- 煤化工專業(yè)實(shí)驗(yàn)
- 李艷紅 白宗慶主編
- 3047字
- 2020-05-29 15:16:40
實(shí)驗(yàn)十三 煤中全硫測(cè)定(紅外光譜法)(參考GB/T 25214—2010)
一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>
掌握紅外光譜法測(cè)定煤中全硫的基本原理、方法和步驟。本方法適用于褐煤、煙煤、無煙煤和焦炭。
二、實(shí)驗(yàn)原理
如圖3-58所示,試樣在高溫(1300℃)和氧氣流的作用下充分燃燒,樣品中各種形態(tài)的硫快速轉(zhuǎn)化成SO2,真空泵按一定的流量,連續(xù)不斷地將燃燒后的氣體依次送入干燥劑管、過濾器和紅外分析氣室,最后排出機(jī)外。紅外檢測(cè)部件連續(xù)檢測(cè)SO2氣體濃度,再經(jīng)計(jì)算機(jī)采集和軟件處理,得出該樣品的硫含量。當(dāng)檢測(cè)到濃度低于某一比較水平或分析時(shí)間到達(dá)最長時(shí)限時(shí),便自動(dòng)結(jié)束分析,輸出結(jié)果。

圖3-58 紅外光譜法測(cè)硫工作原理示意圖
紅外檢測(cè)池選擇性吸收SO2特征波長下的輻射能,根據(jù)吸收能的大小,計(jì)算煤中全硫的含量。少量三氧化硫在該特征波長下不產(chǎn)生吸收而導(dǎo)致的系統(tǒng)誤差通過用煤的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)對(duì)儀器進(jìn)行標(biāo)定而校正。煤燃燒生成的顆粒和水蒸氣產(chǎn)生的干擾被玻璃棉與高氯酸鎂吸收而消除。本方法對(duì)燃燒管的氣密性要求嚴(yán)格。
三、實(shí)驗(yàn)儀器
長沙開元5E-IRS 3000型自動(dòng)紅外測(cè)硫儀,如圖3-59所示,主要由高溫爐、分析系統(tǒng)和控制電路等組成。

圖3-59 主機(jī)正視圖
①高溫爐位于主機(jī)箱的右上部,它是試樣的燃燒場所。高溫爐的爐溫可設(shè)定,儀器默認(rèn)1300℃。高溫爐由保溫爐體、硅碳管、內(nèi)外燃燒管、燃燒管連接塊、堵頭(舟擋)、熱電偶、氧氣管(氧槍)等組成。爐口即進(jìn)樣口在面板的上部,爐口外有一個(gè)長方形的平臺(tái)用于放置試樣舟(坩堝)。熱電偶用于檢測(cè)爐溫,位于爐體的右側(cè)。
②前面板下方的氧氣流量計(jì)指示送入燃燒管的氧氣流量,流量大小由節(jié)流閥調(diào)節(jié)(機(jī)箱右側(cè)內(nèi),見圖3-60)。抽氣流量計(jì)指示流經(jīng)紅外池的氣體流量,由流量控制器(機(jī)箱左側(cè)內(nèi),見圖3-61)調(diào)節(jié)。

圖3-60 主機(jī)右視圖
③干燥劑管位于前面板,它的上下部填充玻璃棉,中部填充干燥劑,作用是吸收氣體中的水分并起到一定的過濾作用。在主機(jī)箱右側(cè)內(nèi)(圖3-60),有一個(gè)與真空泵在氣路上串聯(lián)的細(xì)過濾器(金屬外殼),用于濾除氣體中的塵粒。
④電源插座在主機(jī)的背面。其中控制電源為AC220V,它為電路板、恒溫室加熱器、電磁閥及真空泵提供工作電源,控制電源的電源開關(guān)位于前面板;加熱電源專供高溫爐使用,電壓為AC(110V~120V),由市電經(jīng)調(diào)壓器降壓得到。加熱開關(guān)是一個(gè)漏電斷路器,具有過載保護(hù)、漏電保護(hù)和開關(guān)的綜合功能。加熱指示燈指示高溫爐的狀態(tài),加熱時(shí)指示燈亮,不加熱時(shí)指示燈滅,控溫狀態(tài)時(shí)指示燈時(shí)亮?xí)r滅。儀器的背面還有通信接口、排氣口及氧氣進(jìn)氣口等。
⑤啟動(dòng)按鈕的功能與工作測(cè)試界面上的“開始分析”軟按鈕相同,都用于啟動(dòng)一次分析。
⑥機(jī)箱右側(cè)內(nèi),裝有氧氣電磁閥和節(jié)流閥、細(xì)過濾器、真空泵、電源變壓器、電源濾波器、保護(hù)繼電器、固態(tài)繼電器等。
⑦機(jī)箱左側(cè)上部,從左至右分別為測(cè)量板、主板和電源板。下部是恒溫室和紅外池。加熱器裝在紅外池固定板的背面。左側(cè)還有報(bào)警器、流量控制器等(見圖3-61)。

圖3-61 主機(jī)左視圖
四、試劑和材料
(1)無水高氯酸鎂 顆粒度2~5mm的專用試劑。
(2)氧氣 純度不小于99.5%,不能使用電解氧。
(3)高溫棉
(4)燃燒舟 耐溫1300℃以上。
(5)煤標(biāo)樣物質(zhì) 帶有全硫含量的有證煤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。
五、準(zhǔn)備工作
①氣密性檢查,確保氧氣壓力為0.20MPa(氧氣流量為3L/min,抽氣流量為3L/min)。
②判斷干燥劑是否需要更換,依據(jù)是干燥管內(nèi)結(jié)塊和顏色分層。做100~200次實(shí)驗(yàn)或干燥劑呈現(xiàn)潮解、結(jié)塊、變色時(shí),結(jié)果明顯不符時(shí)需要進(jìn)行更換。一般在左側(cè)管干燥劑失效而右側(cè)管還不明顯時(shí)進(jìn)行,這時(shí)只更換左側(cè)管的干燥劑,并將左右干燥劑管交換位置安裝。干燥劑為強(qiáng)氧化劑,不能用普通脫脂棉或其他有機(jī)材料來代替高溫棉。更換下來的干燥劑應(yīng)單獨(dú)放置,不能與煤樣等混放。
六、實(shí)驗(yàn)步驟
①依次打開儀器、計(jì)算機(jī)的電源開關(guān)。
②進(jìn)入“溫度設(shè)置”設(shè)定“恒溫室溫度”為48℃,“高溫爐溫度”為1300℃。
③檢查干燥劑是否失效。
④恒溫0.5h后(一般為開機(jī)1h)才可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
⑤稱取待測(cè)樣品:稱取煤樣質(zhì)量為0.3g(準(zhǔn)確至0.0002g),粒度小于0.2mm,樣品應(yīng)均勻平埔燃燒舟底。
⑥添加試樣:進(jìn)入“工作測(cè)試”界面,單擊“添加試樣”,然后輸入“試樣名稱”“試樣質(zhì)量”“水分”,選擇“方法”。
⑦打開氧氣。
⑧“測(cè)試”菜單打開“待機(jī)吹掃”3~5min(吹掃燈、真空泵燈紅亮)。
⑨測(cè)試:把要測(cè)試的樣品放在鏈條式的放樣平臺(tái)上,一排放六個(gè)樣,最多可以放48個(gè)樣,放樣時(shí)必須注意放樣要整齊,位置對(duì)好。等到實(shí)驗(yàn)菜單下的狀態(tài)欄顯示為“準(zhǔn)備就緒”,單擊“開始分析”,就開始測(cè)試了,分析完成后燃燒舟自動(dòng)放到棄樣盤中。
⑩全部試樣測(cè)試結(jié)束后關(guān)閉氧氣。
將“高溫爐溫度”設(shè)置為0℃,在高溫爐溫度低于500℃后關(guān)閉儀器。
依次關(guān)閉計(jì)算機(jī)和儀器電源。
七、注意事項(xiàng)
①儀器開機(jī)后,須觀察儀器是否升溫(儀器約30min達(dá)到設(shè)定溫度),再恒溫0.5h后(一般為開機(jī)1h)才可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
②在吹掃和測(cè)試過程中應(yīng)經(jīng)常觀察抽氣流量(約3L),抽氣流量變化后應(yīng)調(diào)整流量控制器或重新標(biāo)定儀器。
③每批實(shí)驗(yàn),應(yīng)先做2~3個(gè)廢樣,調(diào)理儀器的狀態(tài),再接著做正式樣。
④分析時(shí)間變長的原因有:干燥劑失效;爐門口進(jìn)氣管的位置不正確;爐溫偏低;氣路漏氣;抽氣流量變小。
⑤儀器準(zhǔn)備就緒的條件:恒溫室溫度為45℃±0.5℃;高溫爐溫度為1300℃±13℃;紅外池電壓跳動(dòng)不大于15mV。
⑥全硫含量大于4%時(shí),適當(dāng)減少稱樣量,比如0.20g,采用此方法時(shí)建議全硫含量小于5%時(shí)采用。
八、標(biāo)定
儀器初次使用時(shí)、改變實(shí)驗(yàn)條件時(shí),或分析結(jié)果有超差的趨勢(shì)時(shí),均應(yīng)進(jìn)行校正。
1.本儀器有“常規(guī)校正”和“漂移校正”兩種
在新儀器初次使用時(shí)或改變測(cè)量條件時(shí)(如改變氣體壓力/流量、爐溫、工作流程,更換紅外池等),應(yīng)采用常規(guī)校正,常規(guī)校正用3~5種標(biāo)煤,校正效果較好。平時(shí)一般采用漂移校正,漂移校正用于補(bǔ)償儀器的漂移,它只用一種標(biāo)煤。但當(dāng)漂移校正的效果不理想時(shí)仍應(yīng)采用常規(guī)校正。
2.定義標(biāo)樣
在系統(tǒng)校正之前應(yīng)將標(biāo)樣的標(biāo)準(zhǔn)值輸入到計(jì)算機(jī)。在主界面單擊“功能”菜單,再單擊“定義標(biāo)樣”,或在工具欄單擊“定義標(biāo)樣”,顯示定義標(biāo)樣對(duì)話框(見圖3-62)。單擊“添加”,接著輸入標(biāo)樣名和硫含量,重復(fù)操作,將用到的標(biāo)樣都輸入到表中。

圖3-62 定義標(biāo)樣
3.定義方法
要建立一種新方法,在主界面單擊“功能”,再單擊“定義方法”,或在工具欄單擊“定義方法”,顯示定義方法對(duì)話框(見圖3-63)。單擊“新方法”鍵,接著輸入方法名,如輸入“方法1”,再輸入其他參數(shù)(最短時(shí)間儀器默認(rèn)60s,最長時(shí)間煤樣可設(shè)為200s,對(duì)于焦炭可設(shè)為300s,比較水平、空白值可設(shè)為0,截距0,一次系數(shù)為1,二次系數(shù)為0,三次系數(shù)為0)。

圖3-63 定義方法
4.校正步驟
(1)準(zhǔn)備標(biāo)樣 常規(guī)校正時(shí),選用含量從低到高(不超過5%)的3~5種標(biāo)樣,每種標(biāo)樣2~5個(gè)平行樣,質(zhì)量均為300mg左右。用較多的標(biāo)樣,效果較好。
漂移校正時(shí),選用一種含量不超過5%的標(biāo)樣,3~5個(gè)平行樣,含量盡可能接近未知試樣。
(2)分析全部標(biāo)樣,生成系數(shù) 如圖3-64所示,常規(guī)校正時(shí),可選“直線校正”(儀器默認(rèn),應(yīng)優(yōu)先選用)、“二次曲線”或“三次曲線”。漂移校正時(shí),只能選擇“漂移校正”。

圖3-64 校正
九、精密度
全硫測(cè)定的重復(fù)性限和再現(xiàn)性臨界差如表3-25規(guī)定。
表3-25 紅外光譜法測(cè)定煤中全硫精密度

十、數(shù)據(jù)記錄與報(bào)告
實(shí)驗(yàn)記錄可參考表3-26。
表3-26 實(shí)驗(yàn)記錄

十一、思考題
1.煤中硫元素的來源、分類有哪些?
2.測(cè)定開機(jī)時(shí)需注意什么?
3.校正曲線時(shí)有幾種類型?每種類型選擇時(shí)有何不同?
4.若實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)測(cè)量值偏高或者偏低,其可能原因有哪些?
十二、知識(shí)擴(kuò)展
[1] 丁蕾.紅外光譜法測(cè)定煤中全硫淺探[J].煤質(zhì)技術(shù),2013,C1:57-58.
[2] 吳霞紅.高溫燃燒紅外吸收法測(cè)定煤中全硫[J].浙江冶金,2012,2:34-36.
(中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所 郭振興、白宗慶執(zhí)筆)