实验_煤的工业分析方法

实验二 煤的工业分析方法

煤的工业分析试验，是对煤在燃烧过程中呈现出来的特性进行的定量分析。具体地说，就是用实验的方法来测定煤中的水分（M）、灰分（A）、挥发分（V）和固定碳（FC）的质量百分数的含量。在试验时，只需测定煤中的水分、灰分和挥发分的百分含量，而煤中的固定碳的百分含量则是从百分之百中减去水分、灰分和挥发分百分含量后的差值。

一 、实验目的

1．了解煤中水分存在的形态。

2．了解煤中灰分的来源及其矿物质在灰分测定过程中的变化情况。

3．了解测定挥发分的意义，掌握焦渣特征的鉴定方法。

4．掌握水分、灰分和挥发分的测定方法。

5．掌握水分、灰分、挥发分以及固定碳的百分含量的计算。

二、基本原理

1．水分（M）

煤中水的存在形态可以分为游离水和化合水两种。游离水是煤的内部毛细管吸附或表面附着的水；化合水是和煤中的矿物质呈化合形态存在的水，也叫结晶水，如CaSO4·2H2O和Al2O3·2SiO2·2H2O等等。游离水又分外在水和内在水。外在水是附着在煤的表面和被煤的表面大毛细管吸附的水。把煤放在空气中干燥时，煤中的外在水分很容易蒸发，蒸发到煤表面的水蒸汽压和空气的相对湿度平衡时为止，此时的煤叫空气干燥基煤。当把这种煤制成粒度为0.2mm以下，作分析所用的试样时就叫分析煤样。用空气干燥状态煤样化验所得的结果就是空气干燥基的结果。内在水是煤的内部小毛细管所吸附的水，在常温下这部分水是不会失去的，只有加热到105～110℃的温度时，经过一段时间后，才能失去。而结晶水通常要在200℃以上才能分解析出。

根据煤样的状态，煤的水分测定可分为收到基煤样的水分测定及空气干燥基煤样的水分测定两种情况。

水分是指试样在温度为105～110℃时，干燥至恒重所失去的质量占原质量的百分数。

2．灰分（A）

煤的灰分是指在温度为815±10℃时，煤中的可燃物质完全燃烧，其中的矿物质在空气中经过一系列复杂的化学反应后所剩余的残渣，煤中的灰分来自矿物质，但它的组成和质量与煤中的矿物质不完全相同，灰分是一定条件下的产物。

煤中的矿物质来源于三个方面：

(1)原生矿物质——它是由成煤植物本身的金属元素所形成的。煤中的原生矿物质含量很少，一般不高于2～3％，分布均匀，与煤中的有机物质紧密结合，很难分离出来，它的含量虽少，但与锅炉的结渣和腐蚀有密切的关系。

(2)次生矿物质——它是在成煤过程中经煤层裂缝渗入的各种矿物质溶液积聚而形成的，它的含量也不高，也很难除去。

煤中的原生矿物质和次生矿物质总称为煤的内在矿物质。由内在矿物质形成的灰分叫内在灰分。

(3)外来矿物质——它是在开采的过程中混入的泥沙和矸石等，此类物质在煤中的分布极不均匀。外来矿物质很容易用机械或洗选的方法除去，由它形成的灰分称外在灰分。

当用燃烧法测定煤中的灰分时，煤中矿物质在燃烧过程中发生下列化学反应。

（1）失去结晶水

当温度高于400℃时，含有结晶水的硫酸盐和硅酸盐发生脱水反应：

CaSO4﹒2H2O=CaSO4+2H2O

Al2O3﹒2SiO2 . 2H2O=Al2O3﹒2SiO2+2H2O

(2) 受热分解

碳酸盐在600℃以上开始分解：

CaCO3=CaO+2CO2 ↑

FeCO3=FeO+CO2 ↑

(3) 氧化反应

在氧化介质(即空气)的作用下，温度为400～600℃时，发生下列氧化反应：

4FeS2+11O2=2Fe2O3+8SO2 ↑

2CaO+2SO2+O2=2CaSO4

4FeO+O2=2Fe2O３

(4) 挥发

碱金属化合物和氧化物在700℃以上，部分挥发。

以上各种反应，在800℃左右基本上已经完成，所以测定煤中灰分温度规定为815℃左右.但在此温度下，有些反应需一定时间才能完成，因此，测定时必须进行检查性的灼烧试验。

由于SO3和CaO在试验条件下生成CaSO4，使测定结果偏高而且不稳定，为此，需要适当的加热程序和通风条件。首先，让煤样在温度为500℃时保持一段时间，使黄铁矿硫和有机硫的氧化反应在这一温度下基本完成，并使生成的SO2有效地排出反应区。而碳酸盐600℃时才开始分解，800℃时才分解完全。

煤的灰分测定的方法要点：称取一定量的煤样，放入箱形电炉内灰化、然后在温度为815±10℃的条件下灼烧至恒重，以残留物质量占煤样质量的百分数作为灰分的大小。

3．挥发分（V）

把煤样与空气隔绝，在一定温度条件下，加热一定时间后，由煤中有机物质分解出来的液体（此时为蒸汽状态）和气体产物的总和称为挥发分，其质量百分含量称为挥发分产率，简称挥发分。挥发分不是煤中的固有物质，而是在特定条件下的热分解产物。

挥发分产率是煤炭分类的主要指标，根据挥发分产率的大小可以大致判断煤的变质程度，褐煤一般为40～60%，烟煤一般为10～40%，而无烟煤则小于10%，根据挥发分和焦渣的特征还能估计煤的热值的高低。

对于动力用煤，煤中的挥发分及其热值对煤的着火和燃烧情况都有较大的影响。

煤在隔绝空气条件下加热时，不仅有机物质发生热分解，煤中的矿物质也会发生相应的变化。一般情况下，因矿物质分解而产生的影响不大可以不加考虑。但当煤中的碳酸盐二氧化碳含量大于2%时，应对试验结果加以校正。

煤的挥发分产率测定是规范性很强的一项试验，测定结果完全取决于所规定的试验条件。

加热温度和加热时间对其影响最大，试样重量，坩锅的材料、厚度及容积大小等对挥发分的大小都有一定影响。

4．固定碳（FC）与焦渣特征 挥发分逸出后的残留物称为焦渣。煤样经试验后煤中的灰分转入焦渣中，从焦渣质量中减去灰分的质量即为固定碳的质量。

焦渣外形具有一定的特征，它与煤中有机物质的性质有一定关系，所以焦渣特性也用来作为煤质分类的一项参考指标，焦质特征可分为八类。

三、实验仪器设备

1．干燥箱：又称烘箱或恒温箱，供测定水分使用。干燥箱应带有自动调温装置，内附风机，由其顶部的温度计指示箱内温度，并能保持105～110℃或145±10℃的温度范围。

2．箱形电炉：供测定灰分、挥发分之用。它应带有调温装置、最高温度能保持在1000左右，炉膛中具有相应的恒温区。测定灰分时，要具有一定的通风排气条件。

3．分析天平：精确到0.0001克。

4．干燥器：内装变色硅胶干燥剂。

5．玻璃称量瓶：供测水分使用。直径为40毫米，高为25毫米，并带有严密的磨口盖，如图1所示。

6．灰皿：供测定灰分使用。长方形灰皿的底面为长45毫米，宽22毫米，高为14毫米，如图2所示。

图1 玻璃称量瓶 图2 灰皿

7．挥发分坩锅：供测定挥发分用之，瓷质，高为40毫米，上口外径为33毫米，底径为18毫米，壁厚为1.5毫米。盖槽的外径为35毫米，盖槽的内径为29毫米，外槽深为4毫米，坩锅总重量为15～19克，如图3所示。

8．托盘天平：感量为1克。

9．浅盘：由镀锌簿铁板或铝板等耐腐蚀又耐热的材料制成，其面积能以大约每平方厘米0.8克煤样的比例容纳500克煤样。而且盘的重量应小于500克。

10．坩埚架等。

图3 挥发分坩埚 四、技术要求和试验步骤

测定煤中水分、灰分的试验方法有常规测定法和快速测定法两种。快速测定法不适用于仲裁分析。在实验中采用常规测定法。

供测定煤中的灰分、挥发分等成分以及发热量所用的煤样叫分析煤样。它是指在制取煤样的过程中,得到的煤的粒度小于0.2毫米且在室温下连续干燥一小时后煤样的质量变化不超过0.1％的煤样。分析煤样的基准为空气干燥基。

实验中，为了检查分析结果的可靠程度，每项分析试验应对同一煤样重复进行两次测定。如果两次测定之差不超过规定的允许重复性限，则取其算术平均值作为测定结果。否则，应重新测定。

（一)全水分的测定

1．测定步骤

用已知质量的干燥、清洁的浅盘称取煤样500克（称准到1克），并将盘中的煤样均匀地摊平。

将装有煤样的浅盘放入预先鼓风并加热到105～110℃的干燥箱中，在不断鼓风的条件下烟煤干燥2～2.5小时，无烟煤干燥3～3.5小时。再从干燥箱中取浅盘，趁热称重。然后进行检查性的试验，每次试验半小时，直到煤样的减量不超过1克或者质量有所增加时为止。在后一情况下，应采用增重前的一次质量作为计算依据。

2．结果计算

式中 Mt——煤样的全水分，％;

G——煤样的质量，克；

G1——煤样干燥后减轻的质量，克。

３．测定结果的精密度

测定结果的精密度表示分两种情况：一种是重复性测定。这时，测定结果的精密度用重复性限表示；另一种是再现性测定，而其测定结果的精密度用再现性临界差表示。

在实验中，对同一试样所做的两次不同的测定属于重复性测定，所以测定结果的精密度用重复性限表示。

测定结果的重复性限

（二）空气干燥基水分的测定

1．试验步骤

用预先烘干和称出质量（称准到0.0002克）的称量瓶称取粒度为0.2毫米以下的煤样1±0.1克(称准到0.0002克)。然后把盖开启，将称量瓶放入预先鼓风并加热到105～110℃的干燥箱中。在一直鼓风条件下，烟煤干燥1小时，无烟煤干燥1～1.5小时后，从干燥箱中取出称量瓶并立即加盖。在空气中冷却2～3分钟后，放入干燥器中冷却到室温（约20分钟）称量。

然后进行检查性的干燥，每次30分钟，直到煤样的质量变化小于0.001克或质量增加水分Mt/％ 重复性限/％

＜１０ 0.4

＞１０ 0.5 1001GGMt为止。在后一种情况下采用增量前一次质量为依据。水分在2％以下时不进行检查性干燥。

2．结果计算

试样中失去的质量占试样质量的百分数，既为分析试样的水分百分含量。

式中；Mad——空气干燥基煤样的水分，％

m——分析煤样的原有质量，克

m1——烘干后的煤样质量，克。

3测定结果的精密度

测定结果的重复性限

水分Mad / % 重复性限/ %

＜5 0.20

5～10 0.30

＞10 0.40

注：（１）褐煤中的水分不可采用此方法测定

（三）灰分的测定

１．试验步骤

在预先灼烧和称出质量（准确到0.0002克）的灰皿中，称取粒度为0.2毫米以下的分析煤样1±0.1克（称准到0.0002克）。煤样在灰皿中要铺平，使其每平方米不超过0.15克。将灰皿送入温度不超过100℃箱形电炉中，在自然通风和炉门留有15毫米左右缝隙的条件下，用30分钟缓慢升至500℃。在此温度下保持30分钟后，升至815±10℃。然后，关上炉门并在此温度下灼烧1小时，灰化结束后从炉内取出灰皿，在空气中冷却5分钟，再放入干燥器中，冷却至室温（约20分钟），称量。