煤的工业分析.doc

第十二节 煤的工业分析一、实验目的1. 通过本综合实验，提高学生进行综合实验的能力和兴趣。2. 掌握煤的工业分析方法，即煤的水分、灰分、挥发分和固定碳的测定方法。2. 判断分析煤样的种类。3. 根据经验公式计算煤的低位发热值。二、实验原理工业分析是分析化学的一部分，是分析化学在工业生产上的应用。通过工业分析能够评定燃料、原料及产品的质量。作为固体燃料的煤是由极其复杂的有机化合物组成的。就其所含元素而言，不外乎有碳、氢、氧、氮、硫及部分矿物杂质和水分。煤的成分分析有元素分析和工业分析两种方法。其中煤的工业分析方法是我国工矿企业中经常采用的一种简易的分析方法，即通过对实验中风干煤样（空气干燥基）所含水分、灰分、挥发分和固定碳的测定，得到煤的工业分析组成。即：Wad+Vad+Aad+Fcad=100% （8-59）式中：Wad空气干燥基煤样中水分的质量分数，%；Vad空气干燥基煤样中挥发分的质量分数，%；Aad空气干燥基煤样中灰分的质量分数，%；Fcad空气干燥基煤样中固定碳的质量分数，%。实验原理为热解称量法，即根据煤样中各组分的不同物理化学性质，控制不同的温度和时间，使该种组分热分解或燃烧，以样品失去的质量占原试样的质量百分比得出该成分的质量分数。分述如下：1. 水分 物质中水分存在的类型和水分分析方法概述水在不同物质中的存在状态各不相同。在液态和气态物质中，水多以游离态分子形式存在。在固态物质中，水的存在状态就比较复杂。固态物质(最常见的是化合物和矿物)中水分的存在形式大致有如下三种：1.附着水即是游离水，是指附着于物质微粒表面的水分，亦称作湿存水。2.吸着水是指以吸附形式(物理吸附或化学吸附)与物质结合的水分。这种吸附可以发生在物质的界面，也可以发生在物质界面以内。3.化合水是指以化合形式与物质结合的水分。水化合物所含的结晶水。从广义来讲，水分是指包括附着水、吸着水和化合水的总水分。一般所说的水分定量则是指物质的全水分的测定。固态物质的附着水，只要把物质放置在空气中24或48h，即可挥发逸去，这样得到的试样，称风干试样。严格地讲，风干试样是在温度为20、湿度为65%条件下得到的。 要测定固态物质中的吸着水，一般规定应在105110下将物质干燥至恒重。至于结晶水的测定，则须在更高的温度下进行。物质中水分的测定应根据物质的不同种类、水分在物质中的存在状态、水分的含量多少，以及水分分离的难易程度等来选择不同的分析方法。水分分析方法一般可分为两大类，即物理分析法和化学分析法。属于物理分析法的有干燥失重法、蒸馏法、吸附法、相对密度法、露点法、电分析法、光学分析法和气相色谱法等。属于化学分析法的有气体发生法、生成酸或碱的方法、酸酐法以及卡尔-费休法等。一些经典的方法如干燥失重法和蒸馏法等，由于操作较繁琐，分析时间较长，灵敏度较低和环境湿度干扰较大等原因，已逐渐被仪器分析方例如电分析法和气相色谱法等所代替。这些仪器分析方法操作简便、灵敏度高、再现性好并能连续测定，自动显示数据。卡尔-费休法虽属经典方法但经过近年改进，提高了准确度，扩大了测量范围，已被列为许多物质中水分测定的标准方法。煤样中的水分测定采用常规测定法测定煤样中的水分。空气干燥基的水分为内在水分，即吸附于煤颗粒毛细孔隙之间的水分，较难蒸发，因此需置于105110的鼓风干燥箱中进行干燥，时间1小时。取出称量后，若水分2%不进行检查性干燥。否则需进行检查性干燥步骤，将样品重新放入干燥箱中烘干，每次30分钟，再称量直至恒重（即质量减少小于0.001克或增重为止。以增重前的一次称量结果来计算水分。2. 灰分煤的灰分是指煤中所有可燃物质完全燃烧，水分完全蒸发以及煤中矿物杂质在一定温度下产生一系列分解、化合等复杂反应后所剩下的残渣，是煤中不能燃烧的矿物杂质。因此，在实验中应使煤样完全燃烧。将煤样置于815的马福炉中灼烧40分钟，取出称量后，若灰分15%不进行检查灼烧，否则需进行检查性灼烧步骤，将样品重新放入马福炉中灼烧，每次20分钟，再称量至恒重（即质量减少小于0.001克或增重）为止。以增重前的一次称量结果来计算灰分。3. 挥发分煤的挥发分是煤碳分类的重要指标之一，根据挥发分含量及焦渣特性可以初步判断煤的工业利用性质。煤的挥发分是在特定条件下受热分解的产物，剩下的不挥发物称为焦渣。将煤样置于900马福炉中，隔绝空气加热7分钟。冷却后称重，计算出挥发分含量。三、实验设备马福炉，鼓风干燥箱，1/10000天平，玻璃干燥器，称量瓶，挥发分坩埚，矩形坩埚等四、实验步骤1. 煤样制备煤样粉碎至粒度0.2mm，在空气中风干。2. 水分测定（1）在分析天平上称出称量瓶（带盖）空重，然后加1g煤样（0.1克）。（2）将称量瓶送入温度已达105110的鼓风干燥箱中，打开瓶盖，干燥1小时。（3）取出称量瓶，立即盖上瓶盖，冷却片刻后放入玻璃干燥器中，继续冷却到室温，称量。（4）计算水分的质量分数 （8-60）3. 灰分测定（1） 在分析天平上称出矩形坩埚空重，然后加入1克煤样（0.1克）。（2） 将坩埚放入810825的马福炉中灼烧40分钟。直至煤样完全烧透，灰中无黑色碳粒为止。（3） 取出坩埚放在石棉板上，在空气中冷却5分钟后放入玻璃干燥器中冷却到室温，称量。（4） 计算灰分的质量分数。 （8-61）4. 挥发分测定（1）在分析天平上称量带盖的挥发分坩埚质量，然后加1克煤样（0.1克）。（2）将坩埚加盖放入900的马福炉中加热7分钟。（3）取出坩埚放在石棉板上，在空气中冷却5分钟后放入玻璃干燥器中冷却（0.5h）到室温，称重。打开坩埚盖，将剩余的焦渣倒在纸上观察焦渣特性，判断该焦渣特性属于第几类。（4）计算挥发分的质量分数 （8-62）5. 固定碳的计算Fcad=100%-(Wad+Aad+Vad) （8-63）上述实验步骤，因实验时间的限制，省略了检查性步骤。在正式的煤工业分析场合，务必按国标规定执行。五、实验结果处理1. 数据记录(见8-4 数据记录表)2. 判断煤的种类我国煤的分类是以干燥无灰基挥发分含量Vdaf为依据的，不同种类煤的无灰基挥发分质量分数见表8-5：因此，需将空气干燥基挥发分Vad换算为干燥无灰基挥发分Vdaf。换算公式： （8-64）表8-4 数据记录表测 定成 分容器名称容器空质量g加样总质量g样品质量g热处理后总质量g计算结果%水分灰分挥发分固定碳Fcad=100% -（Wad+Aad+Vad）=表8-5 煤的种类判断煤 的 种 类褐 煤烟 煤无 烟 煤Vdaf%371036103. 计算煤的低位发热量根据工业分析资料，可按下列公式计算。根据中国煤碳科学研究院介绍，75%的试样，计算结果与实测值的误差约在400KJ/kg以内。（1）无烟煤 （8-65）式中K0系数，根据Vdaf查表8-6得出。 Wad空气干燥基煤样中水分的质量分数，%；Vad空气干燥基煤样中挥发分的质量分数，%；Aad空气干燥基煤样中灰分的质量分数，%； 表8-6 Vdaf与Ko对应值Vdaf%0.60.61.21.21.51.52.02.02.52.53.03.03.53.54.1K032 19833 03533 66234 28934 70734 91635 33535 753（2） 烟煤 （8-66）式中: Wad空气干燥基煤样中水分的质量分数，%；Vad空气干燥基煤样中挥发分的质量分数，%；Aad空气干燥基煤样中灰分的质量分数，%；K1系数，根据Vdaf和焦渣特性查表8-7得出。表8-7 Vdaf与焦渣特性Vdaf%K1焦渣特性1013.513.51717202023232929323235353838424213513373353283203203053053053032351349343339328326324320316312335335334934533933533032832632043533553513473433393353323303245353355355351349345341339335332635335535535134934534133933533273533553553553533513473453433398不出现355355358355353349347345343焦渣特性是指测定挥发分后，坩埚内残留的焦渣外形特征，分为8类。1）粉态：保持原煤样的粉末状；2）粘着：稍有粘连，手指轻压即成粉末；3）弱粘结：有粘结，手指轻压即成碎块；4）不熔融粘结：粘结，手指