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關于煤的工業分析/煤炭化驗分析知識/煤炭化驗方法

時間:2016-06-27 20:23:02  來源:  作者:

一。 煤炭化驗分析知識/煤炭化驗方法 q1l氣化網

煤的工業分析,又叫煤的技術分析或實用分析,是評價煤質的基本依據。  
在國家標準種,煤的工業分析包括煤的水分、灰分、揮發分和固定碳等指標的測定。通常煤的水分、灰分、揮發分和固定碳等指標的測定。通常煤的水分、灰分、揮發分是直接測出的,而固定碳是用差減法計算出來的。廣義上講,煤的工業分析還包括煤的全硫分和發熱量的測定, 又叫煤的全工業分析。  
1、煤的水分  
煤的水分,是煤炭計價中的一個輔助指標。 煤的水分直接影響煤的使用、運輸和儲存。煤的水分增加,煤中有用成分相對減少,且水分在燃燒時變成蒸汽要吸熱,因而降低了煤的發熱量。煤的水分增加,還增加了無效運輸,并給卸車帶來了困難。特點是冬季寒冷地區,經常發生凍車,影響卸車,影響生產,影響車皮周轉,加劇了運輸的緊張。煤的水分也容易引起煤炭粘倉而減小煤倉容量,甚至發生堵倉事故。隨著礦井開采深度的增加,采掘機械化的發展和井下安全生產的加強,以及噴露灑水、煤層注水、綜合防塵等措施的實施,原煤水分呈增加的趨勢。為此,煤礦除在開采設計上和開采過程中的采煤、掘進、通風和運輸等各個環節上制定減少煤的水分的措施外,還應在煤的地面加工中采取措施減少煤的水分。  
(1)煤中游離水和化合水  
煤中水分按存在形態的不同分為兩類,既游離水和化合水。游離水是以物理狀態吸附在煤顆粒內部毛細管中和附著在煤顆粒表面的水分;化合水也叫結晶水,是以化合的方式同煤中礦物質結合的水。如硫酸鈣(NaSO4.2H2O)和高齡土(AL2O3.2SiO2.2H2O) 中的結晶水。游離水在105~110C的溫度下經過1~2小時可蒸發掉,而結晶水通常要在200C以上才能分解析出。煤的工業分析中只測試游離水,不測結晶水。  
(2)煤的外在水分和內在水分  
煤的游離水分又分為外在水分和內在水分。  
外在水分,是附著在煤顆粒表面的水分。外在水分很容易在常溫下的干燥空氣中蒸發,蒸發到煤顆粒表面的水蒸氣壓與空氣的濕度平衡時就不再蒸發了。內在水分,是吸附在煤顆粒內部毛細孔中的水分。內在水分需在100C以上的溫度經過一定時間才能蒸發。最高內在水分,當煤顆粒內部毛細孔內吸附的書分達到飽和狀態時,這是煤的內在水分達到最高值,稱為最高內在水分。最高內在水分與煤的孔隙度有關,而煤的孔隙度又于煤的煤化程度有關,所以,最高內在水分含量在相當程度上能表征煤的煤化程度,尤其能更好地區分低煤化度煤。如年輕褐煤的最高內在水分多在25%以上,少數的如云南彌勒褐煤最高內在水分達31%。最高內在水分小于2%的煙煤,幾乎都是強粘性和高發熱量的肥煤和主焦煤。無煙煤的最高內在水分比煙煤有有所下降,因為無煙煤的孔隙度比煙煤增加了。  
(3)煤的全水分  
全水分,是煤炭按灰分計加中的一個輔助指標。a.煤中全水分的含義。煤中全水分,是指煤中全部的游離水分,即煤中外在水分和內在水分之和。必須指出的是,化驗室里測試煤的全水分時所測的煤的外在水分和內在水分,與上面講的煤中不同結構狀態下的外在水分和內在水分是完全不同的。化驗室里所測的外在水分是指煤樣在空氣中并同空氣濕度達到平衡時失去的水分(這是吸附在煤毛細孔中的內在水分也會相應失去一部分,其數量隨當時空氣濕度的降低和溫度的升高而增大),這時殘留在煤中的水分為內在水分。顯然,化驗室測試的外在水分和內在水分,除與煤中不同結構狀態下的外在水分和內在水分有關外,還與測試是空氣的濕度和溫度有關。b.煤的全水分  
測試方法要點見煤炭化驗國標GB212-91。  
2、煤的灰分   
煤的灰分,是指煤完全燃燒后剩下的殘渣。因為這個殘渣是煤中可燃物完全燃燒,煤 中礦物質(除水分外所有的無機質)在煤完全燃燒過程中經過一系列分解、化合反應后的產物,所以確切地說,灰分應稱為灰分產率。  
(1)煤中礦物質  
煤中礦物質分為內在礦物質和外在礦物質。  
a.內在礦物質,又分為原生礦物質和次生礦物質。原生礦物質,是成煤植物本身所含的礦物質,其含量一般不超過1~2%;次生礦物質,是成煤過程中泥炭沼澤液中的礦物質與成煤植物遺體混在一起成煤而留在煤中的。次生礦物質的含量一般也不高,但變化較大。內在礦物質所形成的灰分叫內在灰分,內在灰分只能用化學的方法才能將其從煤中分離出去。  
b.外來礦物質,是在菜煤和運輸過程中混入煤中的頂、底板和夾石層的矸石。外在礦物質形成的灰分叫外在灰分,外在灰分可用洗選的方法將其從煤中分離出去。  
(2)煤中灰分  
煤中灰分來源于礦物質。煤中礦物質燃燒后形成灰分。如粘土、石膏、碳酸鹽、黃鐵礦等礦物質在煤的燃燒中發生分解和化合,有一部分變成氣體逸出,留下的殘渣就是灰分。   
灰分通常比原物質含量要少,因此根據灰分,用適當公式校正后可近似地算出礦物質含量。  
(3)煤灰灰分對工業利用的影響 煤中灰分是煤炭計價指標之一。在灰分計加重,灰分是計價的基礎指標;在發熱量計加重,灰分是計價的輔助指標。灰分是煤中的有害物質,同樣影響煤的使用、運輸和儲存。煤用作動力燃料時,灰分增加,煤中可燃物質含量相對減少。礦物質燃燒灰化時要吸收熱量,大量排渣要帶走熱量,因而降低了煤的發熱量,影響了鍋爐操作(如易結渣、熄火),加劇了設備磨損,增加排渣量。煤用于煉焦時,灰分增加,焦炭灰分也隨之增加,從而降低了高爐的利用系數。還必須指出的是,煤中灰分增加,增加了無效運輸,加劇了我國鐵路運輸的緊張。  
(4)煤的灰分測定見煤炭檢驗國標GB212-91。  
3、煤的揮發分  
煤的揮發分,即煤在一定溫度下隔絕空氣加熱,逸出物質(氣體或液體)中減掉水分后的含量。剩下的殘渣叫做焦渣。因為揮發分不是煤中固有的,而是在特定溫度下熱解的產物,所以確切的說應稱為揮發分產率。  
(1)煤的揮發分不僅是煉焦、氣化要考慮的一個指標,也是動力用煤的一個重要指標,是動力煤按發熱量計價的一個輔助指標。揮發分是煤分類的重要指標。煤的揮發分反映了煤的變質程度,揮發分由大到小,煤的變質程度由小到大。如泥炭的揮發分高達70%,褐煤一般為40~60%,煙煤一般為10~50%,高變質的無煙煤則小于10%。煤的揮發分和煤巖組成有關,角質類的揮發分最高,鏡煤、亮煤次之,絲碳最低。所以世界各國和我國都以煤的揮發分作為煤分類的最重要的指標。  
(2)煤的揮發分測試要點見煤炭化驗分析國標GB212-91。  
4、煤的固定碳  
煤中去掉水分、灰分、揮發分,剩下的就是固定碳。 煤的固定碳與揮發分一樣,也是表征煤的變質程度的一個指標,隨變質程度的增高而增高。所以一些國家以固定碳作為煤分類的一個指標。固定碳是煤的發熱量的重要來源,所以有的國家以固定碳作為煤發熱量計算的主要參數。固定碳也是合成氨用煤的一個重要指標。  
固定碳計算公式:  
(FC)ad=100-(Mad+Aad+Vad)  
當分析煤樣中碳酸鹽CO2含量為2-12%時:  
(FC)ad=100-(Mad-Aad+Vad)-CO2,ad(煤)  
當分析煤樣中碳酸鹽CO2含量大于12%時:  
(FC)ad=100-(Mad+Aad+Vad)-[CO2,ad(煤)-CO2,ad(焦渣)]  
式中:  
(FC)ad——分析煤樣的固定碳,%;  
Mad——分析煤樣的水分,%;  
Aad——分析煤樣的灰分,%;  
Vad——分析煤樣的揮發分,%;  
CO2,ad(煤)——分析煤樣中碳酸鹽CO2含量,%;  
CO2,ad(焦渣)——焦渣中CO2占煤中的含量,%;  
5 煤的硫分  
(1)煤中硫存在的形態  
煤中硫分,按其存在的形態分為有機硫和無機硫兩種。有的煤中還有少量的單質硫。煤中的有機硫,是以有機物的形態存在與煤中的硫,其結構復雜,至今了解的還不夠充分,大體有以下官能團:硫醇類,R-SH(-SH,為硫基);噻吩類,如噻吩、苯駢噻吩、硫醌類,如對硫醌、硫醚類,R-S-R’;硫蒽類等。煤中無機硫,是以無機物形態存在于煤中的留。無機硫又分為硫化物硫和硫酸鹽硫。硫化物硫絕大部分是黃鐵礦硫,少部分為白鐵礦硫,兩者是同質多晶體。還有少量的ZnS,PbS等。硫酸鹽硫主要存在于CaSO4中。  
煤中硫分,按其在空氣中能否燃燒又分為可燃硫和不可燃硫。有機硫、硫鐵礦硫和單質硫都能在空氣中燃燒,都是可燃硫。硫酸鹽硫不能在空氣中燃燒,是不可燃硫。煤燃燒后留在灰渣中的硫(以硫酸鹽硫為主),或焦化后留在焦炭中的硫(以有機硫、硫化鈣和硫化亞鐵等為主),稱為固體硫。煤燃燒逸出的硫,或煤焦化隨煤氣和焦油析出的硫,稱為揮發硫(以硫化氫和硫氧化碳(COS)等為主)。煤的固定硫和揮發硫不是不變的,而是隨燃燒或焦化溫度、升溫速度和礦物質組分的性質和數量等而變化。煤中各種形態的硫的總和稱為煤的全硫(St)。煤的全硫通常包含煤的硫酸鹽硫(Ss)、硫鐵礦硫(Sp)和有機硫(So).St=Ss+Sp+So如果煤中有單支流,全硫中還應包含單質硫。  
(2)煤中硫對工業利用的影響硫是煤中有害物質之一。煤作為燃料在燃燒時生成SO2,SO3不僅腐蝕設備,而且污染空氣,甚至降酸雨,嚴重危及植物生長和人的健康。煤用于合成氨制半水煤氣時,由于煤氣中硫化氫等氣體較多不易脫凈,易毒化合成催化劑而影響生產。煤用于煉焦,煤中硫會進入焦炭,使鋼鐵變脆。鋼鐵中硫含量大于0.07%時就成了廢品。為了減少鋼鐵中的硫,在高爐煉鐵時加石灰石,這就降低了高爐的有效容積,而且還增加了排渣量。煤在儲運中,煤中硫化鐵等含量多時,會因氧化、升溫而自燃。我國煤田硫的含量不一。東北、華北等煤田硫含量較低,山東棗莊小槽煤、內蒙烏大、山西汾西、山西銅川等煤礦硫含量較高,貴州、四川等煤礦硫含量更高。四川有的煤礦硫含量高達4~6%以上,洗選后降到2%都困難。脫去煤中的硫,是煤炭利用的一個重要課題。在這方面美國等西方國家對潔凈煤的研究取得很大進展。他們首先是發展煤的洗選加工(原煤入洗比重0~80%以上,我國不足20%),通過洗選降低了煤中的灰分,除去煤中的無機硫(有機硫靠洗選是除不去的);其次是在煤的燃燒中脫硫和煙道氣中脫硫。這無疑增加了用煤成本。我們也在開展潔凈煤的研究,針對我國目前動力煤洗煤廠能力利用率僅50%多,應盡快制定和實施燃煤環保法,以促進煤碳洗選加工的發展和潔凈煤技術的應用。  
(3)煤中硫的測試要點  
煤中硫的測試包括煤的全硫、硫鐵礦硫和硫酸鹽硫的測試。見煤炭化驗國標GB214-83。  
6 煤的發熱量(熱值)測定  
煤的發熱量,又稱為煤的熱值,即單位質量的煤完全燃燒所發出的熱量。煤的發熱量時煤按熱值計價的基礎指標。煤作為動力燃料,主要是利用煤的發熱量,發熱量愈高,其經濟價值愈大。同時發熱量也是計算熱平衡、熱效率和煤耗的依據,以及鍋爐設計的參數。煤的發熱量表征了煤的變質程度(煤化度),這里所說的煤的發熱量,是指用1.4比重液分選后的浮煤的發熱量(或灰分不超過10%的原煤的發熱量)。成煤時代最晚煤化程度最低的泥炭發熱量最低,一般為20.9~25.1MJ/Kg,成煤早于泥炭的褐煤發熱量增高到25~31MJ/Kg,煙煤發熱量繼續增高,到焦煤和瘦煤時,碳含量雖然增加了,但由于揮發分的減少,特別是其中氫含量比煙煤低的多,有的低于1%,相當于煙煤的1/6,所以發熱量最高的煤還是煙煤中的某些煤種。鑒于低煤化度煤的發熱量,隨煤化度的變化較大,所以,一些國家常用煤的恒濕無灰基高位發熱量作為區分低煤化度煤類別的指標。我國采用煤的恒濕無灰基高位發熱量來劃分褐煤和長焰煤。  
(1)發熱量的單位  
熱量的表示單位主要有焦耳(J)、卡(cal)和英制熱量單位Btu。焦耳,是能量單位。1焦耳等于1牛頓(N)力在力的方向上通過1米的位移所做的功。  
1J=1N×0J  
1MJ=1000KJ  
焦耳時國際標準化組織(ISO)所采用的熱量單位,也是我國1984年頒布的,1986年7月1日實施的法定計量熱量的單位。煤的熱量表示單位:J/g、KJ/g、MJ/Kg卡(cal)是我國建國后長期采用的一種熱量單位。1cal是指1g純水從19.5C加熱到20.5C時所吸收的熱量。  
歐美一些國家多采用15Ccal,即1g純水從14.5C加熱到15.5C時所吸收的熱量。  
1cal(20Ccal)=4.1816J  
1cal(15Ccal)=4.1855J  
1956年倫敦第誤解蒸汽性質國際會議上通過的國際蒸汽表卡的溫度比15Ccal還低,其義義如下:  
1cal==4.1866J  
從上看出,15Ccal中,每卡所含熱能比20Ccal還高。  
英、美等國家目前仍采用英制熱量單位(Btu),其定義是:1磅純水從32F加熱到212F時,所需熱量的1/180。  
焦耳、卡、Btu之間的關系  
1Btu=1055.79J(≈1.055×1000J)  
1J=9471.58×10的負7次方Btu  
20Ccal/g與Btu/1b的換算公式:  
因為1Btu=1055.79J,1B=453.6g  
所以1Btu/1b=1/1.8cal/g  
1cal/g=1.8Btu/1b  
由于cal/g的熱值表示因15Ccal或20Ccal等的不同而不同,所以國際貿易和科學交往中,尤其是采用進口苯甲酸(標明其cal/g)作為熱量計的熱容量標定時,一定要了解是什莫溫度(C)或條件下的熱值(cal/g),否則將會對燃燒的熱值產生系統偏高或偏低。為了使熱量單位在國內外統一,不須以J取代cal作為煤的發熱量表示單位。  
(2)煤的各種發熱量名稱的含義  
a.煤的彈筒發熱量(Qb)  
煤的彈筒發熱量,是單位質量的煤樣在熱量計的彈筒內,在過量高壓氧(25~35個大氣壓左右)中燃燒后產生的熱量(燃燒產物的最終溫度規定為25C)。由于煤樣是在高壓氧氣的彈筒里燃燒的,因此發生了煤在空氣中燃燒時不能進行的熱化學反應。如:煤中氮以及充氧氣前彈筒內空氣中的氮,在空氣中燃燒時,一般呈氣態氮逸出,而在彈筒中燃燒時卻生成N2O5或NO2等氮氧化合物。這些氮氧化合物溶于彈筒稅種生成硝酸,這一化學反應是放熱反應。另外,煤中可燃硫在空氣中燃燒時生成SO2氣體逸出,而在彈筒中燃燒時卻氧化成SO3,SO3溶于彈筒水中生成硫酸。SO2、SO3,以及H2SO4溶于水生成硫酸水化物都是放熱反應。所以,煤的彈筒發熱量要高于煤在空氣中、工業鍋爐中燃燒是實際產生的熱量。為此,實際中要把彈筒發熱量折算成符合煤在空氣中燃燒的發熱量。  
b.煤的高位發熱量(Qgr)  
煤的高位發熱量,即煤在空氣中大氣壓條件下燃燒后所產生的熱量。實際上是由實驗室中測得的煤的彈筒發熱量減去硫酸和硝酸生成熱后得到的熱量。應該指出的是,煤的彈筒發熱量是在恒容(彈筒內煤樣燃燒室容積不變)條件下測得的,所以又叫恒容彈筒發熱量。由恒容彈筒發熱量折算出來的高位發熱量又稱為恒容高位發熱量。而煤在空氣中大氣壓下燃燒的條件濕恒壓的(大氣壓不變),其高位發熱量濕恒壓高位發熱量。恒容高位發熱量和恒壓高位發熱量兩者之間是有差別的。一般恒容高位發熱量比恒壓高位發熱量低8.4~20.9J/g,實際中當要求精度不高時,一般不予校正。  
c.煤的低位發熱量(Qnet)  
煤的低位發熱量,是指煤在空氣中大氣壓條件下燃燒后產生的熱量,扣除煤中水分(煤中有機質中的氫燃燒后生成的氧化水,以及煤中的游離水和化合水)的汽化熱(蒸發熱),剩下的實際可以使用的熱量。同樣,實際上由恒容高位發熱量算出的低位發熱量,也叫恒容低位發熱量,它與在空氣中大氣壓條件下燃燒時的恒壓低位熱量之間也有較小的差別。  
d.煤的恒濕無灰基高位發熱量(Qmaf)  
恒濕,是指溫度30C,相對濕度96%時,測得的煤樣的水分(或叫最高內在水分)。煤的恒濕無灰基高位發熱量,實際中是不存在的,是指煤在恒濕條件下測得的恒容高位發熱量,除去灰分影響后算出來的發熱量。恒濕無灰基高位發熱量是低煤化度煤分類的一個指標。  
(3)煤的彈筒發熱量的測試要點見煤炭化驗國標GB213-87。  
(4)煤的高位發熱量計算煤的高位發熱量計算公式為:  
Qgr,ad=Qb,ad-95Sb,ad-aQb,ad  
式中:  
Qgr,ad——分析煤樣的高位發熱量,J/g;  
Qb,ad——分析煤樣的彈筒發熱量,J/g;  
Sb,ad——由彈筒洗液測得的煤的硫含量,%;  
95——煤中每1%(0.01g)硫的校正值,J/g;  
a——硝酸校正系數。Qb,ad≤16700J/g,a=0.001  
16700J/g<Qb,ad<25100J/g,a=0.0012  
Qb,ad>25100J/g ,a=0.0016  
當Qb,ad〉16700J/g,或者12500J/g<Qb,ad<16700J/g,同時,Sb,ad≤2%時,可用St,ad代替Sb,ad。  
(5)煤的低位發熱量的計算  
Qnet,ad=Qgr,ad-0.206Had-0.023Mad  
式中:  
Qnet,ad——分析煤樣的低位發熱量,J/g;  
Qgr,ad——分析煤樣的高位發熱量,J/g;  
Had——分析煤樣氫含量,%;  
Mad——分析煤樣水分,%。  
(6)煤的各種基準發熱量及其換算  
a.煤的各種基準得發熱量如上所述,煤的發熱量有彈筒發熱量、高位發熱量和低位發熱量,每一種發熱量又有4種基準,所以  煤的不同基準的各種發熱量有3×4=12種表示方法,即:  
彈筒發熱量4種表示方式:  
Qb,ad——分析基彈筒發熱量;  
Qb,d——干燥基彈筒發熱量;  
Qb,ar——收到基彈筒發熱量;  
Qb,daf——干燥無灰基彈筒發熱量。  
高位發熱量4種表示形式:  
Qgr,ad——分析基高位發熱量;  
Qgr,d——干燥基高位發熱量;  
Qgr,ar——收到基高位發熱量;  
Qgr,daf——干燥無灰基高位發熱量。  
低位發熱量4種表示形式:  
Qnet,ad——分析基低位發熱量;  
Qnet,ar——收到基低位發熱量;  
Qnet,daf——干燥無灰基低位發熱量。  
b.煤的各種基準的發熱量間的換算  
煤的各種基準的發熱量間的換算公式和煤質分析中各基準的換算公式相似。如:  
Qgr,ad=Qgr,ad×(100-Mar)/(100-Mad)  
Qgr,d=Qgr,ad×100/(100-Mad)  
Qgr,daf=Qgr,ad×100/(100-Mad-Aad-CO2,d)  
式中:  
CO2,d——分析煤樣中碳酸鹽礦物質中CO2的含量(%),當CO2含≤2%時,此項可略去不計  
Qgr,maf=Qgr,ad×(100-M)/(100-Mad-Aad-Aad×M/100)  
式中:  
Qgr,maf——恒溫無灰基高位發熱量;  
M——恒濕條件下測得的水分含量,%。   
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