙煤。

使用一步法進行煤中的全水分測試時，其加熱時間和計算方法與空氣干燥法相同，但測試過程中使用煤樣的粒度較大，要求小于13 mm而非6 mm。而使用兩步法測試煤的全水分時，則是將煤的外水分和內(nèi)水分分別測量：首先使用13 mm煤樣測出煤的外水分，再將煤樣破碎到小于6 mm，測出內(nèi)水分，最后通過換算，將2個水分相加，計算出煤的全水分含量。

3.5" 煤中水分測試精密度

在GB/T 211—2017《煤中全水分的測定方法》和GB/T 212—2008《煤的工業(yè)分析方法》中都規(guī)定了煤中水分測試的精密度，即每次測試變化不應過大，以不超過2.0%為宜。

煤的水分測試與煤的灰分測試一樣，都要進行檢查性干燥，當煤樣質(zhì)量變化恒定（不超過0.01 g）時則判定煤樣已經(jīng)完全干燥，如果煤樣的重量開始增加時，應以前一次的測試結果為計算依據(jù)。測試水分時測試結果要保留3位有效數(shù)字，煤樣水分測試煤樣要稱準到0.01 g，當煤樣全水大于10%時，二次重復測試結果不得大于5%，見表1。

4" 實際工作中影響水分測試準確性的因素

煤的水分是計算燃煤發(fā)熱量的重要指標，以褐煤為例，經(jīng)實際測算，全水分數(shù)據(jù)每變化1%，煤的空氣干燥基低位發(fā)熱量就會變化60大卡左右，因此煤的水分數(shù)據(jù)必須準確。尤其是煤的全水分測試，其關鍵是要保證煤樣的水分沒有損失也沒有增加，即從制樣到測試前的全過程中煤樣中的水分沒有變化，必須制樣規(guī)范、送樣及時、測試準確。水分測試結果要符合國家標準要求的精密度，2次重復測試結果的差值不得超差，超出標準要及時檢查原因。

4.1" 采樣對煤中水分測試的影響

煤礦中開采出的煤炭與汽油、柴油等其他成品燃料不同，其質(zhì)量很不均勻，其無論是粒度還是成分都很不均勻，要從一批煤中取出能夠代表這批煤的煤質(zhì)的樣品，必須要嚴格執(zhí)行國家標準，以保證其代表性。

4.1.1" 采樣深度對水分測試的影響

煤炭經(jīng)過長途運輸，其路途中經(jīng)受風吹日曬、雨雪侵襲等運輸環(huán)境影響，表面的煤樣的煤質(zhì)已發(fā)生較大變化，無法代表整批煤的煤質(zhì)。為此，國家標準中規(guī)定在火車、汽車、船舶上采樣時，采樣深度必須達到0.4～0.5 m。

在實際工作中，曾發(fā)現(xiàn)一段時間煤質(zhì)化驗計算后發(fā)熱量異常升高。經(jīng)過分析對比，發(fā)現(xiàn)煤的全水分值低于平均值。最終調(diào)查得知，采樣人員為了追求采樣速度，采樣深度未達到國家標準要求，從而導致水分測試結果異常。經(jīng)糾正，水分測試結果恢復正常。

4.1.2" 子樣分布和數(shù)量對水分測試的影響

子樣，是采樣器具操作一次或截取一次煤流全橫截段所采取的一份樣。在進行煤炭采樣時，國家標準中對于煤場、車輛、船舶采樣過程中子樣的分布都有具體規(guī)定。如火車采樣時，以本公司使用的70 t煤車為例，每節(jié)煤車要采樣3個點，每個點的采樣量不小于3 kg，這樣才能得到具有代表性的煤樣。一列煤車一般在60～70節(jié)之間，按規(guī)定數(shù)量采樣，需要煤樣540～730 kg。實際工作中，曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)水分測試結果偏離正常值。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，采樣員為減少總樣數(shù)量，只采了部分車輛，未對所有煤車進行采樣，導致煤樣失去代表性，后續(xù)的測試結果也無法保證準確。后經(jīng)糾正，測試結果回歸正常值。

4.1.3" 采樣方法對水分測試的影響

按國家標準要求，在采樣過程中不應隨意舍棄樣品。但是在實際工作中，采樣員在遇到大塊煤或煤中矸石或者煤中有黃泥時，因為破碎煤樣比較費時費力，而且會增加重量，有時會故意將大塊煤或矸石及黃泥舍去，導致煤樣失去了代表性。后來，為改變這種情況，為采樣人員配備了執(zhí)法記錄儀，全程錄像，方便后期檢查追溯，有效約束了采樣人員，煤樣采取的規(guī)范性得到了保證。

4.2" 制樣對煤中水分測試的影響

4.2.1" 制樣設備對水分測試的影響

煤中的水分受周圍環(huán)境的溫度、濕度影響較大，尤其是煤的外水分，如果長時間暴露于空氣中，會與空氣中水分進行交換。進行全水分煤樣制備時，要使用密封式制樣機進行制樣。在實際工作中，使用的是密封式聯(lián)合制樣機，煤的破碎、縮分和全水煤樣制取一次性完成，得到的煤樣相對具有代表性。如果使用兩分器和篩子等器具進行煤樣縮分、篩分等人工操作時，要注意制樣環(huán)境溫度、濕度盡量保持恒定。

4.2.2" 制樣過程對水分測試的影響

煤的全水分煤樣制備時，要嚴格按國家標準進行制備，制成小于13 mm或6 mm的煤樣，不能太小或太大，尤其是使用微波法測試水分時，有時會因煤樣粒度過大產(chǎn)生爆燃導致測試失敗。同時，要注意制樣的時間盡量短，以免煤樣與空氣中水分過多交換失去了代表性。而在制備分析煤樣時，烘干溫度不能過高。工作中曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)，測試得出的分析水分很小，調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在煤樣制樣的過程中，為了加快烘干速度，制樣人員提高了烘干溫度，導致部分水分烘干。后要求制樣溫度嚴格控制在40 ℃左右，經(jīng)過測試比對，分析水分恢復正常。

4.2.3" 煤樣交接對水分測試的影響

有的化驗室與制樣室距離較遠，所以煤樣制備完成后，必須使用密封的磨口瓶或密封袋進行密封，防止煤樣在交接和送樣到化驗室之前，因瓶口密封不嚴或送樣不夠及時，導致煤樣中水分流失。曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)使用聯(lián)合制樣機制備完全水煤樣后，制樣人員將煤樣取出后未及時裝瓶進行密封送檢，而是放置在一邊去做其他工作，從而導致測試出全水分不準。按規(guī)定，這種情況必須要進行計算以補正

式中：M1為煤樣交接過程水分損失（%）。

如果煤樣在輸送過程中的水分損失較大，已超過煤中水分含量1%時，此時就不能再進行補正了。化驗室可以對收到的煤樣進行全水分測試，但必須注明“未經(jīng)補正水分損失”，并將煤樣容器標簽和密封情況一起進行上報。

4.3" 煤化驗過程中影響水分測試的因素

4.3.1" 化驗人員操作對水分測試的影響

化驗人員的責任心在測試過程中至關重要。進行水分稱量時，必須嚴格按照國家標準的要求進行稱量，以保證測試結果達到規(guī)定的精密度。稱量時天平風窗要關閉，天平上不能灑樣等。在使用微波法進行操作時，要使用磁鐵對煤樣進行攪拌檢查，將煤中的鐵吸出，防止測試過程中爆燃導致煤樣飛濺影響測試結果。由于水分受空氣中溫度、環(huán)境溫度影響較大，如果煤樣超過7 d還未進行水分測試，則此水分煤樣無效，因此，化驗室在收到全水分煤樣后要立即進行測試。工作中，曾有化驗員為了減少工作量，將全水分煤樣收到后先行存放，待煤樣多了集中到一起進行測試，導致煤的全水分變小。后經(jīng)糾正，每天收到全水分煤樣后立即測試，水分測試結果恢復正常。

4.3.2" 化驗方法對水分測試的影響

煤樣的水分測試過程中，化驗和計算方法對煤樣測試結果也有很大影響。在使用兩步法測試煤樣時，注意要將溫度控制到低于50 ℃，以免溫度過高導致內(nèi)水分逸出。然后，再于105～110 ℃下測出內(nèi)水，這樣才能保證結果準確。使用兩步法測試煤的水分時，在計算時也要注意：第一步測試煤的外水分得到的是煤的收到基外水分，而第二步測試內(nèi)水是空氣干燥基內(nèi)水分，二者不能直接相加，必須要將煤的內(nèi)水分煤樣根據(jù)基準換算公式換算成收到基，然后才能進行計算。

另外，在實驗室中使用的水分測試儀一般沒有配備氮氣，在測試褐煤等變質(zhì)程度較低的煤樣時，如果直接進行測試，就會因煤樣氧化而導致結果變小。因此，測試褐煤時，必須使用通氮干燥法進行測試，從而保證測試的準確性。如果是測試煙煤等變質(zhì)程度較高的煤樣，在進行空氣干燥時，烘箱必須保持箱內(nèi)空氣流動，使水分盡快排出，以得到更加準確的水分測試值。在這樣條件下，水分排出得更加徹底，檢查性干燥時間也會更短。

4.3.3" 化驗環(huán)境對水分測試的影響

根據(jù)GB/T 31429—2015《煤炭實驗室測試質(zhì)量控制導則》中要求，實驗室的環(huán)境不能有可能影響結果和測試的因素，所以水分測試實驗室要保持溫度和濕度相對恒定。

一般來說實驗環(huán)境溫度保持在5～35 ℃，濕度小于等于85%，有條件的實驗室最好安裝空調(diào)并加裝溫度濕度計監(jiān)測實驗室環(huán)境變化。煤樣要存放在陰涼的地方，不能被陽光直射，實驗室最好向北，避免陽光照射。有的火力發(fā)電廠實驗室為了采樣方便，建立在鐵路沿線，此時要做好減少振動的工作。在測試過程中也應避免人員頻繁走動，室內(nèi)安裝空調(diào)保證室內(nèi)溫度、濕度平穩(wěn)。使用微波法測試水分對環(huán)境要求較寬松，不需通入氮氣，但也要保證室內(nèi)環(huán)境、濕度穩(wěn)定。

5" 結束語

煤的水分是煤炭計價中一個重要輔助指標，只有在采樣、制樣和測試過程中嚴格執(zhí)行國家標準，并對結果嚴格按國家標準要求的精密度進行校驗，超出標準要及時檢查原因，才能得到準確的測試結果。

參考文獻：

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