工业分析第四章煤质分析

第四章煤质分析内容4.1概述4.2煤的工业分析4.2.1水份的测定4.2.2灰分的测定4.2.3挥发分的测定4.2.4固定碳的测定4.3煤中全硫量的测定

4.4煤发热量的测定4.由工业分析结果计算煤的发热量§4.1

概述◎煤的定义煤是植物遗体覆盖在地层下，经复杂的生物化学和物理化学作用，转化而成的固体有机可燃沉积岩。

一、煤的组成和分类二、煤的分析方法分类

一、煤的组成和分类

1．煤的组成2．煤的分类1．煤的组成

煤的成分主要有各种复杂的高分子有机化合物、水和无机物。它包含有很多种元素，由可燃物和不可燃物两部分组成。可燃物主要包括有机质和少量的矿物质，不可燃物包括水和大部分矿物质，象碱金属、碱土金属、铁、铝等的盐类。煤的元素组分即碳、氢、氧、氮、硫五个元素.

碳是组成煤大分子的骨架，在各元素中最高，一般大于70%。随着煤化程度的不断增高，煤中碳元素的含量也越高，如某些超无烟煤，碳含量可超过97%。碳煤的元素组分

即碳、氢、氧、氮、硫五个元素.

氢是煤中第二个重要的组成元素，它占煤的质量分数为1～6%，越是年轻的煤，其含量也越高。氢煤的元素组分

即碳、氢、氧、氮、硫五个元素.

氧元素是组成煤有机质的十分重要的元素，越是年轻的煤，氧元素的比例也越大，发热量常随氧元素含量的增高而降低，其含量从1～30%均有。氧煤的元素组分即碳、氢、氧、氮、硫五个元素.

氮元素在煤中的比例较少，一般为0.5～3%。

氮煤的元素组分

即碳、氢、氧、氮、硫五个元素.

硫元素也是组成煤的有机质的一种常见元素，它在煤中含量的多少，与煤化程度的高低无明显关系，其含量从最低的0.1到最高的10%均有。硫2．煤的分类煤的成因分类：按成煤的原始植物进行分类的方法；工业分类或商业分类：按煤的工业使用方法分类；煤的科学分类：按煤的组分结构进行分类。我国的分类法是工业分类法新的煤分类国家标准把我国的煤从褐煤到无烟煤之间又根据煤化度和工业利用的特点，共划分为14个大类和17个小类。

根据煤的煤化度，将我国所有的煤分为三类：褐煤、烟煤、无烟煤二、煤的分析方法分类煤的分析检验，根据目的不同，一般可分为：1．工业分析2．元素分析3．其它分析1.工业分析煤的工业分析又叫技术分析或实用分析，是评价煤的基本依据。

半工业分析：煤的半工业分析测定项目主要是水分、灰分、挥发分和固定碳含量等4项。

全工业分析：水分、灰分、挥发分和固定碳、发热量和硫的测定。

2.煤的元素分析：主要是测定煤中的碳、氢、氧、氮和硫等元素的含量，为煤的科学分类、合理利用和加工工艺设计等提供必要的数据。元素分析仪3．其它分析

伴生元素分析。煤中的伴生元素很多，但一般是指有提取价值的锗、镓、铀、钒、铝、钽等常见的稀有元素。煤中的锗含量在20g∙g-1以上时即可计算储量而有一定的提取价值，镓含量在50g∙g-1以上和铀含量在300～500g∙g-1以上时也有提取价值。有害元素分析。煤中的有害元素种类很多，如硫，磷、氯、砷、氟、铬、镉、汞等。硫、磷、氯主要是指工业利用中对生产有害，后几种则是对人体和环境有害，根据特殊的需要进行检测。

§4.2

煤的工业分析一、常用的符号和基准二、水分的测定三、灰分的测定四、挥发分产率的测定五、固定碳含量的计算一、常用的符号和基准1．分析项目的名称及表示符号表1分析试验项目及符号项目水分灰分挥发分固定碳发热量矿物质符号MAVFCQMMC、H、O、N、S及煤灰中化学成分等仍以元素名称为代表符号。ashvolatilecompoundfixedcarbonquantityofproducedheatmineralmattermoisture2．存在形态或操作情况指标及符号表2常用指标及符号项目外在或游离内在全高位低位恒容恒压符号finhtgrnetvpfreeinherencetotalnether3．各种基准的表示符号基准是指煤样所处的状态。用不同状态的煤样分析试验，将得出不同的结果，所以基准又是用以计算和表达测定值的主要依据之一。收到基（ar）asreceived空气干燥基（ad）airdry干基（d）dry干燥无灰基（daf）dryash-free3.1收到基（ar）

就其含义而言，是从收到的一批煤样中取出具有代表性的煤样，以此种状态的煤样测定的结果并以此基表示的值，称为收到基。

3.2空气干燥基（ad）是指煤样所处环境与水蒸气压达到平衡时的煤样。在新标准中规定：煤样若在空气中连续干燥1小时后质量变化不超过0.10%，则认为达到空气干燥状态。3.3干基（d）以无水状态的煤样为标准的分析结果表示方法。3.4

干燥无灰基（daf）它是以假想的无水无灰状态的煤为基准的分析结果表示方法。●煤中的水分属杂质组分。在煤的燃烧过程中，水分受热逸出除降低热值外还能与燃烧气中的一些组分互相作用，产生对设备、管道、触媒（催化剂）等造成损害的物质，如SO2与H2O作用生成H2SO3等。

●因此煤中水分的含量将影响煤质的质量，是经常要进行检验的项目之一。二、水分的测定（一）煤中水分的存在形态分为两类:化合水、游离水1．化合水：以化合方式和煤中矿物质结合的水，即通常所说的结晶水，例如硫酸钙（CaSO42H2O）、高岭土（Al2O32SiO42H2O）中的结晶水。结晶水要在200℃以上才能分解析出。2．游离水：

以物理状态（如附着、吸附等形式）和煤结合的水。根据存在的不同结构状态，分为外在水分和内在水分。2.1外在水分（Mf）是指煤在开采、运输、储存和洗选过程中润湿在煤的外表及大毛细孔（直径＞10-5cm）中的水分。此水分在空气中风干1-2天就能蒸发而失去。2.2内在水分（Minh）

内在水分是指吸附或凝聚在煤粒内部的毛细孔（直径＜10-5cm）中的水分。这部分水分较难蒸发，需要在高于正常沸点的温度下才能除去。（二）煤中全水分（Mt或Mar

）的测定

煤中全水分的测定有三种方法:

A、B、C按测定的速度来说:方法A为常规测定法，方法B、C为快速测定法。方法A仅适用于烟煤和无烟煤，并作为测定烟煤和无烟煤水分的仲裁测定方法；方法B和方法C适用于褐煤、烟煤和无烟煤，但以方法B作为测定褐煤全水分的仲裁方法。

称取样品500g105-110℃烟煤干燥2-2.5h无烟煤干燥3-3.5h检查性试验至恒重称取样品500g145±5℃烟煤干燥30min无烟煤干燥1h褐煤干燥1.5h检查性试验至恒重145±5℃烟煤干燥30min无烟煤干燥1h褐煤干燥45h检查性试验至恒重称取样品10-12ABC结果计算

式中

Mt——煤样的全水分；

m——煤样的质量，g；

m1——煤样干燥后减轻的质量，g。全水份测定注意问题1.在测定煤样的全水分以前，应仔细检查贮存煤样的容器密封情况，擦净容器表面，称量，并与容器标签上所注明的质量进行核对。

如果煤样在运送过程中水分有损失，则可按下式求出补正后的煤样全水分：M1为煤样在运送过程中水分的损失量（%）

全水份测定注意问题2.全水分测定结果的允许误差表3平行测定全水分的允许误差全水分（Mt，%）平行测定结果的允许误差（%）<10≥100.400.50*在同一化验室进行全水分测定时

（三）分析煤样（空气干燥基）的水分测定

分析煤样的水分就是空气干燥基水分Mad

，测定方法分为常规方法、快速方法和蒸馏方法三种。

Mad——分析煤样水分；

m1——分析煤样干燥后失去的质量，g；

m——分析煤样的质量，g。称取样品1±0.1g105-110℃烟煤干燥1h无烟煤干燥1-1.5h冷却检查性试验至恒重称取样品1±0.1g145±5℃烟煤、无烟煤干燥10min褐煤干燥1h冷却检查性试验至恒重1.常规测定法（适用于烟煤和无烟煤）2.快速测定法3.蒸馏法(适合褐煤)水的回收曲线如何绘制？三灰分的测定

煤样在规定的条件下完全燃烧后所得到的残留物，称为灰分。煤的灰分来自煤中的矿物质，包括：1、原生矿物质2、次生矿物质3、外来矿物质以高温灼烧法测定煤中灰分含量时，主要反应：

（1）当温度在400oC左右时,主要反应：灰分的测定（二）（2）当温度在500oC左右时的主要反应：（3）当温度在600oC左右时：（3）当温度高于700oC时：

煤中的碱金属氧化物和氯化物部分发生分解，待温度达到800oC时分解反应基本完成，因此煤的灰分测定温度规定为（815±10）oC1．仪器灰皿

长方形灰皿

2．测定过程

称取分析煤样10.1g，于已经在81510℃灼烧恒量的灰皿中，轻微振动，使样品分散为均匀的薄层，置温度低于100℃的高温炉中。在炉门留有约15mm左右的缝隙供自然通风，控制加热速度，使炉温在30min左右缓慢升高至500℃并保持此温度30min。然后，升高温度至81510℃，关闭炉门，在此温度下继续灼烧1h。取出灰皿，于干燥器中冷至室温（约20min）称量，然后进行检查性灼烧，每次进行20min，直到煤样的质量变化小于0.001g时为止，取最后一次质量计算。灰分<15%的样品，可不必进行检查性灼烧。3.计算式中

m——试料的质量，g；

m1——灼烧后残渣质量，g。

4．灰分测定的允许误差

表4灰分测定的允许误差（%）灰分（%）同一实验室不同实验室<1515~30>300.20.30.50.30.50.7四、挥发分产率的测定

将煤放在与空气隔绝的容器内，在高温下经一定时间加热后，煤中的有机质和部分矿物质分解为气体释出，由减小的质量再减去水的质量即为煤的挥发分（V）

。

因为煤中可燃性挥发分不是煤的固有物质，而是在特定条件下，煤受热的分解产物，因此所测的结果应称为挥发分产率。三、挥发分的测定

煤在温度为（900±10）oC下隔绝空气加热7min，以减少的煤的质量占煤样质量的百分数，减去该煤样的水分含量（Mad）作为挥发分产率。

煤的挥发分产率大致反映了煤的成煤程度，是我国和各国对煤进行分类的一项重要指标。挥发分方法原理及要点1．仪器

1.1磨口坩埚1.2高温炉1.3坩埚架

2．测定过程

称取分析煤样10.01g，于已在90010℃灼烧恒量的专用坩锅内，轻敲坩埚使试样摊平，然后盖上坩埚盖，置于坩埚架上，迅速将坩埚架推至已预先加热至90010℃的高温炉的稳定温度区内，并立即开动秒表，关闭炉门。准确灼烧恰好7min，迅速取出坩埚架，在空气中放置5～6min，再将坩锅置于干燥器中冷却至室温，称量。计算挥发分产率。3.计算式中

m——试料的质量，g；

m1——样品加热后减少的质量，g。4．注意事项

4.1当打开炉门，推入坩埚架时，炉温可能下降，但是在3min内必须使炉温达到90010℃，否则试验作废。4.2从加热至称量都不能揭开坩埚盖，以防焦渣被氧化，造成测定误差。4.3每次测定后，坩埚内常附着一层黑色碳烟，应灼烧除去后再使用。

5．测定挥发分产率的允许误差

表5挥发分产率测定的允许误差挥发分产率（%）平行测定结果的允许误差（%）不同化验室同一煤样的测定结果的允许误差（%）<1010~45>450.30.51.00.51.01.5五、固定碳含量的计算

固定碳

—是指除去水分、灰分和挥发分后的残留物，用符号FCad表示。固定碳的化学组分，主要是C元素，另外还有一定数量的H、O、N、S等其它元素。

固定碳含量，一般不直接测定，而是通过计算得到计算FCad=100%-Mad-Aad–Vad

FCd=100%-Ad–Vd

FCdaf=100%-Vdaf§4.3

煤中硫的测定

煤中的硫根据其存在的形态分类：

有机硫无机硫单质硫根据燃烧性分类：可燃硫：有机硫、硫铁矿硫和单质硫不可燃硫（固定硫）：硫酸盐硫

全硫

煤中各种形态硫的总和叫做全硫，记作St，全硫通常就是煤中的硫酸盐硫（记作Ss）、硫铁矿硫（记作Sp）和有机硫（记作So）的总和，即

St=Ss+Sp+So如果煤中有单质硫（记作S），也应包含在全硫中。

一般工业分析中只测全硫，全硫的测定方法有：艾士卡质量法、燃烧法、弹筒法等。燃烧法是快速方法，而艾士卡法至今仍是全世界公认的标准方法，

艾士卡质量法

一．方法要点将煤样与艾士卡试剂混合灼烧，煤中的硫生成硫酸盐，以硫酸钡沉淀质量法测定生成的硫酸盐，再换算出含硫量。艾士卡试剂组成：碳酸钠和氧化镁Na2CO3（无水、1份）＋MgO（轻质、2份）方法包括煤样的半熔反应、用水浸取、硫酸钡的沉淀、过滤、洗涤、干燥、灰化和灼烧等过程。

二．基本原理1.半熔反应煤样和艾士卡试剂均匀混合后在高温下进行半熔反应，使各种形态的硫都转化成可溶于水的硫酸盐。

煤中的硫燃烧分解产生的硫氧化物（SO2、SO3）被艾氏试剂Na2CO3和

MgO吸收而固定下来，生成可溶性硫酸盐：硫酸钠、硫酸镁。煤+空气=CO2

+H2O+

SO2+SO3

+N2

2SO2+O2+2Na2CO3=

2Na2SO4

+2CO2

SO3+Na2CO3=Na2SO4

+CO2

MgO

作用？

艾士卡试剂中的MgO能疏松反应物，使空气能进入煤样，同时也能与SO2和SO3发生反应。

CaSO4？MeSO4？

不可燃烧又难溶于水的CaSO4，也能同时能和艾士卡试剂作用。难溶于水的硫酸盐MeSO4和艾士卡试剂中的Na2CO3反应如下：

MeSO4+Na2CO3=Na2SO4+MeCO32.熔块浸取经半熔反应后的熔块，用水浸取，Na2SO4都溶入水中。未作用完的Na2CO3也进入水中，并部分水解，因此水溶液呈碱性。

3.沉淀、洗涤、灼烧、恒量加入Ba2+后，生成硫酸钡沉淀：

SO42-+Ba2-=BaSO4

滤出BaSO4沉淀，经洗涤、烘干、灰化、灼烧，即可称量。三．试剂

四．测定方法

熔块浸取调整试液酸度灼烧至恒重沉淀过滤洗涤至无氯离子灰化熔样问题：1.半熔反应后若熔块中有残炭颗粒，说明什么？2.用水浸取和洗涤熔块时若水量过多对检测有何影响？3.滤液为什么要酸化？不酸化对结果有何影响？4.洗涤沉淀时用什么检验有无氯离子？若氯离子没洗净对结果有何影响？5.如何灰化？6.定性滤纸和定量滤纸的区别是什么？五.结果计算

m——煤样质量，g；

m1——灼烧后硫酸钡的质量，g；

m2——空白试验硫酸钡的质量，g；0.1374——由硫酸钡换算为硫的换算因数。

六．测定全硫的允许误差

测定全硫的允许误差St,ad同一实验室，%

不同实验室，%<11~4>40.050.100.200.100.200.30§4.4煤发热量的测定

一、发热量的定义及单位二、发热量的种类和基准三、煤的发热量的测定一、发热量的定义及单位煤的发热量或热值是指单位质量的煤完全燃烧，当燃烧产物冷却到燃烧前的温度时（室温）所放出的热量，用Q表示。

发热量的单位:

J/g、kJ/kg或MJ/kg表示。过去曾使用卡（cal）作单位，1cal=4.1816J。

二、发热量的种类和基准煤的发热量分类：弹筒发热量高位发热量低位发热量1．弹筒发热量：（Qb）是指单位质量的煤样在量热计和弹筒内，在过量的高压氧气条件下（初始压力为27～35大气压）燃烧后产生的热量，也就是用弹筒量热计实测出的热量。煤中原有的水和氢元素燃烧生成的水冷凝在弹筒中，氮被氧化为NO2或N2O5，硫被氧化为SO3，它们溶于水也会产生热量。因此煤在弹筒中燃烧要比在空气中燃烧时产生的热量多，所以又称为“最高发热量”。

2．高位发热量（Qgr表示）

高位发热量是指煤在大气中燃烧时产生的热量，此时煤中的硫只生成SO2，氮是游离状态N2，水呈液态冷凝（常温约25℃）。

3．低位发热量（Qnet）

低位发热量是指煤在工业窑炉中燃烧时所产生的热量。煤在工业窑炉中燃烧时，煤中水分和氢生成的水蒸汽随烟道气进入大气中（假设燃烧产物中的水成20℃水蒸气状态），此时燃料燃烧放出的热量一部分被水气化所吸收，故热值降低。

4．常用的表示方法

除了介绍过的三种发热量，煤的分析又有五种不同的基准。因此煤的发热量就可以有十五种不同的表示方法，但其中有些表示方法的实际应用意义不大。常用的有下列五种：4.1空气干燥基弹筒发热量，Qb,ad；4.2空气干燥基高位发热量，Qgr,ad；4.3干基高位发热量，Qgr,d；4.4干燥无灰基高位发热量，Qgr,daf；4.5收到基低位发热量，Qne