王光普 梁瑞玲 李冠龙 王亚梅
摘 要
目前碳硫同步检测技术在煤炭检测领域相关的应用研究较少，本文探讨了煤中碳硫同步检测技术的可行性，并提出煤中碳硫同步检测仪器设备的需求，同时根据该需求探索了目前适用于煤中碳硫同步检测的仪器设备，表明碳硫同步检测技术可应用于煤炭检测，尤其是发电企业入炉煤检测中，且目前有相应的设备可满足煤中碳硫同步检测，具有较好的应用前景。
关键词
煤;碳硫同步检测;需求
中图分类号： TQ533 文獻标识码： A
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.07.083
0 前言
目前碳硫同步检测技术在煤炭检测领域相关的应用研究较少，也无相关的检测技术标准规范。国内煤中碳元素的检测方法主要包括《煤中碳氢氮的测定 仪器法》（以下简称“GB/T 30733-2014”）、《燃料元素的快速分析方法》（以下简称“DL/T 568-2013”）和《煤中碳和氢的测定方法》（以下简称“GB/T 476-2008”）。国外则主要包括《Standard Test Methods for Instrumental Determination of Carbon，Hydrogen，and Nitrogen in Laboratory Samples of Coal and Coke》（以下简称“ASTM D5373-2002”）、《Solid mineral fuels -Determi na tion of total carbon，hydrogen and nitrogen content-Instrumental method》（以下简称“ISO 29541-2010”）、《Standard Practice for Ultimate Analysis of Coal and Coke》（以下简称“ASTM D3176-1989（2002）”）。
按“GB/T 30733-2014”、“DL/T 568-2013”、“ASTM D5373-2002”和“ISO 29541 -2010”检测煤中碳元素的仪器设备结构复杂，运行成本相对较高，检测耗时相对较长，不适用频次高的入炉煤检测工作;按“GB/T 476-2008”和“ISO 29541-2010”要求的仪器设备和检测过程更为繁复，效率相对更低。
1 煤中碳硫同步检测需求
我国未来将启动全国碳交易市场[1]。当前，由于检测方法、仪器设备、运行维护等原因，发电企业目前无法及时、准确地掌控其化石燃料（如煤炭）燃烧排放的二氧化碳（发电企业温室气体）数量。原因是现有检测方法耗时长，无专门的检测设备，工作量大，重复工作多，样品代表性差等。由于环境要求，火力发电企业每个班次需检测入炉煤全硫，若能在检测全硫的同时检测入炉煤中的碳，实现碳和全硫的同步检测，在不新增人力成本的前提下，在同一台设备、对同一个样次同步检测煤中的总碳和全硫，降低检测成本，提高检测速度，确保检测结果准确、可靠，从而精准的掌控每一班次的碳排放量，因此急需探索煤中碳硫同步检测的仪器设备。
2 煤中碳硫同步检测原理可行性
煤炭燃烧主要产生二氧化碳、二氧化硫、二氧化氮、卤化氢以及水等。CO2吸收红外线光谱范围：2.7um，4.26um;SO2吸收红外线光谱范围：4um，7.45um，8.7um;H2O吸收红外光谱范围：3.4um，1.62um，NO2吸收红外光谱范围：3.4um。碳检测可采用波长为2.7um的CO2吸收红外线光谱，硫检测可采用波长为8.7um的SO2吸收光谱。为了避免水分红外光谱对CO2吸收红外线光谱的干扰，检测前除去水分，即可实现碳硫同步检测的目的。
综合以上，本项目采用红外光谱法来检测煤炭燃烧产物中二氧化碳和二氧化硫的总量。具体原理为：试样在高温和氧气流中充分燃烧，煤中的碳和硫完全燃烧生成二氧化碳和二氧化硫，利用二者红外光谱吸收波长的不同，采用两个特定波长的红外检测器分别检测二氧化碳和二氧化硫的总量，从而计算试样中碳和全硫的含量，见图1。
3 煤中碳硫同步检测设备要求
结合现有方法以及仪器设备的弊端，本项目提出仪器设备技术要求，该设备需满足以下条件：
（1）加热元件（不可采用高频感应炉）可升温到1500℃，可靠耐用，满足样品燃烧条件。
（2）采用红外光谱吸收检测系统检测煤中的碳和硫;该检测系统检测范围可覆盖（0～100）%的碳，以及（0～15）%的硫。
（3）只用氧气（助燃气），不再使用如高纯氮气以及昂贵的高纯氦气，降低成本。
（4）装填煤样的容器可重复使用，摒弃一次性、成本高、耗量大的锡箔杯。
（5）样品检测分析时间缩短，每样次检测耗时控制在（2～3）分钟内。
（6）气密性良好，结构简单。
（7）可实现手工单个进样或全自动批量进样。
4 煤中碳硫同步检测设备探寻
结合以上要求，调研了具备该技术要求的仪器设备厂商，包括A公司和B公司的碳硫同步检测设备，对二者特点进行了分析。
经考察，两厂商生产的仪器设备均是在原先检测钢铁中的碳和硫的含量的基础上进行改进升级，从而适宜检测煤中碳硫含量的检测，二者均具备以上技术要求。但A公司设备经现场试验考察后发现以下问题：
（1）原部件过于烦琐，成本较高。
（2）自动送样器无法将坩埚准确送到进样杆上，经常掉样。
（3）氧气开启不明确。氧气开启有信号灯，但是该信号灯无相应标识，且在软件中无氧气是否开启的提示。
（4）软件中无基准换算的界面和程序。由仪器检测出的基准为空气干燥基碳或硫，无转换为干燥基的界面和程序。
（5）打开样品质量称量界面的过程较为复杂。
（6）标定时碳和硫元素无法直接换算为干燥基，标定时需将标准物质的标准值换算为空气干燥基再进行标定，过程较为复杂。
（7）标定后的曲线拟合方式与目前国标和电力行业标准要求不符。其标定后随意舍弃标定时的检测值，与统计方法要求不符。
（8）仪器设备气体流动需要空气泵，采用气瓶压差也可实现空气流动的功能，成本较大。
因此，B公司的设备无A公司设备发现的问题。同时具有以下特点：
（1）原部件简洁，成本较低。
（2）测定范围：S：0.01%～10%（可拓展）;C：0.5～100%。
（3）测试方法：红外吸收法。
（4）分析时间：60-300s。平均120s。
（5）测试精密度：0.005mg。
（6）温度：高温炉是硅碳管加热炉，600-1400℃±1%的设定值误差;恒温室：45～50℃。误差不超过设定值的±0.3℃。
（7）电源要求：单相交流AC220V～，50/60Hz，20A。
（8）环境条件：操作温度为-5℃到40℃，相对湿度20%-80%，无结露。
（9）试样个数：一次性≤60个，循环测试、循环放样。
因此，B公司的设备可用于煤中碳硫同步检测。
5 结论
碳硫同步检测技术可应用于煤炭检测，尤其是发电企业入炉煤检测中，且目前有相应的设备可满足煤中碳硫同步检测。煤中碳硫同步检测可在不新增人力成本的前提下，在同一台设备、对同一个样次同步检测煤中的总碳和全硫，降低检测成本，提高检测速度，确保检测结果准确、可靠，从而实现精准的掌控企业碳排放量，具有较好的应用前景。
参考文献
[1]覃涛. H燃煤发电公司基于碳排放权交易的应对策略研究[D].浙江：浙江工业大学，2017.
