煤中全水分的测定方法及仪器的改进

黄炜

（福建省锅炉压力容器检验研究院 南平分院，福建　南平　353000）

0 引言

煤中全水分包括外在水分和内在水分，不包括化合水分。外在水分存在于煤的表面，主要是采煤、运输、保管过程中，附着于煤粒表面的外来水分，雨水等。内在水分是附吸于煤粒内部的水分,内在水分的含量和煤粒的组成结构有关，内在水分不易消失，其蒸发需要较高的温度。化合水分是煤中矿物质的结晶水，这种水分含量很少，需要蒸发温度高，不易测定，在工业分析中一般都不分析化合水分[1]。煤中水分不仅会影响锅炉运行稳定性和燃烧效率，而且与其加工利用、贸易、储运等方面都密切相关，是一个重要的计质计量指标。煤中全水分以实际收到的水分为基准，即收到基水分，以字母Mar代表。在检测活动中报出的收到基灰分、挥发分、低位发热量等一系列结果都是通过收到基水分换算得来的，如果全水分没有测准，对化验室报出的其他结果会造成不同程度的偏差，所以得到准确可靠的全水分测定结果至关重要。本文针对煤中全水分传统测定过程中（GB/T211-2007法）存在测定效率低、误差大、准确可靠性低等问题，采取适当提高干燥温度、适当减小煤样粒径、消除热浮力作用等措施，研究改进测定方法和仪器，对今后的全水分测定工作有重要的意义。

1 煤中全水分测定方法的改进

1.1 两种方法的比较

传统方法按GB/T211-2007中规定：步骤一，在预先干燥和已称量的浅盘内称取＜13 mm的煤样（500±10）g，于40℃干燥箱中连续干燥1h，进行检查性干燥，直到质量变化不超过0.5 g，将干燥后的煤制成空干基分析样；步骤二，在预先干燥和已称量的浅盘内称取＜13 mm的煤样（500±10）g，放入预先加热到（105-110）℃的干燥箱中，在鼓风条件下烟煤干燥2 h，无烟煤干燥3h，将浅盘取出趁热称重，进行检查性干燥，每次30 min，直到质量变化不超过0.5 g，计算出全水分[2-3]。

改进方法：称取＜6 mm的煤样（500±10）g，于50℃干燥箱中连续干燥1 h，进行检查性干燥，直到质量变化不超过0.5 g，计算出外水分；再将干燥箱提升至125℃进行干燥1 h，按每次10 min进行检查性干燥，直到质量变化不超过0.5 g，计算出内水分，最后根据所测的内、外水分得出全水分。

根据上述将两种方法的主要差别归纳成表1：

表1 以测定同一无烟煤煤样全水分为例

对主要差别项进行分析比较：

（1）从煤样粒度来看，改进法要比GB/T211-2007法干燥效率高。因为在相同温度下，干燥速率随煤样粒径增大而减小，粒径越大水分扩散到颗粒表面的路径变长，扩散过程中阻力增大。对不同粒度的白源矿烟煤在相同干燥温度下进行实验，粒度小于6 mm的比粒度小于13 mm的干燥效率更好：

（2）从干燥温度来看。对干燥过程进行热能动力学分析，干燥过程的驱动力在宏观上表现为煤样和周围空气的平衡水分压力差。煤样表面的空气随着温度的升高相对湿度降低，平衡水分的压力差值增大，干燥的驱动力增大，干燥速率增大。对相同粒度白源矿烟煤在不同干燥温度下进行实验，干燥温度为50℃/125℃时干燥效率更好：结合煤的氧化特性，进行干燥温度可行性分析。煤的氧化气体产率与煤温成正相关关系，煤温越高氧化越剧烈，产生气体浓度越高。对褐煤、烟煤、无烟煤在氧化模拟实验过程中生成气体的浓度进行分析，煤温0-50℃阶段均未测出氧化气体，50-125℃阶段仅有微量CO，一般不超过300×10-6-400×10-6，当煤温高于125℃后CO浓度增长的速度越来越快，表明氧化反应越来越剧烈，说明125℃是煤氧化的拐点温度。当煤温低于150℃时基本检测不到C2H4和C2H6，文献也得到类似结论。因此改进法提高干燥温度至125℃并不会引起煤样的变质，是可行的。

（3）从烘干时间角度看，改进法显然要比GB/T211-2007法短许多。以对同一种煤样（江西萍乡矿无烟煤）进行全水分测定实验为例，用GB/T211-2007法测定16组，平均用时6.38 h。用改进法测定16组，平均仅用时2.85 h。综上，改进法在不引起煤样氧化变质的前提下，干燥温度提高至50℃/125℃可行，干燥所用时间短，测定工作效率大幅提高。

1.2 实验结果与方差分析[4]

分别用GB/T211-2007法和改进法对同一煤样全水分进行多次重复测定，煤样为江西萍乡矿无烟煤，实验结果见表2：

图1 不同粒径煤样在相同温度下的干燥曲线

图2 相同粒径煤样在不同温度下的干燥曲线

图3 CO浓度随温度变化规律曲线

图4 实验室仪器布置图

由概率统计基础知识可知，先设两种方法分别测得的两组总体是相互独立的正态总体，它们的方差相等，则它们的样本方差比的分布是自由度为16的F分布。由表2可得这两组样本的均值和样本的方差：X1=8.75%，S12=0.00269，X2=8.68%，S22=0.00301。

查t分布表得到t0.95,30=1.697，因t＜t0.95,30，所以判定在95%的置信度下两种测定方法的结果无明显差异。因此，在两种测定方法无明显差异的情况下，采用改进法会更省时省力，提高工作效率。

2 测定仪器的改进

（1）两种仪器的比较。传统检测仪器设备主要是烘箱和天平，由人工将干燥后的煤样取出，再放在天平上称重，读出重量手工记录。改进后的仪器（见图4），是以南通三思科技有限公司的YG777型烘箱为模板进行改造和完善，特点是在干燥箱的上方加装电子天平和自动挂篮机构，通过外部电脑控制实现自动称量全过程，干燥后的煤样在烘箱里就直接被称重，克服取出称重时煤样吸收空气中水分所带来的误差，提高了准确性。实验可得出内、外水分和全水分，测定结果自动输入电脑并保存。

（2）改进仪器减小了系统误差，结果数据更准确、可靠。GB/T211-2007分析中的误差主要来源于系统误差，是由仪器、测定方法、环境误差造成的，采用改进仪器可将这些误差大幅减小：①GB/T211-2007中“将浅盘取出趁热称重”的方法误差。把干燥后的煤样从（105-110）℃的干燥箱中取出趁热称重，高温煤样表面和间隙中的空气密度较低，与其周围环境产生热浮压差，受热浮力的托举作用煤样的称重值偏小，测定值偏大。而改进仪器的高温煤样在烘箱里就直接被称重，不产生热浮力作用，不影响称重结果和测定值。②改进仪器规避了环境误差。环境误差是由于环境变化时对化验结果产生的影响。高温煤样从干燥箱中取出称重时，周围环境的相对湿度迅速变化是造成称重误差的主要因素。南方地区由于空气湿度高，尤其是春夏季节，从烘箱中取出的煤样很容易受到空气湿度的影响，吸收了一部分的水分之后就会导致最后测出的结果偏小。改进仪器改善了这一情况，在称重过程中不会有环境误差产生[5-6]。

（3）改进仪器操作方便、自动化程度高，改善实验室工作条件。使用传统仪器过程中，人工将干燥后的煤样取出，再放在天平上称重，读出重量手工记录和计算，进行检查性干燥仍需反复数次，这样做费时费工。而化验员使用改进仪器只需设置好干燥温度、时间和检查性干燥时间等参数，仪器便可自动完成测定全过程[7]，并将测定结果自动导入电脑，化验员可以不必呆在那儿反复打开烘箱取出样品来称重，降低了劳动强度，改善了工作环境[8-11]。

表2 用两种方法对同一煤样全水分分别进行16次重复测定

3 结语

本文针对传统测定方法和仪器存在效率低、误差大的问题，提出对测定方法和相应仪器进行改进，得出以下结论：①利用概率统计学知识对改进方法的实验结果进行方差分析和计算，证明了改进方法的合理性。②采用热能动力学进行分析，为提高干燥过程的驱动力，可以适当提高干燥温度。③为减少煤中水分子的扩散阻力，可以适当减小煤样粒径，从而提高干燥效率。④GB/T211-2007测定方法会导致产生热浮力作用，引起称量误差，采用改进仪器可以消除该误差，使测定结果更准确可靠。⑤采用改进仪器，干燥后的煤样在烘箱里就直接被称重，克服取出称重时煤样吸收空气中水分所带来的误差，提高实验准确性。⑥改进仪器大大改善实验室条件，自动化程度高，操作方便快捷。

参考文献：

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