實驗七　煤的工業分析（參考GB/T 212—2008）

一、實驗目的

1.學習和掌握測定煤樣水分的方法及原理。

2.學習和掌握煤灰分產率的測定方法和原理，了解煤的灰分與煤中礦物質的關系。

3.掌握煤的揮發分產率測定方法及固定碳計算，學會運用揮發分產率和焦渣特征判斷煤化程度，初步確定煤的加工利用途徑。

二、實驗原理

煤樣在105～110℃下于干燥箱中加熱至恒重測定水分Mad；在（900±10）℃下在馬弗爐中隔絕空氣加熱7min測定揮發分Vad；在（815±10）℃下在馬弗爐中加熱至恒重測定灰分Aad。

煤的工業分析也稱為煤的技術分析或實用分析。它包括水分、揮發分、灰分的測定和固定碳的計算。煤的工業分析目的在于確定煤的性質、評價煤的質量與合理利用煤炭資源。根據煤的工業分析可以初步判斷煤的種類、加工利用途徑及效果。工業分析數據還可以計算煤的發熱量和焦化產品的產率等。對煤樣的工業分析分析方法同樣可以用于焦、油頁巖、生物質等含碳能源物質的測定。

三、水分的測定

水分測定包括以下三種方法：通氮干燥法（適用于褐煤、無煙煤、煙煤和水煤漿）和空氣干燥法（適用于煙煤與無煙煤）、微波干燥法。其中，通氮干燥法屬于仲裁法。空氣干燥法測定煙煤和無煙煤水分的測定結果與通氮干燥法結果相比并無顯著差異，空氣干燥法簡單易操作，測定時間少于通氮干燥法；微波干燥法雖與通氮干燥法具有一致性，但微波干燥中煤樣可能會有微小的分解，因此本實驗未采用微波干燥法。

　 （一）空氣干燥法

1.實驗原理

稱取一定量的一般分析實驗煤樣，置于105～110℃鼓風干燥箱中，在干燥空氣流中干燥到質量恒定。然后根據煤樣的質量損失計算出水分的質量分數。

2.實驗設備和材料

（1）電熱鼓風干燥箱　長沙開元儀器股份有限公司生產的5E-DHG6310電熱恒溫鼓風干燥箱［如圖3-8所示，高校和化驗機構采用較多，控溫范圍：（室溫+10℃）～250℃］或5E-MHG6090K電熱恒溫鼓風干燥箱［如圖3-9所示，工廠采用較多，帶網絡接口，可以上傳數據，到了規定的時間停止加熱。控溫范圍：（室溫+10℃）～200℃］。儀器溫度以及鼓風速度均可于控制區域調節。

（2）分析天平　感量0.0001g。

（3）試劑與材料　

無水氯化鈣（HGB 3208）：化學純，粒狀；

變色硅膠：工業用品；

玻璃稱量瓶：直徑40mm，高25mm，并帶有嚴密的磨口蓋；

干燥器：內裝有變色硅膠或無水氯化鈣。

3.準備工作

稱取試樣前需將試樣混合均勻；玻璃稱量瓶干燥至恒重并稱量；分析天平調平；電熱鼓風干燥箱恒溫鼓風至指定溫度105～110℃。

4.實驗步驟

①在預先干燥和已稱量過的稱量瓶內稱取粒度小于0.2mm的一般分析實驗煤樣（1±0.1）g，稱準至0.0002g，平攤在稱量瓶中，蓋上瓶蓋。

②打開稱量瓶蓋，放入預先鼓風并已加熱到105～110℃的干燥箱中。在一直鼓風的條件下，煙煤干燥1.0h，無煙煤干燥1.5h。預先鼓風是為了溫度均勻，可將裝有煤樣的稱量瓶放入干燥箱前3～5min就開始鼓風。

③從干燥箱中取出稱量瓶，立即蓋上蓋，放入干燥器中冷卻至室溫（約20min）后稱量。

④進行檢查性干燥，每次30min，直到連續兩次干燥煤樣質量的減少不超過0.0010g或質量增加時為止。在后一種情況下，采用質量增加前一次的質量為計算依據。當水分在2.00%以下時，不必進行檢查性干燥。

5.實驗結果

（1）數據處理　按式（3-3）計算一般分析實驗煤樣的水分：

　　（3-3）

式中　Mad——一般分析實驗煤樣水分的質量分數， %；

m——稱取的一般分析實驗煤樣的質量，g；

m1——煤樣干燥后失去的質量，g。

（2）報告　可參考表3-6。

　　測定者：　　　　　審核者：　　　　　　　日期：　　年　　月　　　　日

（3）精密度　水分測定的精密度如表3-7規定。

6.注意事項

從干燥箱中取出的試樣及每次干燥性檢查的試樣冷卻時間要一致，因為冷卻的時間也會影響煤的水分。

　 （二）通氮干燥法

1.實驗原理

稱取一定量的一般分析實驗煤樣，置于105～110℃鼓風干燥箱中，在干燥氮氣流中干燥到質量恒定。然后根據煤樣的質量損失計算出水分的質量分數。

2.實驗設備和材料

（1）5E-MIN6150智能通氮干燥箱　長沙開元儀器股份有限公司生產的5E-MIN6150智能通氮干燥箱［控溫范圍：（室溫+20℃）～200℃］，設備外形參考圖3-1和圖3-2。

（2）分析天平　感量0.0001g。

（3）試劑與材料

無水氯化鈣（HGB 3208）：化學純，粒狀；

變色硅膠：工業用品；

玻璃稱量瓶：直徑40mm，高25mm，并帶有嚴密的磨口蓋；

氮氣：純度99.9%，含氧量小于0.01%。

3.準備工作

稱取試樣前需將試樣混合均勻；玻璃稱量瓶干燥至恒重并稱量；分析天平調平；通氮干燥箱恒溫鼓風至指定溫度105～110℃。

4.實驗步驟

①在預先干燥和已稱量過的稱量瓶內稱取粒度小于0.2mm的一般分析實驗煤樣（1±0.1）g，稱準至0.0002g，平攤在稱量瓶中，蓋上瓶蓋。

②打開稱量瓶蓋，放入預先通入干燥氮氣并已加熱到105～110℃的干燥箱中。煙煤干燥1.5h，褐煤和無煙煤干燥2h。在稱量瓶放入干燥箱前10min開始通氮氣，氮氣流量以每小時換氣15次為準。

預先通氮氣的目的是驅除干燥箱內的空氣。所謂“每小時換氣15次”即每小時通入的氮氣量為干燥箱箱膛體積的15倍。

③從干燥箱中取出稱量瓶，立即蓋上蓋，放入干燥器中冷卻至室溫（約20min）后稱量。

④進行檢查性干燥，每次30min，直到連續兩次干燥煤樣質量的減少不超過0.0010g或質量增加時為止。在后一種情況下，采用質量增加前一次的質量為計算依據。當水分在2.00%以下時，不必進行檢查性干燥。

5.實驗結果

參考空氣干燥法。

四、灰分的測定

灰分可分為緩慢灰化法（仲裁法）和快速灰化法。

　 （一）緩慢灰化法

1.實驗原理

稱取一定量的一般分析實驗煤樣，放入馬弗爐中，以一定的速度加熱到（815±10）℃，灰化并灼燒到質量恒定。以殘留物的質量占煤樣質量的質量分數作為煤樣的灰分。

2.實驗設備和材料

（1）5E-MF6100K智能馬弗爐　長沙開元儀器股份有限公司生產的5E-MF6100K智能馬弗爐，如圖3-10所示，儀器上方為工作區域，下方為控制區域。爐膛具有足夠的恒溫區，能保持溫度為（815±10）℃。爐后壁的上部帶有直徑為20～30mm的煙囪，下部離爐膛底20～30mm處有一個插熱電偶的小孔。爐門上有一個直徑為20mm的通氣孔。儀器控溫范圍：300～900℃。儀器自帶專用測定程序四個（慢灰、快灰、揮發分、黏結指數）和通用測定程序一個。也可使用專用測試程序來控制反應。

注：馬弗爐的恒溫區應在關閉爐門下測定，并至少每年測定一次；高溫計（包括毫伏計和熱電偶）至少每年校準一次；未使爐膛受熱均勻，保護爐膛和加熱元件，在初次使用或長期（一個月）未使用的情況下，馬弗爐必須進行烘爐操作。

（2）分析天平　感量0.0001g。

（3）實驗試劑與材料

無水氯化鈣（HGB 3208）：化學純，粒狀；

變色硅膠：工業用品；

灰皿：瓷質，長方形，底長45mm，底寬22mm，高14mm，如圖3-11所示；

干燥器：內裝變色硅膠或粒狀無水氯化鈣；

耐熱瓷板或石棉板；

耐熱灰皿架：鎳鉻金屬制，如圖3-12所示。

3.準備工作

①灰皿需清掃并把新灰皿放于灰皿架上置于馬弗爐中［（815±10）℃］灼燒至恒重；

②從干燥箱中取出干燥到恒重的灰皿放于干燥器中，冷卻至室溫，備用；

③稱量試樣之前先把試樣充分混合均勻；

④按照以下程序設置慢灰程序實驗參數：慢灰測試需設置2個溫度參數和2個時間參數，每個溫度參數可達999℃，時間參數可達24h，具體如表3-8所示，設置步驟如下：

按2次“設置”鍵，在顯示“000”時鍵入密碼“115”，按“開始”鍵確認。

此時溫度顯示處顯示上一次設置的溫度T0（初始溫度）并閃爍，使用“百位”、“十位”和“個位”鍵設置溫度，然后按“開始”鍵確認。

進入下一個參數的設置。此時時間顯示上一次設置的時間t1，分鐘擋閃爍，按“百位”鍵，閃爍位在時、分、秒處循環（閃爍位表明可以輸入），再按“十位”、“個位”鍵設置需要的恒溫時間（即按“百位”鍵選擇時、分、秒，按“十位”和“個位”鍵輸入時間）。設置好后按“開始”鍵確認。

參數設置的順序為：T0-t0-T1-t1-T2-t2-T3-t3-T4-t4-T5-t5-T6-t6（T0、T1、T2、T3、T4、T5、T6為溫度參數，t0、t1、t2、t3、t4、t5、t6為時間參數）

所有參數設置好后，按“開始”鍵確認后程序復位。

4.實驗步驟

①在預先灼燒至恒重的灰皿中，稱取粒度小于0.2mm的一般分析實驗煤樣（1±0.1）g，稱準至0.0002g，均勻地攤平在灰皿中，使其每平方厘米的質量不超過0.15g。

②在初始狀態下（儀器屏幕顯示“FL000”提示符），首先通過設置鍵設置好慢灰實驗的溫度參數T0～T6和時間參數t0～t6（若實驗參數與上一次相同，則不需要設置）。待測樣品放入爐膛后，先拔出爐口左側支板，再關閉爐門，使爐門留有15mm的縫隙。然后按下面板的“慢灰”鍵，面板上的慢灰指示燈被點亮，然后按下“開始”鍵確認，實驗過程將自動完成。

③從爐中取出放有灰皿的灰皿架，放在耐熱瓷板或石棉板上，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。

④進行檢查性灼燒，溫度為（815±10）℃，每次20min，直到連續兩次灼燒后的質量變化不超過0.0010g為止。以最后一次灼燒后的質量為計算依據。灰分小于15.00%時，不必進行檢查性灼燒。

注意事項：電子鎖在實驗開始后3s鎖門，在實驗結束前2s開鎖。如果在開鎖前開門，可能會造成電子鎖被卡不能打開的情況。此時，需要先輕關爐門，等電子鎖打開后再開門。

實驗結束前15秒，聲光蜂鳴器持續報警，提示用戶實驗即將完成。

測試過程中如果需要中斷實驗，按“復位”鍵退出慢灰測試程序。

　 （二）快速灰化法

1.實驗原理

將裝有煤樣的灰皿由爐外逐漸送入預先加熱至（815±10）℃的馬弗爐中灰化并灼燒至質量恒定。以殘留物的質量占煤樣質量的質量分數作為煤樣的灰分。

2.實驗設備和試劑與材料

同緩慢灰化法實驗。

3.準備工作

①灰皿清掃：把新灰皿放于灰皿架上置于馬弗爐中（815±10）℃灼燒至恒重；

②從干燥箱中取出干燥到質量恒定的灰皿放于干燥器中，冷卻至室溫，備用；

③稱量試樣之前先把試樣充分混合均勻；

④按照以下程序設置快灰程序實驗參數：快灰測試需設置2個溫度參數和2個時間參數，每個溫度參數可達999℃，時間參數可達24h，具體如表3-9所示，設置步驟如下：

按2次“設置”鍵，在顯示“000”時鍵入密碼“114”，按“開始”鍵確認。

此時溫度顯示處顯示上一次設置的溫度T0（初始溫度）并閃爍，使用“百位”、“十位”和“個位”鍵設置溫度，然后按“開始”鍵確認。

進入下一個參數的設置。此時時間顯示上一次設置的時間t1，分鐘擋閃爍，按“百位”鍵，閃爍位在時、分、秒處循環（閃爍位表明可以輸入），再按“十位”、“個位”鍵設置需要的恒溫時間（即按“百位”鍵選擇時、分、秒，按“十位”和“個位”鍵輸入時間）。設置好后按“開始”鍵確認。

參數設置的順序為：T0-t0-T1-t1-T2-t2-T3-t3-T4-t4-T5-t5-T6-t6（T0、T1、T2、T3、T4、T5、T6為溫度參數，t0、t1、t2、t3、t4、t5、t6為時間參數）。

所有參數設置好后，按“開始”鍵確認后程序復位。

4.實驗步驟

①在預先灼燒至恒重的灰皿中，稱取粒度小于0.2mm的一般分析實驗煤樣（1±0.1）g，稱準至0.0002g，均勻地攤平在灰皿中，使其每平方厘米的質量不超過0.15g。

②在初始狀態下（儀器屏幕顯示“FL000”提示符），首先通過設置鍵設置好慢灰實驗的溫度參數T0～T6和時間參數t0～t6（若實驗參數與上一次相同，則不需要設置）。待測樣品放入爐膛后，先撥出爐口左側支板，再關閉爐門，使爐門留有15mm的縫隙。然后按下面板的“快灰”鍵，面板上的慢灰指示燈被點亮，然后按下“開始”鍵確認，實驗過程將自動完成。

③從爐中取出放有灰皿的灰皿架，放在耐熱瓷板或石棉板上，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。

④進行檢查性灼燒，溫度為（815±10）℃，每次20min，直到連續兩次灼燒后的質量變化不超過0.0010g為止。以最后一次灼燒后的質量為計算依據。灰分小于15.00%時，不必進行檢查性灼燒。

5.實驗結果

（1）數據處理　按式（3-4）計算煤樣的空氣干燥基灰分：

　　（3-4）

式中　Aad——空氣干燥基灰分的質量分數， %；

m——稱取的一般分析實驗煤樣的質量，g；

m1——灼燒后殘留物的質量，g。

（2）報告　實驗報告可參考表3-10。

　　測定者：　　　　審核者：　　　　日期：　　年　　月　　日

（3）精密度　灰分測定的精密度如表3-11規定。

6.注意事項

①每次稱灰之前，冷卻時間及溫度要保持一致。

②煤樣要均勻平鋪于灰皿中，以避免局部過厚，一方面避免燃燒不完全，另一方面可防止局部煤樣中硫化物生成的二氧化硫被上部碳酸鹽分解生成的氧化鈣固定。

③若是同時燒的灰多，則在達到（815±10）℃時，要適當地延長灼燒時間。

④緩慢灰化法測定灰分時，切記速度不可快，不然發生爆燃，必須按規定時間、速度進行。

五、揮發分的測定

1.實驗原理

稱取一定量的一般分析實驗煤樣，放在帶蓋的瓷坩堝中，在（900±10）℃下，隔絕空氣加熱7min。以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。

2.實驗設備與試劑和材料

（1）設備　同緩慢灰化法。

（2）試劑與材料

無水氯化鈣（HGB 3208）：化學純，粒狀；

變色硅膠：工業用品；

揮發分坩堝：帶有配合嚴密蓋的瓷坩堝，坩堝總質量為15～20g，如圖3-13所示。

坩堝架：如圖3-14所示。

坩堝架鉗：如圖3-15所示。

干燥器：內裝變色硅膠或粒狀無水氯化鈣。

壓餅機：能壓制直徑約10mm的煤餅，如圖3-16所示。

3.準備工作

①清掃并使坩堝灼燒至恒重：清掃坩堝并把新坩堝放于坩堝架上放于馬弗爐中（900±10）℃灼燒至恒重；

②從干燥箱中取出干燥到質量恒定的坩堝放于干燥器中，冷卻至室溫，備用；

③稱量試樣之前先把試樣充分混合均勻；

④按照以下程序設置揮發分程序實驗參數：揮發分測試需設置2個溫度參數和2個時間參數，每個溫度參數可達999℃，時間參數可達24h，具體如表3-12所示，設置步驟如下：

按2次“設置”鍵，在顯示“000”時鍵入密碼“113”，按“開始”鍵確認。

此時溫度顯示處顯示上一次設置的溫度T0（初始溫度）并閃爍，使用“百位”、“十位”和“個位”鍵設置溫度，然后按“開始”鍵確認。

進入下一個參數的設置。此時時間顯示上一次設置的時間t1，分鐘擋閃爍，按“百位”鍵，閃爍位在時、分、秒處循環（閃爍位表明可以輸入），再按“十位”、“個位”鍵設置需要的恒溫時間（即按“百位”鍵選擇時、分、秒，按“十位”和“個位”鍵輸入時間）。設置好后按“開始”鍵確認。

參數設置的順序為：T0-t0-T1-t1-T2-t2-T3-t3-T4-t4-T5-t5-T6-t6（T0、T1、T2、T3、T4、T5、T6為溫度參數，t0、t1、t2、t3、t4、t5、t6為時間參數）。

所有參數設置好后，按“開始”鍵確認后程序復位。

4.實驗步驟

①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0.2mm的一般分析實驗煤樣（1±0.1）g，稱準至0.0002g，然后輕輕振動坩堝，使煤樣攤平，蓋上蓋，放在坩堝架上。褐煤和長焰煤應預先壓餅，并切成寬度約3mm的小塊。

②在初始狀態下（儀器屏幕顯示“FL000”提示符），首先通過設置鍵設置好慢灰實驗的溫度參數T0～T6和時間參數t0～t6（若實驗參數與上一次相同，則不需要設置）。待測樣品放入爐膛后，然后按下面板的“揮發分”鍵，面板上的慢灰指示燈被點亮，然后按下“開始”鍵確認，實驗過程將自動完成。

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

5.實驗結果

（1）數據處理　按式（3-5）計算煤樣的空氣干燥基揮發分：

　　（3-5）

式中　Vad——空氣干燥基揮發分的質量分數， %；

m——一般分析實驗煤樣的質量，g；

m1——煤樣加熱后減少的質量，g；

Mad——一般分析實驗煤樣水分的質量分數，%。

（2）報告　實驗報告可參考表3-13。

　　測定者：　　　　　　審核者：　　　　　　日期：　　　年　　　月　　　　日

（3）精密度　揮發分測定的精密度如表3-14規定。

6.注意事項

測定溫度應嚴格控制在（900±10）℃，為此必須做到以下兩點：

①定期對熱電偶及毫伏計進行校正，校正和使用熱電偶的冷端應放入冰水或將零點調到室溫，或采用冷端補償器。

②定期測定馬弗爐的恒溫區，裝有煤樣的坩堝必須放在馬弗爐的恒溫區內。

7.焦渣特征分類

測定揮發分所得焦渣的特征，按下列規定加以區分，為了簡便起見，通常用下列序號作為各種焦渣特征的代號。外形圖可參考圖3-17～圖3-20。

①粉狀（1型）：全部是粉末，沒有相互黏著的顆粒；

②黏著（2型）：用手指輕碰即成粉末或基本上是粉末，其中較大的團塊輕輕一碰即成粉末；

③弱黏結（3型）：用手指輕壓即成小塊；

④不熔融黏結（4型）：以手指用力壓才裂成小塊，焦渣上表面無光澤，下表面稍有銀白色光澤；

⑤不膨脹熔融黏結（5型）：焦渣形成扁平的塊，煤粒的界線不易分清，焦渣上表面有明顯銀白色金屬光澤，下表面銀白色光澤更明顯；

⑥微膨脹熔融黏結（6型）：用手指壓不碎，焦渣的上、下表面均有銀白色金屬光澤，但焦渣表面具有較小的膨脹泡（或小氣泡）；

⑦膨脹熔融黏結（7型）：焦渣上、下表面有銀白色金屬光澤，明顯膨脹，但高度不超過15mm；

⑧強膨脹熔融黏結（8型）：焦渣上、下表面有銀白色金屬光澤，焦渣高度大于15mm。

六、固定碳的計算

按式（3-6）計算空氣干燥基固定碳：

FCad=100-（Mad+Aad+Vad）　　（3-6）

式中　FCad——空氣干燥基固定碳的質量分數， %；

Mad——一般分析實驗煤樣水分的質量， %；

Aad——空氣干燥基灰分的質量分數， %；

Vad——空氣干燥基揮發分的質量分數， %。

七、各基準的換算

各基準換算計算公式見表1-2。

八、思考題

1.測定煤工業分析的意義是什么？

2.比較煤中的礦物質和煤的灰分差異。

3.比較煤的碳元素與煤固定碳的差異。

4.從褐煤到長焰煤到煙煤再到無煙煤，煤的工業分析參數各會發生怎樣的變化？原因是什么？

5.影響灰分測定結果的主要因素有哪些？

6.測定揮發分后發現坩堝蓋上有灰白色的物質是怎么回事？應如何避免這種現象？

7.為什么測定灰分時要使用帶有煙囪的馬弗爐？測定揮發分時所用的坩堝為什么質量不能超過20g？

九、知識擴展

［1］　涂華，劉淑云，吳寬鴻.煤的工業分析與發熱量在應用中的誤解及辨析［J］.煤質技術，2010，6：14-16.

［2］　張貴紅.煤工業分析中灰分測定方法的改進探討［J］.煤質技術，2010，3：20-23.

［3］　謝曉霞，付利俊，龐文娟.影響煤工業分析特性指標檢測的關鍵步驟［J］.煤質技術，2010，63：33-34.

　　（昆明理工大學　訾昌毓、李艷紅執筆）