淺談煤的工業分析

李筠樂 顧蕾 頓磊

1 河南建筑材料研究設計院有限責任公司（450002）2 河南省科學院質量檢驗與分析測試研究中心（450002）

淺談煤的工業分析

李筠樂1，2顧蕾1，2頓磊1，2

1 河南建筑材料研究設計院有限責任公司（450002）
2 河南省科學院質量檢驗與分析測試研究中心（450002）

GB/T 212－2008《煤的工業分析方法》中包括水分、灰分、揮發分的測定和固定碳的計算等。在實際操作中，試驗人員由于忽視該標準中未作明確規定的某些細節，容易造成測定誤差，從而導致不能正確評判煤的質量。這里有針對性地概括了試驗中的測定要點，便于更好地指導和控制生產。

煤的工業分析；水分；灰分；揮發分；測定要點

0 前言

水泥工業是消耗大量能源的工業。而煤作為水泥熟料燒成的燃料，不僅能提供熟料燒成所需的熱量，另一方面，煤中所含的灰分絕大部分落入水泥熟料中而影響水泥熟料的成分和性質，所以煤又是生產水泥的一種“原料”。因此，水泥廠對用煤質量都有嚴格的要求，切實做好煤的工業分析工作成為重中之重。

煤的工業分析是了解煤質特性的主要指標，也是評價煤質的基本依據。通過煤的工業分析，測定出煤中的水分、灰分、揮發分等煤質指標數值，從而初步判斷煤的種類和質量，確定煤的工業價值和綜合利用途徑。根據煤的工業分析數據還可計算煤的發熱量和焦化產品的產率等。煤的工業分析對象不是煤中固有成分，而是特定條件下煤受熱的產物。所以注定了雖然它看似是方法較簡便的一種分析手段，但從歷次全國化學分析大對比的檢測項目中統計，卻是合格率較低的對比樣品。

煤的工業分析也稱為技術分析，它是指包括煤的水分（M）、灰分（A）、揮發分（V）和固定碳（Fc）四個分析項目指標的測定總稱。有時也將上述四個項目叫煤的半工業分析，合并煤的發熱量和煤中全硫的測定，統稱為煤的全工業分析。通常，水分、灰分和揮發分直接通過試驗測定，固定碳不作直接測定，而是用差減法進行計算。這里僅針對GB/T 212-2008《煤的工業分析方法》中涉及的水分、灰分、揮發分做具體的測定分析。

1 煤的工業分析測定要點

煤的工業分析屬于規范性極強的試驗，必須使用標準器皿和加熱設備，并在嚴格規定的條件下進行操作。

煤是一種多孔性的固體，含有一定的水分。一般而言，煤中水分是無用的物質，它的存在不利于煤的加工利用，其含量越低越好。由于揮發分檢測需要減去水分含量才能得到最終空氣干燥基結果，所以水分的測定毫無疑問是煤的工業分析中的一項重要內容。

1.1 水分

1）煤中游離水和化合水

煤中水分按存在形態的不同分為兩類，即游離水和化合水。游離水是以物理狀態吸附在煤顆粒內部毛細管中和附著在煤顆粒表面的水分；化合水也叫結晶水，是以化合的方式同煤中礦物質結合的水。如硫酸鈣（CaSO4·2H2O）和高嶺土（Al2O3·2SiO2· 2H2O)中的結晶水。游離水在105～110℃的溫度下經過1～2 h可蒸發掉，而結晶水通常要在200℃以上才能分解析出。煤的工業分析中只測試游離水，不測化合水。

2）煤的外在水分和內在水分

煤的游離水分又分為外在水分和內在水分。外在水分是附著在煤顆粒表面的水分。外在水分很容易在常溫下的干燥空氣中蒸發，蒸發到煤顆粒表面的水蒸氣壓與空氣的濕度平衡時就不再蒸發了。內在水分是吸附在煤顆粒內部毛細孔中的水分。內在水分需在100℃以上的溫度經過一定時間才能蒸發。

3）煤的全水分

煤中全水分是指煤中全部的游離水分，即煤中外在水分和內在水分之和。煤的工業分析中規定測定的水分是空氣干燥煤樣的水分，即是將煤樣破碎至0.2 mm以下,分析試樣與環境空氣達到濕度平衡時所含的水分。

1.1.1 煤中水分測定要點

GB/T 212-2008《煤的工業分析方法》中規定了三種測定方法，分別為方法A（通氮干燥法）適用于所有煤種；方法B（空氣干燥法）僅適用于煙煤和無煙煤；微波干燥法適用于褐煤和煙煤水分的快速測定。以空氣干燥法為例，測定煤中水分時應注意以下問題。

1）煤樣的粒度。測定一般分析試驗煤樣水分，粒度應在0.2 mm以下(回轉窯取入窯煤粉)。

2）測定空氣干燥基水分，要使用帶磨口塞的矮型玻璃稱量瓶（直徑40 mm,高25 mm）；加熱溫度要嚴格控制在105～110℃。

3）放入稱量瓶之前預先鼓風是為了使溫度均勻，加熱時一定要一直鼓風，使烘箱中的水蒸氣及時排至箱外，以免影響水分自試料表面排出導致水分測定結果偏低。鼓風情況下干燥1 h測得的水分值均高于不鼓風情況下的水分值。隨后的30 min檢查性干燥中，在鼓風條件下只需進行一次，試樣的質量即達到恒量；而不鼓風時，常需進行多次才能達到恒量。

4）烘樣時間要嚴格按照測定方法規定的時間進行，不宜長時間烘樣。因為煤樣容易氧化增重，導致測定結果偏低。煙煤干燥1 h，無煙煤干燥1～1.5 h。

5）注意加熱后的試樣在空氣中的冷卻方式。測定一般分析試驗煤樣水分，取出稱量瓶后，要立即蓋好蓋，放入干燥器中，冷卻至室溫后稱量。

6）在冬季或在有空調房間中恒量，時間的掌握非常重要,必須保證恒量稱量瓶與加入測量煤樣水分的稱量瓶冷卻時間一致（約20 min）。

在常見煤中，水分含量見表1。

表1 煤中水分含量表

1.2 灰分

煤的灰分是指煤在規定的條件下完全燃燒后得到的殘留物。它的主要成分有Al2O3、CaO、SiO2、MgO、Fe2O3及稀有元素的氧化物等。因為這個殘渣是煤中可燃物完全燃燒，煤中礦物質（除水分外所有的無機物）在煤完全燃燒過程中經過一系列分解、化合反應后的產物，所以確切地講，灰分應稱為灰分產率。灰分的波動不但影響煤的發熱量變化，而且影響熟料的化學成分，進而影響熟料的質量。它和發熱量有很好的線性關系，灰分增加，發熱量降低，煤的密度也隨之增大。所以灰分也是評價煤質的重要指標。

測定煤中灰分的方法，即緩慢灰化法和快速灰化法。緩慢灰化法為仲裁法；快速灰化法可作為常規分析方法。目前化學分析大對比煤樣的灰分采用仲裁法測定，升溫速度直接影響檢測結果的準確性。影響灰分測定結果的主要因素有三個:一是黃鐵礦氧化程度；二是碳酸鹽（主要是方解石）分解程度；三是灰中固定下來的硫的多少。為了獲得可靠的灰分測定結果，必須做到如下要素。

1.2.1 灰分的測定要點

1）測定灰分應采用專用的灰皿，不得使用其他坩堝代替。因坩堝底部小，放入的煤層太厚，不易灰化完全，使灰分結果偏高。灰皿應符合標準要求的尺寸:瓷質，長方形，底長45 mm，底寬22 mm，高14 mm。煤樣稱取質量為（1±0.1）g，均勻、攤平在灰皿中，使其每平方厘米的質量不超過0.15 g。如果局部過厚，一方面會燃燒不完全，另一方面底部煤樣中硫化物生成的二氧化硫不能釋放出來，會被上部碳酸鹽分解生成的氧化鈣固定,使灰分測定結果偏高。

2）測定灰分必須從低溫開始，溫度高易使煤樣爆燃，表面形成焦狀，而里面燃燒不完全。

3）煤中黃鐵礦和有機硫在500℃以前基本上完全氧化；而碳酸鈣從500℃開始分解，到800℃完全分解。緩慢灰化法采用分段升溫，即在500℃停留30 min就可以使硫化鐵和有機硫充分氧化并有足夠的時間排除，避免生成硫酸鈣。二氧化硫的逸出，保證了測定結果不會偏高。待煤樣不再冒煙，硫已被完全除去。此時再將煤樣推入（815±10）℃的高溫區并保持1 h，能使碳酸鈣完全分解。

4）灰化過程中應始終保持良好的通風狀態，使硫氧化物一經生成就及時排出，因此要求馬弗爐裝煙囪，在爐門上有通風眼，灰化時爐門開啟15 mm小縫，以使爐內空氣可自然流通。

5）在測定灰分過程中，有一個重要階段，即在500℃保持一定的時間（30 min）。特別是對于FeS2和CaCO3含量都高的煤更為重要。因為在500℃停留一定時間，可以使FeS2氧化完全。

6）通常快速灰化法結果高于緩慢灰化法，因此快速灰化法更適合于含硫和含鈣低的煤灰分產率的測定。

7）從高溫爐中灼燒后取出灰皿馬上放置在干燥器中冷卻至室溫，也是一個必須嚴格執行的操作步驟，可有效保證結果的準確性。

1.2.2 灰分測定的精密度

灰分/%重復性限Aa再現性臨界差Ad/%＜15.000.200.30 15.00～30.00.300.50＞30.000.500.70

1.3 揮發分

煤在規定條件下隔絕空氣加熱進行水分校正后的質量損失即為揮發分。揮發分不是煤中原來固有的揮發性物質，而是煤在嚴格規定條件下，加熱時的熱分解產物。它是煤分類的主要指標。煤的揮發分和煤的變質程度有很大關系，隨煤化程度的增加揮發分降低，如褐煤的揮發分一般為38%～65%；煙煤的揮發分一般為10%～55%;無煙煤的揮發分則小于等于10%。

揮發分的測定是一項規范性極強的試驗，其測定結果完全取決于人為規定的條件。試料的質量、焦化溫度、加熱速度和加熱時間以及試驗所用的揮發分坩堝及坩堝托架等，其中任何一個條件均能在一定程度上影響揮發分產率。尤其是加熱溫度和加熱時間，這兩項試驗條件我國標準和國際標準規定完全一致。我們在完成該項試驗時應注意以下幾點。

1.3.1 揮發分的測定要點

1）試驗必須使用標準揮發分坩堝，其蓋的下部能進入坩堝，可將坩堝內部與爐膛內的空氣隔絕，以免空氣中的氧氣進入坩堝而使測定結果偏高。決不能使用測定燒失量的普通坩堝測定煤的揮發分。

2）揮發分坩堝應放在用鎳鉻絲焊成的符合標準要求的坩堝架上，使坩堝底部距離爐膛底板20～ 30 mm，利用爐膛內的熱氣流對坩堝加熱。如直接將坩堝放在爐膛底板上加熱，測定結果明顯偏高。

3）稱好煤樣放入坩堝后，要輕輕振動，使煤樣鋪平，再將坩堝蓋蓋正。

4）測定溫度應嚴格控制在（900±10）℃，要定期對熱電偶及毫伏計進行嚴格的校正。定期測量馬弗爐恒溫區，測定時坩堝必須放在恒溫區內。

5）爐溫應在3 min內恢復到（900±10）℃。因此馬弗爐應經常驗證其溫度恢復速度是否符合要求，或手動控制。每次試驗最好放同樣數目的坩堝，以保證坩堝及其支架的熱容量基本一致。

6）總加熱時間（包括溫度恢復時間）要嚴格控制在7 min，用秒表計時。將坩堝放入已升溫至920℃馬弗爐爐膛底板上即開始計時。關好爐門，立即將溫度控制器的預控溫度調整至900℃。當加熱至6 min50 s時做好準備。一旦達到7 min，立即拉開爐門，快速將坩堝及其架取出，在空氣中冷卻5 min左右，移入干燥器中冷卻至室溫后稱量。若放置時間過長會吸收空氣中水分，造成結果偏高。坩堝在稱量前不能開蓋。

7）褐煤、長焰煤水分和揮發分很高，如以松散狀態放入900℃爐中加熱，則揮發分會驟然大量釋放，把坩堝蓋頂開帶走碳粒，使結果偏高，而且重復性差。若將煤樣壓成餅，切成3 mm小塊后，使試樣緊密可減緩揮發分的釋放速度，因而可有效地防止煤樣爆燃、噴濺，使測定結果可靠穩定。

8）揮發分平行測定，不能在同一次進行，而應分為兩次進行，才能起到檢查溫度時間和操作準確性的作用。

9）在測定揮發分的同時要進行分析煤樣的水分測定，計算揮發分結果時，減去分析煤樣的水分（Mad）后，才能得到揮發分（Vad）結果。

1.3.2 揮發分測定的精密度

揮發分/%重復性限Vad再現性臨界差Vd/%＜20.000.300.50 20.00～40.000.501.00＞40.000.801.50

2 結語

煤的工業分析是一種條件試驗，除了水分以外，灰分和揮發分以及固定碳都是煤中的原始組分在一定條件下的轉化產物。理論上，灰分來源于煤中的礦物質;揮發分和固定碳來源于煤中的有機質。測定結果依測定條件的改變而改變。所以只有精準掌握煤的工業分析測定方法，才能更有效地指導生產。為了更方便廣大試驗人員操作，在文章結束特將煤的工業分析試驗條件列表如下，見表2。

[1]馬振珠,王瑞海.水泥化驗室手冊[M].北京:中國建材工業出版社,2012.

[2]張紹周,劉文長,邵春山.水泥化學檢驗工及化學分析工[M].北京:中國建材工業出版社,2013.

[3]劉文長,崔健,楊鑫.水泥及其原燃料化驗方法與設備[M].北京:中國建材工業出版社,2009.