煤发热量的测量综述

摘要

    发热量不仅是火电厂进煤的计价依据，也是火电厂计算标准煤耗率的主要参数。发热量的准确测定对于电厂的安全生产和经济运行具有双重意义。燃油与燃煤发热量的测定原理及所用仪器设备完全相同，在此不做介绍。本文主要参照GBT 213-2008《煤的发热量测定方法》，介绍了用氧弹量热法测定煤的发热量的实验步骤，适用范围，仪器设备及试验中的关键问题。

关键词：发热量； 氧弹量热法； 适用范围； 仪器设备； 关键问题

1. 前言

煤的发热量是评价煤质的一项重要指标，根据纯煤的发热量，可以大致推测煤的变质程度以及其他某些特征，例如黏结性、结焦性等，有些煤的分类法中，也可以用发热量（恒湿无灰基）作为划分煤类型的指标。煤的发热量高低，主要取决于煤中可燃物质的化学组成，在实际燃烧是，还与煤燃烧条件有关。一定种类的煤，其化学组成可以是一定的，然而燃烧条件是可以改变的，因此，只有明确规定燃烧条件，才能得出科学，准确，有实际意义的煤的发热量。

2 .发热量的表示方法及计算公式

2.1  弹筒发热量

      弹筒发热量是实验室内用氧弹热量计直接测得的发热量，即单位质量的式样在充有过量氧气的氧弹内燃烧，其燃烧的物质组成为氧气，氮气，二氧化碳,，硫酸，液态水以及固体灰时放出的热量称为弹筒发热量。计算公式：

2.2恒容高位发热量

      单位质量的式样充有过量氧气的氧弹内燃烧，其燃烧后产物组成为25摄氏度下的过量氧气、氮气、二氧化碳、二氧化硫、液态水及固态灰时放出的热量。恒容高位发热量即由弹筒发热量减去生成热和硫酸校正热后得到的发热量。计算公式如下：

 2.3 恒容低位发热量

        单位质量的试样在恒容条件下，在过量氧气中燃烧，其燃烧产物组成为25度下的过量氧气、氮气、二氧化碳、二氧化硫、液态水及固态灰时放出的热量。恒容低位发热量即是由高位发热量减去水的汽化热后得到的发热量。计算公式：

2.4恒压低位发热量

        单位质量的试样在恒压条件下，在过量氧气中燃烧，其燃烧产物成为氧气、氮气、二氧化碳、二氧化硫、气态水以及固态灰放出的热量。计算公式：

       恒容低位发热量和恒压低位发热量统称低位发热量，低位发热量又称净热量或有效值。它的含义是，单位质量的煤在锅炉中完全燃烧是产生的热量。将高位发热量减去水（煤中原有的水和煤中氢燃烧生成的水)的汽化热，即为低位发热量。

 3. 氧弹量热法测发热量

      迄今为止，煤的发热量测量方法是在一个密闭的容器里，在有过量的氧气存在的条件下，点燃适量的煤样并使其完全燃烧，用水吸收煤样燃烧的热量，测量水温升高值，计算煤的发热量。在此选取恒温式热量计法测煤的发热量。

3.1 适用范围

适用于泥炭、褐煤、无烟煤、焦炭、炭质页岩等固体矿物燃料及水煤浆。

3.2 基本原理

把一定量的煤试样放于充氧气的氧弹筒内完全燃烧。氧弹筒浸没在盛有一定量水的容器中。煤试样燃烧后放出的热量使氧弹热量计量热系统（包括盛水的容器、容器内的水、搅拌器和量热温度计等）的温度升高，测定水的温度升高值即可计算氧弹发热量。氧弹发热量的计算式为

   KJ/㎏

式中    K ——氧弹热量计系统与浸没氧弹的水的热容量，KJ/OC

        Q ——引燃物等的放热量，KJ；

       Δt2——浸没氧弹水的温升值，OC；

        GS——燃煤试样的质量，g。

3.3 实验仪器设备

3.3.1热量仪

3.3.1.1 概述

     热量仪是由燃烧氧弹、内筒、外筒、搅拌器、温度传感器和试样点火装置、温度测量和控制系统以及水构成。

3.3.1.2 氧弹

     由耐热、耐腐蚀的溴铬或溴铬相合金刚制成，需要具备3个主要性能：

     a)不受燃烧过程中出现的高温和腐蚀性产物的影响而产生热效应；

     b)能承受充氧压力和燃烧过程中产生的瞬时高压；

     c)试验过程中能保持完全气密。

3.3.1.3 内筒

用紫铜、黄铜或不锈刚制成，断面可为椭圆形、菱形或其他适当的形状。筒内装水2000mL-3000mL，以能浸没氧弹（进出气阀和电极除外）为准。

内筒外面应高度抛光，以减少与外筒间的辐射作用。

3.3.1.4 外筒

为金属制成的双壁容器，并有上盖。外壁为圆形，内壁形状则依内筒的形状而定；外筒应为完全包围内筒，内外筒应有10mm-12mm的间距，外筒底部有绝缘支架，以便放置内筒。

3.3.1.5 搅拌器

螺旋桨式或其他形式。转速（400-600）r/min为宜，并应保持恒定。

3.3.1.6 量热温度计

用于内筒温度测量的量热温度计至少应有0.001K的分辨率，以便能以0.002K或更好的分辨率测定2K到3K的温升；

3.3.2 附属配件

3.3.2.1 燃烧皿

铂制品最理想，一般可用溴铬刚制品。规格可采用高17mm-18mm、底部直径19mm-20mm,直径上部直径25mm-26mm，厚0.5mm.其他合金钢或石英制的燃烧皿也可使用。

3.3.2.2 压力表和氧气导管

压力表由两个表头组成：一个指示氧气瓶中的压力，一个指示充氧时氧弹内的压力。表头上应减压阀和保险阀。

压力表通过内径1mm-2mm的无缝筒管与氧弹连接，或通过充氧装置连接，以使导入氧气。

3.3.2.3 点火装置 

点火采用12V-24V的电源，可用220V交流电源经变压器供给。线路中应串联一个调节电压的变阻器和一个指示点火情况的指示灯或电流计。

点火电压应预先试验确定。方法：接好点火丝，在空气中通电试验。在熔断式点火的情况下，调节电压使点火丝在1s-2s内达到亮红；在棉线点火的情况下，调节电压使点火丝在4s-5s内达到暗红。电压和时间确定后，应准确测出电压、电流和通电时间，以便计算电能产生的热量。

如采用棉线点火，则在遮火罩以上的两电极住间连接一段直接约0.3mm的溴铬丝，丝的中部预先烧成螺旋数圈，以便发热集中。

3.3.2.4 压饼机

螺旋式、杠杆或其他形式压饼机。能压制直径10mm的煤饼或苯甲酸酸饼。模具及压杆应用硬质制成，表面光洁，易于擦拭。

3.3.2.5 秒表（或其他能指示10s的计时器）

3.3.2.5 天平

（1）分析天平：感量0.1mg。

（2）工业天平：载量4kg-5kg,感量1g.

3.4 实验步骤

按照仪器说明书安装和调节热量计。

在燃烧皿中称取粒度小于0.2㎜的空气干燥煤样或水煤浆干燥试样0.9～1.1g（称准到0.0002g），然后将燃烧皿装入氧弹的坩埚架上。

取一段已知热值的点火丝，两端分别接在氧弹的两个电极柱上，弯曲点火丝接近试样，注意与试样保持良好接触或保持微小的距离（对易飞溅和易燃的煤）；并注意勿使点火丝接触燃烧皿，以免形成短路而导致点火失败，甚至烧毁燃烧皿。同时还应注意防止两电极间以及燃烧皿与另一电极之间的短路。当用棉线点火时，把已知质量棉线的一端固定在已连接到两电极柱上的点火导线上（最好夹紧在点火导线的螺旋中），另一端搭接在试样上，根据试样点火的难易，调节搭接的程度。对易飞溅的煤样，应保持微小的距离。

往氧弹中加入10ml蒸馏水。小心拧紧氧弹盖，注意避免燃烧皿和点火丝的位置因受振动而改变。有的恒温自动量热计需人工往氧弹中缓缓充入氧气，直至压力到2.8～3.0Mpa，达到压力后的持续充氧时间不得小于15s；如果不小心充氧压力超过3.2Mpa，应停止实验，放掉氧气后，重新充氧至3.2Mpa以下。有的恒温自动量热计不需人工往氧弹中充入氧气。

按仪器操作说明书进行其余步骤实验，直至结束实验。

结束实验后，取出氧弹开启放气阀、放出燃烧废气，打开氧弹，仔细观察弹筒和燃烧皿内部，如果有试样燃烧不完全的迹象或有碳存在，实验应作废。需要时，用蒸馏水充分冲洗氧弹内各部分、放气阀、燃烧皿内外和燃烧残渣，把全部洗液（共约100ml）收集在一个烧杯中供测硫使用。

实验结果被打印或显示后，校对输入的参数，确定无误后报出结果。

3.5 发热量的计算

⑴ 弹筒发热量按下式计算：

    ⑵ 高位发热量计算公式

⑶ 恒容低位发热量的计算

工业上多依收到基煤的低位发热量进行计算和设计。收到基的恒容低位发热量的计算方法为：

⑷ 恒压低位发热量的计算

由弹筒发热量算出的高位发热量和低位发热量都属恒容状态，在实际工业燃烧中则是恒压状态，严格的讲，工业计算中应使用恒压低位发热量，如有必要，恒压低位发热量可按下式计算：

4. 试验中的关键问题

4.1 氧弹操作时的注意事项： 

（1）首先应检查氧气压力表是否完好、灵敏，指示的压力是否正确，操作是否安全。

（2）在氧弹充氧时，必须使压力缓慢上升，直至所规定的压力后再维持0.5—1min。

（3）在使用氧气时不得接触油脂。

（4）氧弹充氧应按规定压力进行，充氧压力不得偏低或过高。

4.2 发热量测定完成后煤样没有烧透有黑煤的原因有：

（1）充氧压力不足，或氧弹漏气；

（2）煤质太差，挥发分太低；

（3）充氧速度太快或燃烧皿位置不正，使试样溅出；

(4) 点火丝埋入煤粉较深；

(5) 试样含水量过大或煤粉太粗。

4.3 点火失败的原因有：

(1) 点火开关或调节旋钮接触不良；

(2) 点火丝与电极脱落；

（3）点火丝与燃烧皿或燃烧皿与另一电极接触造成短路；

（4）点火丝与试样接触不良；

（5）充氧压力偏低；

（6）试样含水量过高，挥发分过低，试样颗粒太大；

（7）氧弹漏气。

5. 结论

发热量测定在煤质分析中是一个很重要的项目。它不仅是评价没聊煤品质的最主要的参数，并且能为煤质变化规律和煤炭分类的研究提供依据。发热量的测定步骤比较复杂，如果没有同一的规定，就难以获得准确和精密的测定结果。煤的发热量的测定要从测热室要求、热量计性能、热容量标定、发热量测定、各种校正值的应用等各环节严格控制。在实际测定中每个细小的问题均要注意，谨慎而细心的操作，力求准确的测定结果。

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