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为了解煤的质量和燃烧特性,用物理和化学的方法对煤样进行的化验和测试工作。煤质分析按国家技术标准或专项试验工艺进行,它是为有关设备和工艺过程的设计和运行提供依据的基础性工作。根据测定项目的不同,煤质分析可以分为常规分析和特种分析(或称非常规分析)两大类。
常规分析通常是指按照国家技术标准测定煤炭的基本物理、化学特性的分析项目,主要有工业分析、元素分析、灰成分分析,煤、煤粉和灰分性质的测定等。
工业分析包括对水分、挥发分、固定碳和灰分的测定,有时还包括硫分和发热量等项数据的测定。
(1)水分:水分在煤中以两种状态存在,即以物理状态附着的游离水和以化学方式结合的结晶水。工业分析中只测定游离水,常分为全水分(又称为收到基水分)和空气干燥基水分(又称为固有水分)。称取一定量的煤样于一定温度的干燥箱中干燥一定时间,其失重占煤样重量的百分数即为全水分; 煤样在实验室条件下 (常温,相对湿度60%)进行空气干燥数小时后再将试样于一定温度(同全水分测定)干燥到恒重,其失重占试样重量的百分数即为空气干燥基水分,又称空干水分。
(2)挥发分:在一定条件下煤热解产物的量。中国的测定条件是试样在专用坩锅中,在900℃±10℃的温度下隔绝空气加热7 min,其失重百分数与该试样水分之差即为挥发分。
(3)灰分:指可燃质完全燃烧以及矿物质在一定温度下发生一系列分解、化合等复杂反应后剩余的残渣。将试样在815℃±10℃的高温炉内灰化到恒重,其残留物质的百分数即为灰分。
(4)固定碳:煤样除去水分、灰分和挥发分后即为固定碳。其数值为100%减去水分、灰分和挥发分后之值。
(5)硫分:煤中的硫分分为可燃硫和固定硫两类,前者包括有机硫和大部分无机硫(矿物硫),后者则指矿物质硫酸根中的硫分,属不可燃硫,存在于燃烧后灰渣中。全硫测定有艾什卡质量法、高温燃烧中和法和电量法等多种方法,艾什卡质量法为仲裁法。固定硫的测定是以HCl溶液从灰中浸取,再用BaCl2沉淀SO4-2,然后据BaSO4质量计算硫量。
(6)发热量:单位质量的煤在完全燃烧后所释放的热量,若包含烟气中水蒸气凝结时放出的热量则称为高位发热量,反之则称为低位发热量。发热量是煤最重要的指标之一,用热量计来测定。
元素分析测定煤中有机质的碳、氢、氧、氮和可燃硫等主要元素组分,以质量百分数表示,收到基中连同水分和灰分总和为100%。
(1)碳:含量最高,在干燥无灰基中可占90%以上。
(2)氢:第二重要的组成元素。碳和氢是同时测定的。煤样在氧气流中燃烧,生成的CO2和H2O分别用吸收剂吸收,由吸收剂增重来计算碳和氢的含量。
(3)氮:在试样中加入混合催化剂和硫酸,并加热分解,将煤中氮转化为氨,以测定氨量计算氮的含量。(4)氧:直接测定操作复杂,且精度不高,一般由差减法计算,即100%与碳、氢、氮、可燃硫、水分和灰分值之差。
(5)可燃硫:由全硫和固定硫之差来计算,在计算氧量时,可近似用全硫来代替可燃硫。
成分分析基准和换算煤中的水分和灰分含量常随开采、运输、贮存及气候条件而异,其他成分的含量也将随之发生变化,为了便于生产和科研,通常采用四种成分分析基准:①收到基:以收到状态的煤为基准的表示方法;②空气干燥基:以空气干燥状态的煤为基准的表示方法;③干燥基:以无水状态的煤为基准的表示方法;④干燥无灰基:以假想的干燥无灰状态的煤为基准的表示方法。
除水分和低位发热量以外,不同基准成分数值间的换算系数见表1。
灰成分及其特性灰分是由金属氧化物和非金属氧化物及其盐类组成的复杂物质,以SiO2和Al2O3为主,还有Fe2O3、CaO、MgO、TiO2、SO3、Na2O和K2O等,以及一些Mn、V和Mo等元素的氧化物。
(1)灰成分测定:按工业分析条件灼烧煤样制得灰样,用NaOH溶融,沸水浸取,加HCl溶解,蒸发至近干,再制备试液。不同成分用不同方法测定,如,SiO2用动物胶凝聚质量法,Fe2O3、Al2O3、CaO和MgO用EDTA容量法,Na2O和K2O用火焰光度法,P2O5用比色法等,还可以用原子吸收光谱法来测定除磷以外的其他灰成分。
(2)灰的熔融特性:通常称为灰熔点,煤灰没有固定的熔化温度,仅有一个熔化温度范围。中国和世界上大多数国家以角锥法作为标准测定方法,记录在半还原气氛中的三个特征温度:变形温度DT,即灰锥尖开始变圆或弯曲时的温度;软化温度ST,即灰锥体弯曲
表1 不同基准成分数值间的换算系数

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注:表中M表示水分,A表示灰分。
到锥尖触及托板或锥体变成球形和高度不大于底长的半球时的温度;流动温度FT,即灰锥完全熔化或展成高度≤1.5 mm薄层时的温度,也称为熔化温度。有的国家用热显微镜观测柱体试样的熔融特征来确定其特征温度。
(3) 灰黏度:表征灰在高温熔融状态下的流动特性,通常根据牛顿摩擦定律用钼丝扭矩式黏度计测定1750℃以下1~105 Pa·s范围内的熔体黏度。
煤及煤粉的性质煤是一种成分、结构非常复杂且极不均一,包括有机和无机化合物的混合物,以及无机物和有机质组成的金属有机络合物,其性质是多方面的,其中与燃烧关系较密切的有可磨系数、磨损指数、煤粉细度、密度、自由膨胀序数五项。
(1)可磨系数:表征煤被粉碎的难易程度,测定的依据是破碎定律,即在研磨煤粉时所消耗的能量与新产生的表面面积成正比。目前广泛采用的主要方法有哈德葛罗夫 (Hardgrove) 法与全俄热工研究所(ВТИ)法,其近似换算关系为:KВТИ=0. 0034(KH)1.25+0.61。
(2)磨损指数:表征煤在破碎过程中对金属研磨部件磨蚀的强烈程度,现多使用YGP (Yancey,Geerand Price)法来测定在规范条件下煤样对纯铁的磨损量。
(3)煤粉细度:煤粉是由各种尺寸不同(一般在1~500 μm)、形状不规则的颗粒所组成,其细度一般用标准筛来测定,以筛孔尺寸为x (μm) 的筛子筛后剩余量占粉样的百分数Rx(%)来表示。
(4)密度:煤的密度通常以不同的方式表示,有真密度、视密度和堆积密度之分。真密度是在20℃时,煤的质量与同温度、同体积(不包括煤内外表面孔隙)水的质量之比;视密度为在20℃时,煤的质量与同温度、同体积(包括煤内外表面孔隙)水的质量之比,又称为
假密度; 煤粉堆积密度是煤粉在自然堆积状态下的
视密度。
(5)自由膨胀序数:表征煤的黏结特性,把煤按规定方法加热,所得焦块与一组标准焦块侧面图进行比较来确定的序号数。
特种分析又称非常规分析,是测定表征煤着火、燃尽、结渣和积灰等特性的专项分析。目前国际上已有基本定型的试验工艺,但尚未形成技术标
准。特种分析是通过专门的试验装置、使用先进的仪器或对常规分析数据进行处理来实现的;当前主要有以下几种测定项目,即煤粉着火指数、热(重)分析、比表面积测定、热解化学动力学常数的测定、焦燃烧速率系数的测定、结渣倾向判别、沾污特性的判别。
煤粉着火指数着火温度不是煤所固有的物理化学参数,而是一个和试验规范有关的参数。通常取能使煤粉在试验炉膛中悬浮着火的最低温度为着火指数,用来比较煤粉着火的难易程度。
热(重)分析在程序控制和缓慢升温下,测量煤样的质量随加热程度的变化,称为煤的热(重)分析,所用的仪器称为热天平。美国材料分析标准(ASTM)中有用热天平进行微量煤样工业分析的工艺 [图1(a)]; 目前世界各国都在使用热天平对煤的燃烧特性进行试验研究,主要使用焦燃尽曲线、煤热解或燃烧曲线两类热分析曲线。
(1)焦燃尽曲线:用来比较固体燃料燃尽的难易程度,是以专项工艺制备焦样,在热天平中做等温热重分析来绘制的 [图1 (b)]。
(2)煤热解和燃烧曲线:煤样在惰性气氛或含O2气氛中热分析的微商热重曲线 [图1 (c)]。燃烧特性不同的煤,热解或燃烧曲线相差较大[图1 (d)];燃烧特性相似的燃料,热解或燃烧曲线相近。中国倾向于在曲线上取“着火点”、“最大燃烧速度”、“燃尽时间”等特征点来比较煤的燃烧特性。
比表面积测定在气固两相反应中,单位质量试样的表面积(包括内孔表面)——比表面积可作为直观反应活性的一种简单度量。煤是多孔物质,释放挥发分后的焦更是典型的多孔物质。通常以N2在77K时的吸附量,用BET方程来给出煤样或焦样的比表面积,也有的以CO2在298K时的吸附量,用Dubinin Polngi方程来给出试样的比表面积。也有用压汞法测得孔隙面积来表示比表面积。
热解化学动力学常数的测定煤在不同的热力工况下热解,释放的挥发分成分和数量亦不相同。对应于层式燃烧、流化床燃烧和煤粉悬浮燃烧的热力条件,煤的热解动力学参数可分别用热天平 (温升速率<102K/s),居里点热裂解色谱法 (煤的温升速率约为103K/s)和管式沉降炉热解试验(煤的温升速率>104 K/s) 来测定。

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图1 煤的热分析曲线
(a) ASTM工业分析; (b) 焦燃尽曲线; (c) 煤热解和燃烧曲线; (d) 不同燃料的燃烧曲线
从热分析曲线来计算活化能,常用以热重和微商热重分析为基础的差减微商法。
居里点热裂解色谱法是高频磁场使铁磁丝迅速受热,涂在丝上的煤粉试样亦迅速升温,丝达到居里点后失磁恒温,载气将煤热解释放出的挥发分迅速冷却,并收集入贮气器,既可以测定热解失重率,也可用色谱仪检测热解气态成分的数量。
管式沉降炉热解试验是连续将煤粉试样供入高温管式电炉中,在沉降过程中随惰性载气将煤粉试样高速升温,快速热解,以水冷取样管将带粉气流迅速冷却,用在线气体分析仪检测挥发分某些成分的数量,并用取出的焦样由灰示踪法确定挥发分产率,进而可算出煤热解频率因子和活化能。
焦燃烧速率系数的测定焦是指煤释放挥发分后的剩余物,其燃尽时间一般占煤燃尽时间的90%以上,其燃烧速率与煤在炉膛中的燃尽率关系较密切。焦在管式沉降炉的高温燃烧气氛中燃烧,水冷取样管将试样迅速冷却,不同温度、不同燃烧时刻的残存焦样,用灰示踪法即可得出燃尽率,进而可得出视在燃烧速率系数Kc=Acexp (—Ec/RT)中的频率因子Ac和活化能Ec,从而为计算煤在炉膛中的燃烧过程提供基础数据。
结渣倾向判别结渣是指熔化了的灰沉积在受热面上,它与煤的灰渣特性、燃烧工况和壁面温度等多种因素有关。通常认为煤的结渣倾向与灰分的熔融性,流变特性(黏温特性)等有关,工业部门常使用的预测指标有软化温度判别指标、常用的结渣指数、煤粉重力筛分试验三种。
(1)软化温度判别指标:中国《发电用煤国家分类标准》以煤灰的软化温度ST作为判别指标,煤的低位发热量Q作为辅助指标,即ST>1350℃且Q>12560kJ/kg的煤和ST不限且Q≤12560 kJ/kg的煤为不结渣煤; ST≤1350℃且Q≥12560 kJ/kg的煤为易结渣煤。
(2)常用的结渣指数:主要有①成分结渣指数Ras,

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,式中Sd为煤的干燥基含硫量,其余为各种灰的成分值。②温度结渣指数Rfs,
Rfs=(Th+4Td)/5,℃,式中Th和Td分别为不同试验气氛中的最高半球温度和最低变形温度。③黏度结渣指数Rvs,Rvs= (T25—T1000)/97.5f,式中T25和T1000分别是灰渣黏度为25 Pa· s和1000 Pa·s时的温度;fs是与灰渣黏度为200 Pa·s时的温度T200有关的因数。
通用的国外资料推荐的结渣指数判别数据见表2。
表2 结渣指数判别指数
可能的结渣程度
  判别指数
中等
Rss
<0.6
0.6~2.0
Rfs
>1340℃
1340~1230℃
Rvs
<0.5
0.5~0.99
可能的结渣程度
  判别指数
严重
Rss
2.0~2.6
>2.6
Rfs
1230~1150℃
<1150℃
Rvs
1.0~1.99
≥2.0
此外,也有资料把灰成分中的铁钙比 (Fe2O3/CaO),硅铝比 (SiO2/Al2O3),硅值 [SiO2/(SiO2+Fe2O3+CaO+MgO)] 等作为判别煤结渣倾向的指数。
(3) 煤粉重力筛分试验:用不同的重液将煤粉样区分为密度从1.1至2.9等不同部分,分析不同密度煤粉的灰成分偏析情况,可以判别煤的结渣倾向:密度大于2.5的重组分中含铁量高的煤易结渣(见图2)。
煤沾污特性的判别沾污是指温度低于灰熔点的沉积物积沉在锅炉受热面上。通常用来判别煤灰沾污倾向的方法有沾污指数RF、重力筛分试验、弱酸溶碱试验、测定煤灰的烧结强度等四种。
(1)        沾污指数RF:
RF=(Fe2O3+CaO+MgO+Na2O+K2O)Na2O/(SiO2+Al2O3+TiO2),式中均为各种灰的成分值;据国外数据,当RF<0.2时,沾污轻;RF=0.2~0.5时,沾污中等;RF=0.5~1.0时,沾污重; RF>1.0时,沾污严重。
(2)重力筛分试验:据国外资料,在密度小于1.5的轻组分中含碱金属量高的煤易沾污 (见图2)。
(3)弱酸溶碱试验:据认为,煤灰分中的碱金属,一部分为较稳定的“非活性碱”,另一部分为在燃烧中易挥发的“活性碱”,只有“活性碱”在锅炉受热面上容易发生物理化学反应而造成沾污;“活性碱”可以用醋酸浸出,再用原子吸收分光光度计测定,可以用“活性碱”含量来比较煤灰的沾污特性。
(4)煤灰的烧结强度测定:用煤灰在925℃时的烧结强度来判别煤灰的沾污倾向。据有关数据:烧结强度小于7×104Pa,沾污轻;7×104~35×104Pa,沾污中等;35×104~113×104Pa,沾污重;大于113×104Pa,沾污严重。

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图2 不同煤种的重力筛分结果
(a) 结渣轻的煤; (b) 结渣重的煤; (c) 沾污重的煤;(d) 沾污轻的煤

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