燃煤水分测试方法与影响因素分析.pdf

方法创新科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 25 期燃煤水分测试方法与影响因素分析孙青力（中油电能热电一公司 技术监督部，黑龙江 大庆 163000）煤矿、火力发电厂等开采和使用煤炭的企业，都有自己的煤化验室，开展煤的工业分析、元素分析等各种煤质分析，以了解煤的成分、变质程度、物理化学特性等。煤中水分测试是其中重要的一项，以下就实际工作经验简要谈一下煤中水分测试的方法和影响因素。1煤中水分在燃煤分析中的意义煤的水分是煤质分析的一项重要指标，尤其是在燃煤火力发电厂中，煤中水分是计算煤炭低位发热量必不可少的参数，只有水分得到准确测量，才能得出准确的发电煤耗。通过对煤中水分进行测试，可以了解煤的变质情况。煤的含水量还直接影响到煤炭的运输、储存和加工。在北方寒冷冬季，水分含量较大的煤经常会在煤车上发生“蓬煤”现象，煤炭在煤车上冻了一层硬壳，严重时甚至会整车煤冻住，需要长时间解冻或人工清理，不但影响生产，还会产生高昂的延时费用。煤中水分在燃烧过程中会吸收热量产生蒸汽，计算低位发热量时要将煤的汽化潜热减去，水分越多，煤的发热量下降越多。在锅炉燃烧中，水分高会影响燃烧的稳定性，并降低锅炉的热效率。水分高的煤，在通过筛煤机、碎煤机时不易破碎，对制粉系统影响也很大；如水分过大，输送皮带倾角较大时还会发生打滑。在煤的贮存过程中，其能加速风化、破裂，甚至自燃。同时，煤中水分也会导致金属设备被腐蚀。所以，测量煤中分析水分、全水分在煤炭分析过程中有重要意义，可以掌握煤的变质程度、对发热量的影响程度，也有助于及时调整煤的运输、存储方式。2燃煤中水分的存在形式煤的水分通俗地说就是一定重量的煤中含有多少水分，其细分又分为游离水和结晶水，其中游离水又可以分为外在水分和内在水分，又称为煤的全水分。2.1煤中游离水和结晶水煤中的游离水是指吸附在煤颗粒内部毛细管中或附着在煤颗粒表面的水分，其受环境影响较大，煤样如果不加以密封，其会随着空气温度变化而变化，其也是一般煤化验室需要测试的水分。而煤的化合水是与矿物质结合方式存在于煤中，一般化验室不进行分析测试。2.2煤的外在水分和内在水分煤的外在水分，是指附着在煤颗粒表面的水分。而煤的内在水分，是指吸附在煤颗粒内部毛细孔中的水分，也称分析水。在测试煤的变质时间时，有时会测量煤的最高内在水分，其是指煤颗粒内部毛细孔内吸附的水分达到饱和状态时煤中内在水分的含量。作者简介：孙青力（1972-），女，工程师。研究方向为燃料煤炭化验。摘要：煤的水分是煤炭分析的一项重要指标，其测试结果对煤炭基准转换、热值计算、存贮运输、质量分级及了解煤的变质程度有重要意义，必须全过程严格执行国家标准，才能得到准确结果。关键词：水分测试；加热干燥；采样；制样；影响因素中图分类号院TQ533.2文献标志码院A文章编号院2095-2945渊2023冤25-0147-04Abstract:The moisture content of coal is an important indicator in coal analysis,and its test results are of great significancefor coal benchmark conversion,calorific value calculation,storage and transportation,quality classification,and understanding ofcoal metamorphism.It is necessary to strictly follow national standards throughout the entire process to obtain accurate results.Keywords:moisture test;heating and drying;sampling;sample preparation;influencing factorDOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.25.036147-2023 年 25 期方法创新科技创新与应用Technology Innovation and Application2.3煤的全水分煤中全水分，是指煤中全部的游离水分，即煤中外在水分和内在水分之和。即将投入使用状态下的煤的水分是能够代表煤在刚刚开采的状态下的煤的水分。在实际化验室中测量的煤的水分与上述概念中讲的水分是有区别的，这是因为环境的温度和湿度对煤中水分影响很大，所以化验室测量的水分是指在测试环境下与空气中水分达到平衡的水分。3煤中水分的测试方法和原理目前，国家标准中规定的测试煤水分的方法有空气干燥法、通氮干燥法、微波干燥法、一步法和两步法等方法，归纳起来都属于热重法，即通过加热后根据损失的重量来计算煤的水分。3.1空气干燥法顾名思义，即使用空气对煤进行加热干燥来测试煤中的水分。具体则是将煤样在 105耀110 益的热空气中进行加热干燥，根据煤样剩余的重量来计算煤的含水量。利用热空气加热的干燥法方法简单，便于开展，能大大加快干燥的速度，空气可选用蒸汽、炉气或电热等各种方式加热，因而用途很广。此法要有专门的保留热空气的容器即干燥室。干燥室的操作可分成周期式和连续式 2 类。周期式的干燥室只适用于单件生产或小批生产，干燥时送入室内，干燥完毕再从同一扇门取出，装入和取出煤样既花费时间，又降低了热空气的温度。3.2通氮干燥法空气干燥法对于设备和试验环境要求不高，比较适用于成煤时间较长、变质程度较高的烟煤或者无烟煤中水分的测试，对于变质程度相对较低的褐煤，由于在加热过程中煤样会氧化，从而导致测试结果相对与正常值要低一些。为此，国家标准中规定了采取通氮干燥法测试水分的方法，即将煤在氮气流中加热，最后根据失重计算出煤的水分。3.3微波干燥法即使用微波对煤样进行加热，来测试煤中的水分。需要用到微波水分测试仪来进行测试。微波干燥法是通过微波加热原理使物料内部水分加热蒸发得到干燥效果。由于使用微波加热时，微波的特性是由内而外，故而加热速度快，煤样受热均匀，水分能在较短时间内排出，所以相比较于空气干燥和通氮干燥，使用微波进行加热效果更好，解决了煤样受热时间长而产生氧化的问题，比较适用于褐煤和烟煤的水分测试。3.4一步法和两步法在 GB/T 2112017 煤中全水分的测定方法 中，还规定了使用一步法和两步法来测试煤的全水分的方法。这 2 种方法主要用于测量外水分比较高的烟煤和无烟煤。使用一步法进行煤中的全水分测试时，其加热时间和计算方法与空气干燥法相同，但测试过程中使用煤样的粒度较大，要求小于 13 mm 而非 6 mm。而使用两步法测试煤的全水分时，则是将煤的外水分和内水分分别测量：首先使用 13 mm 煤样测出煤的外水分，再将煤样破碎到小于 6 mm，测出内水分，最后通过换算，将 2 个水分相加，计算出煤的全水分含量。3.5煤中水分测试精密度在 GB/T 2112017煤中全水分的测定方法 和GB/T 2122008 煤的工业分析方法 中都规定了煤中水分测试的精密度，即每次测试变化不应过大，以不超过 2.0%为宜。煤的水分测试与煤的灰分测试一样，都要进行检查性干燥，当煤样质量变化恒定（不超过 0.01 g）时则判定煤样已经完全干燥，如果煤样的重量开始增加时，应以前一次的测试结果为计算依据。测试水分时测试结果要保留 3 位有效数字，煤样水分测试煤样要称准到 0.01 g，当煤样全水大于 10%时，二次重复测试结果不得大于 5%，见表 1。表 1水分测试精密度%4实际工作中影响水分测试准确性的因素煤的水分是计算燃煤发热量的重要指标，以褐煤为例，经实际测算，全水分数据每变化 1%，煤的空气干燥基低位发热量就会变化 60 大卡左右，因此煤的水分数据必须准确。尤其是煤的全水分测试，其关键是要保证煤样的水分没有损失也没有增加，即从制样到测试前的全过程中煤样中的水分没有变化，必须制样规范、送样及时、测试准确。水分测试结果要符合国家标准要全水分 重复性 小于 10 0.4 大于等于 10 0.5 148-方法创新科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 25 期求的精密度，2 次重复测试结果的差值不得超差，超出标准要及时检查原因。4.1采样对煤中水分测试的影响煤矿中开采出的煤炭与汽油、柴油等其他成品燃料不同，其质量很不均匀，其无论是粒度还是成分都很不均匀，要从一批煤中取出能够代表这批煤的煤质的样品，必须要严格执行国家标准，以保证其代表性。4.1.1采样深度对水分测试的影响煤炭经过长途运输，其路途中经受风吹日晒、雨雪侵袭等运输环境影响，表面的煤样的煤质已发生较大变化，无法代表整批煤的煤质。为此，国家标准中规定在火车、汽车、船舶上采样时，采样深度必须达到 0.40.5 m。在实际工作中，曾发现一段时间煤质化验计算后发热量异常升高。经过分析对比，发现煤的全水分值低于平均值。最终调查得知，采样人员为了追求采样速度，采样深度未达到国家标准要求，从而导致水分测试结果异常。经纠正，水分测试结果恢复正常。4.1.2子样分布和数量对水分测试的影响子样，是采样器具操作一次或截取一次煤流全横截段所采取的一份样。在进行煤炭采样时，国家标准中对于煤场、车辆、船舶采样过程中子样的分布都有具体规定。如火车采样时，以本公司使用的 70 t 煤车为例，每节煤车要采样 3 个点，每个点的采样量不小于 3 kg，这样才能得到具有代表性的煤样。一列煤车一般在6070 节之间，按规定数量采样，需要煤样 540730 kg。实际工作中，曾经发现水分测试结果偏离正常值。经调查发现，采样员为减少总样数量，只采了部分车辆，未对所有煤车进行采样，导致煤样失去代表性，后续的测试结果也无法保证准确。后经纠正，测试结果回归正常值。4.1.3采样方法对水分测试的影响按国家标准要求，在采样过程中不应随意舍弃样品。但是在实际工作中，采样员在遇到大块煤或煤中矸石或者煤中有黄泥时，因为破碎煤样比较费时费力，而且会增加重量，有时会故意将大块煤或矸石及黄泥舍去，导致煤样失去了代表性。后来，为改变这种情况，为采样人员配备了执法记录仪，全程录像，方便后期检查追溯，有效约束了采样人员，煤样采取的规范性得到了保证。4.2制样对煤中水分测试的影响4.2.1制样设备对水分测试的影响煤中的水分受周围环境的温度、湿度影响较大，尤其是煤的外水分，如果长时间暴露于空气中，会与空气中水分进行交换。进行全水分煤样制备时，要使用密封式制样机进行制样。在实际工作中，使用的是密封式联合制样机，煤的破碎、缩分和全水煤样制取一次性完成，得到的煤样相对具有代表性。如果使用两分器和筛子等器具进行煤样缩分、筛分等人工操作时，要注意制样环境温度、湿度尽量保持恒定。4.2.2制样过程对水分测试的影响煤的全水分煤样制备时，要严格按国家标准进行制备，制成小于 13 mm 或 6 mm 的煤样，不能太小或太大，尤其是使用微波法测试水分时，有时会因煤样粒度过大产生爆燃导致测试失败。同时，要注意制样的时间尽量短，以免煤样与空气中水分过多交换失去了代表性。而在制备分析煤样时，烘干温度不能过高。工作中曾经发现，测试得出的分析水分很小，调查发现，在煤样制样的过程中，为了加快烘干速度，制样人员提高了烘干温度，导致部分水分烘干。后要求制样温度严格控制在 40 益左右，经过测试比对，分析水分恢复正常。4.2.3煤样交接对水分测试的影响有的化验室与制样室距离较远，所以煤样制备完成后，必须使用密封的磨口瓶或密封袋进行密封，防止煤样在交接和送样到化验室之前，因瓶口密封不严或送样不够及时，导致煤样中水分流失。曾经发现使用联合制样机制备完全水煤样后，制样人员将煤样取出后未及时装瓶进行密封送检，而是放置在一边去做其他工作，从而导致测试出全水分不准。按规定，这种情况必须要进行计算以补正式中：M1为煤样交接过程水分损失（%）。如果煤样在输送过程中的水分损失较大，已超过煤中水分含量 1%时，此时就不能再进行补正了。化验室可以对收到的煤样进行全水分测试，但必须注明“未经补正水分损失”，并将煤样容器标签和密封情况一起进行上报。4.3煤化验过程中影响水分测试的因素4.3.1化验人员操作对水分测试的影响化验人员的责任心在测试过程中至关重要。进行1t11100mMMMm，149-2023 年 25 期方法创新科技创新与应用Technology Innovation and Application水分称量时，必须严格按照国家标准的要求进行称量，以保证测试结果达到规定的精密度。称量时天平风窗要关闭，天平上不能洒样等。在使用微波法进行操作时，要使用磁铁对煤样进行搅拌检查，将煤中的铁吸出，防止测试过程中爆燃导致煤样飞溅影响测试结果。由于水分受空气中温度、环境温度影响较大，如果煤样超过 7 d 还未进行水分测试，则此水分煤样无效，因此，化验室在收到全水分煤样后要立即进行测试。工作中，曾有化验员为了减少工作量，将全水分煤样收到后先行存放，待煤样多了集中到一起进行测试，导致煤的全水分变小。后经纠正，每天收到全水分煤样后立即测试，水分测试结果恢复正常。4.3.2化验方法对水分测试的影响煤样的水分测试过程中，化验和计算方法对煤样测试结果也有很大影响。在使用两步法测试煤样时，注意要将温度控制到低于 50 益，以免温度过高导致内水分逸出。然后，再于 105耀110 益下测出内水，这样才能保证结果准确。使用两步法测试煤的水分时，在计算时也要注意：第一步测试煤的外水分得到的是煤的收到基外水分，而第二步测试内水是空气干燥基内水分，二者不能直接相加，必须要将煤的内水分煤样根据基准换算公式换算成收到基，然后才能进行计算。另外，在实验室中使用的水分测试仪一般没有配备氮气，在测试褐煤等变质程度较低的煤样时，如果直接进行测试，就会因煤样氧化而导致结果变小。因此，测试褐煤时，必须使用通氮干燥法进行测试，从而保证测试的准确性。如果是测试烟煤等变质程度较高的煤样，在进行空气干燥时，烘箱必须保持箱内空气流动，使水分尽快排出，以得到更加准确的水分测试值。在这样条件下，水分排出得更加彻底，检查性干燥时间也会更短。4.3.3化验环境对水分测试的影响根据 GB/T 314292015 煤炭实验室测试质量控制导则 中要求，实验室的环境不能有可能影响结果和测试的因素，所以水分测试实验室要保持温度和湿度相对恒定。一般来说实验环境温度保持在 535 益，湿度小于等于 85%，有条件的实验室最好安装空调并加装温度湿度计监测实验室环境变化。煤样要存放在阴凉的地方，不能被阳光直射，实验室最好向北，避免阳光照射。有的火力发电厂实验室为了采样方便，建立在铁路沿线，此时要做好减少振动的工作。在测试过程中也应避免人员频繁走动，室内安装空调保证室内温度、湿度平稳。使用微波法测试水分对环境要求较宽松，不需通入氮气，但也要保证室内环境、湿度稳定。5结束语煤的水分是煤炭计价中一个重要辅助指标，只有在采样、制样和测试过程中严格执行国家标准，并对结果严格按国家标准要求的精密度进行校验，超出标准要及时检查原因，才能得到准确的测试结果。参考文献院1 煤中全水分的测定方法：GB/T 2112017S.中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会，2017.2 煤的工业分析方法：GB/T 2122008S.中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会，20083 煤样的制备方法：GB/T 4742008 S.中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会，2008.4 商品煤样人工采取方法：GB/T 4752008S.中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会，2008.5 煤炭质量分级 第 1 部分：灰分：GB/T 15224.12018S.国家市场监督管理总局、中国国家标准化管理委员会，2018.6 煤炭质量分级 第 2 部分：硫分：GB/T 15224.22021S.国家市场监督管理总局、中国国家标准化管理委员会，2021.7 煤炭质量分级 第 3 部分：发热量：GB/T 15224.32022S.国家市场监督管理总局、中国国家标准化管理委员会，2022.8 煤炭实验室测试质量控制导则：GB/T 314292015 S.中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会，2015.150-