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摘要:煤的发热量测量标准的选择对燃煤发电厂来说有着极其重要的意义。目前我国企业在执行海外燃煤电站EPC总承包项目时一部分项目可接受采用国标《煤的发热量测定方法》GB/T213-2008,但也有部分项目所在地国家和地区会考虑其现有工业规范体系,要求煤的发热量测量采用美标,即《煤炭和焦炭总热值的标准测试方法》ASTMD5865/5865M-19,这给不熟悉美标标准的工程技术人员及试验人员造成很大困惑。通过对国标和美标解读分析,分别从煤发热量测量试验场地及设备、试验测定步骤、测定结果的计算等主要方面进行全面比较,得出美标《煤炭和焦炭总热值的标准测试方法》ASTMD5865/5865M-19和国标《煤的发热量测定方法》GB/T213-2008的试验方法和理论基本一致,但同时也存在一些差异。借此希望能为执行海外燃煤电站EPC总承包项目的工程人员及参与海外电站的运行人员提供借鉴,从而提高在执行海外项目上的技术水平。
关键词:量热仪;氧弹;高位发热量;低位发热量
StandardforDeterminationofCalorificValueofCoalComparisonbetweenGB/T213-2008andASTMD5865/5865M-19
WangXiangzhi
1
,DongChunwei
2
,Jiaoyang
3
,ZhuZhijun4
(1.ChinaEnergyEngineeringCo.,Ltd.,Beijing100037,China;
2.BeijingDesignBranchofChinaPetroleumEngineeringConstructionCo.,Ltd.,Beijing100085China;
3.YangchengCoalPower,JikuangLunengCoalPowerCo.,Ltd.,Jining,Shandong272100,China;
4.ShandongNaxinElectricPowerTechnologyCo.,Ltd.,Jinan250021,China)
Abstract:Theselectionofcoalcalorificvaluemeasurementstandardofcoal-firedpowerplantsisgreatsignificance.Atpresent,whenChina
enterprisesintheimplementationofEPCgeneralcontractingprojectsofoverseascoal-firedpowerplants,someoftheprojectcanaccept
“DeterminationofCalorificValueofCoal”GB/T213-2008,howeversomeofthecountriesandregionswheretheprojectislocatedwill
considertheirexistingindustrialstandardsystemrequiringcoalcalorificvaluetobemeasuredaccordingtotheAmericanstandard“Standard
TestMethodforGrossCalorificValueofCoalandCoke”ASTMD5865/5865M-19.Thiscausedgreatconfusiontoprojectengineersandtesters
whowerenotfamiliarwiththeAmericanstandard.ThroughtheinterpretationoftheChinaGBstandardandtheAmericanstandard,fromthecoal
calorificvaluemeasurementtestareaandtestequipment,testdeterminationsteps,calculationofdeterminationresultsandothermainaspectsof
acomprehensivecomparison,itwasconcludedthattheAmericanstandardASTMD5865/5865M-19andGB/T213-2008testmethodsand
theorieswerebasicallythesame,buttherewerealsosomedifferences.Inthisway,hopetoprovidereferenceforprojectengineerswhocarryout
overseascoal-firedpowerplantEPCprojectsandoperationpersonnelwhoparticipateinoverseaspowerplants,soastoimprovethetechnical
levelintheimplementationofoverseasprojects.
Keywords:calorimeter;oxygenbomb;highcalorificvalue;lowcalorificvalue
0引言
煤的发热量对于评估燃煤发电机组的热效率及评估设备的效率有着极其重要的意义。目前国内电厂化学试验室检测人员在对燃煤发热量进行测量时主要依据标准为国标《煤的发热量测定方法》GB/T213-2008[1](简称GB/T213),即采用氧弹量热法测定煤的高位发热量的原理及测定步骤并据此计算低位发热量。但是随着我国企业不断走向国际,执行的海外电站EPC总承包项目及参与运维的海外电站项目不断增多,很多国家和地区对于煤的发热量测定标准会要求采用国际标准ISO01928或美标《煤炭和焦炭总热值的标准测试方法》ASTMD5865/D5865M,这就给工程技术人员和运维人员带来一定的困难。国标《煤的发热量测定方法》GB/T213-2008,该标准在技术要求、实验设备及主要测定流程上等效于国际标准《固体矿物燃料氧弹量热法总发热量的测定和净发热量的计算》ISO1928[1],并在此基础上结合我国研究经验进行了适当调整。因此如合同要求可采用国际标准ISO1928,国标《煤的发热量测定方法》GB/T213-2008基本可以满足要求[1]。但在所执行的海外项目要求采用美标《煤炭和焦炭总热值的标准测试方法》ASTMD5865/D5865M-19(简称ASTMD5865)时,在设备的选取和计算方法上是有一些明显区别的,需要项目的工程技术人员及试验室检测人员加以注意并调整。
为了能使试验检测人员能更清晰地认识两种标准不同,本文从试验场地及设备仪器、试验测定方法、试验结果修正计算等不同方面对两种标准进行解读和分析对比,以方便有相关技术人员能有更好的理解。
2试验场地及设备的要求
2.1试验室条件
国标GB/T213对试验室条件有更为明确详细的要求,而美标ASTMD5865则只要求试验室内无空气对流,没有太阳直晒,没有辐射源,房间恒温且相对湿度可控。因此满足国标GB/T213试验室条件即可满足ASTD5865。
2.2试剂材料
氧气:两个标准对于氧气的纯度的要求均为大于99.5%,不含可燃成分。国标GB/T213明确禁止使用电解氧,但ASTMD5865指出由于在电解氧的过程中往往会含有少量的氢气,因此电解氧经过500℃氧化铜过滤后可以使用。
标准溶液:国标GB/T213采用NaOH制备约0.1mol/L的标准溶液。ASTMD5865采用Na2CO3进行制备,但最终标准溶液基本一致,约0.1mol/L。
苯甲酸:ASTMD5865要求所用苯甲酸药丸必须使用美国国立卫生研究院NIST的微丸或者根据NIST标准进行了标定,而GB/T213只是规定苯甲酸标准热值需经权威计量机构确定或可明确溯源到权威机构[1]。
试剂水:国标GB/T213中对所采用试剂水并没有明确要求,美标ASTMD5865要求试剂水采用美标ASTMD1193-06类型II的水质。
试剂纯度:国标GB/T213中未有明确要求,ASTMD5865要求所有测试均使用符合美国化学学会分析试剂委员会规范的试剂级化学品[4]。这一点比较难实现,需要和有关方协调只要使用符合规范的试剂级化学药品即可接受。
2.3试验用仪器设备
氧弹:氧弹容积国标GB/T213推荐为250~350mL,ASTMD5865中未有对氧弹的容积的具体要求,但在对硝酸生成热修正时章节10.6.1描述道,使用苯甲酸标定热量时明确提到1g苯甲酸丸对应为氧弹容积340mL,如果氧弹容积与340mL有差异需进行修正且重复试验,因此通常试验设备推荐氧弹容积采用340mL。
热量计外筒:国标GB/T213要求外筒应完全包围内筒,内外筒间应有10~12mm的间距[1],但ASTMD5865明确要求间距不能大于10mm。
搅拌器:国标GB/T213中要求搅拌器转速400~600r/min,由点火到终点的时间不超过10min,当内外筒的温度和室温一致时,连续搅拌10min所产生的热量不应超过120J[1]。ASTMD5865中对于搅拌器的转速没有明确要求连续搅拌10min所产生的热量应使热量计所导致热量计上升的温度小于0.01℃。
热量温度计:国标GB/T213中要求用于内筒测量的温度计至少应有0.001K的分辨率,并推荐两种类型的温度计玻璃水银温度计及数字显示温度计[1]。ASTMD5865要求采用铂电阻或热敏电阻温度计且灵敏度接近0.0001℃。
燃烧皿:国标GB/T213中对燃烧皿的规格有详细要求,ASTMD5865对规格尺寸没有要求,若要求燃烧皿在使用前表面要完全氧化,需经500℃热处理4h以上。经3次初始燃烧后燃烧皿的质量损失不大于0.0001g。
点火丝:国标GB/T213要求采用直径0.1mm左右的铂、铜、镍丝或其他已知热值的金属丝或棉线[1]。ASTMD5865要求点火丝长100mm,直径0.16mm,采用镍铬合金,棉线或金属丝都可以接受。当采用铂丝或钯丝,点火丝直径要求0.1mm。
3测定步骤
3.1热容量的标定
在进行正式燃煤热值测定之前,国标GB/T213与ASTMD5865均要求对热量计进行热容量的标定。国标GB/T213要求5次苯甲酸重复测定结果的相对标准差不大于0.2%,5次发热量的平均值与标准热值之差不超过50J/g。ASTMD5865要求重复进行10次苯甲酸测定,测定结果的相对标准差不大于0.17%,[1]分别使用0.7g和1.3g样品进行重复测试的燃烧热的平均值应于标准热值之差不超过±56J/g以内。因此在热容量的标定过程中,美标要求的次数更多,精度更高,样品质量范围也更宽泛。
实验样品要求:国标GB/T213要求样品粒度小于0.2mm,取干燥样品0.9~1.1g,称准到0.0002g。ASTMD5865要求取样品0.8~1.2g,称准到0.0001g。
3.2氧弹的准备
ASTMD5865要求在组装氧弹之前要对氧弹内外表面进行冲洗湿润内部密封及表面。然后将1mL水加入到氧弹中。国标GB/T213对于用水冲洗环节并没有明确要求,要求往氧弹中加入10mL的蒸馏水,从加入水量上来说两者差别很大。
3.3氧弹加氧
国标GB/T213中要求往氧弹中充入氧气,直至压力到2.8~3.0MPa,且达到压力后持续充氧不得少于15s。如果氧气超过3.2MPa需停止试验,放掉氧气重新充氧[9]。ASTMD5865要求充氧压力至2.0~3.0MPa,当压力超过规定压力时需放掉氧气,重新进行试验,样品需要倒掉重新取样。这一点ASTMD5865要求比较严格。
3.4量热仪的准备
国标GB/T213和ASTMD5865均规定往内筒加足够的水,且内筒水量应在所有试验中保持相同,相差不超过0.5g。国标GB/T213要求外筒温度应尽量接近室温,相差不超过1.5K[1]。ASTMD5865要求外筒温度不低于室温2℃。
国标GB/T213规定将氧弹放入装好水的内筒中,如氧弹中无气泡漏出表明气密性良好,如有气泡冒出则表明漏气,应查找原因,加以纠正,重新充氧。ASTMD5865如果发现有冒泡泄漏,应将氧弹取出,将样本倒掉。
4测定结果的计算
4.1温度矫正
目前大多数实验室均采用自动氧弹量热计,因此后期计算不需要温度矫正,特殊需要情况下可使用瑞-方(Regnault-Pfandler)公式[1]。ASTMD5865/D5865M附件A1所采用的温度矫正方法与国标GB/T213相同。
目前大部分热量分析仪均可以自动记录温度并计算热量,因此标准中测试方法的其他标准要求可和相应的制造厂家澄清,在设定程序中加以修正。
4.2热容量计算公式
国标GB/T213热容量计算公式如下:
式中:Hc为苯甲酸的标准热值,J/g;m为苯甲酸的用量,g[1];e1为硝酸的修正热(ASTMD586510.6);e2为点火丝的校正热修正热(ASTMD586510.6);t为修正后的温度升高值。
t=tc-ta+Ce+Cr式中:ta为点火前的初始温度,℃;tc为终点时温度,℃;Ce为温度计突出杆的修正(当采用数字温度计时修正为0),℃;Cr为温度冷却校正值,℃。
对于采用国标GB/T213标准并当采用自动氧弹量热仪进行试验时,H=1,h0=0,hn=0,苯甲酸标定不需要硝酸热修正,则e1=0;燃煤易于燃尽,不需要添加物,则q2=0。因此国标GB/T213公式可简化如下:
因此公式的表达方式国标GB/T213和美标ASTMD5865相同,但是需要注意的是在硫酸放热修正中国标GB/T213采用94.1J/g而ASTM采用92.7J/g。硝酸形成校正系数ASTM采用0.00158[4],国标GB/T213规定需根据不同煤中不同取不同系数,当Qb≤16.7MJ/kg,α=0.001;当16.7MJ/kg≤Qb≤25.1MJ/kg,α=0.0012;当Qb≥25.1MJ/kg时α=0.0016[1]。
4.4低位发热量的计算
低位发热量又分为恒容低位发热量和恒压低位发热量,由弹筒发热量算出的高位发热量和低位发热量都属于恒容状态,在实际工业燃烧中应使用计算中应使用恒压低位发热量[2]。国标GB/T213中给出的收到基恒压低位发热量计算公式如下:
对比国标GB/T213恒压收到基低位发热量公式可知计算方法一致,但是在修正氧及氮放热系数有所区别。因此在采用ASTMD5865标准进行计算时需考虑系数的调整。
5结束语
本文针对国标GB/T213和美标ASTMD5865煤的测量方法从试验场地及设备仪器、试验测定方法、试验结果修正计算等不同方面分别进行了比较,从中可以看出两个标准的整体方法和理论基础是一致的。但是同时由于整体工业环境的差异,在两个标准从试验设备到结果计算修正的各阶段也有一些明显的差异,因此如果在执行要求采用美标ASTMD5865项目时,需要相关工程技术人员一开始从自动量热仪等设备采购时就加以注意,以使得设备能完全满足国标GB和美标ASTM。本文仅对两个标准的主要章节部分进行了对比,希望起到指导作用,外应当注意的是,当测定方法选择ASTMD5865时,对应的有关硫、氧、氢、水分的分析也要采用相应的美标ASTM标准,因此试验人员对相关的标准也应进一步地熟悉和了解,以便使试验的结果完全满足标准的要求。
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