如何準確測定煤炭的發熱量

張慧娟

【摘要】煤炭發熱量顧名思義就是煤炭燃燒過程中所能釋放出的熱量。對于燃煤電廠而言，因為需要利用煤炭的發熱量來加熱鍋爐中的水分，進而轉化成動能及電能，所以必須清楚了解燃煤的相關組成特性，尤其是它的發熱量。

【關鍵詞】燃煤電廠 煤炭 發熱量

煤炭的發熱量從它的燃燒條件和生成產物的不同，分為彈筒發熱量、恒容高位發熱量、恒容低位發熱量和恒壓低位發熱量。彈筒發熱量是指單位質量的試樣在過量氧氣的氧彈內燃燒，其燃燒產物為二氧化碳、氧氣、氮氣、硝酸、硫酸、液態水以及固態灰時所放出的熱量。彈筒發熱量也就是試驗室利用熱量計所能測出的煤的最高熱值。恒容高位發熱量的生成產物中沒有硝酸和硫酸，而是氣態二氧化硫，所以其在數值上等于彈筒發熱量減去硝酸形成熱和硫酸校正熱之后得到的發熱量。恒容低位發熱量的燃燒產物和恒容高位相比，沒有液態水，而是氣態水，所以其在數值上等于恒容高位發熱量減去水的汽化潛熱后得到的熱值。而對于恒壓低位發熱量，首先它的燃燒條件不同于前三種的恒容（氧彈內），它是在恒壓條件下，它的燃燒產物和恒容低位一致，所以恒壓低位發熱量在數值上等于恒容低位發熱量減去一定量的體積膨脹功得到的熱量。

比較這四種發熱量的燃燒條件和生成產物，可以發現，實際的鍋爐燃燒條件所能利用到的最大理論熱值也就是恒壓低位發熱量。不考慮各種熱損失的情況。然而實驗室并不能完全模擬實際鍋爐的燃燒條件，它只能利用熱量計測出煤的彈筒發熱量，然后減去硝酸生成熱、硫酸校正熱、水的汽化潛熱和體積膨脹功來推算實際的鍋爐利用熱。

那么，試驗室又是如何測定彈筒發熱量呢？答案是熱量計。熱量計分為恒溫式熱量計和絕熱式熱量計，電廠的試驗室都是采用恒溫式熱量計。恒溫式熱量計在試驗時要求室溫恒定，每次測定室溫變化不能超過1℃。

熱量計的工作原理概括如下：將一定量的試樣在熱量計內充分燃燒，燃燒所釋放的熱量使得熱量計內的水溫升高，利用水溫升高的多少來推算發熱量的高低。其工作過程包括兩部分：首先，用已知熱值的標準物質（苯甲酸）進行燃燒試驗，得到該熱量計的熱容量；其次，進行試樣的燃燒試驗，利用標定好的熱容量和觀測到的溫升計算試樣的發熱量。恒溫式熱量計結構簡單，但是它對試驗條件要求嚴格，且結果計算相對麻煩，所以日常工作中一定要嚴格按照要求操作。主要包括以下幾個反面：

（1）環境條件。測發熱量必須是獨立的房間，不能和其他試驗項目共用一個房間；房間門窗要關閉，室內無強烈空氣對流，也不能有強烈的熱源、冷源以及風扇；室溫要保持恒定，保證每次實驗前后室溫變化不超過1℃，并保持在（15-30）℃之間；試驗室不能受陽光直射，窗簾要用反光窗簾。

（2）試樣重量。試樣重量要求在0.9g-1.1g之間。稱準至0.0002g。

（3）氧氣：試驗用氧氣至少99.5%純度，不含可燃成分，不能使用電解氧。氧氣瓶壓力不能低于4MPa，但是氧彈充氧壓力也不能太高，保持在（2.8—3.0）MPa之間，最高不能超過3.2MPa，否則要泄掉壓力重新充氧。充氧所用的壓力表要每2年由計量部門檢定一次，保證指示正確和操作安全。壓力表和氧氣導管等連接部件禁止接觸油脂。

（4）點火絲。點火絲可以用直徑0.1mm左右的鉑、銅、鎳絲等已知熱值的金屬絲和棉線。它的作用是幫助試樣著火，但是它也會導致測定結果多出一部分附加熱，所以在最后結果中要減去點火絲的熱值。點火絲最好要插入煤樣中，與煤樣保持接觸，若遇到高揮發分易噴濺的煤樣，可以使點火絲在煤樣上方，保持微小的距離。但是要注意的是，點火絲的兩端要分別固定在電極柱的正負兩極上，若出現接觸不好，斷路的情況就會導致點火失敗。另外點火絲本身不能彎曲接觸，也不能接觸煤樣坩堝，這些情況都會導致電路短路，點火失敗，甚至燒壞坩堝。

（5）氧彈。氧彈要由耐熱、耐腐蝕的鎳鉻或者鎳鉻鉬合金鋼制成，需要具備三個基本條件：不受燃燒過程中產生的高溫和腐蝕性產物的影響而產生熱效應；能承受充氧壓力和燃燒過程中產生的瞬時高壓；能保持完全氣密。氧彈作為承壓部件，為保證安全，新氧彈使用前必須經過20MPa的水壓試驗，結果合格才能投入使用。使用中的氧彈每兩年也要進行20MPa的水壓試驗以檢驗其耐壓能力。在每次試驗前，充氧過后，還要檢查氧彈的氣密性，因為連接部分的墊圈會出現老化，導致漏氣。若漏氣，將對試驗結果產生影響。還需注意的是，不同的氧彈之間不能互換零部件，每個氧彈要作為一個整體使用。

在每次試驗開始前，還需要向氧彈內加入10ml蒸餾水，它的作用是為試驗結束的燃燒產物硝酸和硫酸提供反應條件。為保證試驗條件相同，在每次試驗時都要加入10ml蒸餾水。

（6）燃燒殘留物的檢查。試驗結束后，釋放掉廢氣，擰開氧彈，要仔細觀察氧彈內和坩堝內是否有未燃燼的顆粒，是否有炭黑存在，若發現此類情況，此次結果要作廢。一般有以下幾種原因：①煤樣熱值太低，不能夠燃燒完全，此時要添加助燃物（在800℃下灼燒過的酸洗石棉絨），或者包裹擦鏡紙；②煤樣揮發分太高，點火瞬間導致煤樣噴濺，樣品灑落在坩堝外，所以沒有燃燒完全，此時要將煤樣壓成餅狀或者用擦鏡紙包裹試樣；③人為失誤導致的灑樣：如安裝氧彈過程中用力太大，樣品受到震動灑落，或者氧彈移動過程中傾斜嚴重，導致煤樣從坩堝中灑落等，此時只需規范操作，重新試驗即可。

目前的熱量計都已經是高度自動化，試驗過程都是電腦控制自動完成的，作為化驗員，只要操作時嚴格按照以上幾點要求，控制好試驗條件，同時做好壓力容器的定期校驗，就能保證化驗工作的順利安全進行。

準確的熱值測定結果，不僅關系到煤質驗收，影響電廠的經濟成本，還對鍋爐的配煤摻燒，燃燒調整提供參考，從而保證鍋爐的經濟運行。