工业分析4---第三章 煤和焦炭分析

第三章煤和焦炭分析制作DBK本章知识及要求序号内容要求1煤的组成及分析方法熟悉了解2水分、灰分、挥发分及固定碳的测定方法了解掌握3各基准之间的换算理解掌握4煤的元素分析及硫的测定原理方法掌握5煤发热量的表示与测定了解第一节概述一、煤、焦炭的组成和分类二、煤的分析方法分类一、煤和焦炭的组成和分类1．煤的组成2．煤的分类3．对工业用煤的要求焦炭煤煤是一定地质年代的繁茂植物在适宜的地质环境下，经天然的煤化作用而形成的生物岩，是极不均一的包含许多有机物和无机物的混合物。根据成煤植物不同，可分为两大类：腐植煤和腐泥煤。高等植物形成的煤称为腐植煤，双分为陆植煤和残植煤，通常讲的煤即陆植煤，它又分为泥煤、褐煤、烟煤和无烟煤四类。煤炭产品有原煤、精煤和商品煤等，常作为固体燃料或重要化工原料。1．煤的组成煤由有机质、矿物质和水组成。煤包含有很多种元素，主要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。燃烧炉渣煤的元素组成煤的有机质由碳、氢、氧、氮、硫等元素组成。碳氢氧氮硫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。氧氮元素在煤中的比例较少，一般为0.5～3%。氮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。硫煤的矿物质主要由碱金属、碱土金属及铁、铝等的碳酸盐、硅酸盐、硫酸盐、磷酸盐及硫化物组成碱金属盐碱土金属盐铁盐铝盐煤的元素组分的不同，不仅能反映出煤化程度，而且也直接表征出煤性质的不同。如碳含量低、氧含量高的煤，多是粘结性很差或是没有粘结性的年轻煤；碳含量高、氧含量低的煤则常是一些无粘结性的年老煤，只有碳含量在84～88%，氢含量在5%以上的中等变质程度的煤，才是结焦性较好的炼焦用煤。煤在隔空气的条件下，加热干馏，水及部分有机物裂解生成的气态产物挥发逸出，不挥发部分即为焦炭，其组成和煤相似，只是挥发分的含量较低。煤加热干馏焦炭2．煤的分类•煤的种类繁多，质量也相差悬殊，不同类型的煤有不同的用途。•如结焦性好或粘结性好的煤是优质的炼焦用煤，热稳定性好的无烟块煤是合成氨厂的主要原料，挥发分和发热量都高的煤是较好的动力用煤，一些低灰、低硫的年轻煤则是加压气化制造煤气和加氢液化制取人造液体燃料的较好原料。煤的分类1、煤的成因分类：按成煤的原始植物进行分类的方法：煤分为：腐植煤、腐泥煤2、工业分类或商业分类：按煤的工业使用方法分类：煤分为：炼焦用煤、动力用煤、固体燃料煤3、煤的科学分类：按煤的组分结构进行分类：煤分为：烟煤、无烟煤、泥煤等我国的分类法是以炼焦用煤为主的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共划分为14个大类和17个小类。常见的煤有三类：即无烟煤、褐煤和烟煤无烟煤分为三个小类：年老无烟煤、典型无烟煤、年轻无烟煤，主要是按照各小类工艺利用特性的不同而划分。无烟煤褐煤划为2个小类：年老褐煤和年轻褐煤，也是根据其性质和利用特征不同而划分的。褐煤•烟煤分为贫煤、贫瘦煤、瘦煤、焦煤、肥煤、气肥煤、气煤、1/3焦煤、1/2中粘煤、弱粘煤、不粘煤和长焰煤等共12个煤类。烟煤3．对工业用煤的要求•煤炭的主要用途是燃烧、炼焦和造气等，也可作为化工原料。为了得到强度高，灰分、硫分低的优质冶金用焦，对炼焦用煤有以下要求：（1）有较强的结焦性或粘结性（2）煤的灰分要低（3）煤的硫分要低（4）配合煤的挥发分要合适•在建材工业中，水泥、玻璃、陶瓷、砖瓦、石灰等建筑材料，都要经过各种炉窑焙烧、锻烧甚至熔化等高温处理，而煤炭是主要的燃料，其中水泥工业对煤质要求最高，尤其是年产水泥20万吨以上的大、中型水泥厂的回转窑烧成用煤。因其煤的灰分大小及其煤灰的组成成分直接影响到水泥的配料，通常要求灰分低、煤灰成分稳定。如灰分太高，发热量就低，达不到熟料的烧成温度1450℃以上（要求燃料火焰温度达1600～1700℃）。建材工业用煤二、煤的分析方法分类•煤的分析检验，根据目的不同，一般可分为工业分析和元素分析。•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。它包括煤的水分、灰分、挥发分产率和固定碳四个项目。主要用于煤的生产或使用部门。通常，水分、灰分、挥发分产率都直接测定，固定碳不作直接测定，而是用差减法进行计算。有时也将上述四个测定项目叫做半工业分析，再加上煤的发热量和煤中全硫的测定，则称为全工业分析。•煤的工业分析是了解煤的性质和用途的重要指标。如水分和灰分高的煤，它的有机质含量就少，发热量低，经济价值就小。根据煤的水分、灰分、挥发分及其焦渣特征等指标，就可以比较可靠地算出煤的高位发热量和低位发热量。煤中全硫分是确定炼焦用烟煤的重要指标。对于合成氨工业，空气干燥基的固定碳含量（FCad）是评价无烟煤用于制造合成气（半水煤气）时经济价值的一个重要指标。煤的外在水分和全水分，不仅影响动力用煤的低位发热量，而且还与煤的运输与贮存等都有着十分密切的关系。2．元素分析•主要测定煤中碳、氢、氧、氮、硫等元素的含量，了解煤的元素组成。元素分析的结果是对煤进行科学分类的主要依据。在工业上，是计算发热量、计算热量平衡的依据。3．其它分析•如伴生元素分析。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。•如煤中的锗含量在20g∙g-1以上时即可计算储量而有一定的提取价值，镓含量在50g∙g-1以上和铀含量在300～500g∙g-1以上时也有提取价值，•再如有害元素分析。煤中的有害元素种类也很多，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。•其它还有煤灰成分分析，物理性质测定等，需根据要求来确定检测项目。三、煤试样的制备我们在第一章已以商品煤为例介绍过固体试样的制备方法，现在回顾一下：1、采样：能够代表整体分析对象。2、制样：将采集的煤样进行处理使适合于实验室分析，方法步骤为破碎、筛分、混合、缩分等程序。足够小，又能代表原样组成。3、样品处理记录与保存。第二节煤的工业分析一、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、固定碳含量的计算六、不同基准分析结果的换算一、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）dryaf干燥无矿物质基（dmmf）mineralmattertree3.1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。二、水分的测定•煤的水分是评价煤炭经济价值的最基本的指标。因为煤中水分含量越多，煤的无用成分也越多，同时有大量水分存在，不仅煤的有用成分减少，而且它在煤燃烧时要吸收大量的热成为水蒸汽蒸发掉。所以煤的水分越低越好。（一）煤中水分的存在形态（二）煤中全水分（Mt）的测定（三）分析煤样的水分测定（一）煤中水分的存在形态•煤中的水分为两类:化合水、游离水1．化合(结晶）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（CaSO42H2O）、高岭土（Al2O32SiO42H2O）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，分为以下两种：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＞10cm）中的水分。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＜10cm）中的水分。这部分水分较难蒸发。（二）煤中全水分（Mt或Mar）的测定煤中水分的测定有三种方法:A、B、CA：通氮干燥法；B：甲苯蒸馏法；C：空气干燥法方法A和方法B适用于褐煤、烟煤和无烟煤，方法C仅适用于烟煤和无烟煤，方法A作为测定煤中水分的仲裁方法。A：通氮干燥B：甲苯蒸馏C：空气干燥结果计算mmM1t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：)1(111tMmmMM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。三、灰分的测定•煤的灰分是煤中所有可燃物完全燃烧以及矿物质（除水分以外的所有无机质的总称）在一定温度下，经一系列复杂化学反应以后所剩下的残渣，用符号A表示。灰分全部来自矿物质，但其组成和数量又不同于煤中原有矿物质，因此煤的灰分应称为“灰分产率”。测定煤的灰分，对于鉴定煤的质量以及确定其使用价值也有重要意义•因为煤中灰分是有害物质，所以各种用途的煤，灰分越低也就越好。虽然煤灰是煤中有害物，但进行综合利用后，也会变废为宝，为国家创造财富的。1．仪器灰皿长方形灰皿2．测定过程•称取分析煤样10.1g，于已经在81510℃灼烧恒重的灰皿中，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81510℃，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。mmA1ad式中m——试料的质量，g；m1——灼烧后残渣质量，g。3、结果计算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1515~30300.20.30.50.30.50.7四、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