第五章煤发热量的测定 火电厂是利用煤炭等燃料燃烧产生热量来生产电能的企业。发热量的高低是煤炭计价的 主要依据,是计算电厂经济指标标准煤耗的主要参数,故发热量的测定在发电厂煤质检测中 占有特殊重要的地位 第一节有关发热量的基础知识 、发热量的单位 煤的发热量,指单位质量的煤完全燃烧所发出的热量。 热量的单位为J(焦耳)。 1J=Nm(牛顿·米) 注:我国过去惯用的热量单位为20℃卡,以下简称卡(cal)ca(20℃)=41816J。 发热量测定结果以MJ/kg(兆焦/仟千克)或J(焦/克)表示 发热量的表示方法 煤的发热量的高低,主要取决于可燃物质的化学组成,同时也与燃烧条件有关。根据不 同的燃烧条件,可将煤的发热量分为弹筒发热量、高位发热量及低位发热量。同时,还有恒 容与恒压发热量之分。 (一)弹筒发热量(Qb)(GB/213-2003定义) 单位质量的试样在充有过量氧气的氧弹内燃烧,其燃烧产物组成为氧气、氮气、二氧化 碳、硝酸和硫酸、液态水以及固态灰时放岀的热量称为弹筒发热量 注:任何物质(包括煤)的燃烧热,随燃烧产物的最终温度而改变,温度越高,燃烧热越低。因此 个严密的发热量定义,应对燃烧产物的最终温度有所规定。但在实际发热量测定时,由于具体条件的限制 把燃烧产物的最终温度限定在一个特定的温度或一个很窄的范围内都是不现实的。温度每升高IK,煤和 苯甲酸的燃烧热约降低0.4~L3J/g。当按规定在相近的温度下标定热容量和测定发热量时,温度对燃烧热 的影响可近于完全抵消,而无需加以考虑。 在此条件下,煤中碳燃烧生成二氧化碳,氢燃烧后生成水汽,冷却后又凝结成水;而煤 中硫在髙压氧气中燃烧生成三氧化硫,少量氮转变为氮氧化物,它们溶于水,分别生成硫酸 和硝酸。由于上述反应均为放热反应,因而弹筒发热量要高于煤在实际燃烧时的发热量 (二)高位发热量(Qg) 单位质量的试样在充有过量氧气的氧弹内燃烧,其燃烧产物组成为氧气、氮气、二氧化 碳、二氧化硫、液态水以及固态灰时放出的热量称为髙位发热量。 髙位发热量也即由弹筒发热量减去硝酸生成热和硫酸校正热后得到的发热量。由于氧弹 的容积是恒定的,在此条件下算出的发热量称为恒容高位发热量(Q)。高位发热量是煤在 空气中完全燃烧时所放岀的热量,能表征煤作为燃料使用时的主要质量,故电厂中在评价煤 质时常用高位发热量。 (三)低位发热量(Qnet)
1 第五章 煤发热量的测定 火电厂是利用煤炭等燃料燃烧产生热量来生产电能的企业。发热量的高低是煤炭计价的 主要依据，是计算电厂经济指标标准煤耗的主要参数，故发热量的测定在发电厂煤质检测中 占有特殊重要的地位。 第一节 有关发热量的基础知识 一、发热量的单位 煤的发热量，指单位质量的煤完全燃烧所发出的热量。 热量的单位为 J(焦耳)。 1 J＝1N·m(牛顿·米) 注：我国过去惯用的热量单位为 20℃卡，以下简称卡(cal)lcal(20℃)＝4.1816 J。 发热量测定结果以 MJ/kg(兆焦/千克)或 J/g(焦/克)表示。 二、发热量的表示方法 煤的发热量的高低，主要取决于可燃物质的化学组成，同时也与燃烧条件有关。根据不 同的燃烧条件，可将煤的发热量分为弹筒发热量、高位发热量及低位发热量。同时，还有恒 容与恒压发热量之分。 （一）弹筒发热量（Qb）（GB/T213-2003 定义） 单位质量的试样在充有过量氧气的氧弹内燃烧，其燃烧产物组成为氧气、氮气、二氧化 碳、硝酸和硫酸、液态水以及固态灰时放出的热量称为弹筒发热量。 注：任何物质(包括煤)的燃烧热，随燃烧产物的最终温度而改变，温度越高，燃烧热越低。因此，一 个严密的发热量定义，应对燃烧产物的最终温度有所规定。但在实际发热量测定时，由于具体条件的限制， 把燃烧产物的最终温度限定在一个特定的温度或一个很窄的范围内都是不现实的。温度每升高 1K，煤和 苯甲酸的燃烧热约降低 0.4～l.3J/g。当按规定在相近的温度下标定热容量和测定发热量时，温度对燃烧热 的影响可近于完全抵消，而无需加以考虑。 在此条件下，煤中碳燃烧生成二氧化碳，氢燃烧后生成水汽，冷却后又凝结成水；而煤 中硫在高压氧气中燃烧生成三氧化硫，少量氮转变为氮氧化物，它们溶于水，分别生成硫酸 和硝酸。由于上述反应均为放热反应，因而弹筒发热量要高于煤在实际燃烧时的发热量。 （二）高位发热量（Qgr） 单位质量的试样在充有过量氧气的氧弹内燃烧，其燃烧产物组成为氧气、氮气、二氧化 碳、二氧化硫、液态水以及固态灰时放出的热量称为高位发热量。 高位发热量也即由弹筒发热量减去硝酸生成热和硫酸校正热后得到的发热量。由于氧弹 的容积是恒定的，在此条件下算出的发热量称为恒容高位发热量（Qgr,V）。高位发热量是煤在 空气中完全燃烧时所放出的热量，能表征煤作为燃料使用时的主要质量，故电厂中在评价煤 质时常用高位发热量。 （三）低位发热量（Qnet）
单位质量的试样在充有过量氧气的氧弹内燃烧,其燃烧产物组成为氧气、氮气、二氧化 碳、二氧化硫、气态水以及固态灰时放出的热量称为恒容低位发热量。 低位发热量也即由高位发热量减去水(煤中原有的水和煤中氢燃烧生成的水)的气化热后 得到的发热量。在此条件下算出的发热量称为恒容低位发热量(Qnev)。煤在锅炉中燃烧, 燃烧产物〔炉烟)温度较髙,其中水分呈蒸气状态,并随其他燃烧产物一起排出炉外,故低 位发热量是真正可以被利用的煤的有效发热量。 (四)恒容与恒压发热量 煤在不同条件下的燃烧装置中燃烧,又可分为恒容与恒压发热量。 1.恒容发热量 恒容发热量是指单位质量的煤样在恒定体积的容器中完全燃烧(如煤样在氧弹中燃烧), 无膨胀做功时的发热量。例如空气干燥基恒容高位发热量,可用Qg,ad来表示 2.恒压发热量 恒压发热量是指单位质量的煤样在恒定压力下完全燃烧(如煤在电厂锅炉中燃烧),有膨 胀做功时的发热量。例如收到基恒压低位发热量,可用 QnetP.来表示 恒容发热量略髙于恒压发热量,不过二者相差甚微,一般计算中则可以忽略不计。 不同表示方法发热量的计算 (一)高位发热量的计算 Ogr, ad=@b, ad(94. 1Sb, adt a@b, ad 式中:￠ga-—空气干燥基煤样的高位发热量,Jg ￠b,a--空气干燥基煤样的弹筒发热量,Jε Sad—一由弹简洗液测得的煤的含硫量,%。当全硫含量低于4%时,或发热量大于 1460MJkg时,可用全硫或可燃硫代替Sb, 941——煤中每1%硫的校正值,J 硝酸校正系数:当Qb≤16.70MJkg,a=0.00l 当16.70MJ/kg<Ob≤2510MJ7kg,a=0.0012 当Qb>25.10MJ/kg,a=0.0016 在需要用弹筒洗液测定Sb,a的情况下,把洗液煮沸2~3min,取下稍冷后,以甲基红(或 相应的混合指示剂)为指示剂,用氢氧化钠标准溶液滴定,以求出洗液中的总酸量,然后按 下式计算出Sbad(%) Sbad=(c×Hm-aQb,ad/60)×16 式中:c—一氢氧化钠溶液的物质的量浓度,molL 滴定用去的氢氧化钠溶液体积,mL 60——相当 I mmol硝酸的生成热,J m—-—称取的试样质量,g 16——将每摩尔硫酸1/2(H2SO4)转换为硫的质量分数的转换因子
2 单位质量的试样在充有过量氧气的氧弹内燃烧，其燃烧产物组成为氧气、氮气、二氧化 碳、二氧化硫、气态水以及固态灰时放出的热量称为恒容低位发热量。 低位发热量也即由高位发热量减去水(煤中原有的水和煤中氢燃烧生成的水)的气化热后 得到的发热量。在此条件下算出的发热量称为恒容低位发热量（Qnet,V）。煤在锅炉中燃烧， 燃烧产物（炉烟）温度较高，其中水分呈蒸气状态，并随其他燃烧产物一起排出炉外，故低 位发热量是真正可以被利用的煤的有效发热量。 （四）恒容与恒压发热量 煤在不同条件下的燃烧装置中燃烧，又可分为恒容与恒压发热量。 1．恒容发热量 恒容发热量是指单位质量的煤样在恒定体积的容器中完全燃烧（如煤样在氧弹中燃烧）， 无膨胀做功时的发热量。例如空气干燥基恒容高位发热量，可用 Qgr,V,ad 来表示。 2．恒压发热量 恒压发热量是指单位质量的煤样在恒定压力下完全燃烧（如煤在电厂锅炉中燃烧），有膨 胀做功时的发热量。例如收到基恒压低位发热量，可用 Qnet,P,ar 来表示。 恒容发热量略高于恒压发热量，不过二者相差甚微，一般计算中则可以忽略不计。 三、不同表示方法发热量的计算 （一）高位发热量的计算 Q gr,ad＝Qb,ad－(94.1Sb,ad+aQb,ad) 式中：Q gr,ad——空气干燥基煤样的高位发热量，J/g； Qb,ad——空气干燥基煤样的弹筒发热量，J/g； Sb,ad——由弹简洗液测得的煤的含硫量，%。当全硫含量低于 4%时，或发热量大于 14.60MJ/kg 时，可用全硫或可燃硫代替 Sb,ad； 94.1——煤中每 1%硫的校正值，J； a——硝酸校正系数：当 Qb≤l6.70MJ/kg，a＝0.00l； 当 l6.70MJ/kg＜Qb≤25.l0MJ7kg，a＝0.0012 当 Qb＞25.l0MJ/kg，a＝0.00l6； 在需要用弹筒洗液测定 Sb,ad 的情况下，把洗液煮沸 2～3min，取下稍冷后，以甲基红(或 相应的混合指示剂)为指示剂，用氢氧化钠标准溶液滴定，以求出洗液中的总酸量，然后按 下式计算出 Sb,ad (%)。 Sb,ad＝(c×V/m－a Qb,ad /60)×1.6 式中：c——氢氧化钠溶液的物质的量浓度，mol/L； y——滴定用去的氢氧化钠溶液体积，mL； 60——相当 l mmo1 硝酸的生成热，J； m——称取的试样质量，g； 1.6——将每摩尔硫酸 1/2（H2SO4）转换为硫的质量分数的转换因子
注:这里规定的对硫的校正方法中,略去了对煤样中硫酸盐的考虑。这对绝大多数煤来说影响不大, 因煤的硫酸盐疏含量一股很低。但有些特殊煤样,含量可达θ.5%以上。根据实际经验,煤样燃烧后,由 于灰的飞溅,一部分硫酸盐硫也随之落入弹筒,因此无法利用弹筒洗液来分别测定硫酸盐硫和其他硫。遇 此情况,为求高位发热量的准确,只有另行测定煤中的磷酸盐硫或可燃硫,燃后做相应的校正。关于发热 量大于1460MJ/kg的规定,在用包纸或掺苯甲酸的情况下,应按包纸或添加物放出的总热量来掌握 (二)低位发热量的计算 工业上是根据煤的收到基低位发热量进行计算和设计。 206H 100-M 式中, Onet.v, ar-—收到基煤的低位发热量,Jg ρga-一煤的空气干燥基高位发热量,Jg Mx一收到基全水分,% Mad一煤的空气干燥基水分,% Had—一煤的空气干燥基氢含量,%; (三)恒压低位发热量的计算 由弹筒发热量计算出的高位发热量和低位发热量都属于恒容状态,在实际工业燃烧中则 是恒容状态,严格地讲,工业计算中应使用恒压低位发热量。 netPar V ad 212Ha-08(0a+N) -244M 式中, Onet V ar-一煤的收到基恒压低位发热量,J/g Oad-一煤的空气干燥基氧含量,%; Nad—一煤的空气干燥基氮含量,%; Oad及Nad也可按下式计算: (Oad+Nad)=100-Mad-Aad-Cad-Had-St, ad (四)各种不同基的煤的发热量换算 1.高位发热量基的换算 煤的不同基的高位发热量按下列公式计算 100-M Ogr, ar=Ogr ad 100-Mad 100 Ogr, dat=Ogr,ad X 100-Ma-A 2.低位发热量基的换算 煤的不同基的低位发热量按下式计算 100-M 206H -23M 100-Ma
3 注：这里规定的对硫的校正方法中，略去了对煤样中硫酸盐的考虑。这对绝大多数煤来说影响不大， 因煤的硫酸盐疏含量一股很低。但有些特殊煤样，含量可达 0.5%以上。根据实际经验，煤样燃烧后，由 于灰的飞溅，一部分硫酸盐硫也随之落入弹筒，因此无法利用弹筒洗液来分别测定硫酸盐硫和其他硫。遇 此情况，为求高位发热量的准确，只有另行测定煤中的磷酸盐硫或可燃硫，燃后做相应的校正。关于发热 量大于 14.60MJ/kg 的规定，在用包纸或掺苯甲酸的情况下，应按包纸或添加物放出的总热量来掌握。 （二）低位发热量的计算 工业上是根据煤的收到基低位发热量进行计算和设计。 ( ) t ad t net ar gr ad ad M M M Q Q H 23 100 100 , , 206 − − − = − 式中，Qnet,v,ar——收到基煤的低位发热量，J/g； Qgr,ad——煤的空气干燥基高位发热量，J/g； Mar——收到基全水分，%； Mad——煤的空气干燥基水分，%； Had——煤的空气干燥基氢含量，%； （三）恒压低位发热量的计算 由弹筒发热量计算出的高位发热量和低位发热量都属于恒容状态，在实际工业燃烧中则 是恒容状态，严格地讲，工业计算中应使用恒压低位发热量。 ( ) t a d t net P a r g r V a d a d a d a d M M M Q Q H O N 24.4 100 100 , , , , 212 0.8 − − − = − − + 式中，Qnet,V,ar——煤的收到基恒压低位发热量，J/g； Oad——煤的空气干燥基氧含量，%； Nad——煤的空气干燥基氮含量，%； Oad 及 Nad 也可按下式计算： (Oad＋Nad)＝100－Mad－Aad－Cad－Had－St,ad （四）各种不同基的煤的发热量换算 1．高位发热量基的换算 煤的不同基的高位发热量按下列公式计算： ad t gr ar gr ad M M Q Q − − = 100 100 , , ad gr d gr ad M Q Q − = 100 100 , , ad ad gr daf gr ad M A Q Q − − = 100 100 , , 2．低位发热量基的换算 煤的不同基的低位发热量按下式计算： ( ) M M M Q Q H ad net V M gr V ad ad 23 100 100 , , , , 206 − − − = −
式中, Qnet, V,M-—水分为M的煤的恒容低位发热量,Jg M一煤样的水分,%。 干燥基时,M=0 空气干燥基时,M=Mad 收到基时,M=M。 四、以低位发热量为基准的计算 在工业上为核算企业对能源的消耗量,统一计算标准,便于比较和管理,规定以收到基 的低位发热量2927MJkg作为统一的换算单位,称为标准煤的发热量,即每29,27MJ的热 量可换算成lkg的标准煤。火电厂的煤耗就是按每发IkW·h(度)的电能所消耗的标准煤 的量计算的。例如甲电厂每发lkW·h(度)的电,要燃用 Qnetar为1464MJ/kg的煤0.8kg 乙电厂每发kW·h(度)的电,要燃用Qnta为21.37MJkg的煤06kg,则: 甲电厂的煤耗为08x14640400gWh) 乙电厂的煤耗为06×21372=040kg(W:b 虽然甲电厂耗用煤的数量较乙电厂多,但由于甲电厂所燃用煤的发热量低,当换算成标 准煤时,就可以评价出甲电厂的经济性比乙电厂好。 另外,为了比较煤中各成分对锅炉燃烧的影响,常以煤的单位发热量对有关成分进行换 算,称此换算后各项成分的百分含量为“折算成分”。例如为了估算和对比煤中水分、灰分、 硫分等有害成分对锅炉燃烧的影响,常用Qnea为4.18MJkg(1000kcal/kg)作为基本计算单 位,对以上成分进行换算,即 折算水分=-×418(%) 折算灰小、×410(%) 折算硫分=S ×4.18(%) 这样,同一台锅炉当燃用不同煤时,用“折算成分”就能比较岀两种煤对锅炉燃烧影响 的大小。例如Qetm为2216MJkg和12.54MJkg两种煤的含硫量都是0.85%,但对于: 第一种煤的“折算硫分”为 2l6×418=0.16(%) 第二种煤的“折算硫分”为 1254×4.18=028(% 显然,第二种煤中的硫分比第一种煤中的硫分对锅炉燃烧的影响大
4 式中，Qnet,V,M——水分为 M 的煤的恒容低位发热量，J/g； M——煤样的水分，％。 干燥基时，M＝0； 空气干燥基时，M＝Mad； 收到基时，M＝Mt。 四、以低位发热量为基准的计算 在工业上为核算企业对能源的消耗量，统一计算标准，便于比较和管理，规定以收到基 的低位发热量 29.27MJ/kg 作为统一的换算单位，称为标准煤的发热量，即每 29.27MJ 的热 量可换算成 1kg 的标准煤。火电厂的煤耗就是按每发 1kW·h（度）的电能所消耗的标准煤 的量计算的。例如甲电厂每发 1kW·h（度）的电，要燃用 Qnet,ar 为 14.64MJ/kg 的煤 0.8kg； 乙电厂每发 1kW·h（度）的电，要燃用 Qnet,ar 为 21.37MJ/kg 的煤 0.6kg，则： 甲电厂的煤耗为 0.400kg/(kW h) 29.27 14.64 0.8 = 乙电厂的煤耗为 0.440kg/(kW h) 29.27 21.37 0.6 = 虽然甲电厂耗用煤的数量较乙电厂多，但由于甲电厂所燃用煤的发热量低，当换算成标 准煤时，就可以评价出甲电厂的经济性比乙电厂好。 另外，为了比较煤中各成分对锅炉燃烧的影响，常以煤的单位发热量对有关成分进行换 算，称此换算后各项成分的百分含量为“折算成分”。例如为了估算和对比煤中水分、灰分、 硫分等有害成分对锅炉燃烧的影响，常用 Qnet,ar 为 4.18MJ/kg（1000kcal/kg）作为基本计算单 位，对以上成分进行换算，即： 4.18 , net ar ar Q M 折算水分＝ （％） 4.18 , net ar ar Q A 折算灰分＝ （％） 4.18 , net ar ar Q S 折算硫分＝ （％） 这样，同一台锅炉当燃用不同煤时，用“折算成分”就能比较出两种煤对锅炉燃烧影响 的大小。例如 Qnet,ar 为 22.16MJ/kg 和 12.54MJ/kg 两种煤的含硫量都是 0.85％，但对于： 第一种煤的“折算硫分”为 4.18 0.16 22.16 0.85 = （％） 第二种煤的“折算硫分”为 4.18 0.28 12.54 0.85 = （％） 显然，第二种煤中的硫分比第一种煤中的硫分对锅炉燃烧的影响大
第二节测定发热量的基本原理 煤的发热量在氧弹热量计中进行测定的,一定量的分析试样在氧弹热量计中,在充有过 量氧气的氧弹内燃烧。燃烧所释放出的热量被氧弹周围一定量的水(内筒水)所吸收,其水 的温升与试样燃烧所释放出的热量成正比,即: Q 式中,Q一一燃料发热量,Jg; 试样量,g; to——量热系统的起始温度,℃ tn——量热系统吸收试样放出的热量后的最终温度,℃ 热量计的热容量,J/℃ 量热系统是指在发热量测定过程中,接收试样所放出热量的各个部件。除了内筒水外, 还包括内筒、氧弹及搅拌器、量热温度计等浸没于水中的部分。对于一台热量计来说,当内 筒水量、搅拌器与量热温度计等在水中的浸没深度及环境温度等试验条件确定时,热容量E 为一常数。 氧弹热量计的热容量通过在相似条件下燃烧一定量的基准量热物苯甲酸来确定: 根据试样点燃前后量热系统产生的温升,并对点火热等附加热进行校正后即可求得试样 的弹筒发热量。 E 根据试样点燃前后量热系统产生的温升,并对点火热等附加热进行校正后即可求得试样 的弹筒发热量。 第三节发热量测定仪器—热量计 热量计由燃烧氧弹、内筒、外筒、搅拌器温度传感器和试样点火装置、温度测量装置和 控制系统以及水构成。 通用热量计有两种,恒温式和绝热式。它们的量热系统被包围在充满水的双层夹套(外 筒)中,它们的差别只在于外筒及附属的自动控温装置,其余部分无明显区别。 我国电力系统中普遍使用各种型号的恒温式热量计。下面将主要介绍传统使用的恒温式 热量计 热量计的主体 热量计的主体由氧弹、内筒、外筒和搅拌器四个部件组成。 氧弹 氧弹是由耐热、耐腐蚀的镍铬或镍铬铝合金钢制成,它是供燃烧试样用的,由弹筒、弹 头和盖圈组成。需要具备三个主要性能:
5 第二节 测定发热量的基本原理 煤的发热量在氧弹热量计中进行测定的，一定量的分析试样在氧弹热量计中，在充有过 量氧气的氧弹内燃烧。燃烧所释放出的热量被氧弹周围一定量的水（内筒水）所吸收，其水 的温升与试样燃烧所释放出的热量成正比，即： ( ) m E t t Q n − 0 = 式中，Q——燃料发热量，J/g； m——试样量，g； t0——量热系统的起始温度，℃； tn——量热系统吸收试样放出的热量后的最终温度，℃； E——热量计的热容量，J/℃。 量热系统是指在发热量测定过程中，接收试样所放出热量的各个部件。除了内筒水外， 还包括内筒、氧弹及搅拌器、量热温度计等浸没于水中的部分。对于一台热量计来说，当内 筒水量、搅拌器与量热温度计等在水中的浸没深度及环境温度等试验条件确定时，热容量 E 为一常数。 氧弹热量计的热容量通过在相似条件下燃烧一定量的基准量热物苯甲酸来确定： 根据试样点燃前后量热系统产生的温升，并对点火热等附加热进行校正后即可求得试样 的弹筒发热量。 0 t t Qm E n − = 根据试样点燃前后量热系统产生的温升，并对点火热等附加热进行校正后即可求得试样 的弹筒发热量。 第三节 发热量测定仪器——热量计 热量计由燃烧氧弹、内筒、外筒、搅拌器温度传感器和试样点火装置、温度测量装置和 控制系统以及水构成。 通用热量计有两种，恒温式和绝热式。它们的量热系统被包围在充满水的双层夹套(外 筒)中，它们的差别只在于外筒及附属的自动控温装置，其余部分无明显区别。 我国电力系统中普遍使用各种型号的恒温式热量计。下面将主要介绍传统使用的恒温式 热量计。 一、热量计的主体 热量计的主体由氧弹、内筒、外筒和搅拌器四个部件组成。 1．氧弹 氧弹是由耐热、耐腐蚀的镍铬或镍铬铝合金钢制成，它是供燃烧试样用的，由弹筒、弹 头和盖圈组成。需要具备三个主要性能；