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1、第5章 煤的工业分析和元素分析,煤的工业分析及其应用煤的元素分析煤质分析中的基准及其相互换算,5.1 概述,煤是由无机组分和有机组分组成。有机组分是煤炭利用和加工的主要对象。为指导煤炭综合利用和进行煤质分析，通常采用工业分析和元素分析方法。工业分析初步判断煤的性质、种类和工业用途。该分析方法简便，应用较广，对煤炭贸易有直接指导作用。 元素分析了解煤的主要元素组成。工业分析和元素分析结果与煤的成因、煤化度以及岩相组成有密切关系。,5.2 工业分析,定义：在规定条件下，将煤的组成区分为水分、灰分、挥发分和固定碳四种组分的测定方法。特点：工业分析是一种条件实验。除了水分以外，灰分、挥发分和固定碳都是
2、煤中的原始组分在一定条件下的转化产物。理论上，灰分来源于煤中的矿物质；挥发分和固定碳来源于煤中的有机质。测定结果依测定条件变化而变化。,1）内涵及特点,不同煤种的工业分析结果,2）煤的水分, 水分的来源,成煤过程中，环境中的水随着成煤过程进入煤中 煤层形成后，地下水进入煤层的裂隙、孔隙中 开采、洗选、运输、储存过程中进入煤中,根据其存在形态，可分为：游离水和化合水。游离水：即煤中呈物理态结合的水。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，煤中吸附的游离水分就越高。根据游离水在常温下易于失去的水分和不易失去的水分又可细分为：内在水分和外在水分。, 水分的存在形态及特点,
3、化合水：即煤中所含结晶水和热解水。结晶水指煤中含结晶水的矿物质所具有（如石膏CaSO4 2H2O），通常煤中结晶水含量不大；热解水是煤炭在高温热解条件下，煤中的氧和氢结合生成的水，它取决于热解的条件和煤中的氧含量。,说明：通常，煤中水分均是指煤中物理吸附态的水，在稍高于100 条件下已完全析出。而化合水则需要更高温度。如CaSO4 2H2O 在 163 析出结晶水，煤中的氢和氧形成化合水需300 以上。,外在水分内在水分煤的全水分应用基煤样收到基煤样风干状态或空气干燥状态风干煤样或空气干燥煤样空气干燥基水分煤的最高内在水分, 煤的水分测定中的几个重要概念,外在水分 在常温下易于失去的游离水，以
4、机械方式吸附在煤粒的外表面和较大毛细孔隙内（直径大于10-5cm）。严格来讲，是指煤放置在室温大气中，水分不断蒸发，当煤中水的蒸气压与大气中水蒸气分压达到平衡时，这时所失去的水分占煤样质量的百分数称为外在水分，用Mf 表示。,内在水分 在常温下不易失去的游离水，以物理化学（即吸附或凝聚）方式存在于较小毛细孔隙中（直径小于10-5cm） ，内表面积越大，小毛细孔越多，则内在水分越高。由于其蒸汽压小于纯水蒸汽压而较难蒸发，用Minh表示。加热到100105可蒸发。 煤的全水分 外在水分和内在水分的质量之和，用Mt表示。,应用基煤样 按照一定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。
5、 收到基煤样 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收到基(as received basis)水分，也称全水分，用Mt或Mar表示。,风干状态或空气干燥状态 煤失去外在水分后所处状态。 风干煤样或空气干燥煤样 即失去外在水分的煤样。残留在风干煤中的全部水分质量占风干煤样质量百分数称为空气干燥基样内在水分(Minh)。通常，煤质分析化验采用的煤样均是粒度小于0.2 mm的空气干燥煤样（又称分析煤样），空气干燥煤样的水分也可称为空气干燥基(air dried basis)水分，用Mad表示，其值与Minh相同。,煤的最高内在水分 煤样在30时，相对湿度达到 96
6、%的条件下吸附水分达到饱和时测得的水分，用符号MHC (moisture holding capacity) 表示。这一指标反映了年青煤的煤化程度，用于煤质研究和年青煤的分类。其值高于空气干燥基水分。,说明：通常，工业分析中，煤的水分是指空气干燥基水分(Mad)。而外在水分、内在水分、最高内在水分等不属工业分析范围。, 煤中水分测定基本原理和方法,测定煤中水分含量的方法有：蒸馏法、微波加热法、加热干燥法等。常用方法为加热干燥法（要求掌握）。加热干燥法分为干燥失重法和直接重量法。加热干燥法原理：煤中水分以物理态吸附在煤的表面或孔隙中，只要将煤加热到高于100，即可使煤中的水分析出。干燥失重法：将
7、煤加热到105110并保持恒温，直至煤处于恒重时，煤样的失重即为煤样在干燥中失去的水分。,直接重量法： 105110干燥的氮气流中加热煤样，煤样中的水分被氮气流带走，流经装有吸水剂的吸收管，水分被吸水剂吸收，根据吸水管的增重计算水分量。该法不存在煤样氧化问题，但仪器设备复杂，测定过程麻烦。 加热干燥法测定水分时使用的仪器设备有分析天平、干燥箱、称量瓶等。目前，常用的有自动水分测定仪。,微波加热法：将煤样置于微波测水仪内，在微波作用下，煤中的水分子高速振动，产生摩擦热，使水分蒸发，根据煤样失重计算水分含量。微波加热法对煤样能够均匀加热，水分可以迅速蒸发，因而测定快速周期短能够防止煤样因加热时间过
8、长而氧化，但因为无烟煤和焦炭的导电性强，不适合该法。,共沸蒸馏法 将煤样悬浮在一种与水不互溶的有机溶剂中，通常用甲苯会二甲苯，放入水浴中加热，煤种的水分受热后形成蒸汽，与有机蒸汽一起进入冷凝泠却器，冷凝液进入有刻度的接收管。由于溶剂与水不互溶，且水的密度大，沉于底部，可通过刻度读取水的体积，从而得到水分的量。,主要原因？, 煤的内在水分与煤化程度的关系,1）煤的内在水分吸附于煤的孔隙内表面上。内表面积越大，吸附水分能力就越强，煤的水分越高。2）煤分子结构上极性含氧官能团数量越多，煤吸附水分能力也越大。 低煤化程度的煤内表面积发达，分子结构上含氧官能团的数量也多，因此内在水分较高。随煤化程度提高
9、，煤内表面积和含氧官能团均呈下降趋势，其内在水分也下降。到无烟煤阶段，由于煤的内表面积有所增大，因而内在水分略有提高。, 煤中水分对煤炭利用的影响,1）不利影响煤炭燃烧、气化、炼焦中，水分蒸发要额外吸收热量，使过程热效率降低。煤炭运输过程中，水分高将导致动力的浪费，并且会降低煤价。 2）有利影响适量水分有利于减少运输和储存过程中煤粉尘的扬尘，减少煤的损失和对环境的污染。,3）煤的灰分, 定义,煤的灰分(ash) 在815的条件下，煤样完全燃烧后所得的残渣。该残渣的质量占测定煤样质量的百分数称为灰分产率。煤的灰分是指煤中所有可燃物质完全燃烧以及煤中矿物质在高温下产生一系列分解化合等复杂反应后剩下
10、来的残渣，它们是金属和非金属的氧化物及盐类。,煤的灰分不是煤中的固有组成，而是由煤中的矿物质转化而来的。煤的灰分与矿物质区别很大：首先，灰分的产率比相应的矿物质含量要低；其次，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。矿物质转化为灰分的过程中发生的主要反应有：CaCO3CaO+CO2 （碳酸盐类矿物分解）FeS2+O2 SO2+Fe2O3 （黄铁矿的氧化反应） CaSO4.H2O CaSO4+ H2O （黏土、石膏等脱结晶水） , 煤灰分的由来, 煤灰分中矿物质的来源,指存在于成煤的植物中，主要是碱金属、碱土金属的盐类，与有机质分子紧密结合，很难用机械方法
11、分开。该部分约占灰分总量1%2%，对最终灰分影响不大。,主要是植物遗体在沼泽中堆积时，由于水流和风带来的细粘土、沙粒或水中钙、镁离子沉淀及硫铁矿的形成，与泥炭掺混，有的均匀分散在泥炭的有机质中，有的则形成独立的包裹体，呈透镜状、条带状、薄片状等；此外，煤层形成后，地下水中溶解的矿物质由于条件变化而沉淀并充填在煤的裂隙中，主要有方解石、石膏等矿物。次生矿物质的存在形态，决定了煤的可选性难易程度。煤中的原生矿物质和次生矿物质合称为内在矿物质。,这种矿物质原来不含于煤层中，它是在采煤过程中混入煤中的顶、底板和夹矸层中的矸石所形成的。它与煤是独立存在的，几乎不影响煤的可选性。, 煤中灰分的测定方法原理
12、,煤中灰分的测定有传统的灰化法（即缓慢灰化法）和快速灰化法两种，另外还有一些近代的煤中灰分测定的新方法。 (1)传统的灰分法(i) 缓慢灰化法： 30分钟内将1克小于0.2毫米的分析煤样在电炉中使炉温升500并保持30分钟，然后继续升温到815 灼烧1小时冷却称重。(ii) 快速灰化法：按缓慢灰化法称取煤祥置于预热到850 的电炉中，按规定时间和速度将放有灰皿的架推入炉内，在815 灼烧40分钟冷却称重。 (2)近代测定法： 有用放射线同位素镅的线，锶和钇的射线测定法，反射X射线（又称反向散射X射线）及能散X射线荧光测定法。, 煤灰分的主要化学成分,灰分测定中主要包括：Si、Al、Ca、Mg、
13、Fe、Ti、K、Na、S、P等，一般以氧化物的形式表示。其中， SiO2、Al2O3、CaO、MgO、Fe2O3占95%以上。煤灰成分复杂，与产地、煤种密切相关，主要取决于煤的原始矿物组成（如下表）。,我国煤灰主要化学成分的一般范围, 煤灰熔融性,煤灰熔融性（简称灰熔点）是指煤灰在高温条件下软化、熔融、流动时的温度特性，是动力用煤和气化用煤的重要性能指标。因为煤灰是由各种矿物质组成的混合物，这种混合物仅有一个熔化温度的范围。由于多种混合物交织在一起，其开始熔化的温度远比其任一组分的纯净矿物质的熔点为低。这些组分在一定温度下还形成一种共熔体，这种共熔体在熔化状态时，有熔解煤灰中其它高熔点物质的性
14、能，从而改变熔体的成分及其熔化温度。 煤灰中各种化学成分含量的不同就决定了煤的灰熔点的不同。,通常采用角锥法对其进行测定（即在煤灰中加入淀粉糊，制成三棱锥形状的灰锥，放入高温炉，在一定气氛下加热，观察加热过程中灰锥的变形情况）。包括 3 个特征温度。,变形温度(DT) 煤灰锥体开始弯曲或变圆时的温度 软化温度(ST) 煤灰锥体弯曲至锥尖触及底板、变成球形或半圆时的温度。 流动温度(FT) 煤灰锥体完全融化展开成高度小于1.5mm 薄层时的温度。,煤灰熔融性主要取决于氧化还原性气氛 测定灰熔融性时，一般模拟弱还原气氛进行。此时SiO2与FeO可形成低熔点化合物。主要化学组成及比例 SiO2和Al
15、2O3含量越高，灰熔点也高；而CaO、MgO、Fe2O3、K2O、Na2O等成分高则灰熔点低。 在相同气氛下，煤灰熔融性由其灰分成分化学组成决定，煤灰中不同化学成分对煤灰熔融性的影响有一定规律。,SiO2的影响： SiO2 是煤灰中含量最多的成分， SiO2 对煤灰熔融性的影响较为复杂。 SiO2 含量 40%，煤灰熔融温度比小于40%的约高100 SiO2 含量 45%，FT和ST温差增加 45% 60%，无规律,Al2O3的影响： Al2O3 含量越高，煤灰熔融温度就越高。 Al2O3含量 40%，FT 1500,CaO的影响：煤灰中CaO是含量差别很大，大多数煤灰中CaO含量不超过10%
16、，个别煤灰中 CaO含量可高达30% 以上。 一般CaO起降低灰熔点的作用。 MgO的影响：降低灰熔点,K2O、Na2O的含量：煤灰中的K2O、Na2O均能显著降低灰熔点。煤灰中Na2O每增加1%，软化温度降低17.7,流动温度降低15.6 。,按灰熔点温度高低将煤灰熔融性分为四类：易熔灰分 软化温度ST 1500 ,煤灰粘度 煤灰在高温作用下熔融成液态，流动时其内部层间所产生的摩擦力。 煤灰粘度表征煤灰在高温熔融状态下流动时的物理特性，是动力用煤和气化用煤的重要指标。特别是对于液态排渣炉来说，仅靠煤灰熔融温度的高低已经不能正确判断煤灰渣在液态时的流动特性，而需要测定煤灰在熔融态时的粘度特性曲线以帮助制订相应的操作条件或采用添加助熔剂或配煤的方法来改变煤灰的流动性，使其符合液态排渣炉的使用要求。,
