影响煤炭发热量测量的常见因素分析

2019-10-23郝飞

煤质技术 2019年5期

郝飞

(神华包头能源有限责任公司运销处，内蒙古包头 014010)

发热量是单位质量的煤炭燃烧后所释放的热量，其为煤炭质量的重要评价指标，受到煤炭形成条件、煤炭组成等多方面因素的影响，其测定的准确性也受到很多外界因素的影响[1-16]。煤炭形成条件等外部因素在不同地区、不同煤种之间存在较大的差异，不易通过试验获得。煤炭组成对发热量具有决定性的影响。在国标规定的条件下，分别制备不同组成成分的试样，通过试验测定多个不同含量的硫分、水分、灰分和碳含量对煤炭发热量的影响，收集试验数据，绘制影响曲线，为分析煤炭发热量测定的影响因素提供参考。

1 样品准备

1.1 制样材料

分别选取煤样A、B和C 3个不同煤样，水分含量均约为10%，灰分约为10%，硫分含量为0.6%左右。煤样A碳含量50%～55%，煤样B碳含量65%～70%，均为烟煤；煤样C碳含量约80%，为无烟煤。其他煤样制作材料包括蒸馏水、分析纯碳粉、完全灰化后的煤灰和分析纯硫磺。

1.2 样品制备

按照GB 474—2008煤样的制备方法，从700 g以上煤样(粒度<3 mm)中缩分出100 g以上品质分析样，再研磨至粒度0.2 mm以下的煤样。此试验共制备3种样品，粒度均小于3 mm。

从煤样品A中缩分出1 200 g样品，粒度<3 mm，全部研磨至粒度<0.2 mm，在空气中进行干燥。使用自动分样仪将干燥后的样品均分成50份以上，每份样品质量精确控制在20.0 g。

从煤样品B中缩分出粒度<3 mm的550 g样品，全部研磨至粒度<0.2 mm，在空气中进行干燥。使用自动分样仪将干燥后的样品均分成25份以上，每份样品质量精确控制在20.0 g。

从煤样品C中缩分出550 g样品，粒度<3 mm，全部研磨至粒度<0.2 mm，在空气中进行干燥。使用自动分样仪将干燥后的样品均分成25份以上，每份样品质量精确控制在20.0 g。

从煤样A、B和C中分别选取1份样品进行硫分、水分、灰分和碳含量的检测并进行记录。使用蒸馏水、分析纯碳粉、完全灰化后的煤灰和分析纯硫磺，按比例人工添加至煤样，对所选煤样的硫分、水分、灰分和碳含量进行调整，以满足试验要求。

2 发热量测定的影响因素研究

煤炭发热量的影响因素很多，包括煤炭的形成条件、组成成分等，而煤炭组成成分主要包涵硫分、水分、灰分和碳含量等。与其他外部因素相比，煤炭组成成分对发热量影响更具有研究价值。通过在制样过程中对不同煤样的硫分、水分、灰分和碳含量进行调整，对此4个组分进行煤炭发热量的影响试验。通过对试验结果进行分析，可掌握各组分对煤炭发热量的影响，也可对不同煤样的发热量大小进行判断。

2.1 水分含量对煤炭发热量的影响

选取已知热容量的热量计，并检查保证热容量在有效期内。从煤样A中选取5份样品作为试验对象，通过添加蒸馏水调整样品的水分含量，每份样品取1.0 g进行试验。检测结果详见表1，水分对煤炭发热量的影响曲线如图1所示，其中ΔT为试验过程中热量计内水温的变化值。

表1 不同水分含量煤样所测得的发热量

图1 水分对煤炭发热量的影响曲线

由于全水分试验无法进行煤炭发热量测定，此试验煤炭中的水分所指空干基水分。通过对表1数据和图1曲线分析可知，煤炭发热量随着煤炭中空干基水分的增加而减小。主要由于水分在煤炭中为无用的组成部分，在煤炭燃烧过程中会吸收热量蒸发，而煤样中水分含量的增大会直接降低煤炭中有机物的含量。另外，煤炭中的结合水需要吸收较多的热量方可释放，因而也会降低煤炭的发热量。

从图1所示曲线分析可知，煤炭的水分含量与发热量呈线性关系，根据表1中所列数据进行线性拟合，以(x)表示水分含量，以(Y)表示发热量，得出水分含量与发热量的线性关系式如下:

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

另外，对同一个煤炭样品来说，也不能绝对认为水分越高发热量越低。煤炭收到基低位发热量重要指标的影响可通过计算确定，计算公式如下:

式中，Qnet,ar为收到基低位发热量，J/g；Qnet,ar为空干基高位发热量，J/g；Had为空干基氢含量，%；Mt为全水分，%；Mad为空干基水分，%。

从上式可知，对同一样品来说，随着全水分含量的增加煤炭的收到基低位发热量降低。研究表明:全水分含量每增加1%，煤炭的收到基低位发热量就会降低约260 J/g。因此应尽量避免在雨天装卸煤炭，不得在雨天取样。此试验所选试样是空干基煤样，与以上结论并不产生冲突，试验结果证明随着水分含量的增加空干基高位发热量会下降。

2.2 碳含量对煤炭发热量的影响

选取已知热容量的热量计，并检查保证热容量在有效期内。从煤样A中选取5份样品作为试验对象，通过人工操作调整样品的碳含量，每份样品取1.0 g进行试验。检测结果详见表2，碳对煤炭发热量的影响曲线如图2所示，其中ΔT为试验过程中热量计内水温的变化值。

表2 不同碳含量煤样所测得的发热量

图2 碳含量对煤炭发热量的影响曲线

碳是煤炭中的重要组成部分，其为煤炭中最重要的可燃物质，煤化程度越高则碳含量越高。通过对表2数据和图2曲线分析可知，煤样中碳含量低于75%时，随着碳含量的增加则发热量不断增加，且二者呈线性关系。根据表2中所列数据进行线性拟合，以x表示水分含量、Y表示发热量，得出碳含量与发热量的线性关系式如下:

Y=109.5x+965.3R=0.998 9

碳是煤炭的重要组成部分，所占的比例最高，因此选择碳含量作为计算参数所得出的线性公式为准确可靠。然而并非所有煤炭的碳含量和发热量都满足以上线性关系。按相同的方法从样品C中选取试验样品，控制碳含量在85%以上，试验检测结果见表3，碳对煤炭发热量的影响曲线如图3所示。

表3 不同碳含量(85%以上)煤样所测得的发热量

图3 碳含量(85%以上)对煤炭发热量的影响曲线

煤炭发热量的来源主要是碳燃烧所产生的热量，还包括煤炭中氢燃烧所产生的热量。随着煤化程度的加深，煤中氢含量不断下降，其中泥炭中氢的含量最高，其次为褐煤、烟煤，无烟煤氢含量最低(仅为0.5%～4.0%)。当煤中碳含量超过85%时，其氢含量大幅降低，随着碳含量的增加其发热量反而下降，在无烟煤中此特性较明显。

2.3 灰分对煤炭发热量的影响

选取已知热容量的热量计，并检查保证热容量在有效期内。从煤样B中选取5份样品作为试验对象，通过人工操作调整样品的灰分含量，每份样品取1.0 g进行试验。检测结果详见表4，灰分对煤炭发热量的影响曲线如图4所示，其中ΔT为试验过程中热量计内水温的变化值。

灰分是煤在规定条件下燃烧后得到的残留物，是煤炭中矿物质经过一系列复杂的物理化学作用而得到。灰分的产率与矿物质含量存在一定的关系，可通过对煤炭燃烧后的灰分来分析煤炭中矿物质的含量。

表4 不同灰分含量煤样所测得的发热量

图4 灰分含量对煤炭发热量的影响曲线

通过对表4数据和图4曲线进行分析，得出随灰分含量的增加，煤炭发热量不断降低，且呈现一定的线性关系，以x表示灰分含量，Y表示发热量，经线性拟合后得出以下关系曲线:

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

与水分相同，灰分在煤炭中也属于无用的组成部分。随着灰分含量的增加，煤中有机物含量不断下降，煤炭燃烧后发热量也不断下降。同时，煤炭燃烧后产生大量灰分，造成排渣量增加，也造成煤炭发热量下降。试验证明:灰分含量每增加1%，煤炭发热量会减少209.3 J/g～334.9 J/g。另外，随着灰分含量的增加，煤炭的均匀性也会变差，因此灰分将直接影响发热量试验的重复性，降低检测结果的准确性。

2.4 硫分对煤炭发热量的影响

选取已知热容量的热量计，并检查保证热容量在有效期内。从煤样B中选取5份样品作为试验对象，通过人工操作调整样品的硫分含量，每份样品取1.0 g进行试验。检测结果详见表5，硫分对煤炭发热量的影响曲线如图5所示，其中ΔT为试验过程中热量计内水温的变化值。

表5 不同硫分含量煤样所测得的发热量

图5 硫分含量对煤炭发热量的影响曲线

通过对表5数据和图5曲线走势进行分析，得出随着硫分含量的增加，发热量不断降低，当降低的幅度很小。数据显示，硫分含量从0.60%增加到1.00%，煤炭发热量只降低了33.49 J/g，说明随硫分的变化煤炭发热量变化幅度较小。

煤中硫分在参与燃烧后大部分生成二氧化硫，少部分进一步转化生成三氧化硫。三氧化硫和煤炭燃烧后产生的烟气反应生产硫酸，低温状态下硫酸变成酸雾。硫酸在大气中形成酸雨，对周边环境形成严重危害。另外，二氧化硫与空气中的物质进一步反应产生三氧化硫，进而形成酸雾或酸雨。

若含硫量较大的煤炭用于电厂发电，由于煤炭后燃烧的煤灰熔融温度会下降，进而加剧锅炉结渣，也会造成输煤管道和磨煤机内部金属部件的腐蚀破坏。另外，含硫量高的煤炭在存放过程中会产生二氧化硫，溶于水后进一步产生亚硫酸并释放出大量的热量，导致煤堆温度升高，严重时造成煤堆自燃，直接影响电厂运营安全。因此，硫分是煤炭中的有害物质，煤炭中硫对煤炭发热量影响较小，但对周边环境影响较大。