淺談三節爐法測定煤中碳氫元素

胡 杰浦紹飛（1.云南省煤及煤化工產品質量監督檢驗中心，云南 曲靖 655000；2.曲靖市質量技術監督綜合檢測中心，云南 曲靖 655000）

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淺談三節爐法測定煤中碳氫元素

胡 杰1，2浦紹飛1，2
（1.云南省煤及煤化工產品質量監督檢驗中心，云南 曲靖 655000；2.曲靖市質量技術監督綜合檢測中心，云南 曲靖 655000）

摘 要：本文介紹了三節爐法測定碳、氫元素的方法原理，檢測過程中應注意的問題，以及測定碳、氫元素的重要意義。

關鍵詞：三節爐；檢測過程；注意事項

碳和氫是煤的有機質的主要組成元素。碳和氫是煤的可燃成分。煤中碳、氫元素燃燒時會釋放大量熱能，是煤發熱量的主要來源。碳元素是組成煤的有機質大分子的骨架，是焦炭的主要物質基礎。氫元素是煤中第二個重要元素，其質量分數相對于碳元素較小，只有碳元素的1/12。泥炭和年輕的褐煤就其碳、氫原子比例而言，可能氫元素的原子比例比碳元素的還高。在變質程度相同的條件下，腐泥煤比腐植煤的氫含量高，而碳含量低。不管是煤化度低的泥炭，還是煤化度高的無煙煤，它們所含碳元素的質量分數都是最高的。煤中碳含量隨其煤變質程度的加深而增高，而氫含量卻隨煤變質程度的加深而降低。泥炭的干燥無灰基碳含量為55%～62%；褐煤的碳含量為60%～77%；煙煤的碳含量為77%～93%；無煙煤的碳含量為88%～98%；氫元素占煙煤和褐煤有機質的質量分數為4.0%～6.5%；無煙煤為1%～4%。在同一種煤中，其變質程度相同的條件下，一般惰質組的干燥無灰基碳含量最高，鏡質組次之，殼質組最低；殼質組的干燥無灰其氫含量最大，鏡質組次之，惰質組最低。

1 測定煤中碳氫元素的意義

首先，碳含量與煤的變質程度有密切關系，在一定情況下碳含量更能準確的表征煤的煤化程度。而對于氫含量來說，氫含量隨變質程度加深而降低的并不多，規律性并不明顯；但在無煙煤階段甲烷減少量逐漸增多且規律性明顯，從而根據氫含量可以劃分無煙煤的小類指標。其次，煤的碳氫含量可以表征出煤性質的不同，如碳含量高而氫含量低的煤通常是一些無黏結性的貧煤或無煙煤等年老的煤；而干燥無灰基碳含量在84%-88%，氫含量在5%以上的中等變質程度的煤，是結焦性最好的煤。再次可以利用碳和氫的含量推算發熱量，以及推算燃燒設備的理論燃燒溫度和計算鍋爐燃燒中的熱平衡，也可根據碳氫的分析數值計算物料平衡。

2 方法原理

一定量煤樣在氧氣流中全燃燒；碳元素和氫元素等燃燒生成二氧化碳和水。生成的二氧化碳和水分別用二氧化碳吸收劑和吸水劑吸收，根據吸收劑的增量計算出煤中的碳、氫元素的質量分數。煤樣中硫和氯對碳測定的干擾用鉻酸鉛和銀絲卷消除，氮對碳測定的干擾用粒狀二氧化錳消除。

2.1 燃燒反應

2.2 二氧化碳和水的吸收反應

2 Na OH+CO2→Na2CO3+H2O，CaCl2+ 2H2O→CaCl2·2H2O或CaCl2· 2H2O+4H2O→CaCl2·6H2O；Mg（ClO4）2+ 6H2O→Mg（ClO4）2·6H2O

2.3 氯、硫氧化物和氮氧化物的消除反應

硫氧化物可用鉻酸鉛消除，氯可用銀絲卷消除，氮氧化物可用粒狀二氧化錳消除。

3 碳氫含量的計算

一般分析煤樣或水煤漿干燥試樣的碳、氫質量分數分別按式（1）和式（2）計算：

式中：

w（Cad）——一般分析煤樣或水煤漿干燥煤樣中碳的質量分數，%；

w（Cad）——一般分析煤樣或水煤漿煤樣中氫的質量分數，%；

m——一般分析煤樣質量，g；

m1——吸收二氧化碳∪形管的增量，g；

m2——吸水∪形管的增量，g；

m3——水份空白值，g；

Mad——一般分析煤樣水分的質量分數，%；

0.2729——將二氧化碳折算成碳的因數；

0.1119——將水折算成氫的因數。

有機碳的測定，按式（3）計算有機碳的質量分數。

式中：

W（Co，ad）——一般分析煤樣中有機碳的質量分數，%；

W［（CO2）ad］——一般分析煤樣中碳酸鹽二氧化碳的質量分數，%；其余符號同式（1）。

水煤漿中碳和氫的質量分數分別按式（4）和式（5）計算：

式中：

W（Ccwm）——水煤漿中碳的質量分數，%；

W（Cad）——水煤漿干燥煤樣中碳的質量分數，%；

W（Hcwm）——水煤漿中氫的質量分數，%；

W（Had）——水煤漿干燥煤樣中氫的質量分數，%；

Mcwm——水煤漿水分的質量分數，%；

Mad——水煤漿干燥煤樣水分的質量分數，%。

4 碳和氫測定的重復性限和再現性臨界差（表1）

表1 碳和氫測定的精密度

5 空白試驗

空白試驗的測定過程和試樣的測定過程完全相同，只是做空白試驗時不用裝試樣。空白試驗的目的是測出燃燒管內殘存的水分和少量的有機物含量作為空白值。空白試驗是一個極為重要又是非常耗時的試驗，且在做空白試驗時空白試驗的水分吸收管前后兩次的質量差值不能超過0.0010g；二氧化碳吸收管的前后兩次的質量差值不能超過0.0005g。碳、氫的測定裝置應在一個溫濕度相對穩定的環境下，不然空白值很難達到理想的恒重狀態。如果空白適當調節燃燒管的位置。

6 煤樣的測定

當空白試驗完成之后方可進行煤樣的檢測。

測定煤樣時其操作是非常重要的，根據檢測經驗總結為：在測定煤樣時先檢查整個測定裝置，將第一節爐的溫度控制在（850±10）℃，第二節爐的溫度控制在（800±10）℃，第三節爐的溫度控制在（600±10）℃，并將第一節爐緊靠第二節爐，將水分及二氧化碳吸收瓶連接好，控制氧氣流速為120mL/min，當流量計所指示的流速穩定，系統末端的氣泡顯示正常，則可以開始測定煤樣。

在預先灼燃處理過的燃燒舟中稱取粒度小于0.2mm的一般分析煤樣0.2g（可適當少于0.2g），晃動樣品上方覆蓋少許干燥的三氧化鎢或三氧化鉻粉，迅速打開橡皮塞取出銅絲卷，將燃燒舟推至燃燒管中，使其剛好在第一節爐爐口放入銅絲卷，迅速套好橡膠冒或塞緊橡膠塞。1min后，移動第一節爐，使燃燒舟的一半進入爐子，過2min后，移動爐體，使燃燒舟全部進入爐子，再過2min后，使燃燒舟位于爐子中央；保溫18min后，把第一節爐移回原位，2min后取下吸收系統，關閉磨口塞，用絨布擦凈，戴上干凈手套，在天平旁放置10min后稱量（一般除氮管不用稱量），若第二個二氧化碳“U”形管質量變化小于0.0005g，計算時可忽略。用絨布擦凈、戴干凈手套以防止影響測定結果。對于高灰分，低揮發分的煤樣，可采用適延長燃燒時間來確保煤樣燃燒完全。繼續做第二個試樣時，將水分和二氧化碳吸收“U”形管的活塞打開，在連接到吸收系統中，查看當氣路暢通時可開始第二個樣品的檢測。

7 測定煤碳氫元素過程中應注意的事項

7.1 由于煤燃燒所需氧氣中還有少量的水分和二氧化碳所以需設置氧氣凈化系統。氧氣中的水分用過氯酸鎂及濃硫酸消除。二氧化碳用粒狀堿石棉來消除。若不消除氧氣中攜帶的水分和二氧化碳，可能會使煤中碳氫測定值偏高。

7.2 碳氫測定系統必須具有良好的所密性。吸收管的管塞或瓶塞都應使用磨口的，乳膠管應選用管口徑較細的，及時更換老化的乳膠管。燃燒管應選用致密剛玉管，不透鋼管或石英管。（不銹鋼燃燒管應用多一些。）測定過程中，各節爐的控制溫度不能超過規定的溫度，特別是第三節爐的溫度不能超過（600±10）℃，否則鉻酸鉛顆粒會熔化粘連，脫硫效果會降低；會干擾碳的測定。如果爐溫超過規定值，鉻酸鉛顆粒熔化粘連應立即停止試驗，切斷電源，待爐溫降低后更換燃燒管內的試劑。

7.3 粒狀鉻酸鉛需自行制備。制備粒狀鉻酸鉛時可將粉狀鉻酸鉛加少量的水調成糊狀，上乳膠手套加工成玉米粒大小的顆粒，置于干燥箱中烘干，然后在（600±10）℃的高溫爐內灼燒30min即可，置于磨口玻璃瓶中備用。

7.4 由于新的橡皮帽和橡皮塞受熱分解會使碳氫的測定值不準確，而且會使空白值不恒定。所以橡皮帽或橡皮塞應在105℃～110℃下烘烤8h以上，恒重后才可以使用。

7.5 燃燒管內填充物一般使用70～100次后就應更換。但氧化銅、鉻酸鉛、銀絲卷經處理后還可重復使用。氧化銅的處理可用1mm孔篩子篩去粉末；鉻酸鉛的處理可用熱稀堿液50g/L的氯化鈉溶液浸漬，然后用水洗凈干燥，并在500℃～600℃下均燒0.5h；銀絲卷的處理可用濃氨水浸泡5min，在蒸餾水中煮沸5min，用蒸餾水沖洗干凈并干燥；即可重復使用。

7.6 觀察浮子流量計，當浮子流量計指針呈下降趨勢；則可能是浮子流量計前方泄漏之處或是氧氣壓力不夠。如果裝置末端氣泡計不冒泡；則是系統中有漏氣或堵塞之處，若是漏氣應更換橡膠塞或塞緊磨口瓶瓶塞，若是堵塞則可能是氣孔錯位或是真空脂過多所堵。

7.7 當堿石棉約有1/2失效時應及時更換，一般二氧化碳吸收劑可測5～6個單樣更換，而水分的吸收劑可測40個左右單樣更換。

結語

三節爐法測定煤中碳氫元素含量的方法是經典的重量法，它的測定結果準確可靠。三節爐法測定煤中的碳氫含量是一項操作難度很大很嚴謹的工作。在實際操作過程中會有很多因素影響檢測結果這需要工作人員能獨立即克服檢測過程中遇到的突發問題，熟練檢測規程，熟悉標準。

參考文獻

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［2］曹長武.火電廠煤質檢測技術［M］.北京，中國標準出版社，2008.

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［4］常溪溪.淺淡三節爐法測定煤中碳氫元素含量［D］.

中圖分類號：TQ533

文獻標識碼：A