原凱凱

(山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)陽城四侯煤業(yè)有限公司，山西 陽城 048100)

引 言

煤炭發(fā)熱量為煤質(zhì)檢測的關(guān)鍵指標(biāo)，其關(guān)系著煤炭的銷售價(jià)格，對維護(hù)煤炭買賣雙方的企業(yè)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(yè)的利益，需對煤炭的發(fā)熱量進(jìn)行精準(zhǔn)測定。經(jīng)研究可知，影響煤炭發(fā)熱量測量精確性的因素眾多，在實(shí)際測定過程中應(yīng)盡可能地避免影響因素的影響[1]。本文著重對影響煤炭發(fā)熱量測定精度的因素進(jìn)行分析，并以實(shí)例測定煤炭的發(fā)熱量。

1 發(fā)熱量及測量設(shè)備

1.1 發(fā)熱量定義

煤炭發(fā)熱量指的是單位質(zhì)量煤炭在完全燃燒后所散發(fā)出的熱量。一般將煤炭發(fā)熱量分為彈筒發(fā)熱量、高位發(fā)熱量和低位發(fā)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(nèi)筒中水介質(zhì)溫度的升高數(shù)值，并在對點(diǎn)火熱、冷卻校正值進(jìn)行校正后完成對彈筒內(nèi)煤炭發(fā)熱量的測量。

1.2 量熱儀

量熱儀為當(dāng)前應(yīng)用于測定煤炭、石油等能源發(fā)熱量的主要設(shè)備，該設(shè)備的精度和操作的便捷性直接決定煤炭發(fā)熱量的測定精度和效率。根據(jù)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(jié)構(gòu)主要包括燃燒氧彈、試樣點(diǎn)火裝置、攪拌器、溫度測量控制系統(tǒng)、溫度傳感器、內(nèi)筒、外筒以及水介質(zhì)等。水循環(huán)系統(tǒng)為量熱儀測定煤炭發(fā)熱量的關(guān)鍵分系統(tǒng)，通過測定水循環(huán)系統(tǒng)水溫變化，換算得到測定煤炭的發(fā)熱量[2]。需要注意的是，在實(shí)際測定過程中需根據(jù)循環(huán)水水箱水位變化情況進(jìn)行及時補(bǔ)水操作。量熱儀水循環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 量熱儀水循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 影響煤炭發(fā)熱量測定精度的因素分析

煤炭發(fā)熱量的測定精度直接決定于煤炭稱量的準(zhǔn)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(biāo)定、環(huán)境溫度、內(nèi)筒的水量、充氧量等均會影響煤炭發(fā)熱量的測定結(jié)果。

1) 為保證熱容量標(biāo)定值的準(zhǔn)確度，試驗(yàn)中常通過5次重復(fù)實(shí)驗(yàn)對其進(jìn)行標(biāo)定，且最終標(biāo)定結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行重新標(biāo)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(yù)熱30 min；定期采用1 g的砝碼對電子天平進(jìn)行校準(zhǔn)，確保其誤差值不超過0.5 mg；

3) 發(fā)熱量測定環(huán)境的溫度將直接影響量熱儀外筒內(nèi)水文的穩(wěn)定性，進(jìn)而影響冷卻校正值。因此，一般在煤炭發(fā)熱量測定實(shí)驗(yàn)室中裝空調(diào)，保證實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的溫度在標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的15 ℃～30 ℃，同時，保證實(shí)驗(yàn)室內(nèi)無強(qiáng)對流空氣的出現(xiàn)，避免陽光直接照射量熱儀；

4) 本實(shí)驗(yàn)所采用量熱儀為型號5E-KC自動量熱儀，根據(jù)設(shè)備使用規(guī)范將其內(nèi)筒的水量控制在2 L～3 L，并根據(jù)水量實(shí)際減少情況，適當(dāng)?shù)卦黾?.5 L～1 L的循環(huán)水；保證量熱儀內(nèi)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(nèi)的充氧條件。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，要求彈筒內(nèi)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(fā)熱量測定實(shí)驗(yàn)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為本次煤炭發(fā)熱量測定實(shí)驗(yàn)單獨(dú)準(zhǔn)備一間房間，并在其房間內(nèi)裝空調(diào)，將其室內(nèi)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(shí)驗(yàn)期間，該實(shí)驗(yàn)室的門窗均為關(guān)閉狀態(tài)，避免受到強(qiáng)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(shí)驗(yàn)所采用的設(shè)備及相關(guān)材料的參數(shù)如表1所示。

表1 煤炭發(fā)熱量測定實(shí)驗(yàn)設(shè)備及材料統(tǒng)計(jì)

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

3.2 實(shí)驗(yàn)步驟

按照順序?qū)?shí)驗(yàn)相關(guān)設(shè)備的電源接通，并進(jìn)入開始測試的狀態(tài)；將電子分析天平預(yù)熱30 min后，稱質(zhì)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(diǎn)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(nèi)充入氧氣，保證氧彈內(nèi)壓力保持在2.8 MPa～3 MPa；待一切準(zhǔn)備就緒后，蓋好上蓋，開始實(shí)驗(yàn)。

值得注意的是，在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后觀測氧彈內(nèi)是否有煤炭試樣濺出或存在碳黑的現(xiàn)象，若有上述現(xiàn)場應(yīng)重復(fù)上述步驟重新實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)完成后應(yīng)將氧彈內(nèi)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(xù)使用。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.3.1 量熱儀熱容量標(biāo)定結(jié)果分析

通過控制實(shí)驗(yàn)室的溫度，分析在不同環(huán)境溫度下所得量熱儀熱容量的標(biāo)定結(jié)果是否準(zhǔn)確。本次實(shí)驗(yàn)分別對15、17、19、21、23、25、27、29 ℃下量熱儀的熱容量進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果如表2所示。

表2 不同環(huán)境溫度下量熱儀熱容量的標(biāo)定結(jié)果

根據(jù)表2中所標(biāo)定的量熱儀的熱容量值對三種煤樣的發(fā)熱量進(jìn)行反復(fù)測定。經(jīng)測定可知，在不同環(huán)境溫度下3種煤樣發(fā)熱量的測定值不同，且各個煤樣的發(fā)熱量均在絕對誤差范圍之內(nèi)，即證明對量熱儀熱容量的標(biāo)定結(jié)果是正確的。因此，驗(yàn)證了環(huán)境溫度可影響對量熱儀熱容量標(biāo)定的精度，進(jìn)而影響煤炭發(fā)熱量的測定精度。

3.3.2 測量次數(shù)對發(fā)熱量測定結(jié)果的影響

在上述量熱儀熱容量標(biāo)定結(jié)果的基礎(chǔ)上，將室溫設(shè)定為21 ℃，驗(yàn)證不同測量次數(shù)下所得煤炭發(fā)熱量的測定結(jié)果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同測量次數(shù)下發(fā)熱量的測量值

如圖2所示，隨著測量次數(shù)的增加對應(yīng)煤炭發(fā)熱量的測定值偏高，導(dǎo)致該現(xiàn)象的主要原因?yàn)?，隨著測量次數(shù)的增加，量熱儀外筒的水溫逐漸上升，導(dǎo)致內(nèi)筒水溫也相應(yīng)的增大，從而導(dǎo)致最終發(fā)熱量測定值偏大。

4 結(jié)語

煤質(zhì)檢驗(yàn)為對煤炭相關(guān)參數(shù)測定的環(huán)節(jié)，根據(jù)煤質(zhì)檢驗(yàn)結(jié)果可綜合判定煤炭的價(jià)格和適用范圍。因此，精確實(shí)現(xiàn)對煤質(zhì)的檢測是十分重要的。本文著重對影響煤炭發(fā)熱量測定精度的因素進(jìn)行分析，并得出如下結(jié)論：

1) 為保證煤炭發(fā)熱量的測定精度應(yīng)定期對量熱儀的熱容量進(jìn)行標(biāo)定，且盡可能保證發(fā)熱量測定時環(huán)境溫度與量熱儀熱容量標(biāo)定時的環(huán)境溫度一致；

2) 當(dāng)量熱儀測定次數(shù)超過10次以上后，需對設(shè)備進(jìn)行散熱處理，避免由于測定次數(shù)過多導(dǎo)致發(fā)熱量的測定值偏大。