康 菲 楊常青 陳海林

(1. 中國檢驗認證集團河北有限公司唐山港分公司，河北省唐山市，063600； 2.內(nèi)蒙古出入境檢驗檢疫局，內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市，010020)

煤的發(fā)熱量是煤炭分類及煤質(zhì)分析的重要指標，也是熱工計算的基礎。在煤的燃燒或轉(zhuǎn)化過程中，常用發(fā)熱量進行熱平衡、熱效率和耗煤量計算，并以此進行設備的選型或燃燒方式選擇，因此，準確測定煤的發(fā)熱量具有重要意義。無煙煤是煤化程度最高的一類煤，具有固定碳高、燃點高等特點，測定無煙煤尤其是年老無煙煤(也稱無煙煤一號，Vdaf≤3.5%，Hdaf≤2.0%)的發(fā)熱量時，經(jīng)常會出現(xiàn)因為燃燒不充分而導致結(jié)果偏低，不能真實反映煤炭的真實品質(zhì)，目前常采用包擦鏡紙、墊石棉絨、摻苯甲酸以及減小樣品量等方法來解決這個問題。但是，這些方法都存在不同方面的缺點，例如包擦鏡紙法和摻苯甲酸法操作繁瑣，結(jié)果計算十分復雜；墊石棉絨法不僅操作復雜，而且石棉絨粉塵在空氣中會污染環(huán)境，吸入人體或直接接觸對人體有一定危害；減少樣品量會導致樣品代表性變差。在大多數(shù)情況下即使使用這些方法也并不能促進樣品完全燃燒。

根據(jù)之前采用氧彈燃燒法來測定煤炭中汞含量的研究結(jié)果，本試驗采用多次充氧法提高氧彈內(nèi)氧氣含量來測定無煙煤的發(fā)熱量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該方法可以有效地促進樣品燃燒分解，不僅可以得到較為準確的數(shù)據(jù)，而且具有步驟簡化、計算簡單、試驗成功率高、重復性好等優(yōu)點，可作為準確測定無煙煤的彈筒發(fā)熱量的代替方法。

1 試驗部分

1.1 儀器與試劑

試驗采用湖南三德科技股份有限公司生產(chǎn)的型號為SDC5015的自動量熱儀，中國計量科學研究院生產(chǎn)的苯甲酸(GBW(E)130035)，天津大茂化學試劑廠生產(chǎn)的堿石棉(分析純)，山東省冶金科學研究院標準樣品研究所提供的GBW11112i(國家標準物質(zhì))，試驗所用無煙煤樣品均采集自河北唐山港口岸。為了考察多次充氧法對不同無煙煤的適用性，本次試驗選擇不同揮發(fā)分和灰分的無煙煤進行了對比試驗，試驗樣品分析見表1。

表1 試驗樣品分析 %

1.2 試驗步驟

分別稱取1～12號煤樣0.9～1.1 g，稱準到0.0002 g后，將樣品輕輕壓實。將氧彈擰緊后，向含空氣的氧彈中充入高純氧氣至3.0 MPa，充放3次后，再向氧彈中充入高純氧氣至3.0 MPa，最終氧氣含量達到99.03%，然后將氧彈放入設備中，進行點火測量并記錄結(jié)果。

1.3 測試條件

試驗在避光恒溫條件下進行，試驗溫度為24℃，所有試驗溫度變化小于1℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 充氧次數(shù)對試驗結(jié)果的影響

通常狀況下空氣中氧氣的體積分數(shù)約為21%，容積為500 mL的氧彈中氧氣的體積約為105 mL。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程為PV=nRT，在一定溫度條件下，P與V成反比關(guān)系。經(jīng)過計算，每次充氧至氧彈內(nèi)壓力達到3.0 MPa，然后緩慢放氣至與外界氣壓相同，反復充氣放氣3次后在第4次充入高純氧氣，此時氧彈內(nèi)氧氣的體積分數(shù)為99.03%。

為了考察充氧次數(shù)對試驗數(shù)據(jù)的影響，本試驗選取氫含量低于2.0%、灰分差別較大的2號和11號樣品進行試驗，每個樣品測定5次取平均值，考察充氧次數(shù)對試驗結(jié)果的影響，充氧次數(shù)對試驗結(jié)果的影響如圖1所示。

圖1 充氧次數(shù)對試驗結(jié)果的影響

由圖1可以看出，隨著充氧次數(shù)的增加，試驗熱值結(jié)果也隨之增加。從試驗現(xiàn)象來看，充氧1次和2次條件下試驗結(jié)束后坩堝內(nèi)會或多或少會殘留一些黑色物質(zhì)，而充氧4次后燃燒器皿內(nèi)沒有黑色殘留物質(zhì)。這表明隨著充氧次數(shù)增加，可以有效促進年老無煙煤樣品的充分燃燒，測得更為準確的發(fā)熱量數(shù)據(jù)。

2.2 不同灰分含量對不同方法試驗結(jié)果的影響

灰分比例的增大導致煤炭中有機物含量下降，礦物質(zhì)燃燒灰化時要吸收熱量，大量排渣又要帶走熱量，這直接導致了煤炭發(fā)熱量的下降。同時灰分增加會導致煤炭的均勻性變差，這又會導致發(fā)熱量試驗中熱值結(jié)果重復性變差，間接對煤的發(fā)熱量產(chǎn)生影響。

為了檢驗多次充氧法對灰分含量不同的無煙煤的適用性，同時對比不同測定發(fā)熱量方法受灰分含量的影響，選擇了2號、6號、7號和8號這4種灰分含量不同且相差較大的煤樣進行測定。每種方法測定5次，不同灰分含量對不同方法試驗結(jié)果的影響結(jié)果見表2。

表2 不同灰分含量對不同方法試驗結(jié)果的影響

由表2可以看出，對于灰分越大的無煙煤，多次充氧法試驗結(jié)果對比一次充氧法試驗結(jié)果越準確。但是對于灰分小于20%的無煙煤，多次充氧法試驗結(jié)果與一次充氧法試驗結(jié)果接近，多次充氧法研究意義不大。多次充氧法與墊堿石棉法、摻苯甲酸法的結(jié)果基本一致，誤差和結(jié)果穩(wěn)定性都在GB/T213-2001方法內(nèi)所要求的誤差范圍內(nèi)。

2.3 準確度和重復性

為了驗證多次充氧法的準確性與重復性，選取2號樣品和無煙煤標準樣品GBW11112i，分別采用墊石棉絨法(GB/T 213-2008)和多次充氧法進行發(fā)熱量的平行測定，墊石棉絨法與多次充氧法測定結(jié)果的比較見表3。

表3 墊石棉絨法與多次充氧法測定結(jié)果的比較

由表3可以看出，在95%的置信范圍，α=0.05，自由度6，查t值表臨界值t0.025,6=2.45。因t<2.45，經(jīng)t檢驗兩種方法無統(tǒng)計學意義差異。

3 結(jié)語

本次試驗設計預計通過多次充氧提高氧彈內(nèi)氧氣的體積含量，使氧彈內(nèi)難以燃燒完全的年老無煙煤徹底燃燒。試驗證實這種設計是成功的，多次充氧法結(jié)果與摻苯甲酸法和墊酸洗石棉絨法結(jié)果相比較在允許誤差范圍內(nèi)，而這3種結(jié)果普遍高于直接測量結(jié)果。而且，多次充氧法比摻如苯甲酸法和墊三溪石棉絨法簡化了計算步驟，減少了對人體的傷害，所以在結(jié)果準確的基礎上，采用多次充氧法簡單可行。