ASTM煤炭分类中的一些问题.doc

ASTM煤炭分类中的一些问题档麦毒7煤P.q(美)?H?阿瑟等【.,rr1纳者按.本文内容直接针对美国的煤炭分类方法,但对中国煤炭分类有借鉴作用,特别是关于年轻煤分类指标恒温无灰基高位发热量Q,.f中的水分的确定(包括采样,制样和测定),有详细阐述,值得参考.一,绪论按照美国试验和材料协会(ASTM)的方法进行煤的准确分类,对很多煤炭生产者和使用者以及税务部门都具有重要性.现行的ASTM标准按变质程度进行煤的分类(D388-92)包括美国和加拿大以及其它一些采用这种标准的国家确定变质程度的步骤.然而该标准对有些问题的阐述不够明确,特别是关于年轻煤的一些问题.本文将讨论有关这方面的问题.另外还将评论D388-92中所做的一些技术性修订内容.二,背景本文中所称的年轻煤包括褐煤和次烟煤,它们的分类是依据换算为不含矿物质和含有固有水分的发热量.重要的是:按变质程度所傲的煤(特别是年轻煤)的分类应由有经验的人进行.做这种工作的外行人存在辗多缺点.熟悉进行分类的煤田的地质情况以及对所用的各种ASTM方法的了解,都是必要的条件.对最终煤炭用户的要求的理解也十分重要.例如煤样的采集和分析只能提供煤的表观变质程度,对计算税款所须的标准变质程度是毫无用处的.三,采样地点的选择,在ASTMD388-92的第7节中给出了选择采样地点的基本准则.这种准则在数年之内基本保持未变.对典型煤田分类所须的采样点至少应为3个,最好5个以上.所选采样点应在新暴露的煤层上,并需有相当大的间距,以便反映煤质的变化.如果煤田含有多个煤层,每个煤层应分别采样和试验.在采样或随后分析的过程中如发现任何意外情况,则应增加采样点.在选择年轻煤的采样点时,必须强调应采到含有全面符合要求的固有水分而不含表面水分煤样.对很多年轻煤来说,这可能是一种相当困难的工作,因为这种煤常含有表面水分(游离水分).另外,年轻煤暴露于空气中时,常易失去表面水分以及固有水分.虽然平衡水分的测定(ASTMD1412)是为获得固有水分含量而设计的,但对年轻煤所得的试验结果往往偏低.考虑至0准确水分数据的需要,采样必须在煤的新表面暴露后立即(数分钟内)开始.对年轻煤的原煤层的采样点的选择,存在两个特殊闻题t由于暴露煤层表面所需时间较长将增加损失固有水分的机会以及在厚度超过100英尺的煤层上进行工作时的安全阐题.两种困难可借助分步采样加以克服.把煤层按适当高度分戚多个台阶分步暴露.由每个台阶的新暴露自g表面上采样.这些煤样可随后合并,也可分别试验.在使用这种方法时,应注意勿使两个分层间发生重叠和脱离.在尚无生产矿井的煤田,可利用为其它很多目的所开的探井.由此采得的煤样可用于分类.西,煤样的采集用了分类的煤样的采集方法见ASTMD4596.为了确定标准变质程度,须由煤层上就地采取刻槽煤样.其它煤样(例如由钻孔,生产过程和外运的煤中采得的煤样)都不能用来确定标准变质程度.由这类煤样获得的试验结果只能供做表观变质程度的判定.标准的ASTM质程度只适用于赋存于煤层中的煤,表观变质程度则适用于其它状态的煤.在采取刻槽煤样之前,必须去除可能已经历干燥村氧化的任何表面煤.一般去除l英寸厚旃足够了,但年轻煤的表面的器叠害如已达3(rai,其它煤的表面的暴露如已达致小时,则应增加去除的厚度.在刻槽实际开始之前,最好把薪暴露的煤表面覆盎.防l承帆布,塑料布或类似物质适合此项目的.刻槽的准备工作是姑出槽的两侧界限和煤层的顶郗底以及应排腺的矿物质.常用白粉笔或黄色蜡笔进行划线.厚度大于1cm的岩石夹层以及厚度大于1.25cm和宽度大于5cra的矿化结核应予排除.在煤层(或台阶)下面经过平整的地面,上铺一块油布傲为工作面.很多种工具可供刻槽之用.装有硬质合金齿,不加润滑油的链条锯适合于在槽的两侧开淘.然后由顶到底掏出煤榉,并可形成一个规整的槽.由槽中掏出的全部煤(除掉应予舍弃的岩石夹层和矿化结核)都瘟包括在煤样中.一刻槽完毕后,要检查煤块是否存在表面水分.在年轻煤的情况,如果发现表面水分,采样作废,并另选一/卜采样点.在采样进行过程中,所有碎裂的煤应尽快移入带有标记的容器井密封以防水分损失.双层塑料袋可做这种容器,油布上的煤应随时倒入容器中,以便水分损失降至最低限度如果无法找到没有表面水分的,具有代表性的采样?38?点,则采得的煤样应注明水分有问题.这种煤样应用平衡水分试验法(ASTMD1412)束估计固有水分.采样的最后一步为在现场笔记本中描述煤层和采样点.要求采样人员尽快记录煤牦和容器的总重量,并使煤样不受过高戚过低温度的影响.上述步骤在其它采样点重复进行,直到获得足够数目的煤样.具有关键性的问题是勿使煤样水分损失,因为在很多情况下水分含量对确定变质程度十分重要,对年轻煤尤其如此西为用已部分干燥的煤样测得的平衡水分常低于固有水分.煤样必须尽快送交实验室进行制样和分析.五,媒样的制备用于供分析用的煤样的制番步骤列入ASTMD2013和D3302在实验璧中,必须重新称出煤样和容器的重量,并把结果与现场所得重量对比.在必须直接嬖6定固有水分丽不是用平衡水分进行估计的情况下重量损失达十分之几个百分点时,就构成放弃所采煤样的充分理由.当由容器中取出煤样时,可自日看到有水凝结在袋子的里面这没有关系.有些煤,特别是年轻煤,在存放或运输过程中,固有水分可能有一部分解吸,凝结的水是煤层中原有固有水分的一部分,应称出重量并计入垒水分结果中.这部分Jlc/d-应按ASTMD2013的仲裁方法中所述的两次空气干燥损失的第一次方法进行测定为了使破碎和鳙分过程中的水分损失保持_在最低鞭度,任I可带有可见裂隙(其中可能含有解吸的水)的煤块应沿裂隙加以破碎,并将全部煤样在饭温和的条件下进行干燥.室温下放置l5rain就足以蒸发掉年轻煤中的解吸水.所得水分损失应包括在以后的全水分计算中.(if意,这是对用于平衡水分的那部分煤样所进行的唯一一次空气干燥步骤.)制样过程继续进行,直到获得一个通过No.60筛的供例常分析之用的煤样和一个通过No.16筛的供必要时测定平衡水分之用的煤样.六,实验室分析在年轻煤的情况,应测定残余水分,硫,发热晟,灰分和灰中保留的硫.在标明水分有问题的煤样的情况,还应测定平衡水分.对有些年老的煤,要求测定挥发分以代替发热量.进行这些测定的步骤,分别列于如下ASTM方法ID3l73或D3302(水分),D3174(灰分),D3l75(挥发分),D3177或D4239(煤中硫),D1989,D2o15或D3286(发热量),D1757或DSO16(灰中硫)以及DJ412(平衡水分).这些试验的大部分为例常项目,合格的实验室可以很准确的完成这些试验.由大部分煤获得的灰中硫含量以及由年老煤获得的二氧化碳含量,从前只供分类计算中选用的修正值.但ASTMD388的新版本中,要求必须测定灰中硫含量,而对CO.测定则不做要求(例外的是极少数含有足以影响挥发分的碳酸盐的煤).改韭对硫的规定的理由是用于把分类指标换算为无物质基的Parr公式假定灰中基本无硫.对一些煤来说,特g是年轻煤,这种假定不完垒正礴.部分硫能和煤中酶钙反应形成硫酸钙面残留于获中,从而增加了灰分产率因此,须对此进行校正.从前的标准中纳入了二氧化碳魄测定是为了表明有碳酸钙的存在(它能和硫反应而残留于获中),从而提醒注意进行灰中硫的校正.t在原来煤样含有可见表面水分时或在采样和制样过程中发生固有水分的损失时,应进行平衡水分的测定敞为固有水分的估计.问题是:对一些煤,特别是年轻煤,这种估计往往低于固有水分.如果需要使用平衡水分的结果,要求对测定方法本身的准确度进行检查.检查要用符合固有水分测定要求的特殊块煤样(来自同一煤层)进行固有水分和平衡水分的测定,并对结果加以比较两者间的差异往往是由平衡水分偏低造成的.但两者都曾发生过错误的过高和过低结果.如果两种结果有明显差别,应再做试验以确定两者的关系.特别重要的是:在关键性的分类工作中,不要依赖未经核实为正确的平衡水分结果.这一点对年轻煤和年老煤都是适用的.对大多数煤来说,应使用对正确采取,保存,制备的煤样及时测定的实际固有水分而不使用以平衡水分所做的估计值.七,年轻煤的分类计算年轻和年老煤的分类所需的教学公式都列入现行ASTM标准中,但删除了老的近似公式(只由Parr公式所得结果进行估计).随着电子计算器和微机的出现,近似公式已无价值.用于年轻煤的Parr公式要求使用换算为含有周有水分的数据.如果煤样实际禽有固有水分,则应该使用的正确数值为实验室报告中的.收到基数据如果固有水分是由平衡承分估计的,则收到基灰分,硫含量和发热量必须首先换算为估计固有水分的基础适用的换算公式为:PIm=P()式中Pj以厨有水分基表示的指标(P可代表灰分,硫古量或发热量),一P.以收到基表示的指标.IM一固有水分(实测或估计),?ARM一收到基水分.ASTMD388-92还要求对灰分中赡留的硫进行校正.把灰分(由式1得到的A)校正为无硫基的公式为,30-u_sFAi=A(一)(2)式中SFAI无硫灰分(固有水分基),AI含硫灰分(由式1得到),%,SO日.j灰中的三氧化硫(按AS-TMD5916测定,固有水分基),%.用如上得到的SPAi值连同发热量(Btu/1b,tm)和硫含量(s-)按下式来计算.恒湿无矿物质基发热量(Btu/lb.f).Btu/1bf10o(BtuI一soSi)1而=丽(3)用于对年轻煤的分类的唯一指标为Btu.f口ASTMD388中给出了实例(gt注意D38892的表1中有一项误印,褐煤A的发热量下限应为6300而不是6600Btullb.).裘1年轻攥的分娄实例表1给出了几例年轻煤的分类.表中的煤样A采取时只含有固有水分,其发热量为8113Btu/1b.f,因而被划分为褐煤A(1igA).如果不对荻中残留的硫进行校正,则发热量将成为810Btu/lbf.这正好说明现行的强制性硫校正的重要性.煤样B来自煤样A的同一煤层,并且也只含有固有水分,但灰分较高(11.93,煤样A则为5.85).尽管灰分较高,担发热量(80x2Btu/11>o,F)都接近煤样A(8113Btu/lb.f),表明分类基本不受原始煤样的灰分的影响.煤样c采取对含有可见表面水分.因此,另外又同时采取了含有固有水分但不含表面?40?水分的块煤样.在获得这种煤样的固有水分和平衡水分之后,连同其它分析结果导出了这两种水分韵相关关系.然后把这种关系用于煤样G的平衡水分(表中未培出)来估计固有水分,得出25.14.最后的发热量结果9437Btu/1b.,f表明分类为次烟煤Co煤样D采取时含有固有水分,发热量为10996Btu/lb.f,表明分类为次烟煤A.八,矿物质含量和Parr公式煤炭分类中最易被误解的概念之一是Parr公式的使用.实验室l报出的分类指标(Btu/lb.或挥发分)都是收到基,干基和无水无灰基.这些数据不能直接明来确定类别,而必须首先换算为无矿物质基.为了进行这种计算,必须知道矿物质含量.然而目前还没有在实验室进行这种测定的简易方法,因而矿物质含量(M)都是利用已有的灰分和硫含量数据按下述Parr公式估计,即M=1.o8(灰分)+o.55(硫)(4)这个公式假定煤中产生灰分的矿物质平均含有8的羟基(oH)以及全部硫都以硫化铁形式荏在.另外的假定为羟基在灰化过程中失散,硫化铁则分解形成氧化铁(残留在灰中)和二氧化硫(失散在大气中).Parr公式试图对测得的灰分进行羟基和硫的这种损失的校正,从而消除不同灰分和含量对分类指标的影响.这样,Parr公式就使变质程度的确定建立在煤样的理论上的纯煤的基础上.这就是表l中的煤样A和B虽然具有显着不同的收到基灰分(5.65和l1.93)和发热量(7676Btu/1b.和7093Btu/lb.)却都被划分为褐煤A.有人研究了Parr公式所依据的假定,从而得出结论.(1)羟基的平均因数(实际为煤中牯土和灰申牯土之比)应为1.13j(2应该考虑的只是硫化铁硫,(3)氯含量的大约一半应包括在矿物质中.他们建议采用如下的Parr/S正式IM=1.13(灰分)+0.47(硫化铁硫)+o.5(氯).(5)截至目前为止,ASTM的煤的分类分委员会还未考虑Parr修正式是否能提供对北美开采的煤的矿物质含量更为准确的估计.然而在认识到这个问题的重要性之后,已成立了一个工作组来研究这个问题,并且可能提出确定矿物质含量的另一个标准.九,年老煤的分类计算象所有年轻煤一样,有一些年老煤也按发热量进行分类.对这些煤的计算也和年轻煤一样.然而当干燥无矿物质基的固定碳(FCdf)达690/00及以上时,煤的分类将按挥发分或固定碳进行.ASTMD388给的这种煤的分类计算式为.FCf=_1D10丽0(FC_1.0im8A-0.15Sl=,)(6)式中的Ai和FCi都经灰中残留的硫的校正.一般都愿把这个公式用实际坝I定的挥发分(VM)表示而不用以差减法算得的固定碳(Fc)表示.下面的推导结果得出计算VMaf的一个适用的公式.首先,计算固定碳的公式可表示为tFCi=100一VMI一Aj一IM(7)其次,把式(6)和(7)结合,使用干基数据代替固有水分基数据,并把结果用干燥,无矿物质基的挥发分表示.这样就得到,V=(8)最后,当对灰中残留的硫进行校正,则式(8)成为,VMd,mf=VMd-0.08A(一)一o-,iS100一o.010sAd(1一)_0.0055Sd(9)用于划分这些年老煤的类别的唯一指标为VMd,fASTMD388中给出了已试验过的煤样的分类.对两个年老煤的分类列千表2.表中的煤样E采取时只含有固有水分,其自由膨胀1序数为4.因为挥发分(VMd,f)大于3l,所以按恒湿无矿物质基发热量(Btu/lb.)进行分类.这个粘结性煤的发热量为11436Btu/1b.f,因而被划分为高?挥发分烟煤C(hvCb).煤样F采取时也只含固有水分,但这没有实际作用,因为VMd,f小于31,因而应按挥发分进行分类.按VMd,f为28.34的这个粘结性煤应划分为中等挥发分烟煤(mvb).裹2年老煤的分类实恻关于年老煤的一个重要,但有时不清楚的考虑是它们的粘结性.这个同题在标准的新版本(ASTMD38892)中得到了澄清大约自1934年开始,煤样的粘结性被用于区分砍烟煤A和高挥发分烟煤C.因为这两类煤的发热量互相重叠.标准的老版本规定用挥发分测定所得的焦渣进行粘结性判断.当焦块能承受一个500g砝码而不粉碎或者焦块呈现孔隙结构时,即认为具有粘结性.然而自从20多年前建立了自由膨胀序数测定法(ASTMD720-67)之后,人们发现t焦块不能承受s00g码载荷的煤样,其自由膨胀序数都小于1.因此,多年来已利用自由膨胀序数来判断煤的粘结性.标准的新版本(ASTMD38892)中接受了这种做法,并做出相应的规定,即凡自由膨胀序数达到1及以上,就认为所试煤样在分类中属于具有粘结性的煤.十,准确度和精确度由于分类过程中包括很环节,如地质,采样方法,化学和人为判断,因而由同一煤层韵多个煤样很少获得完全相同的结果.这是不足为奇的.因为对煤的连续变化的性质加以人为的界限,还有可能把来自同煤层的煤划分为不同的类另目.这种情况关系不大虽然ASTM标准未提供关于分类的准确度和精确度的提示,但可给出以下3点评论:第一,从表面上看来比较均一的年轻煤煤层上采得的不同剡槽煤样的发热量的测定结果相差达200Btu/lb.,f的情况并不罕见.这样的差别可归因于煤岩组成的不同以及通常的采样变差和相对来说较少的试验步骤的变差.第二,随变质程度的侮低,煤本身的变异性将增大.一种褐煤的不同样品的结果的离散程度预期将高于次烟煤C的不同样品的离散程度.曾见到由同一褐煤层采到的刻槽样品的发热量结果相差达1000Btu/Jb.f.通常这种差值约在300400Btu/lb.mf之同.第三,当发热量极为靠近分界线时,由同一煤层栗得的不同煤样可能被划分为不同组别(如褐煤A或褐煤B等)甚至不同类别(如褐煤或次烟煤c尊).在遇到反常数据时,通常应再多采几个煤样例如,如果3次烟煤的剡槽样品相差超过约200Btu/lb.f时(在揭煤的情况超过400Btu/lb.f时),则应再采23(下转第26页)一次,而投有先用3ram的筛子筛分,再破碎大于3ram的部分.GB474作为一个制样总则,应该在适当的条款用文字说明为了获得含有较多煤粒的煤样,避免重复破碎,每次破碎应只破碎大于一定粒度的那部分煤样,而对小于一定粒度的那部分煤样则不再破碎,以保证破碎后的煤样含有尽可能多的煤粒.5.部分术语夏符号为了使制样标准与其它相关标准协调一致,保证我国国家标准的整体水准,建议对GB474中4.2.2条的公式的术语及符号进行修改(横线左侧为旧标准采用的).(d,.O)原