基于煤質(zhì)灰分修正的煤場熱值損失計(jì)算方法

彭志福

中國大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究總院有限公司華東電力試驗(yàn)研究院

0 煤質(zhì)變化過程

燃煤在進(jìn)入煤場進(jìn)行堆煤后會與空氣中的氧氣產(chǎn)生低溫氧化反應(yīng)，煤堆的氧化過程主要是由于內(nèi)部的物理化學(xué)反應(yīng)［1-3］。在煤體與空氣接觸后，首先會對空氣中的氧進(jìn)行物理吸附，放出物理吸附熱；之后，進(jìn)一步發(fā)生煤體與氧的化學(xué)吸附和化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)放出化學(xué)吸附熱和化學(xué)反應(yīng)熱。當(dāng)氧化放出的熱量超出散熱量時(shí)，熱量就會積蓄，導(dǎo)致局部溫度升高加速煤堆的氧化，從而導(dǎo)致煤堆的燃煤成分發(fā)生變化，同時(shí)煤堆的總質(zhì)量也會發(fā)生變化。

對于不同的煤種，煤發(fā)生低溫氧化的過程并不一致，而且由于煤堆低溫氧化過程難以預(yù)測和監(jiān)測，因此，煤堆的熱值損失并不能通過預(yù)測來得到準(zhǔn)確的數(shù)值?；鹆Πl(fā)電廠一般都是通過對入廠煤和入爐煤進(jìn)行化驗(yàn)，再通過兩者之間熱值差來表征煤堆熱損失。本文提出了一種基于煤質(zhì)工業(yè)分析修正的煤場熱值損失計(jì)算方法，利用煤中的灰分不參與低溫氧化反應(yīng)的特性，采用灰分的變化對煤堆的質(zhì)量進(jìn)行修正，從而得到更精確的煤場總熱值損失。

1 煤的灰分比與質(zhì)量比

煤在煤場堆積的過程中會參與多種物理及化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)很多煤場為了防止煤堆溫度過高而造成的煤堆自燃、發(fā)熱等對煤堆噴水降溫［4-5］。煤堆的各種反應(yīng)無法準(zhǔn)確監(jiān)測，水分的補(bǔ)充與揮發(fā)量也無法準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)，因此煤堆的總重量變化無法通過直接計(jì)算或者稱重得出。

煤的灰分是指煤完全燃燒后剩下來的殘?jiān)?，這些殘?jiān)鼛缀跞縼碜悦褐械牡V物質(zhì)。煤在堆積的過程中，不論煤堆在進(jìn)行低溫氧化反應(yīng)或蒸發(fā)揮發(fā)抑或噴水減溫的過程中，煤的灰分是不參與反應(yīng)的，即在不考慮揚(yáng)塵情況下，煤堆的灰分總質(zhì)量并不會發(fā)生變化，保持為一個(gè)常數(shù)。煤堆的總灰分質(zhì)量為煤堆的總質(zhì)量與煤堆的收到基灰分的乘積，以此可以得到式（1）。

式（1）中：Aar1——入廠煤的收到基灰分，%；

Aar2——入爐煤的收到基灰分，%；

M1——入廠煤總質(zhì)量，kg；

M2——入爐煤總質(zhì)量，kg。

為得到煤堆在不同時(shí)間的總質(zhì)量關(guān)系，根據(jù)式（1）得到式（2）。

其中，X為煤堆重量系數(shù)，即煤堆現(xiàn)存煤總質(zhì)量同原始總質(zhì)量的比值，用以表征燃煤在存儲一定時(shí)間后的煤堆重量變化情況，X越小，煤堆重量損失越大。煤堆的灰分可以通過化驗(yàn)得出結(jié)果，利用式（2），可以通過灰分的變化表示出煤堆的總質(zhì)量變化，解決了煤堆總質(zhì)量難以直接稱重的問題。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證利用灰分來表征煤堆重量變化的準(zhǔn)確性和可行性，取3種煤進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，煤樣編號分別為A煤、B煤、C煤。

將三種煤樣分別各自充分均勻混合，并均勻分成10 kg的兩等份，對原始煤樣進(jìn)行稱重并化驗(yàn)原始煤樣收到基灰分?jǐn)?shù)據(jù)。為模擬煤場堆煤時(shí)煤的物理化學(xué)反應(yīng)，取每個(gè)煤樣的其中一個(gè)樣品置于60℃恒溫箱，另外一個(gè)樣品置于80℃恒溫箱，恒溫箱內(nèi)通空氣，保溫72 h后取出煤樣，對各個(gè)樣品進(jìn)行稱重，并化驗(yàn)收到基灰分。原始煤樣及保溫72 h后取出煤樣的質(zhì)量和收到基灰分結(jié)果見表1。

通過對表1中的三種煤樣數(shù)據(jù)分析，三種煤樣的樣品分別在60℃和80℃的恒溫箱內(nèi)存放72 h后，六個(gè)樣品總質(zhì)量均出現(xiàn)了不同程度的下降，對煤樣進(jìn)行工業(yè)分析后，煤樣的收到基灰分均出現(xiàn)了增長。同時(shí)三個(gè)煤樣在80℃的恒溫箱中的質(zhì)量下降程度均高于在60℃的恒溫箱中，三個(gè)煤樣80℃的恒溫箱中的收到基灰分升高程度均高于在60℃的恒溫箱中煤樣。將恒溫箱中的煤樣質(zhì)量與原始質(zhì)量重量之比作為X，將恒溫箱中的樣品收到基灰分與原始樣品收到基之比作為Y，將X與Y相乘，可以看出結(jié)果均在1附近，最大偏差不超過5‰。

表1 煤樣化驗(yàn)灰分結(jié)果

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可以得出，煤樣的堆積反應(yīng)過程中，煤樣的收到基灰分與煤樣的總質(zhì)量之間存在式（2）的關(guān)系，因此，使用灰分比來表征煤的重量損失是可靠的。

3 基于灰分修正的煤場熱量損失

傳統(tǒng)測定煤場熱損失的定義為針對同一煤源對象，在一段時(shí)期內(nèi)現(xiàn)有煤堆的煤樣同初始煤堆的煤樣的收到基低位發(fā)熱量在同一水分下的差值。測定現(xiàn)有煤堆煤樣的低位發(fā)熱量及全水分，并折算至煤堆初始水分，折算公式見式（3）。

式中：Q——入爐煤折算低位發(fā)熱量，kJ/kg；

Qa——入爐煤的實(shí)際低位發(fā)熱量，kJ/kg；

Mt1——入廠煤全水分，%；

Mt2——入爐煤全水分，%。

該方法雖然將煤的發(fā)熱量折算到同一全水分水平下，但是未考慮煤堆在存放過程中，煤中的揮發(fā)分參與了化學(xué)反應(yīng)，且不同煤質(zhì)的揮發(fā)分含量及發(fā)生反應(yīng)的活化性均不相同，因此使用該方法計(jì)算煤場煤堆的熱值損失并不準(zhǔn)確。

對于燃煤電廠，煤的可利用熱量為煤的收到基低位發(fā)熱量，對于入廠煤，即為入廠煤總的低位發(fā)熱量，對于入爐煤即為總的入爐煤發(fā)熱量。但因入爐煤及入廠煤的準(zhǔn)確稱重都難以實(shí)現(xiàn)，為真實(shí)反映煤堆在存放的過程中的熱值損失，基于煤堆在存放過程中煤堆中的灰分總質(zhì)量不發(fā)生變化的原理，提出了一種基于煤質(zhì)灰分修正的煤場熱值損失計(jì)算方法，該方法綜合考慮了煤堆在存放過程中煤的低位發(fā)熱量變化與煤堆的總質(zhì)量變化，能夠更加準(zhǔn)確真實(shí)地表征煤堆存放過程中的煤堆的熱值損失。

本文選取一個(gè)煤堆為研究對象，煤堆的總發(fā)熱量為煤樣的平均發(fā)熱量與煤堆總質(zhì)量的乘積，見式（4）。

式中：Q——煤堆總發(fā)熱量，kJ；

Qa——煤堆煤樣的低位發(fā)熱量，kJ/kg；

M——煤堆總質(zhì)量，kg。

燃煤因煤堆取樣時(shí)按照均勻取樣的原則，則認(rèn)為所取煤樣的發(fā)熱量即煤堆的平均發(fā)熱量。煤堆總的低位發(fā)熱量為煤堆總質(zhì)量與煤樣低位發(fā)熱量之間的乘積，即：

式中：Q1——入廠煤總發(fā)熱量，kJ；

Qa1——入廠煤樣的低位發(fā)熱量，kJ/kg；

Q2——入爐煤的總發(fā)熱量，kJ；

Qa2——入爐煤的煤樣低位發(fā)熱量，kJ/kg。

因?yàn)槊簣龅臒嶂祿p失包含了煤堆的重量損失以及熱量損失，故以煤堆總發(fā)熱量來表征煤堆的熱值損失能夠更加客觀。將式（5）與式（2）合并可得：

其中，α為煤堆熱值損失比，即整個(gè)煤堆的熱值損失占煤堆原總熱值的比重，用以表征煤堆熱值損失的大小。

對某電廠兩個(gè)堆放時(shí)間較長的煤堆分別取樣化驗(yàn)，取樣時(shí)間分別為剛?cè)朊簣鰰r(shí)、堆放5天、堆放10天、堆放20天，化驗(yàn)結(jié)果見表2。兩種煤樣的熱值損失對比見圖1。

表2 燃煤化驗(yàn)結(jié)果

圖1 兩種煤樣的熱值損失對比

從圖1可見，煤樣1及煤樣2的基于灰分修正的煤堆熱量損失比均高于基于全水分修正的熱值損失比，且堆放時(shí)間越長，兩種損失之間的差值越大。本文提出的基于灰分修正煤堆熱值損失計(jì)算方法相較于基于水分修正的計(jì)算方法考慮了因煤樣中揮發(fā)分受熱發(fā)生化學(xué)反應(yīng)帶來的損失，且煤堆的堆放時(shí)間越長，煤的揮發(fā)分參與反應(yīng)的程度越高，故兩種計(jì)算方法的差值越大。

4 結(jié)論

本文以煤場的煤堆為研究對象，以總的可利用低位發(fā)熱量為依據(jù)，利用煤堆在堆煤存放的過程中灰分總質(zhì)量不發(fā)生變化的特性，從而用煤的灰分變化來修正煤堆的質(zhì)量變化，綜合考慮煤堆的總質(zhì)量變化與煤堆煤樣的發(fā)熱量變化，提出了一種基于煤的灰分修正的煤場熱值損失的計(jì)算方法。相較于常用折算水分的煤場熱值損失計(jì)算方法，本文所提出的計(jì)算方法充分考慮了由揮發(fā)分反應(yīng)而帶來的熱值損失部分，通過實(shí)驗(yàn)分析，基于灰分修正的煤場熱值損失均高于基于水分修正的煤場熱值損失。

本文所提出的基于灰分修正的煤場熱值損失的計(jì)算方法對煤場熱值損失或者質(zhì)量損失的計(jì)算有指導(dǎo)意義。