坩堝對測定煤揮發分的影響分析

陳筱鈺

(同煤廣發化學工業有限公司，山西 大同 037000)

揮發分是煤炭分類最重要的指標之一，同時，煤的揮發分產率能反映出煤的許多重要性質，因此，揮發分測定是煤工業分析中的重要檢測方法[1]。然而，煤中揮發分是煤在一定實驗條件下經過加熱后的熱分解產物，其主要由水分、碳氫氧化物和碳氫化合物(以CH4為主)組成[2]。影響揮發分測定結果的因素有很多，不同實驗條件都會產生不同的實驗結果。為此，提高煤揮發分測定的準確度和精確度就顯得尤為重要。本文主要探究分析坩堝對準確測定煤中揮發分的影響。

1 煤中揮發分的測定

1.1 煤中揮發分及煤的熱解

在我國及國際煤炭分類方案中，均以揮發分作為第一分類指標。國標GB/T3715—2007中認為，煤揮發分(Vdaf)是煤中有機質的可揮發的熱分解產物[3]。實驗中將煤樣在隔絕空氣條件下高溫加熱，形成的由水分、碳氫氧化物和碳氫化合物(以CH4為主)組成的混合物，作為煤揮發分。

測定煤的揮發分主要是煤的高溫熱解，而煤的熱解是將煤在隔絕空氣條件下持續加熱至高溫時發生的一系列反應，屬于吸熱反應。煤的熱解過程如圖1所示[4]。

1.2 煤中揮發分的測定原理

揮發分不是煤中固有的揮發性物質，其測定實際上是一項規范性較強的實驗項目。因次，嚴格把控測定的各個環節才能得到準確的測定結果。

圖1 煤的熱解過程圖示

根據國標GB/T212—2008規定，一般情況下，煤中揮發分測定方法是：首先，稱取一定量干燥煤樣放在帶蓋的瓷坩堝內，約(1.0±0.01)g；其次，對瓷坩堝隔絕空氣加熱7 min，具體控制溫度為(900±10)℃左右；第三，揮發分結果具體計算見公式(1)[5]。

V=(m0-m)/m0×100-Mad

(1)

式中:V為空氣干燥基揮發分的質量分數，%；m0為稱取的煤樣質量，g；m為剩余的煤樣質量，g；Mad為煤樣的水分含量，%。

1.3 煤中揮發分測定的分析步驟

1.3.1 儀器設備

煤中揮發分測定所用的儀器設備主要有干燥器、分析天平、馬弗爐、瓷坩堝(帶蓋)、坩堝架(夾)。儀器設備完全符合國家標準GB/T212—2008。

1.3.2 分析步驟

本實驗煤中揮發分測定的具體分析步驟有：稱量初始煤樣及準備、加熱煤樣及稱量剩余煤樣及計算三步。所有的實驗步驟都嚴格按照國家標準GB/T212-2008中的操作步驟。具體如第69頁圖2所示。

1.3.3 測定方法

國家標準中要求坩堝的質量為15 g～20 g。本實驗中，以同一試樣在相同方法、不同質量的坩堝(采用型號及材料相同)中進行實驗，且為了驗證重復性和再現性，每個質量段坩堝做6次平行實驗，并取6次平行實驗得到的平均揮發分(%)為此質量段坩堝的揮發分，以研究揮發分產率在坩堝總質量15 g～22 g具體變化情況。同時，為研究坩堝壁厚及坩堝蓋質量(坩堝蓋與坩堝吻合且活動度小)對揮發分的影響，把坩堝整體分成坩堝和坩堝蓋，探討其對煤揮發分影響的變化規律。此外，探討用不同坩堝架測定揮發分的區別，如圖2所示。

圖2 煤中揮發分測定的具體分析步驟及具體操作

2 坩堝影響煤揮發分測定的主要因素

2.1 不同質量坩堝實驗結果

本次參與實驗的坩堝每次均放在坩堝架的第一排，不同質量坩堝測定同一煤試樣揮發分，具體測定實驗結果如表1、圖3所示。

表1 不同質量坩堝測定同一煤試樣揮發分①實驗結果

圖3 同一煤試樣揮發分隨不同質量坩堝變化圖

由表1實驗結果及圖3變化圖可知，同一煤試樣揮發分隨著坩堝質量的遞增有微小遞減的趨勢。且最大與最小值相差0.43%，超出誤差允許范圍。

2.2 不同坩堝壁厚、坩堝蓋質量的影響

由于本實驗以同一試樣在相同方法、不同質量的坩堝中進行實驗。坩堝質量增加表明坩堝壁厚的增加以及坩堝蓋質量的增加，由2.1研究表明，揮發分隨坩堝壁厚度的增加而逐漸降低，呈線性變化；同時，揮發分隨坩堝蓋質量的增加而逐漸降低，呈線性變化。

2.3 不同坩堝架測定揮發分的區別

由于坩堝在坩堝架上受熱程度的不同，從而可能影響揮發分的測定結果。為了進一步驗證不同坩堝架測定揮發分的區別，本實驗分別采用熱、冷坩堝架進行對比實驗，結果如表2所示。

表2 熱坩堝架與冷坩堝架測定同一煤

由表2可知，用熱坩堝架測定的結果明顯高于用冷卻的坩堝架測定的結果。分析其原因可能是，坩堝放于熱坩堝架上首先得到了預熱，對煤的熱解過程及煤揮發分測定而言，加熱速度更快，熱解可能更徹底。同時，熱坩堝架與冷坩堝架測定同一煤試樣揮發分差值超出允許誤差范圍，表明影響較大，需要特別注意。

3 結果與討論

通過上述分析結果可知，坩堝對揮發分的產率是有影響的，具體的影響為：煤揮發分隨坩堝質量的增加以及坩堝壁厚、坩堝蓋質量的增加，而呈現出線性降低的趨勢；用熱坩堝架測定的結果明顯高于用冷卻的坩堝架測定的結果。分析原因可能是，瓷坩堝的導熱性較差，而煤中揮發分的測定過程屬于煤的高溫熱解過程，所以在揮發分測定過程中煤樣的實際溫度及升溫速度較低，尤其使用厚壁坩堝進行揮發分測定時更會導致此現象。同理，坩堝放于熱坩堝架上首先得到了預熱，有助于煤的高溫熱解過程，因此，用熱坩堝架測定的結果明顯高于用冷卻的坩堝架測定的結果。

綜上所述，揮發分測定是一項規范性很強的實驗，其測定結果會受很多因素的影響。因此，在測定時應詳細了解影響測定的因素和掌握應注意的事項，嚴格按標準的要求進行操作。