关于《燃煤助燃剂助燃效果评价方法》国标修订建议

蔡志丹，安 莉

(1.煤炭科学技术研究院有限公司 煤化工分院，北京 100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家 重点实验室，北京 100013；3.煤炭工业节能监测中心，北京 100013)

0 引 言

2018年我国煤炭产量36.8亿t，全国煤炭消费量同比增长1%，据测算电力行业用煤占比约57%，钢铁、建材、化工用煤占比约38%[1]。煤炭燃烧利用占煤炭消费量比重高于80%，燃烧利用仍然是中国煤炭利用的主导方式，包括大规模发电、分散式工业及民用燃料[2]。我国燃煤发电基本上实现超低排放，可以达到天然气燃烧发电的热效率水平[3]；在用燃煤工业锅炉多数为链条炉，平均热效率不到70%，应加大发展燃煤工业锅炉技术[4-5]；已经发布民用煤质量的国家标准，民用煤的煤质及其燃烧后污染物的排放情况受到关注，但民用煤燃烧热效率监测仍未形成统一的标准，难以获取民用煤燃烧的能效数据[6-9]。

燃煤工业锅炉和民用煤燃烧领域的技术和装备仍需发展，煤炭催化燃烧是提高煤炭燃烧热效率、降低大气污染物排放的有效途径之一[10-15]。燃煤助燃剂能在一定程度上降低煤炭着火点温度，加快煤炭燃尽速率，降低灰渣残碳含量，有些产品还能起到一定程度的固硫和脱氮的效果。为了科学评价燃煤助燃剂的应用效果，提高煤炭的燃尽率，国家质量监督检验检疫总局和国家标准化管理委员会于2014年12月22日发布了GB/T 31097—2014《燃煤助燃剂助燃效果评价方法》的国家标准，并于2015年6月1日实施。该标准实施以来对于规范燃煤助燃剂的应用起到了指导性作用，随着检验检测技术和设备的不断进步，该标准中的燃烧样品质量的确定、燃烧终温计算方法、残渣碳含量测定方法等内容已经不适用燃煤助燃剂的助燃效果评价，因此在分析该标准方法适用性的基础上，结合本实验室燃煤助燃剂助燃效果评价的试验结果，提出对该标准的几点修订建议，为助燃剂的应用以及燃煤工业锅炉和民用煤燃烧领域的节能研究提供参考。

1 现行标准评价方法的适用性分析

(1)总体分析。《燃煤助燃剂助燃效果评价方法》适用于褐煤、烟煤和无烟煤添加助燃剂后助燃效果的评价，规定或引用了残碳率、燃煤助燃剂、助燃效果、燃烧终温、残碳差值和基线6个术语和定义。主要评价方法为:煤样在低于完全燃烧温度的高温下燃烧，在同一燃烧终温下，根据添加助燃剂前后煤样燃烧的残碳率计算残碳差值，并以残碳差值作为评价助燃剂助燃效果的指标。该标准总体上对燃煤助燃剂的助燃效果进行科学评价，可作为工业领域助燃剂应用研究的基础分析方法。

(2)试验设备适应性。燃煤助燃剂助燃效果评价试验使用的主要设备有热重分析仪和元素分析仪。近年来，热重分析仪的称量精度和控温精度变化不大，元素分析仪由传统的三节炉法向自动仪器法升级，提高自动化水平，减少样品的进样质量，可确保测试准确度。现行标准中残渣碳含量测定方法应修订成可以使用仪器法测试碳含量，满足实验室的设备使用现状。

(3)试验方法适用性。现行标准的试验方法通过原煤在1 300 ℃的燃烧试验后，根据样品燃烧剩余质量百分数，确定4个燃烧终温温度点，然后再分别进行该4个燃烧终温温度点为终温的原煤燃烧试验和添加助燃剂后煤样的燃烧试验。受原煤煤阶程度及助燃剂添加量的影响，添加助燃剂后煤样的着火点、燃尽速率以及燃尽率存在差异。如果助燃剂添加量过大，添加助燃剂后煤样的着火点会降低，燃尽率较高，残渣的碳含量较低，有时甚至低于1%，碳含量检验检测的重复性往往不能满足标准0.50%的规定，也超出元素分析仪的测试范围；同时残渣的测试值不在煤炭标准物质的测定值的区间内，不能保证碳元素测试的准确性。因此，现行标准中4个燃烧终温温度点的确定方法亟需修订。

(4)评价指标适用性。现行标准以不同燃烧终温下的残碳差值作为评价助燃剂助燃效果的指标，残碳差值的重复性限为1.00%。热重分析法是目前研究燃煤助燃剂比较普遍的方法，残碳值是表征煤炭燃烧程度的指标之一，使用残碳差值来评价助燃剂助燃的效果，可以最大程度减少不同煤阶煤质的差异性，降低助燃剂不同添加方式的影响，该评价指标具有较好的适用性。

2 对现行标准的修订建议

结合燃煤工业锅炉和民用煤燃烧领域的现状，基于分析现行标准应用的设备、试验方法和评价指标的适用性，依据实验室多年的分析试验，研究了残渣碳含量测定方法、燃烧样品质量的确定以及终温温度计算方法，提出对该标准的修订建议。

2.1 残渣碳含量测定方法

目前碳含量的测定方法主要有三节炉法和仪器法，《燃煤助燃剂助燃效果评价方法》标准中采用三节炉法测定残渣碳含量，下文从样品均匀性和测定重复性分析残渣碳含量测定方法。

(1)样品均匀性。原煤燃烧试验和添加助燃剂后煤样的燃烧试验的反应终温一般低于样品燃尽温度的100 ℃～200 ℃，燃烧反应料层厚度约在4 mm。受燃烧反应终温和介质传热影响，煤炭小颗粒的燃烧程度不同，残渣小颗粒的燃尽均一性较差，分布在表面的小颗粒燃烧得相对充分，内部小颗粒燃烧得相对不充分；若燃烧反应终温较低则残渣中可视到黑色的未燃尽煤炭颗粒。三节炉法测定碳含量标准进样质量为0.2 g，仪器法测定碳含量标准最低进样质量为0.07 g，是三节炉法标准进样质量的35%，受煤炭灰分和燃烧温度影响，热重燃烧试验后残渣的质量一般不会超过0.1 g。鉴于残渣均一性较差，碳含量测试样品质量较低且不容易混合均匀，实验室一般会将热重燃烧试验的残渣混合搅拌后全部进样进行碳含量测定，以保证样品均匀性。从较少次数的热重燃烧试验即可提供足够量的残渣样品考虑，仪器法要优于三节炉法。

(2)测定重复性。三节炉法和仪器法对于碳含量测定的重复性限要求都为0.50%，本实验室采用两种测试方法进行碳含量测定的重复性对比，结果如图1所示。从图1中可看出，不同碳含量样品测定结果的重复性呈随机分布，三节炉法和仪器法测定碳含量结果的重复性都能满足标准要求。

图1 2种测试方法测定碳含量的重复性对比图Fig.1 Comparison of the repeatability of carbon content measured by two methods

2.2 燃烧样品质量的确定

根据煤样的粒度大小，通过多级破碎和缩分制备一般分析试验煤样，其煤样质量应不少于100 g，粒度应小于0.2 mm。《燃煤助燃剂助燃效果评价方法》标准中规定进行燃烧试验的样品质量为0.25 g，一次热重燃烧试验收集的残渣质量一般无法满足碳含量测定的试样质量要求，通常需多次试验才能制备出满足元素分析仪进样质量要求的残渣。

本实验室经过多次试验研究，发现煤的变质程度和灰分不同时，燃烧试验获取的残渣质量差异性较大。分析了4种不同变质程度煤的燃烧试验样品质量特征，见表1。从表1中可看出，四种样品燃烧剩余百分数接近灰分含量，第一燃烧终温温度点下煤样基本燃尽，燃烧试验进行多次才能满足残渣碳含量三节炉法测定需要。由于燃烧试验受坩埚容量限制，燃烧试样的质量不能超过0.3 g，燃烧试验进行的次数增多，延长了燃煤助燃剂评价试验周期。采用仪器法测定残渣碳含量比三节炉法降低2次至5次燃烧试验，建议将《燃煤助燃剂助燃效果评价方法》标准中规定测定残渣碳含量方法修订为仪器法，并且规定热重燃烧试验的最低实验次数，确保数据准确性的同时提高试验测试效率。

表1 不同变质程度煤的燃烧试验样品质量特征Table 1 Quality characteristics of combustion test samples of different rank coal

2.3 终温温度计算方法

在空气条件下，煤炭燃烧剩余百分数接近煤的空干基灰分值，按照《燃煤助燃剂助燃效果评价方法》标准中空干基灰分值的1.11倍确定温度为Tb时样品燃烧剩余百分数αTb，以接近Tb且为50整倍数的温度点作为第一燃烧终温温度点T1。第一燃烧终温温度点与煤炭的燃尽温度较为接近，一般不会超过50 ℃，煤炭在第一燃烧终温温度点T1基本燃烧充分，残渣的碳含量大多在10%以下，添加助燃剂燃烧后残渣的碳含量甚至会低于5%。在碳含量测定试验前校准仪器所用标准煤样碳含量的认定值要求要跟测试的样品值接近，如果测试样品碳含量低于50%时，可以通过改变标准物质的称样量来标定仪器，往往其质量会低于0.02 g，增加了标准煤样测定值的误差。同时由于残渣的质量较低，均匀性不好，低碳含量测定的重复性和准确性不佳。

以下分析了几种煤样及其添加助燃剂燃烧后的残渣在不同燃烧终温温度点下的碳含量，如图2所示，可以看出第一燃烧终温温度点T1燃烧后残渣的碳含量基本上都在10%以下，样品ZRPJ5和ZRPJ8添加助燃剂燃烧后残渣的碳含量低于1%，增加了碳含量测定的不确定性。

图2 样品残渣在不同燃烧终温温度点下的碳含量分布Fig.2 Distribution of carbon content of residue sample at different combustion terminal temperatures

由于将不同燃烧终温下的残碳差值作为评价助燃剂助燃效果的指标，4个燃烧终温温度点仅为试验条件，为了确保碳含量测定结果的有效性，应当修订终温温度计算方法。建议在现行标准的基础上降低燃烧终温的参考值，当原煤的燃尽温度大于1 000 ℃时，燃烧终温的参考值在空气干燥基灰分1.11倍的基础上降低50 ℃；当原煤的燃尽温度不高于1 000 ℃时，燃烧终温的参考值在空气干燥基灰分1.11倍的基础上降低100 ℃。以下对比了样品按照现行标准和该文建议方法的第一燃烧终温温度点及其燃烧后残渣碳含量的差异性，见表2。从对比结果可以看出，采用该文建议方法确定第一燃烧终温温度点及燃烧后残渣的碳含量都大于5%，基本上可以保证碳含量测定结果的有效性。

表2 现行标准和该文建议方法样品的燃烧终温及残渣碳含量的对比Table 2 Comparison of end-combustion temperature and carbon content of residue of samples between the current standard and the proposed method

3 结 论

通过对《燃煤助燃剂助燃效果评价方法》国家标准方法适用性的分析，结合实验室燃煤助燃剂助燃效果评价的试验研究，提出对该标准的三点修订建议，希望为助燃剂的应用以及燃煤工业锅炉和民用煤燃烧领域的节能减排研究提供参考。

(1)通过对残渣试验样品均匀性和测定重复性分析，仪器法测定残渣碳含量优于三节炉法，重复性也满足要求，应将残渣碳含量测定方法修订为仪器法。

(2)从燃烧样品质量和残渣碳含量测定样品质量考虑，在保障数据准确性的同时，应规定热重燃烧试验的最低实验次数，缩短燃煤助燃剂评价试验周期，提高燃煤助燃剂评价试验效率。

(3)应当修订终温温度计算方法，建议在现行标准的基础上降低燃烧终温的参考值100 ℃或50 ℃，使各种残渣中的碳含量不低于5%，确保碳含量测定结果的有效性。