煤炭中揮發(fā)分的測定及注意事項(xiàng)

張輝

摘要：煤炭揮發(fā)分是煤炭煤化程度的一個(gè)重要參數(shù)，是煤炭的一個(gè)分類定性指標(biāo)，同時(shí)也是一個(gè)重要的煤炭檢驗(yàn)項(xiàng)目。由于煤的揮發(fā)分（Vad）測定是一項(xiàng)規(guī)范性很強(qiáng)的試驗(yàn)，其測定結(jié)果受儀器、器皿及試樣質(zhì)量、加熱溫度、速度和時(shí)間等各種因素的影響，揮發(fā)分測定的重現(xiàn)性較差，精密度和準(zhǔn)確性均不好。通過多年來多批次的測定、分析、總結(jié)，得出一些體會(huì)和在實(shí)際操作過程中應(yīng)該注意的有關(guān)事項(xiàng)，供大家探討。

關(guān)鍵詞：揮發(fā)分 測定

Abstract： Coal volatile matter is an important parameter of coal coalification， a qualitative index of coal classification， and an important coal inspection project. Because the determination of volatile matter （Vad） of coal is a very standardized experiment， the measurement result is completely determined by various factors such as the quality of instruments， utensils and samples， heating temperature， speed and time during the actual measurement. As a result， the reproducibility of volatile content determination ispoor， and the precision and accuracy are not good. Through the measurement， analysis and summary of many batches over the years， some experiences and relevant matters that should be paid attention to in the actual operation process are drawn for everyone to discuss.

Key words： volatile matter， determination

1 揮發(fā)分的測定

1.1 原理

煤的揮發(fā)分測定原理是指把煤在隔絕空氣的條件下，于一定的溫度下加熱一定時(shí)間，煤中分解出來的液體（蒸氣狀態(tài)）和氣體產(chǎn)物減去煤中所含的水分，即為揮發(fā)分，剩下的焦渣為不揮發(fā)物。

煤的揮發(fā)分反映了煤的變質(zhì)程度，即煤的揮發(fā)分越多越好。測定煤炭揮發(fā)分需要用到煤炭化驗(yàn)設(shè)備——高效節(jié)能智能灰揮測定儀。

1.2 揮發(fā)分的測定

1.2.1 方法提要

稱取一定量的一般分析試驗(yàn)煤樣，放在帶蓋的瓷坩堝中，在（900±10）℃下，隔絕空氣加熱，以減少的質(zhì)量占煤樣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，減去該煤樣的水分含量作為煤樣的揮發(fā)分。

1.2.2 儀器設(shè)備

（1）灰揮測定儀

主要技術(shù)參數(shù)：

控溫范圍：室溫～1000℃

控溫精度：±2.5℃

最高升溫速度：100℃/min

分辨率：1℃最大功率：3.5 kW

爐膛尺寸：298 mm×203 mm×121 mm

電源電壓：220 V（-15%～10%），50 Hz

性能特點(diǎn)：

1）具備獨(dú)立的慢灰、快灰1（經(jīng)典快灰）、快灰2、揮發(fā)分及通用測試功能;通用測試可任意設(shè)定升溫速度、恒溫點(diǎn)及測試時(shí)間，用戶可有更多選擇。

2）采用性能卓越的加熱元件和保溫材料，恒溫性和均勻性均優(yōu)于國家標(biāo)準(zhǔn)，可確保爐體在高溫狀態(tài)下長時(shí)間工作。

3）內(nèi)置熱電偶，測溫精準(zhǔn)，且升溫快，能耗低，運(yùn)行安全穩(wěn)定。

4）具有熱電偶斷偶、短偶、反偶、超溫報(bào)警切斷電源保護(hù)裝置，加熱電源斷路報(bào)警等功能，安全性能高。

5）人性化設(shè)計(jì)，操作便捷：液晶大屏幕顯示，全中文漢字提示，按提示操作即可完成試驗(yàn)及參數(shù)設(shè)置，操作簡便;揮發(fā)分測試可按客戶需求設(shè)定為倒計(jì)時(shí)和正計(jì)時(shí)，方便用戶觀察時(shí)間;觀察窗、通氣孔等部位采取防燙手設(shè)計(jì)，避免實(shí)驗(yàn)過程中操作人員被燙傷的風(fēng)險(xiǎn)。

（2）揮發(fā)分坩堝

帶有配合嚴(yán)密蓋的瓷坩堝，坩堝總質(zhì)量為15 g～20 g。

（3）坩堝架

用鎳鉻絲或其他耐熱金屬絲制成。其規(guī)格尺寸應(yīng)能使所有的坩堝都在灰揮測定儀恒溫區(qū)內(nèi)。

1.2.3 試驗(yàn)步驟

（1）在預(yù)先于900 ℃下灼燒至質(zhì)量恒定的帶蓋瓷坩堝中，稱取粒度小于0.2 mm的一般分析試驗(yàn)煤樣（1±0.01）g，稱準(zhǔn)至0.0002 g，輕輕振動(dòng)坩堝使煤樣攤平，蓋上蓋放在坩堝架上。

（2）將灰揮測試儀預(yù)先加熱至920 ℃左右，打開爐門，迅速將放有坩堝的坩堝架送入恒溫區(qū)，立即關(guān)上爐門并計(jì)時(shí)，準(zhǔn)確加熱7min。坩堝及坩堝架放入后，要求爐溫在3 min內(nèi)恢復(fù)至（900±10）℃，此后保持在（900±10）℃，否則此次試驗(yàn)作廢，加熱時(shí)間包括溫度恢復(fù)時(shí)間在內(nèi)。

（3）從爐中取出坩堝，放置在空氣中冷卻5min左右，移入干燥器中冷卻至室溫（約20min）后稱重。

1.2.4 結(jié)果計(jì)算

計(jì)算空氣干燥基揮發(fā)分公式見式（1）：

1.2.5 揮發(fā)分測定的精密度

揮發(fā)分測定的精密度如表1規(guī)定。

2 注意事項(xiàng)

煤的揮發(fā)分不是煤中固有的物質(zhì)。而是在特定條件下沒有熱分解的產(chǎn)物，因此應(yīng)稱為煤的揮發(fā)分產(chǎn)率。影響煤的揮發(fā)分測定的因素很多，主要有加熱溫度、加熱時(shí)間、溫升速度;試樣容器的材質(zhì)、個(gè)數(shù)、總質(zhì)量、嚴(yán)密性及容器支架的材質(zhì);試驗(yàn)設(shè)備的型式、大小以及試樣水分測定的準(zhǔn)確度和實(shí)驗(yàn)操作是否規(guī)范等。結(jié)合多年的實(shí)際操作體會(huì)，下面對各影響因素進(jìn)行了詳細(xì)的對比試驗(yàn)和分析。

2.1 坩堝及坩堝架

（1）使用國家標(biāo)準(zhǔn)坩堝

國家標(biāo)準(zhǔn)要求揮發(fā)分使用的是帶有配合嚴(yán)密蓋的坩堝，坩堝總質(zhì)量為15 g～20 g，但嚴(yán)格符合標(biāo)準(zhǔn)要求的揮發(fā)分坩堝數(shù)量很少，常見的有坩堝蓋尺寸不規(guī)范，坩堝蓋與坩堝存在一定縫隙、坩堝壁過厚等使得坩堝的質(zhì)量略大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的15 g～20 g。吳富賢的《測定煤揮發(fā)分用坩堝的對比試驗(yàn)》介紹了標(biāo)準(zhǔn)坩堝與非標(biāo)準(zhǔn)坩堝的對比試驗(yàn)結(jié)果，根據(jù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)證明，非標(biāo)準(zhǔn)坩堝與標(biāo)準(zhǔn)坩堝測定值之間無明顯差異，其差值的置信范圍為-0.24%±0.22%，小于揮發(fā)分重復(fù)性精密度，非標(biāo)準(zhǔn)坩堝可以代替標(biāo)準(zhǔn)坩堝使用，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，坩堝蓋與坩堝口的配合嚴(yán)密程度則是不可忽視的因素，如果它們配合不嚴(yán)密，在煤樣加熱后期，由于氣體析出完畢，坩堝內(nèi)壓力下降，空氣將滲入坩堝內(nèi)，使煤的燃燒損失增加，造成結(jié)果明顯偏高。

（2）坩堝架質(zhì)量

為保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，材質(zhì)選鎳鉻合金，在灼燒過程中不能掉皮，若掉皮粘在坩堝上會(huì)影響測試結(jié)果，會(huì)使揮發(fā)分測定值偏高;而且孔要符合要求，太大易晃動(dòng);太小灼燒后會(huì)和坩堝架粘在一起，影響試驗(yàn)順利進(jìn)行。

2.2 加熱的溫度和時(shí)間

（1）嚴(yán)格控制試驗(yàn)溫度在（900±10）℃：試驗(yàn)前首先可以用標(biāo)準(zhǔn)煤樣進(jìn)行測試，看測試結(jié)果是否在標(biāo)值的不確定度范圍內(nèi)，在范圍內(nèi)可正常試驗(yàn)，如超出不確定度范圍，就應(yīng)該及時(shí)檢查或更換熱電偶等，確保爐溫正常;其次試驗(yàn)時(shí)放有煤樣的坩堝應(yīng)放在馬弗爐的恒溫區(qū)，將坩堝蓋嚴(yán)，避免與外界空氣接觸，造成煤炭燃燒。

（2）儀器溫度到達(dá)920 ℃，放入待測定樣品，以爐溫3min之內(nèi)必須恢復(fù)到（900±10）℃為原則，否則試驗(yàn)作廢，所以這就要求取放坩堝速度既快又穩(wěn)，放樣時(shí)一定要迅速，放入時(shí)，蓋子脫落或錯(cuò)位，則試驗(yàn)應(yīng)重新進(jìn)行。

（3）試驗(yàn)時(shí)間嚴(yán)格控制在7 min，經(jīng)過多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)過程中將坩堝放入恒溫區(qū)后關(guān)上灰揮測定儀爐門到按下計(jì)時(shí)鍵有2 s～3 s的時(shí)差，因此在7 min到達(dá)之前2 s～3 s打開爐門取出坩堝，一定要嚴(yán)格控制好時(shí)間，如果時(shí)間超了就會(huì)造成結(jié)果偏高的現(xiàn)象，如果時(shí)間不夠又會(huì)造成結(jié)果偏低的現(xiàn)象。現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室使用的儀器大都是智能控溫灰揮測定儀，能夠有效并準(zhǔn)確地控制試驗(yàn)時(shí)間，只要把握好樣品的取放速度，就能取得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。我們選用兩個(gè)煤標(biāo)樣在時(shí)間的控制上進(jìn)行了試驗(yàn)，所得結(jié)果詳見表2。

從試驗(yàn)結(jié)果看：時(shí)間不夠，結(jié)果偏低;時(shí)間超了，結(jié)果偏高。

2.3 稱樣質(zhì)量

標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定稱樣質(zhì)量在（1±0.01）g范圍內(nèi)，這可能影響稱量速度和工作效率，那么樣品稱量如果在（1±0.1）g范圍內(nèi)會(huì)對試驗(yàn)結(jié)果有影響嗎？我們選用兩個(gè)煤標(biāo)樣，分別稱取（0.9±0.01）g、（1.0±0.01）g、（1.1±0.01）g三個(gè)質(zhì)量，其余按標(biāo)準(zhǔn)方法規(guī)定進(jìn)行揮發(fā)分測定試驗(yàn)，所得結(jié)果詳見表3。

從試驗(yàn)結(jié)果看，稱樣量在（1±0.1）g范圍，測定重復(fù)性未超差，準(zhǔn)確度也符合要求。

2.4 防止煤樣的噴濺

當(dāng)測定低變質(zhì)程度的不粘煤、褐煤以及某些煙煤時(shí)，由于揮發(fā)分的快速逸出而將顆粒帶出，當(dāng)水分和揮發(fā)分過高時(shí)，由于它們的突然釋出而把坩堝蓋吹開，既帶走碳粒，又會(huì)使煤樣氧化，這樣會(huì)使結(jié)果偏高。因此，在測定揮發(fā)分時(shí)，應(yīng)避免試樣粒度過細(xì)和水分過高，將試樣壓成餅可有效地防止噴濺。

2.5放置時(shí)間

坩堝從馬弗爐取出后，在空氣中冷卻時(shí)間不能過長以防止焦渣吸水，導(dǎo)致測試結(jié)果偏低：國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定坩堝取出后在空氣中冷卻5min左右，移入干燥器中冷卻至室溫（約20min）后稱量，經(jīng)多人多次用標(biāo)樣測試，冬天（約15min）即可冷卻至室溫。

總之，煤的揮發(fā)分測定是一項(xiàng)規(guī)范性很強(qiáng)的試驗(yàn)，在測試過程中注意以上幾點(diǎn)就能獲得準(zhǔn)確的結(jié)果。

3 結(jié)論

影響揮發(fā)分測定結(jié)果準(zhǔn)確性的因素有很多，其主要影響因素有加熱溫度的高低、加熱速度的快慢，加熱時(shí)間的長短;另外試驗(yàn)所用器材的選擇，如坩堝的材質(zhì)、大小、薄厚、坩堝架的大小、坩堝與坩堝蓋的嚴(yán)密程度、分析煤樣的種類和性質(zhì)，煤樣中所含內(nèi)水和外水的高低在一定程度上都可以影響揮發(fā)分結(jié)果的測定。因此，要想得到準(zhǔn)確的揮發(fā)分測定結(jié)果，必須嚴(yán)格把控好測定過程中的各個(gè)環(huán)節(jié)。

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