獲得煤炭干燥基揮發分碳含量的方法探討

袁翠翠，杜政燁，茌 方，劉翠茹，楊愛勇

(國能南京煤炭質量監督檢驗有限公司，江蘇 南京 210031)

煤的揮發分是評價煤炭燃燒性能的首要指標，直接關系著火電企業制粉系統的安全運行和鍋爐的穩定燃燒。揮發分的含量及組成直接影響煤粉的著火特性[1]。在煤粉燃燒的數值模型中的前處理階段需用到揮發分中的碳含量[2]。鮮有研究者對如何獲得揮發分中的碳含量進行研究。本文探討了獲得煤的干燥基揮發分碳含量的2種方法，即擬合方程法和試驗法。考慮到空氣干燥基揮發分受水分的影響、干燥無灰基揮發分和干燥無礦物質基揮發分需要根據煤的碳酸鹽二氧化碳的含量進行相關校正，且獲得煤的碳酸鹽二氧化碳含量的試驗非常復雜，因此，重點研究煤的干燥基揮發分中的碳含量。

1 擬合方程法獲得揮發分中的碳含量

煤的不同基準的元素分析和工業分析的對應關系見圖1，該對應關系在廣大出版物中被應用[3，5]。

圖1 煤的元素分析和工業分析的對應關系

圖1中假設固定碳中全部為碳元素，又根據公式Ad+Vd+FCd=100%和公式Ad+Cd+Hd+Od+Nd+St，d=100%，可得煤的干燥基揮發分中的碳含量=Cd-FCd。即干燥基揮發分中的碳含量=煤的干燥基碳含量-干燥基固定碳。

通過對實驗室檢測的141個不同煤種煤樣的結果進行擬合，發現煤的干燥基揮發分中的碳含量與煤的干燥基揮發分具有很好的相關性，擬合方程為y=-0.0054x2+0.869x-6.7873(y為煤的干燥基揮發分中的碳含量，x為煤的干燥基揮發分)，相關系數R2達到0.97。因此根據此方程來經驗判斷揮發分中的碳含量具有很好的實用意義。

該研究在相關論文中進行了較為詳細的描述[6]。但對于揮發分較小的煤獲得結果為負值，不適用，負值是沒有物理意義的。郭永紅等[2]也有相似的研究，利用工業分析和元素分析的對應關系計算部分無煙煤和揮發分較小的煙煤的干燥無灰基揮發分中的碳含量有出現負值的情況，原因是固定碳的組成是以碳元素為主，但仍有小部分的氫、氧、硫等元素的存在[7，8]。因此公式“干燥基揮發分中的碳含量=煤的干燥基碳含量-干燥基固定碳”與實際情況存在一定偏差。同時檢測結果受檢測設備、檢測人員、檢測環境等諸多因素影響存在一定波動性，141個煤樣結果存在一定局限性，使得該方程獲得的揮發分中的碳含量存在一定誤差。但考慮到獲得揮發分中碳含量的困難程度，該方程對于經驗判斷揮發分中的碳含量具有重要意義。

2 試驗法獲得揮發分中的碳含量

2.1 試驗依據

依據GB/T 212—2008[9]揮發分的測定方法，一定量的一般分析試驗煤樣在(900±10)℃下隔絕空氣加熱7 min，減少的質量占煤樣質量的質量分數減去該煤樣的水分含量作為煤樣的揮發分，而坩堝中殘留物為焦渣。通過試驗方法測定煤的揮發分中的碳含量有2種途徑，一是收集揮發分測定過程中揮發逸出的物質然后測得其碳含量，二是測定試驗后殘留焦渣中的碳含量通過公式換算得到揮發分中的碳含量。事實上，收集揮發分試驗過程中揮發逸出的物質是非常困難的，而測得殘留產物焦渣中的碳含量是簡單易行的。已知煤的干燥基碳含量、干燥基揮發分、焦渣中的碳含量，則揮發分中的碳含量可通過以下公式獲得。

CVd=Ccoal-CJC×(100-Vd)/100

(以干燥基煤樣的質量為基準)

式中：CVd——煤的干燥基揮發分中的碳含量，%；

CJC——焦渣中的碳含量，%；

Ccoal——煤的干燥基碳含量，%；

Vd——干燥基揮發分，%；

(100-Vd)/100——由焦渣中的碳含量換算到對應干燥基煤中碳含量的換算系數。

2.2 試驗過程

嚴格依據GB/T 212—2008，在預先于900 ℃溫度下灼燒至質量恒定的帶蓋瓷坩堝中，稱取粒度小于0.2 mm的一般分析試驗煤樣(1±0.01)g放在坩堝架上。將馬弗爐預先加熱至920 ℃左右。打開爐門，迅速將放有坩堝的坩堝架放入恒溫區，立即關上爐門并計時，準確加熱7 min。坩堝及坩堝架放入后，要求爐溫在3 min內恢復至(900±10)℃，此后保持在(900±10)℃，否則此次試驗作廢，加熱時間包括爐溫恢復時間在內。從爐中取出坩堝，放在空氣中冷卻5 min左右，移入干燥器中冷卻至室溫后(約20 min)稱量。將測定揮發分后殘留的焦渣全部收集，用瑪瑙研缽磨細至小于0.2 mm。利用碳氫氮元素分析測定儀分別測定煤和對應焦渣中的碳含量，即可利用公式得到揮發分中的碳含量[10]。

為更好地分析試驗結果，選取9個有證煤標準物質。分別測定每個煤樣的水分和揮發分，將每個煤樣對應的焦渣收集到瑪瑙研缽中進行研磨，如圖2所示。利用元素分析測定儀分別測定煤樣和其對應焦渣的碳含量。所有檢測項目均進行2次重復性測定。

圖2 將殘留物焦渣收集到瑪瑙研缽中研磨

2.3 試驗結果與分析

選取的9種有證煤標準物質分別是GBW11107z、GBW11108n、GBW11110n、GBW11110k、GBW11113i、GBW11113h、GBW11104j、GBW11103k和GBW11126d。其干基揮發分和干基碳的標準值及不確定度和對應的檢測結果如表1所示。

分析表1，9種煤標準物質的揮發分和碳的檢測結果均在標準值及不確定度范圍內，說明揮發分和元素分析的試驗操作整體上是比較規范的，在此基礎上獲得的焦渣和焦渣中的碳含量是有代表性的。通過元素分析試驗得9種煤標準物質對應的焦渣中碳含量見表2。由試驗法和擬合方程法分別獲得的干燥基揮發分中的碳含量及2種方法獲得的揮發分中碳含量的差值也列入表中。

表1 9種煤標準物質揮發分、碳的標準值及不確定度和對應的檢測結果

分析表2，試驗法獲得煤的干燥基揮發分中的碳含量是可行的，在規范性試驗操作下獲得的結果是有代表性的。對于GBW11104j、GBW11103k、GBW11126d這3種標煤其對應的干燥基揮發分均小于8%，根據擬合方程法獲得的干燥基揮發分中的碳含量均是負值，這是沒有物理意義的。說明擬合方程法對于某些揮發分較小的煤是不可行的，只能通過試驗法。觀察發現，2種方法獲得的干燥基揮發分中的碳含量的差值均為正值，這是因為擬合方程法中假設了固定碳中全部為碳元素，而實際還含有少量的氫、硫、氧等元素，因此所得的揮發分中碳含量比實際情況偏低。

表2 9種煤標準物質對應的焦渣碳含量和兩種方法獲得的干燥基揮發分中碳含量

3 擬合方程法和試驗法的比較

擬合方程法是建立在141個不同煤種的結果上，相關系數達到0.97，可以經驗判斷某煤樣揮發分中的碳含量。若已知某煤樣的干燥基揮發分，即可依據擬合方程估算其干燥基揮發分中的碳含量，且簡單易行。但對于某些揮發分較小的煤獲得的結果為負值，該方法不適用。

試驗法確定揮發分中的碳含量也存在很多的影響因素。首先是確保揮發分測定過程嚴格依據相關標準，收集到的焦渣要具有代表性。其次是元素分析測定儀可控、受控、質量控制合格，測得的煤和焦渣中的碳含量結果可靠。由于受個人操作、儀器設備、環境條件等多方面的影響，通過試驗方法獲得煤的揮發分中的碳含量只是相對較準確的結果。試驗法相對于擬合方程法獲得的結果更準確且適用于所有煤種，但試驗過程較復雜。考慮到測定揮發分中的碳含量的難度以及對揮發分較小的煤種的適用性，此方法具有很好的推薦意義。

4 結 語

本文討論了獲得煤中干燥基揮發分中碳含量的方法即擬合方程法和試驗法。

(1)擬合方程法基于實驗室檢測的141個不同煤種的結果擬合得到的方程為y=-0.0054x2+0.869x-6.7873，相關系數R2達到0.97。擬合方程法應用簡單，已知煤的干燥基揮發分，即可估算其干燥基揮發分中的碳含量，而煤的干燥基揮發分可以通過試驗簡單易得。因此擬合方程法對于估算煤樣揮發分中的碳含量具有十分重要的實用意義，但對于某些揮發分較小的情況不適用。

(2)試驗法相對于擬合方程法更準確，主要依賴于揮發分檢測結果的準確性和煤中碳、焦渣中碳含量檢測結果的準確性，不受煤的揮發分大小的限制，且適用于所有煤種。通過試驗證明了此方法可行，考慮到獲得煤中揮發分中碳含量的難度以及對揮發分較小的煤種的適用性，此方法具有好的推薦意義。