煤的工业分析的内容及意义

煤的工业分析的内容及意义

0煤的工业分析工业分析是确定煤炭组成最基本的方法之一。在给定条件下，将煤炭组成与水、分权、蒸发和固定碳等组分进行了实验分析和测定。工业分析是一种有条件实验,除了水分以外,灰分、挥发分和固定碳是煤在特定测定条件下的转化产物,并非煤中的固有成分,其测定结果随着测定条件变化而变化。为了使测定结果具有可比性,工业分析的测定方法均有严格的标准。如在中国的国家标准(GB/T212-2008)中分别规定了水分、灰分、挥发分和固定碳的测定方法。在工业分析的4项指标中,灰分可近似代表煤中的无机物,挥发分和固定碳可近似代表煤中的有机物。工业分析虽然简单,但分析结果对于研究煤炭性质、确定煤炭的合理用途以及在煤炭贸易中,具有重要的作用。国内一些学者对煤的工业分析过程进行大量的研究和分析。本文将结合河南神火煤电公司辛庄煤矿煤出采煤层的工业分析结果来分析煤的煤质。1矿区地质概况河南神火煤电股份有限公司辛庄煤矿位于豫、皖两省交界的河南省永城市东部,行政区划属苗桥、茴村两乡管辖。煤矿东部及北部以人为边界与安徽省皖北矿务局刘桥二矿分界,西以王庄断层(F21)与葛店煤矿毗邻,南至煤层露头线。矿井地理座标为:经度116°38′15″~45″,纬度33°55′10″~55′50″。南北长约7.5km,东西宽约3km,面积约20.366km2。2在分析煤炭工业中各组分的定义时2.1煤中内在水分和外在水分的质量之和表1水分(Mad)是煤工业分析的重要组成部分,是煤炭质量的重要指标。煤中的水分包括游离水和化合水。煤中游离水是指与煤呈物理态结合的水,它吸附在煤的外表面和内部孔隙中。因此,煤的颗粒越细,内部孔隙越发达,煤中吸附的水分就越高。煤中的游离水分可分为两类:即在常温的大气中易于挥发的水分和不容易挥发的水分。前者吸附在煤炭颗粒的表面和较发育的毛细孔隙中,称为外在水分,用Mf表示;后者则存在于不太发育的孔隙中,称为内在水分,用Minh表示。煤中内在水分和外在水分的质量之和就是煤的全水分,它代表了刚开采出来,或使用单位刚收到或即将投入使用状态下煤中的全部水分(游离水分)。全水分用Mt或Mar表示。通俗地说,外在水分就是煤长时间暴露在空气中所失去的水分,而这时没有失去仍然残留在煤中的水分就是内在水分,有时也称为风干煤样水分。严格地说,外在水分、内在水分、全水分等指标是水分占煤样质量的百分数。按照一定的采样标准从商品煤堆、商品煤运输工具或用户煤场等处所采煤样,称为应用煤样,将应用煤样送到化验室后称为收到煤样,它含有的水分占收到煤样质量的百分数称为煤的全水分或收到基全水分,用Mt或Mar表示。应用煤样在空气中放置一定时间,使煤中水分在大气中不断蒸发,当煤中水的蒸气压与大气中水蒸气分压达到平衡,这时所失去的水分占收到煤样质量的百分数就是收到基外在水分,用Mf,ar表示。煤炭失去外在水分后所处的状态被称为风干状态或空气干燥状态,失去外在水分的煤样被称为风干煤样或空气干燥煤样。残留在风干煤样中的水分质量占风干煤样质量的百分比称为空气干燥基(dry)内在水分,用Minh,ad表示。一般来说,煤的工业分析采用的煤样均是空气干燥基(dry)煤样,空气干燥基煤样的水分也可称为空气干燥基水分,用Mad表示,它的大小在数值上与Minh,ad一致。为了应用方便,将收到基外在水分和空气干燥基内在水分简称为外在水分和内在水分,符号也分别简化为Mf和Minh。外在水分和内在水分构成了煤的全水分(即收到基全水分),它们的关系可用下式表示:2.2空气干燥基灰份的产率将煤在815℃的条件下完全燃烧后所得的残渣作为煤的灰分,残渣占煤样质量的百分数,称为煤的灰分产率,用A表示。测定灰分时所用的煤样是粒度小于0.2mm的空气干燥煤样,因此,测定结果是空气干燥基的灰分产率,用Aad表示。由于空气干燥煤样中的水分是随空气湿度的变化而变化的,因而造成灰分的测值也随之发生变化。但就绝对干燥的煤样来说,其灰分产率是不变的。所以,在实际使用上空气干燥基的灰分产率只是个中间数据,一般还需换算为干燥基的灰分产率Ad。在实际使用中除非特别指明,灰分的基准均是干燥基。换算公式如下:煤的灰分不是煤中的固有组成,而是由煤中矿物质转化而来的。煤的灰分与矿物质有很大区别,首先是灰分的产率比相应的矿物质含量要低,其次是在成分上有很大变化。矿物质在高温下经分解、氧化、化合等化学反应之后才转化为灰分。2.3煤中挥发油分的组成在高温条件(900℃)下,将煤隔绝空气加热一定时间,煤的有机质发生热解反应,形成部分小分子的化合物,在测定条件下呈气态析出,其余有机质则以固体形式残留下来。由有机质热解形成并呈气态析出的化合物称为挥发物,该挥发物占煤样质量的百分数称为挥发分或挥发分产率。以固体形式残留下来的有机质占煤样质量的百分数称为固定碳。实际上,固定碳不能单独存在,它与煤中的灰分一起形成的残渣称为焦渣,从焦渣中扣除灰分就是固定碳。挥发分用V表示,固定碳用FC表示。煤的水分和灰分反映了煤的无机物的组成特点,挥发分和固定碳则反映了煤的有机质的组成特点。挥发分能够反映出煤的大部分的性质,几乎在所有研究或利用煤的场合均需要煤的挥发分数据。因此,煤的挥发分是煤的最重要的参数之一。2.3.1固碳的测定和转换2.3.1.空气干燥基的挥发油分vad的质量称取1g分析煤样放入挥发分坩埚,在900℃下隔绝空气加热7min取出,在干燥器中冷却后称量,按下式计算挥发分:式中,Vad为空气干燥基的挥发分,%;m为煤样的质量,g;m1为残渣的质量,g;Mad为空气干燥基的水分,%。2.3.1.有机物质的热分解挥发分和固定碳均不是煤炭中的固有成分,它们是煤中的有机物质在特定条件下热分解的产物。固定碳与煤的元素分析中碳元素是两个不同的概念,固定碳是煤中高分子化合物的混合物,它含有碳、氢、氧、氮、硫等元素。2.3.2影响煤炭生产的因素2.3.2.加热炉的大小影响挥发分测定结果的主要因素是加热温度、加热时间、加热速度。此外,加热炉的大小,试样容器的材质、形状和尺寸以及容器的支架都会影响测定结果。因此,挥发分测定是一个规范性很强的分析项目。2.3.2.煤中挥发油分煤的挥发分随煤化程度的提高而下降。褐煤的挥发分Vad较高,通常大于40%,无烟煤的挥发分最低,一般小于10%。煤的挥发分主要来自于煤中分子不稳定的脂肪侧链、含氧官能团断裂后形成的小分子化合物和煤有机质高分子缩聚时产生的氢气。随着煤化程度的提高(镜质组反射率的增大),煤分子上的脂肪侧链和含氧官能团均呈下降趋势,所以煤的挥发分有随煤化程度的提高而下降的趋势。2.3.2.煤岩组分的挥发性煤的挥发分主要决定于其煤化程度,但也受成因类型和煤岩类型的影响。腐植煤的挥发分低于腐泥煤。这是因为成煤原始植物和结构的差异引起的。腐植煤以稠环芳香族物质为主,受热不易分解,而腐泥煤则以脂肪族为主,受热易裂解为小分子化合物成为挥发分。煤岩组分中壳质组的挥发分最高,镜质组次之,惰质组最低。由于各个显微组分有不同的挥发分,因此煤的挥发分将随显微组分的变化而变化,而且非常敏感。图1是不同煤岩组分的挥发分随煤化程度的变化规律。腐植煤镜质组的挥发分随煤化程度的提高而较为均匀地下降。所以,一般用挥发分作为表示煤化程度的指标。3无烟煤变质带主要可采煤层为山西组的二2煤和下石盒子组三煤段的三2煤、三3煤和三5煤。二2煤层煤类为无烟煤,煤层层位稳定,结构简单,为全区可采中厚煤层,厚度变化较小。以亮煤为主,镜煤次之,暗煤及丝炭含量较少,属光亮型煤。外生裂隙发育。本矿二2、三2、三3及三5煤层,具有Vdaf、Hdaf及H/C诸指标自下而上增高、Rmax则自下而上降低之趋势,应属深成变质。但从本矿东部刘桥煤矿有焦、瘦煤情况看,深成变质景较浅,与本矿基本为无烟煤变质阶段不符。究其原因,与区域岩浆热变质作用密不可分。永城矿区在燕山晚期有火成岩侵入,岩浆气、液热变质作用及接触变质作用使煤层的变质程度大大提高,形成了天然焦、无烟煤和贫煤带,本矿即在无烟煤带内。由此可见,本矿无烟煤的形成是区域岩浆