煤的工业分析指标及指标关系的探讨

煤的工业分析指标及指标关系的探讨煤的工业分析主要包括煤的水分、灰分、挥发分、固定碳、硫分和发热量等指标。这些指标的实用性也最强，所以作为煤质化验人员一定要掌握工业分析各指标的关系，以便判断出这些测值是否准确可靠[1]。1煤的工业分析指标1.1水分煤中水分一般分为内在水分、外在水分、结晶水和分解水等。如果煤中存在较多水分的话，就会影响煤的运输和加工等，也会影响煤燃烧的热传导和热稳定性，降低炼焦时的焦产率并使得焦化周期延长。内在水分(Minb)是由植物变成煤时所含的水分;外在水分(Mf)，是在开采、运输等过程中附在煤表面和裂隙中的水分。全水分是煤的外在水分和内在水分的总和。通常而言，煤的变质程度和内在水分有反向影响的趋势，变质程度越大则内在水分越低。褐煤、长焰煤内在水分普通较高，贫煤、无烟煤内在水分较低。水分的存在对煤的利用负面影响较大，会造成运输资源的极大浪费，而且当煤在燃烧时水分蒸发为蒸汽也会消耗热量;此外，精煤的水分对炼焦也产生一定的影响。一般水分每增加2%，发热量降低0.42MJ/kg;冶炼精煤中水分每增加1%，结焦时间延长5min~10min。煤质化验中还有如下的常用指标：全水分(Mt)：是煤中所有内在水分和外在水分的总和，通常规定在8%以下;空气干燥基水分(Mad)：指煤炭在空气干燥状态下所含有的水分，也可以认为是内在水分;在老的国家标准中有称为分析基水分的。1.2灰分灰分是指煤在燃烧后留下的残渣，它不是煤中矿物质总和，而是这些矿物质在化学分解后留下的残余物。如果灰分高则说明煤中可燃成分低，发热量低。煤在彻底燃烧后所剩下的残渣称为煤炭灰分，煤炭灰分外在灰分和内在灰分。外在灰分通过分选大部分能去掉，它是来自顶底板和夹矸中的岩石碎块，与采煤方法的合理与否有很大关系。内在灰分是成煤的原始植物本身所含的无机物。如果内在灰分高，则煤的可选性越差。常用的灰分指标有一般是空气干燥基灰分Aad以及干燥基灰分Ad等。灰分是有害物质。动力煤中灰分增加，发热量降低、排渣量增加，煤容易结渣;一般灰分每增加2%，发热量降低0.42MJ/kg左右。冶炼精煤中灰分增加，高炉利用系数降低，焦炭强度下降，石灰石用量增加;灰分每增加1%，焦炭强度下降2%，高炉生产能力下降3%，石灰石用量增加4%。1.3挥发分(又称挥发分产率)V挥发分是指煤中有机物和部分矿物质加热分解后的产物，也就是在高温和隔绝空气的条件下加热时，所排出的气体和液体状态的产物。它不全是煤中固有成分，还有部分热解产物，所以也有称挥发分产率的。挥发分大小与煤的变质程度有负相关的关系，煤炭变质程度越高，挥发分产率就越低。常用的指标有：空气干燥基挥发分(Vad)，干燥基挥发分Vd，干燥无灰基挥发分Vdaf和收到基挥发分Var。挥发分在燃烧时用来确定锅炉的型号，在炼焦时用来确定配煤的比例，同时又是汽化和液化的重要指标。挥发分的主要成分为甲烷、氢及其他碳氢化合物等，它是鉴别煤炭类别和质量的重要指标之一。一般来讲，随着煤岩石变质程度的增加，煤炭挥发分降低。褐煤、气煤挥发分较高，瘦煤、无烟煤挥发分较低。1.4固定碳含量(FC)固定碳含量是指除去水分、灰分和挥发分的残留物，它是确定煤炭用途的重要指标。从100减去煤的水分、灰分和挥发分后的差值即煤的固定碳含量。根据使用的计算挥发分的基准，可以计算出干基、干燥无灰基等不同基准的固定碳含量[2]。1.5发热量煤炭发热量是指单位质量的煤完全的燃烧时所产生的热量，主要分为高位发热量和低位发热量。低位发热量就是煤的高位发热量减去水的汽化热。发热量国际单位为百万焦耳/千克(MJ/kg)。为便于比较，我们在衡量煤炭时消耗时，要把实际使用的不同发热量的煤炭换算成标准煤，标准煤的发热量为29.27MJ/kg。国内贸易常用发热量标准为收到基低位发热量(Qnet,ar)，它反映煤炭的应用效果，但外界因素影响较大，如水分等，因此Qnet,ar不能反映煤的真实品质。国际贸易通用发热量标准为空气干燥基高位发热量(Qgr,ad)，它能较为准确的反映煤的真实品质，不受水分等外界因素影响。在同等水分、灰分等情况下，空气干燥基高位发热量比收到基低位发热量高1.25MJ/kg左右。1.6硫分煤中的硫分是有害杂质，它能使钢铁热脆、设备腐蚀、燃烧时生成的二氧化硫(SO2)污染大气，危害动、植物生长及人类健康。所以，硫分含量是评价煤质的重要指标之一。煤中含硫量的多少，似与煤化度的深浅没有明显的关系，无论是变质程度高的煤或变质程度低的煤，都存在着有机硫或多或少的煤。煤中硫分的多少与成煤时的古地理环境有密切的关系。在内陆环境或滨海三角平原环境下形成的和在海陆相交替沉积的煤层或浅海相沉积的煤层，煤中的硫含量就比较高，且大部分为有机硫。根据煤中硫的赋存形态，一般分为有机硫和无机硫两大类。各种形态的硫分的总和称为全硫分。所谓有机硫，是指与煤的有机结构相结合的硫。有机硫主要来自成煤植物中的蛋白质和微生物的蛋白质。煤中无机硫主要来自矿物质中各种含硫化合物，一般又分为硫化物硫和硫酸盐硫两种，有时也有微量的单质硫。硫化物硫主要以黄铁矿为主，其次为白铁矿、磁铁矿((Fe3O4)、闪锌矿(ZnS)、方铅矿(PbS)等。硫酸盐硫主要以石膏(CaSO4·2H20)为主，也有少量的绿矾(FeSO4·7H20)等[3]。无论是煤的工业分析、元素分析或结焦性指标之间均有一定的内在联系，但对原煤来说尤其是高灰分的原煤，由于矿物质中的组分对煤中有机质的干扰和影响，从而会导致各指标间的关系失常。但对低灰分原煤或经过氯化锌等重液分选后的浮煤，其各指标间通常均有较好的正比或反比关系。不过，由于煤有机质中煤岩显微组分的复杂性而也会导致煤的某些指标间的“反常”现象，作为煤质分析和煤质研究人员，一定要用辩证唯物论的方法来研究各项煤质指标间的相互关系，也就是说，各项煤质指标间的关系应从模糊理论来分析判断，即使定量的导出了某些指标间的回归方程如利用挥发分产率来计算发热量的回归式有的也不完全可靠。这是因为影响挥发分和发热量的因素甚多，不仅矿物质的数量对这两个指标均有不同程度的影响，而且不同的矿物组成对它们的影响程度可能更为复杂。此外，煤中不同显微组分对这两个指标的影响可能更大。但总的来看，煤中各指标间的相互关系还是有一定规律可循的，尤其对大多数煤来说，其各指标间的关系还是易为人们所认识和掌握的。2煤的工业指标之间的相互关系2.1煤的挥发分和发热量的关系除了煤的无机矿物成分分解析出的挥发分与发热量无关(实际上矿物质需吸收煤的热量才能分解而析出无机挥发分)以外，煤的有机质挥发分与发热量之间有一定的关系，即煤的发热量以烟煤阶段最高，无烟煤次之，褐煤的发热量最低。在烟煤阶段，以挥发分Vdaf28%左右的肥煤和焦煤的发热量最高，其Qgr,daf最高可达37.2MJ/kg。随着挥发分的不断增高，煤的干燥无灰基高位发热量Qgr,daf有逐渐降低的趋势。挥发分小于28%以后，煤的发热量Qgr,daf则有随Vdaf的降低而稍有下降的趋势。高硫煤的发热量，它比正常煤的发热量明显偏低，这是由于有机硫在煤的结构中有相当部分取代了煤中的碳和氢等其他元素，使煤的碳氢等含量降低，从而使煤的热值降低。2.2灰分和发热量的关系对同一地区的煤来说，通常发热量Qgr,d随着灰分Vd的增高而降低，而且其干燥无灰基高位发热量Qgr,daf也是随着灰分的增高而降低。这是因为矿物质含量高的煤，它在测煤的热值时要分解吸热，矿物质越多，其吸收的分解热也越多，从而导致纯煤的发热量Qgr,daf降低的也越多。2.3灰分和挥发分的关系对于同一地区的煤样来说，挥发分Vdaf总是随其灰分Vd的增高而也有一定的增高。这是由于矿物质在测挥发分过程中也要同时分解析出一部分CO2、S、结晶水等无机挥发物质，从而导致煤的挥发产率增高，其Vdaf的增高幅度这不仅与煤中矿物质的含量有关，而且与矿物质的组分有关。2.4水分和发热量的关系全水分高的煤，将直接影响到收到基低位发热量的降低。据测算，每增加1%，将影响Qgr,daf250J/g～335J/g，所以，全水分越高的煤，Qnet,ar也越低。煤的空气干燥基水分Mad高低，则与煤的煤化度有关，一般是越年轻的煤，其Mad也越高，通常，Mad越高的煤，发热量Qgr,ad也越低，而Mad的高低主要取决于没的类别。2.5固定碳FCd和发热量的关系对同一地区的煤而言，固定碳FCd越高的煤，其发热量Qgr,d也越高，因为煤的固定碳主要由元素碳组成，另外还有一些可燃的氢和硫等元素以及极少量的氧和氮等非可燃元素。灰分Ad越高的煤，其固定碳FCd就越低;在相同灰分的条件下，挥发分Vd越低的煤，固定碳FCd就越高。如无烟煤的挥发分最低，所以其固定碳比其他各类煤都高，但其发热量则不一定比其他煤都高，这是由于无烟煤的纯煤发热量通常比烟煤中的主要炼焦煤都低。