煤化学第2章

Coalchemistry2013版第2章煤工业分析与元素分析能源化学课程组武汉科技大学二o一三年十月1Coalchemistry2013版本章内容22.1煤的工业分析2.2煤的元素分析2.3分析结果的表示方法与基准换算Coalchemistry2013版2煤的工业分析与元素分析煤质的基本分析，通过分析，可以初步判断煤的性质、种类和工业用途2.1煤的工业分析煤的工业分析也称为煤的实用分析或技术分析内容：测定水分、灰分、挥发分计算：固定碳即水分+灰分+挥发分+固定碳=100%水分和灰分——煤中无机质的数量挥发分和固定碳——煤中有机质的数量与性质3Coalchemistry2013版2.1.1煤中的水分2.1.1.1水分的分类按其在煤中存在的状态，分为外在水分、内在水分和化合水三种。（1）外在水分(freemoisture;surfacemoisture)指煤在开采、运输、储存和洗选过程中，附着在煤的颗粒表面以及直径大于10-5cm的毛细孔中的水分（符号Mf）。结合力机械，易蒸发，室温下风干可失去蒸汽压与纯水的蒸汽压相等，较易蒸发含有外在水分Mf的煤称为收到煤(asreseivedcoal)，仅失去外在水分的煤则称为空气干燥煤(air-driedsample)。煤质化验通常采用空气干燥煤样进行。4Coalchemistry2013版（2）内在水分(inherentmoisture)指煤在一定条件下达到空气干燥状态时所保持的水分(符号Minh)。结合力吸附或凝聚，存在于煤粒内部直径小于10-5cm的小毛细孔中，蒸汽压小于纯水的蒸汽压，较难蒸发，加热至105～1l0℃时才能蒸发。失去内在水分的煤称为(绝对)干燥煤(drysample)。Minh的大小与煤的内表面积有关。当环境的相对湿度为96%，温度为30℃，且煤样内部毛细孔吸附的水分达到平衡(饱和)状态时，内在水分达到最大值。此时的内在水分即称为最高内在水分MHC(moistureholdingcapacity)煤的外在水分与内在水分的总和称为煤的全水分Mt即Mt=Mf+Minh5Coalchemistry2013版（3）化合水(waterofconstitution)指以化学方式与矿物质结合的，在全水分测定后仍保留下来的水分，包括结晶水和结合水。结合力化学，需在更高温度下才可失去例如：石膏(CaSO4·2H2O)163℃结晶水分解高岭石(Al2O3·2SiO2·2H2O)在450～600℃结合水分解因此，工业分析中，一般不考虑化合水。此外，煤的有机质中的氢与氧在干馏或燃烧时生成的水称为热解水，亦不在工业分析的考虑。6Coalchemistry2013版2.1.1.2水分与煤质的关系内在水分与煤化度关系明显★挥发分大的褐煤的MHC可高达20%以上随着煤化度的提高MHC减少，最小值小于1%★但到高变质的无烟煤阶段（裂隙增加），MHC又有所增加，达到4%左右★因此，可采用MHC作为低煤化度煤的一个分类指标7Coalchemistry2013版2.1.1.3水分对煤利用的影响一般说来，水分是煤中无利有害的无机物质。（1）增加运输负荷；（2）寒冷冬季易冻结；（3）加速了煤的氧化；（4）粉碎、筛分困难，降低生产效率；（5）增加焦炉能耗，降低了焦炉生产能力；（6）增大了焦化废水处理的负荷；（7）降低了煤的发热量。8Coalchemistry2013版2.1.1.4煤中水分的测定国家标准规定了煤中全水分、空气干燥基水分和最高内在水分的测定方法。原理分二类：空气流干燥法、氮气流干燥法和微波干燥法。（1）煤中全水分按国家标准GB/T211—2007的规定，煤中全水分的测定有五种方法。氮气流干燥法（方法A1和方法B1）适用于所有煤种；空气流干燥法（方法A2和方法B2）适用于烟煤和无烟煤；微波干燥法（方法C）适用于烟煤和褐煤。方法A1仲裁方法。取样代表性的要求，粒度＜13mm的全水分煤样，煤样不少于3kg；粒度＜6mm的全水分煤样，煤样不少于1.25kg。试验所用煤样为用容器密封盛装的原始煤样，试验前应检查核对煤样在运送过程中的水分损失量，并将其加入到全水分测定的计算结果中。9Coalchemistry2013版举例：全水分测定——空气干燥一步法(方法B2)按照粒度的不同，称取不同量的的煤样在105~110℃下，在空气流中干燥到质量恒定，根据煤样干燥后的质量损失计算出全水分。计算公式为：式中Mt——煤样的全水分的质量分数，%；m——称取的煤样质量，g；m1——煤样干燥后的质量损失，g；M1——煤样在运送过程中的水分损失百分率，%。10)100(111MmmMMtCoalchemistry2013版（2）空气干燥基水分按国家标准GB/T212—2008的规定，空气干燥基水分的测定有三种方法。方法A适用于所有煤种，方法B仅适用于烟煤和无烟煤，微波干燥法适用于褐煤和烟煤水分的快速测定。称取一定量的一般分析试验煤样，粒度为小于0.2mm。方法A与方法B采用气流干燥法；将一定量的煤样置于105~110℃干燥箱中，在干燥氮气流(方法A)或空气流(方法B)中干燥到质量恒定，然后按下式计算出水分的含量。式中Mad——一般分析试验煤样的水分的质量分数，%；m1——煤样干燥后失去的质量，g；m——称取的一般分析试验煤样的质量，g；。111001mmMadCoalchemistry2013版（3）最高内在水分国家标准GB4632—2008规定，测定要点：取粒度小于0.2mm煤样约20g，饱浸水分，用恒湿纸除去大部分外在水分，并使煤团分散开。然后放在温度30℃，相对湿度为96%的充氮调湿器内，在常压和不断搅动气氛的情况下使其达到湿度平衡。然后在105~110℃的温度下的氮气流中干燥至质量恒定，以其质量损失分数表示最高内在水分。计算如下：式中MHC——煤样的最高内在水分质量分数，%；m1——称量瓶及其盖的质量，g；m2——湿度平衡后煤样、称量瓶及其盖的质量，g；m3——干燥后煤样、称量瓶及其盖的质量，g。12%1001232mmmmMHCCoalchemistry2013版2.1.2煤中矿物质和煤的灰分产率煤中矿物质是除水分外所有无机质的总称。（mineralmatter，简记符号MM)主要成分粘土、高岭石、黄铁矿和方解石等矿物类型硅酸盐、碳酸盐、硫酸盐、金属硫化物和硫酸亚铁等煤的灰分A(ash)煤燃烧后，MM经过一系列分解、化合等复杂反应后剩下的残渣来源于矿物质，但不等于矿物质，它们的组成、含量均有一定的区别。13Coalchemistry2013版2.1.2.1煤中矿物质（mineralmatterofcoal)一般有三个来源：原生次生外来矿物质(1)原生矿物质（结构矿物质）来源于成煤植物，主要是碱金属和碱土金属的盐类，与有机质紧密地结合，参与煤的分子结构，呈细分散分布，很难用机械方法洗选出。燃烧后形成煤的母体灰分，但含量较少，仅为1%～2%。14Coalchemistry2013版(2)次生矿物质成煤过程中，由外界通过泥炭沼泽混入煤层中的矿物质以矿物夹层、包裹体、结核状存在于煤中选取难易程度与分布形态有关分散均匀、粒小难分离较为聚集、粒大易分离原生矿物质次生矿物质15加热内在灰分煤中黄铁矿结核Coalchemistry2013版(3)外来矿物质在采煤过程中混入煤中的顶、底板岩石和夹矸层中的矸石。随开采条件的不同，其数量在很大范围内波动。主要成分：SiO2、Al2O3、CaCO3、CaSO4和FeS2等。外来矿物质的密度越大，块度越大，越易与煤分离，用一般选煤方法即可除去。16外在灰分外来矿物质Coalchemistry2013版（2）煤中矿物质含量的计算与测定煤中矿物质与灰分具有经验公式。派尔公式MM=1.08A+0.55St克雷姆公式MM=1.10A+0.5St吉文公式MM=1.13A+0.47Sp+0.5Cl费莱台公式MM=1.06A+0.67St+0.66CO2-0.30式中MM——煤中矿物质含量，%；A——煤的灰分，%；St——煤中全硫含量，%；Sp——煤中硫化铁硫含量,%；Cl——煤中氯的含量，%；CO2——煤中二氧化碳含量，%；0.30——经验常数。17Coalchemistry2013版（2）煤中矿物质含量的测定GB/T7560—2001中的方法提要为：a.煤样用盐酸和氢氟酸处理，计算用酸处理后煤样的质量损失；b.测定酸处理过的煤样的灰分及氧化铁含量，经分别计算扣除氧化铁后残留灰分及酸处理过的煤样中黄铁矿含量；c.再测定酸处理过的煤样中氯的含量，以计算其吸附盐酸的量，根据以上结果，计算出煤中矿物质含量：181234511.1100mmmmmMMmMM干燥的煤样质量干燥的酸处理后煤样质量干燥的酸处理后煤样吸附的盐酸质量干燥的酸处理后煤样中黄铁矿质量扣除Fe2O3后残留的灰分的质量Coalchemistry2013版（2）煤中矿物质含量的测定等离子体低温灰化法煤的低温氧等离子体灰化，就是在高频电场的作用下，低压下的氧由于气体放电而产生具有强氧化能力的氧等离子体，它可在150℃的较低温度下氧化分解煤中的有机物，但基本保留了煤中矿物质的原始形态。（但石膏中的结晶水失去）。等离子体是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质，它广泛存在于宇宙中，常被视为是除去固、液、气外，物质存在的第四态。等离子体是一种很好的导电体，利用经过巧妙设计的磁场可以捕捉、移动和加速等离子体。可以把等离子体定义为：正离子和电子的密度大致相等的电离气体。19Coalchemistry2013版2.1.2.2煤的灰分（1）煤灰分的来源大部分发生化学反应小部分不变这些化学反应主要有失去化合水，热分解，氧化，挥发如：CaSO4·2H2OCaSO4+2H2OCaCO3CaO+CO2因此，两者化学组成、质量及相对含量均有差异，故灰分称为灰分产率。20煤中矿物质燃烧灰分Coalchemistry2013版（2）灰分产率的测定国家标准GB/T212—2008规定，灰分测定分缓慢灰化法和快速灰化法两种。缓慢灰化法要点：介质：氧化温度815±10℃以残留物的质量占煤样质量的百分数作为灰分产率式中Aad——空气干燥基灰分质量分数，%；m1——灼烧后残留物的质量，g；m——称取的一般分析试验煤样的质量，g。211ad100mAmCoalchemistry2013版C灰分的组成灰分（产率）——在标准试验条件下，煤燃烧后由矿物质形成的残留物煤灰——在工业生产中，煤灰是指煤用作锅炉燃料和气化原料时得到的大量灰渣粉煤灰:由气体带出的粒径小于90μm的灰尘炉渣:从炉底排出的灰渣煤灰与煤灰分的化学组成是一致的，其主要成分:SiO2、Al2O3、CaO、MgO，占95%以上，K2O、Na2O、SO3、P2O5占5%，Ge、Ga、U、V微量22煤灰Coalchemistry2013版我国煤灰主要成分的一般范围煤灰成分褐煤/%硬煤/%最低最高最低最高SiO2106015＞80Al2O3535850Fe2O3425165CaO5400.535MgO0.13＜0.15TiO20.240.16SO30.635＜0.115P2O50.042.50.015KNaO0.0910＜0.11023Coalchemistry2013版煤灰中主要单个元素的测定方法测定方法元素测定方法元素光发射法K、Na、Ti中子活化分析法Fe、Na、Si、Al原子吸收法Ca、K、Na、Mg化学法Fe、Ca、Mg、K、Na、P、Si比色法Al、Ca、Mg、P、Ti电化学法Ca、Mg、Ti火焰发射法Ca、Mg、K、Na24Coalchemistry2013版2.1.2.3煤中矿物质和灰分对煤利用的影响（1）煤中矿物质或灰分的不利影响增加运输负荷——矿物质造成无效运输增加煤炭消耗——矿物质带走显热、灰渣夹