煤中碳元素的含量也越高課件

工業(yè)分析授課教師:寧萍第3章煤質(zhì)分析§3.1概述§3.2煤的工業(yè)分析§3.3煤中全硫的測定§3.4煤發(fā)熱量的測定§3.1概述一、煤的組成和分類煤是由有機(jī)質(zhì)、礦物質(zhì)和水三部分組成。有機(jī)質(zhì)和部分礦物質(zhì)是可燃的，水和大部分礦物質(zhì)是不可燃的。

有機(jī)質(zhì)主要由碳、氫、氧、氮、硫等元素組成，碳和氫占有機(jī)質(zhì)的95%以上。硫在燃燒時(shí)也放熱，但燃燒的產(chǎn)物SO2不但腐蝕設(shè)備而且污染環(huán)境。

礦物質(zhì)主要是堿金屬、堿土金屬、鐵、鋁的碳酸鹽、硫酸鹽、磷酸鹽及硫化物。除硫化物外，其它的礦物質(zhì)不能燃燒，正是由于礦物質(zhì)的存在，使煤的可燃比例減小，影響煤的發(fā)熱量。1、煤的組成

碳是組成煤大分子的骨架，在各元素中最高，一般大于70%。隨著煤化程度的不斷增高，煤中碳元素的含量也越高，如某些超無煙煤，碳含量可超過97%。碳?xì)涫敲褐械诙€(gè)重要的組成元素，它占煤的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1～6%，越是年輕的煤，其含量也越高。氫氧元素是組成煤有機(jī)質(zhì)的十分重要的元素，越是年輕的煤，氧元素的比例也越大，發(fā)熱量常隨氧元素含量的增高而降低，其含量從1～30%均有。氧

氮元素在煤中的比例較少，一般為0.5～3%。氮硫硫元素也是組成煤的有機(jī)質(zhì)的一種常見元素，它在煤中含量的多少，與煤化程度的高低無明顯關(guān)系，其含量從最低的0.1到最高的10%均有。煤的元素組分的不同，不僅能反映出煤化程度，而且也直接表征出煤性質(zhì)的不同。

如碳含量低、氧含量高的煤，多是粘結(jié)性很差或是沒有粘結(jié)性的年輕煤；碳含量高、氧含量低的煤則常是一些無粘結(jié)性的年老煤，只有碳含量在84～88%，氫含量在5%以上的中等變質(zhì)程度的煤，才是結(jié)焦性較好的煉焦用煤。

2、煤的分類

煤的種類繁多，質(zhì)量也相差懸殊，不同類型的煤有不同的用途。

新的煤分類國家標(biāo)準(zhǔn)把我國的煤從褐煤到無煙煤之間共劃分為14個(gè)大類和17個(gè)小類。

常見的三類：褐煤、煙煤、無煙煤對工業(yè)用煤的要求

煤炭的主要用途是燃燒、煉焦和造氣等，也可作為化工原料。為了得到強(qiáng)度高，灰分、硫分低的優(yōu)質(zhì)冶金用焦，對煉焦用煤有以下要求：（1）有較強(qiáng)的結(jié)焦性或粘結(jié)性（2）煤的灰分要低（3）煤的硫分要低（4）配合煤的揮發(fā)分要合適二、煤的分析項(xiàng)目1、工業(yè)分析煤的工業(yè)分析包括煤的水分（moisture)、灰分(ash)、揮發(fā)分(volatile)和固定碳(fixedcarbon)四個(gè)項(xiàng)目的測定。

通常，水分、灰分、揮發(fā)分都直接測定，固定碳不直接測定，而是用差減法進(jìn)行計(jì)算。有時(shí)也將上述四個(gè)測定項(xiàng)目叫做半工業(yè)分析，再加上煤的發(fā)熱量和煤中全硫的測定，則稱為全工業(yè)分析。煤的工業(yè)分析又叫技術(shù)分析或?qū)嵱梅治?，是評價(jià)煤的基本依據(jù)。煤的工業(yè)分析是了解煤的性質(zhì)和用途的重要指標(biāo)。如水分和灰分高的煤，它的有機(jī)質(zhì)含量就少，發(fā)熱量低，經(jīng)濟(jì)價(jià)值就小。2．元素分析

煤中主要含有碳、氫、氧、氮、硫等元素，此外，煤炭中還往往含有許多放射性和稀有元素如鈾、鍺、鎵等。元素分析的結(jié)果是對煤進(jìn)行科學(xué)分類的主要依據(jù)。在工業(yè)上，是計(jì)算發(fā)熱量、計(jì)算熱量平衡的依據(jù)。煤中的稀散元素很多，但一般是指有提取價(jià)值的鍺、鎵、鈾、釩、鉭等元素。除硫外，煤中還含有一些有害元素，如磷、氯、砷、氟、汞等。可以根據(jù)需要進(jìn)行檢測。一、常用的符號和基準(zhǔn)

1．分析項(xiàng)目的名稱及表示符號表1分析試驗(yàn)項(xiàng)目及符號項(xiàng)目水分灰分揮發(fā)分固定碳發(fā)熱量礦物質(zhì)符號MAVFCQMMC、H、O、N、S及煤灰中化學(xué)成分等仍以元素名稱為代表符號。ashvolatilecompoundfixedcarbonquantityofproducedheatmineralmattermoisture3．各種基準(zhǔn)的表示符號P54基準(zhǔn)是指煤樣所處的狀態(tài)。用不同狀態(tài)的煤樣分析試驗(yàn)，將得出不同的結(jié)果，所以基準(zhǔn)又是用以計(jì)算和表達(dá)測定值的主要依據(jù)之一。收到基（ar）asreceived空氣干燥基（ad）air

dry干基（d）dry

干燥無灰基（daf）dry

af干燥無礦物質(zhì)基（dmmf）mineralmattertree3.1收到基（ar）

就其含義而言，是從收到的一批煤樣中取出具有代表性的煤樣，以此種狀態(tài)的煤樣測定的結(jié)果并以此基表示的值，稱為收到基。

3.2空氣干燥基（ad）是指煤樣所處環(huán)境與水蒸氣壓達(dá)到平衡時(shí)的煤樣。在新標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定：煤樣若在空氣中連續(xù)干燥1小時(shí)后質(zhì)量變化不超過0.10%，則認(rèn)為達(dá)到空氣干燥狀態(tài)。3.3干基（d）以無水狀態(tài)的煤樣為標(biāo)準(zhǔn)的分析結(jié)果表示方法。3.4

干燥無灰基（daf）它是以假想的無水無灰狀態(tài)的煤為基準(zhǔn)的分析結(jié)果表示方法?！?.2煤的工業(yè)分析一、水分的測定

煤的水分是評價(jià)煤炭經(jīng)濟(jì)價(jià)值的最基本的指標(biāo)。因?yàn)槊褐兴趾吭蕉?，煤的無用成分也越多，同時(shí)有大量水分存在，不僅煤的有用成分減少，而且它在煤燃燒時(shí)要吸收大量的熱成為水蒸汽蒸發(fā)掉。所以煤的水分越低越好。（一）煤中水分的存在形態(tài)1、游離水以物理吸附或附著方式與煤結(jié)合的水分稱為游離水分，又分為外在水和內(nèi)在水。外在水又成為自由水（freemoisture)或表面水分（surfacemoisture)。用Mf表示。此類水分是在開采、貯存等過程中帶入的，覆蓋在煤粒表面上，其蒸汽壓與純水的相同，在空氣中風(fēng)干1～2天后，即可蒸發(fā)除去，又稱風(fēng)干水分，即在一定條件下煤樣與周圍空氣濕度達(dá)到平衡時(shí)所失去的水分。除去外在水分的煤又稱風(fēng)干煤。內(nèi)在水（moistureintheairdriedsample)是指吸附或凝聚在煤粒內(nèi)部直徑小于10-5cm的毛細(xì)孔中的水分，用Minh表示。由于毛細(xì)孔的吸附作用，這部分水分的蒸汽壓低于純水的，所以難以蒸發(fā)除去，需要在水的正常沸點(diǎn)以上才能除掉。在一定條件下煤樣達(dá)到空氣干燥狀態(tài)時(shí)所保持的水分稱為空氣干燥煤樣水分（Mad)

。除去內(nèi)在水分的煤稱為干燥煤。外在水分和內(nèi)在水分的和稱為全水分（totalmoisture),用Mt表示。2、化合水

以化合的方式與煤中的礦物質(zhì)結(jié)合的水，即通常說的結(jié)晶水。如石膏中的水，CaSO4·2H2O。游離水在105～110℃的溫度下，經(jīng)過１～２h即可蒸發(fā)掉，而結(jié)晶水要在200℃以上才能除掉。在煤的工業(yè)分析中常測定原煤樣的全水分和空氣干燥煤樣水分，一般不測化合水。（三）空氣干燥煤樣水分的測定

空氣干燥煤樣水分又稱空氣干燥基水分（Mad)

，測定方法有通氮干燥法——A、甲苯蒸餾法——B、空氣干燥法——C。方法A僅適用于煙煤和無煙煤，并作為測定煙煤和無煙煤水分的仲裁測定方法；方法B和方法C適用于褐煤、煙煤和無煙煤，但以方法B作為測定褐煤全水分的仲裁方法。按測定的速度來說:

方法A為常規(guī)測定法，方法B、C為快速測定法。三、灰分的測定

煤的灰分是煤中所有可燃物完全燃燒以及礦物質(zhì)（除水分以外的所有無機(jī)質(zhì)的總稱）在一定溫度下，經(jīng)一系列復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)以后所剩下的殘?jiān)?，用符號A表示。三、揮發(fā)分的測定

煤樣在規(guī)定條件下隔絕空氣加熱，煤中的有機(jī)物質(zhì)受熱分解出一部分分子量較小的液態(tài)（此時(shí)為蒸汽狀態(tài)）和氣態(tài)產(chǎn)物，這些產(chǎn)物稱為揮發(fā)物。揮發(fā)物占煤樣質(zhì)量分?jǐn)?shù)稱為揮發(fā)份產(chǎn)率或簡稱為揮發(fā)份。因?yàn)槊褐锌扇夹該]發(fā)分不是煤的固有物質(zhì)，而是在特定條件下，煤受熱的分解產(chǎn)物，而且其測定值受溫度、時(shí)間和所用坩堝的大小、形狀等不同而異，測定方法為規(guī)范性試驗(yàn)方法，因此所測的結(jié)果應(yīng)稱為揮發(fā)分產(chǎn)率，用符號V表示。

測定煤的灰分，對于鑒定煤的質(zhì)量以及確定其使用價(jià)值也有重要意義因?yàn)槊褐谢曳质怯泻ξ镔|(zhì)，所以各種用途的煤，灰分越低也就越好。雖然煤灰是煤中有害物，但進(jìn)行綜合利用后，也會(huì)變廢為寶，為國家創(chuàng)造財(cái)富的。四、固定碳含量的計(jì)算P53

固定碳—是指除去水分、灰分和揮發(fā)分后的殘留物，用符號FCad表示。

固定碳的化學(xué)組分，主要是C元素，另外還有一定數(shù)量的H、O、N、S等其它元素。

FCad=100%-Mad-Aad–VadFCd=100%-Ad–VdFCdaf=100%-Vdaf

五、不同基準(zhǔn)分析結(jié)果的換算1、媒質(zhì)分析結(jié)果的有關(guān)術(shù)語和符號術(shù)語名稱定義符號收到基以收到狀態(tài)的煤為基準(zhǔn)ar空氣干燥基以與空氣濕度達(dá)到平衡狀態(tài)的煤為基準(zhǔn)ad干燥基以假想無水狀態(tài)的煤為基準(zhǔn)d干燥無灰基以假想無水、無灰狀態(tài)的煤為基準(zhǔn)daf干燥無礦物質(zhì)基以假想無水、無礦物質(zhì)狀態(tài)的煤為基準(zhǔn)dmmf恒濕無灰基以假想含最高內(nèi)在水分、無灰狀態(tài)的煤為基準(zhǔn)maf稱取空氣干燥基煤試祥1.2000g，測定揮發(fā)份時(shí)失去質(zhì)量0.1420g，測定灰份時(shí)殘?jiān)馁|(zhì)量0.1125g，如已知空氣干燥基水分為4％，求煤樣的揮發(fā)份、灰份和固定碳的含量？§3.3煤中全硫的測定煤中的硫以存在形式分為無機(jī)硫、有機(jī)硫、單質(zhì)硫三種。無機(jī)硫以硫化物和硫酸鹽形式存在。硫化物主要存在于黃鐵礦中。硫酸鹽中主要是硫酸鈣。有機(jī)硫組成很復(fù)雜，主要是硫醚、硫醇、二硫化物、噻吩類雜環(huán)硫化物等。

根據(jù)燃燒性分類：可燃硫（有機(jī)硫、硫鐵礦硫和單質(zhì)硫）和不可燃硫（固定硫，硫酸鹽硫）煤中的硫?qū)θ紵?、煉焦等是有害的，因此硫含量的高低是評價(jià)煤質(zhì)量的重要指標(biāo)。煤中總硫是各種硫的總合，一般不要求分別測定無機(jī)硫和有機(jī)硫。一、艾氏卡法1、原理

將煤樣與艾氏卡試劑（2份質(zhì)量的MgO+1份質(zhì)量的Na2CO3）混合于850℃下進(jìn)行半熔反應(yīng)，使各種形態(tài)的硫都轉(zhuǎn)化成可溶于水的硫酸鹽。發(fā)生的反應(yīng)如下：2Na2CO3+2SO2+O2=2Na2SO4+2CO2↑Na2CO3+SO3=Na2SO4+CO2方法包括煤樣的半熔反應(yīng)、用水浸取、硫酸鋇的沉淀、過濾、洗滌、干燥、灰化和灼燒等過程。煤+空氣=CO2+H2O+SO2+SO3+N2

艾氏卡試劑中的MgO能疏松反應(yīng)物，使空氣能進(jìn)入煤樣，同時(shí)也能與SO2和SO3發(fā)生反應(yīng)。

2MgO+2SO2+O2=2MgSO4不可燃燒又難溶于水的CaSO4，也能同時(shí)能和艾士卡試劑作用

Na2CO3+CaSO4=Na2SO4+CaCO3

經(jīng)半熔反應(yīng)后的熔塊，用水浸取，Na2SO4都溶入水中。未作用完的Na2CO3也進(jìn)入水中，并部分水解，因此水溶液呈堿性。濾渣經(jīng)過洗滌，把洗液和濾液合并，調(diào)節(jié)溶液酸度，使其呈酸性（pH約1～2），其目的是消除CO32-的影響，因其也會(huì)和Ba2+在中性溶液中形成碳酸鋇沉淀。

加入Ba2+后，生成硫酸鋇沉淀：MgSO4+Na2SO4+2BaCl2=2BaSO4+2NaCl+MgCl2

濾出BaSO4沉淀，經(jīng)洗滌、烘干、灰化、灼燒，即可稱量。

根據(jù)生成的硫酸鋇的質(zhì)量計(jì)算煤中硫的含量?！?.4煤發(fā)熱量的測定一、發(fā)熱量的定義及單位煤的發(fā)熱量或熱值是指單位質(zhì)量的煤完全燃燒，當(dāng)燃燒產(chǎn)物冷卻到燃燒前的溫度時(shí)（室溫）所放出的熱量，用Q表示。發(fā)熱量的單位:J/g、kJ/kg或MJ/kg表示。熱量的單位可用卡（cal）表示，1cal=4.18J。

二、發(fā)熱量的表示方法

1、彈筒發(fā)熱量(Qb)

單位質(zhì)量的煤樣在充有過量高壓氧氣（初始壓力為27～35大氣壓）的彈筒內(nèi)燃燒，其燃燒產(chǎn)物為O