1、1第四章 煤质分析2 内内 容容4.1 4.1 概述概述4.2 4.2 煤的工业分析煤的工业分析4.2.1 4.2.1 水分的测定水分的测定4.2.2 4.2.2 灰分的测定灰分的测定4.2.3 4.2.3 挥发分的测定挥发分的测定4.2.4 4.2.4 固定碳的测定固定碳的测定4.34.3 煤发热量的测定煤发热量的测定4.44.4 煤中全硫量的测定煤中全硫量的测定 1.1.艾士卡法艾士卡法 2.2.库仑滴定法库仑滴定法 3.3.高温燃烧中和法高温燃烧中和法3煤的定义煤的定义煤是植物遗体覆盖在地层下，经复杂的生物化学和物理煤是植物遗体覆盖在地层下，经复杂的生物化学和物理化学作用，转化而成的化学
2、作用，转化而成的固体有机可燃沉积岩。固体有机可燃沉积岩。6煤的元素组分煤的元素组分 即碳、氢、氧、氮、硫五个元素即碳、氢、氧、氮、硫五个元素.碳碳是组成是组成煤大分子的骨架煤大分子的骨架，在各元素中最高，一般大在各元素中最高，一般大于于70%。随着煤化程度的不断增高，煤中碳元素的含随着煤化程度的不断增高，煤中碳元素的含量也越高，量也越高，如某些超无烟煤，碳含量可超过如某些超无烟煤，碳含量可超过97%。碳碳7煤的元素组分煤的元素组分 即碳、氢、氧、氮、硫五个元素即碳、氢、氧、氮、硫五个元素.氢是煤中第二个重要的组成元素，它占煤的质量分氢是煤中第二个重要的组成元素，它占煤的质量分数为数为16%，越
3、是年轻的煤，其含量也越高。，越是年轻的煤，其含量也越高。氢氢碳和氢是煤中有机质的主要组成元素，两者加在一起占煤碳和氢是煤中有机质的主要组成元素，两者加在一起占煤中有机质的中有机质的以上。以上。煤中碳和氢的发热量最大煤中碳和氢的发热量最大.8煤的元素组分煤的元素组分 即碳、氢、氧、氮、硫五个元素即碳、氢、氧、氮、硫五个元素.氧氧元素是组成煤元素是组成煤有机质有机质的十分重要的元素，越是年轻的十分重要的元素，越是年轻的煤，氧元素的比例也越大，发热量常随氧元素含量的煤，氧元素的比例也越大，发热量常随氧元素含量的增高而降低的增高而降低，其含量从，其含量从130%均有。均有。氧氧9煤的元素组分煤的元素组
4、分 即碳、氢、氧、氮、硫五个元素即碳、氢、氧、氮、硫五个元素.氮元素在煤中的比例较少，一般为氮元素在煤中的比例较少，一般为0.53%。氮氮氧和氮在燃烧时不放热，称为氧和氮在燃烧时不放热，称为惰性成分惰性成分。10煤的元素组分煤的元素组分 即碳、氢、氧、氮、硫五个元素即碳、氢、氧、氮、硫五个元素.硫硫元素也是组成煤的有机质的一种常见元素，它在元素也是组成煤的有机质的一种常见元素，它在煤中含量的多少，与煤化程度的高低无明显关系，煤中含量的多少，与煤化程度的高低无明显关系，其含量从最低的其含量从最低的0.1到最高的到最高的10%均有。均有。硫硫硫在燃烧时虽然放热，但燃烧产生酸性腐蚀有害气硫在燃烧时虽
5、然放热，但燃烧产生酸性腐蚀有害气体二氧化硫。体二氧化硫。11煤的元素组成煤的元素组成煤的煤的元素组分元素组分的不同，不仅能反映出的不同，不仅能反映出煤化程度煤化程度，而，而且也直接表征且也直接表征出煤性质出煤性质的不同。的不同。如：如：碳含量低、氧含量高碳含量低、氧含量高的煤，多是年轻煤；的煤，多是年轻煤；碳含量高、氧含量低碳含量高、氧含量低的煤则常是一些无粘结性的年老煤；的煤则常是一些无粘结性的年老煤；碳含量在碳含量在8488%，氢含量在，氢含量在5%以上以上的中等变质程度的的中等变质程度的煤，是结焦性较好的炼焦用煤。煤，是结焦性较好的炼焦用煤。12煤煤的分类的分类 煤煤腐植煤（高等植物形成
6、）腐植煤（高等植物形成）腐泥煤腐泥煤 陆植煤陆植煤残植煤残植煤 煤炭：煤炭：天然存在：泥煤、褐煤、烟煤、无烟煤天然存在：泥煤、褐煤、烟煤、无烟煤 人工产品：木炭、焦炭、煤球人工产品：木炭、焦炭、煤球2242221614-3HO-2HO-2CH15 14134-CO-CO-HO161851703210C H OC H OC HCC HOOH 植物植物 泥炭泥炭 褐煤褐煤 烟煤烟煤 无烟煤无烟煤13煤的分类煤的分类 n煤的种类繁多，组成也相差悬殊，不同类型的煤有不同煤的种类繁多，组成也相差悬殊，不同类型的煤有不同的用途。的用途。n煤炭的主要用途是燃烧、炼焦和造气等，也可作为化工煤炭的主要用途是燃烧
7、、炼焦和造气等，也可作为化工原料。原料。n如结焦性好或粘结性好的煤（灰分、硫分低，挥发分适如结焦性好或粘结性好的煤（灰分、硫分低，挥发分适当是优质的当是优质的炼焦用煤炼焦用煤，热稳定性好的无烟块煤是，热稳定性好的无烟块煤是合成氨合成氨厂的主要原料厂的主要原料，挥发分和发热量都高的煤是较好的，挥发分和发热量都高的煤是较好的动力动力用煤用煤，一些低灰、低硫的年轻煤则是加压气化制造，一些低灰、低硫的年轻煤则是加压气化制造煤气煤气和加氢液化制取人造液体燃料和加氢液化制取人造液体燃料的较好原料。的较好原料。建筑工业用建筑工业用煤煤通常要求灰分低、煤灰成分稳定。通常要求灰分低、煤灰成分稳定。14煤质的分析
8、方法煤质的分析方法 （1 1）半工业分析及全工业分析半工业分析及全工业分析 半工业分析半工业分析：煤的半工业分析测定项目主要是水分、：煤的半工业分析测定项目主要是水分、灰分、挥发分和固定碳含量等灰分、挥发分和固定碳含量等4 4项。项。全工业分析全工业分析：水分、灰分、挥发分和固定碳、发热量：水分、灰分、挥发分和固定碳、发热量和硫含量的测定。和硫含量的测定。分析结果：用来判断煤的种类，估量煤的利用价值评价分析结果：用来判断煤的种类，估量煤的利用价值评价煤质。煤质。（2 2）煤的元素分析煤的元素分析：主要是测定煤中的主要是测定煤中的碳、氢、氧、氮和硫等元素碳、氢、氧、氮和硫等元素的含量，的含量，为
9、煤的科学分类、合理利用和加工工艺设计等提供必要的为煤的科学分类、合理利用和加工工艺设计等提供必要的数据。数据。本章主要介绍煤的工业分析及全硫量的测定。本章主要介绍煤的工业分析及全硫量的测定。15煤质分析的名词述语煤质分析的名词述语P.318-3231.煤的采样和制备煤的采样和制备2.煤的分析述语煤的分析述语3.煤中各种硫的关系煤中各种硫的关系4.煤质分析结果的表示方法煤质分析结果的表示方法5.不同基的换算公式不同基的换算公式16 4.2 4.2 煤的工业分析煤的工业分析 煤的工业分析一般指半工业分析，煤的工业分析一般指半工业分析，是水分、灰分、挥发分和固定碳是水分、灰分、挥发分和固定碳4 4个
10、分析项个分析项目的总称。目的总称。煤的工业分析：煤的工业分析：1 1、水分的测定、水分的测定 2 2、灰分的测定、灰分的测定 3 3、挥发分的测定、挥发分的测定 4 4、固定碳的测定、固定碳的测定17 4.2.14.2.1 水分的测定水分的测定（一）（一）煤中的煤中的水分水分属属杂质杂质组分组分。在煤的燃烧过程中，水分受热逸出除降在煤的燃烧过程中，水分受热逸出除降低热值外还能与燃烧气中的一些组分作用，低热值外还能与燃烧气中的一些组分作用，产生对设备、管道、触媒（催化剂）等造成产生对设备、管道、触媒（催化剂）等造成损害的物质损害的物质，如如SO2与与H2O生成生成H2SO3。因此因此煤中水分的含
11、量煤中水分的含量将影响煤的质量，将影响煤的质量，是是经经常常要进行检验的项目之一要进行检验的项目之一。18煤中水分的分类煤中水分的分类 游离水游离水 结晶水结晶水（煤的工业分析中不考虑）（煤的工业分析中不考虑）内在水内在水 外在水外在水 1.外在水分外在水分(Mf)：也称风干水分，指煤表面水膜及孔径：也称风干水分，指煤表面水膜及孔径 10-5cm毛细孔中的水分，风干时失去（毛细孔中的水分，风干时失去（风干煤风干煤）。）。2.2.内在水分内在水分(M(Minhinh）也称烘干水分，吸附在孔径也称烘干水分，吸附在孔径1012%时时:1100(2)(2)()mVadMadCOadCOadm焦渣374
12、.2.4 固定碳的计算固定碳的计算 煤中可燃性固体物煤中可燃性固体物是煤燃烧产生热量的主要成是煤燃烧产生热量的主要成分，称之为固定碳分，称之为固定碳。固定碳的数据并非从测试获得，而是由下式计固定碳的数据并非从测试获得，而是由下式计算所得算所得：)(100adadadadVAMFC 式中式中 FCad 空气干燥煤样的固定碳含量，空气干燥煤样的固定碳含量，%Mad 空气干燥煤样的水分含量，空气干燥煤样的水分含量，%Aad 空气干燥煤样的灰分产率，空气干燥煤样的灰分产率，%Vad 空气干燥煤样的挥发分产率，空气干燥煤样的挥发分产率，%38l“基准基准”的定义的定义l由于煤中水分和灰分的含量易随外界条
13、件的变化而变化，由于煤中水分和灰分的含量易随外界条件的变化而变化，导致煤中其他成分的百分含量也随之变化。因此，用质量导致煤中其他成分的百分含量也随之变化。因此，用质量分数表示煤的工业分析结果时，必须同时表明质量分数的分数表示煤的工业分析结果时，必须同时表明质量分数的基准。基准。煤所处的状态或按需要而规定的成分组合，煤所处的状态或按需要而规定的成分组合，称为称为基基准准，简称基。，简称基。“基基”表示化验结果是以什么状态下的煤样表示化验结果是以什么状态下的煤样为基础而得出的。为基础而得出的。各种基准的换算各种基准的换算394040例：例：煤的工业分析结果如下：空气干燥基的水分煤的工业分析结果如下
14、：空气干燥基的水分 Mad=1.76%,灰分灰分Aad=23.17%，挥发分，挥发分Vad=8.59%计算：（计算：（1）干基的灰分干基的灰分Ad=?（2）干燥无灰基的挥发分）干燥无灰基的挥发分Vdaf=？n解：解：adadd100100MAA%59.2376.1100100%17.23 )(100100adadaddafAMVV%44.11)17.2376.1(100100%59.841例：例：称取空气干燥基煤试样称取空气干燥基煤试样1.0000g，测定挥发份时失去，测定挥发份时失去质量质量0.2824g，已知此空气干燥基煤样中水分为，已知此空气干燥基煤样中水分为2.50%，灰分为灰分为9.
15、00%，收到基水分为，收到基水分为8.10%，分别求空气干燥基、，分别求空气干燥基、收到基、干基和干燥无灰基的挥发份？收到基、干基和干燥无灰基的挥发份？n解：解：%08.29)00.950.2100/(100%74.25)100/(100%40.26)50.2100/(100%74.25)100/(100%26.24)50.2100/()10.8100(%74.25)100/()100(%74.25%50.2%100000.1/2824.0%100/1adadaddafadaddadaradaradadAMVVMVVMMVVMmmV42 4.3 煤发热量的测定煤发热量的测定n煤的发热量是煤质分
16、析的重要指标之一。煤的发热量是煤质分析的重要指标之一。1.1.煤作为动力燃料，其发热量越高，经济价煤作为动力燃料，其发热量越高，经济价值就越大。值就越大。2.煤在燃烧或气化过程中，还须用煤的发热量计煤在燃烧或气化过程中，还须用煤的发热量计算热平衡、耗煤量和热效率。根据这些计算参数算热平衡、耗煤量和热效率。根据这些计算参数即可考虑改进操作条件和工艺过程，从而设法达即可考虑改进操作条件和工艺过程，从而设法达到最大的热能利用率到最大的热能利用率。煤的发热量是表征煤炭各种特征的煤的发热量是表征煤炭各种特征的综合指综合指标标，在煤质研究中也是一个十分重要的参数。，在煤质研究中也是一个十分重要的参数。煤的
17、发热量也是反映煤的发热量也是反映煤化程度煤化程度的指标，还常作的指标，还常作为为煤碳分类煤碳分类的指标的指标。43 4.3 煤发热量的测定煤发热量的测定 煤的发热量是指单位质量的煤在完全燃烧后煤的发热量是指单位质量的煤在完全燃烧后所产生的热量，以所产生的热量，以kJ/g或或MJ/kg表示表示。曾使用曾使用过去曾使用过去曾使用kaka卡（卡（calcal），），1 cal=4.1816 J1 cal=4.1816 J。煤的发热量一般采用煤的发热量一般采用热量计热量计测定，其原理是：测定，其原理是：称取一定量的煤试样，置于有过量氧气的氧弹内完称取一定量的煤试样，置于有过量氧气的氧弹内完全燃烧，放出
18、的热量被一定量的水吸收，根据水温全燃烧，放出的热量被一定量的水吸收，根据水温的升高计算煤样的发热量。的升高计算煤样的发热量。4.3 煤发热量的测定煤发热量的测定45 4.3 煤发热量的测定煤发热量的测定空气干燥煤样弹筒发热量空气干燥煤样弹筒发热量Qad的计算的计算mqqChthtHEQnnad)()()(2100 4647 4.4 煤中全硫量的测定煤中全硫量的测定煤中的硫一般分为煤中的硫一般分为无机硫无机硫和和有机硫有机硫两大类两大类。硫化。硫化物、硫酸盐以及微量元素硫属于物、硫酸盐以及微量元素硫属于无机硫无机硫；煤中的；煤中的有机硫有机硫常以硫醚、二硫化物等形式存在于煤的结常以硫醚、二硫化物
19、等形式存在于煤的结构中，构中，组成复杂组成复杂。工业分析通常不要求将无机硫和有机硫分工业分析通常不要求将无机硫和有机硫分别测定出来，而是测定其别测定出来，而是测定其全硫全硫的含量。的含量。测定煤中全硫的含量有测定煤中全硫的含量有艾士卡法、库仑法艾士卡法、库仑法和高温燃烧中和法和高温燃烧中和法3 3种种。而。而艾士卡法艾士卡法是世界公认是世界公认的测定煤中全硫的的测定煤中全硫的标准方法标准方法，在仲裁分析时，可，在仲裁分析时，可采用艾士卡法。采用艾士卡法。1.艾士卡法艾士卡法（GBT214-1996）原理：原理：将煤样与将煤样与艾士卡试剂艾士卡试剂混合灼烧，煤中的混合灼烧，煤中的硫硫生成硫酸盐生
20、成硫酸盐，以，以硫酸钡沉淀法硫酸钡沉淀法测定生成的硫酸测定生成的硫酸盐，再换算出含硫量。盐，再换算出含硫量。1001374.0)(21,mmmSadt式中式中 St,ad空气干燥煤样中全硫含量，空气干燥煤样中全硫含量，%m1 硫酸钡质量，硫酸钡质量，g m2 空白试验的硫酸钡质量，空白试验的硫酸钡质量，g 0.1374由硫酸钡换算为硫的系数；由硫酸钡换算为硫的系数；m 煤样质量，煤样质量，g49组成组成：碳酸钠和氧化镁：碳酸钠和氧化镁 Na2CO3（无水、（无水、1份）份）MgO（轻质、（轻质、2份）份）作用作用：1.煤煤 2.煤中的煤中的硫硫燃烧分解产生的燃烧分解产生的硫氧化物硫氧化物（SO
21、2、SO3）被）被艾氏试剂艾氏试剂Na2CO3和和 MgO吸收而固定吸收而固定下来，生成下来，生成可溶可溶性硫酸盐性硫酸盐：硫酸钠、硫酸镁。：硫酸钠、硫酸镁。3.煤中的硫酸盐（如硫酸钙）则和碳酸钠发生复分解反煤中的硫酸盐（如硫酸钙）则和碳酸钠发生复分解反应转化为应转化为硫酸钠硫酸钠。空气空气H2O+CO2NOXSO2SO3燃烧燃烧艾氏试剂的组成和作用艾氏试剂的组成和作用50艾氏法测定硫含量精密度要求St,ad(%)重复性重复性St,ad(%)再现性再现性St,ad(%)4 0.05 0.10 0.20 0.10 0.20 0.30512.库仑滴定法库仑滴定法原理：原理：煤样在催化剂作用下，于空
22、气流中燃煤样在催化剂作用下，于空气流中燃烧分解，煤中的烧分解，煤中的硫生成二氧化硫硫生成二氧化硫并被碘并被碘化钾溶液吸收后，以电解碘化钾溶液所化钾溶液吸收后，以电解碘化钾溶液所产生的碘进行滴定，产生的碘进行滴定，根据电解所消耗的根据电解所消耗的电量计算煤中全硫的含量。电量计算煤中全硫的含量。n根据库仑滴定法原理，煤样在根据库仑滴定法原理，煤样在1150高温条件及催化剂的高温条件及催化剂的作用下，在净化过的空气中燃烧，煤中各种形态的硫均被作用下，在净化过的空气中燃烧，煤中各种形态的硫均被燃烧分解为燃烧分解为SO2和少量的和少量的SO3气体，而被净化过的空气流气体，而被净化过的空气流带到电解池内，
23、生成带到电解池内，生成H2SO3或少量的或少量的H2SO4，H2SO3立即立即被电解液中的被电解液中的I2（Br2）氧化成）氧化成H2SO4，结果溶液中的，结果溶液中的I2（Br2）减少而）减少而I-（Br-）增加，破坏了电解液的）增加，破坏了电解液的平衡状态平衡状态(碘碘碘化钾电对碘化钾电对)2.库仑滴定法库仑滴定法指示电极间的电位升高，仪器自动判断启动电解，并根据指指示电极间的电位升高，仪器自动判断启动电解，并根据指示电极上的电位高低，控制与之对应的电解电流的大小与时示电极上的电位高低，控制与之对应的电解电流的大小与时间，使电解电极上生成的间，使电解电极上生成的I2（Br2）与）与H2SO
24、3反应所消耗的反应所消耗的数量相等，从而使电解液重新回到平衡状态，重复此过程，数量相等，从而使电解液重新回到平衡状态，重复此过程，直到实验结束。直到实验结束。阳极：阳极：3I-2eI-3 阴极：阴极：2H+2eH2 最后，仪器根据对电解产生的最后，仪器根据对电解产生的I2（Br2）所）所耗用电量耗用电量的积分的积分，再根据法拉弟电解定律计算试样中全硫的含量。，再根据法拉弟电解定律计算试样中全硫的含量。2.库仑滴定法库仑滴定法542.库仑滴定法库仑滴定法（二）（二）若库仑积分器最终显示数为硫的毫克数时，若库仑积分器最终显示数为硫的毫克数时，全硫量按下式计算：全硫量按下式计算：1001,mmSad
25、t式中式中 St,ad空气干燥煤样中全硫含量，空气干燥煤样中全硫含量，%m1 库仑积分器显示值，库仑积分器显示值，mg m 煤样质量，煤样质量，mg其精密度要求与艾士法相同。其精密度要求与艾士法相同。5E-S32005E-S3200电脑测硫仪电脑测硫仪开关电源GZM-H60D12-12开关电源GZT-H120Q5+12-12+15电解池干燥管3干燥管2干燥管1玻璃转子流量计空气高温炉二通阀二通阀电解池流量计流量计抽气气泵吹气气泵消声器消声器583.高温燃烧中和法高温燃烧中和法原理：原理：煤煤在在催化剂作用下于氧气流中燃烧催化剂作用下于氧气流中燃烧，使煤，使煤中中硫生成硫的氧化物硫生成硫的氧化物
26、，并，并捕集在过氧化氢捕集在过氧化氢溶液中形成硫酸溶液中形成硫酸，用氢氧化钠标准溶液滴，用氢氧化钠标准溶液滴定，根据其浓度及消耗量计算出煤中的全定，根据其浓度及消耗量计算出煤中的全硫含量。硫含量。593.高温燃烧中和法高温燃烧中和法603.高温燃烧中和法高温燃烧中和法（二）（二）含硫量计算式：含硫量计算式：1000016.0)(0,mfcVVSadt式中式中 St,ad空气干燥煤样中全硫含量，空气干燥煤样中全硫含量，%V 煤样测定，氢氧化钠标准溶液的用量煤样测定，氢氧化钠标准溶液的用量，mL V0空白测定，氢氧化钠标准溶液的用量，空白测定，氢氧化钠标准溶液的用量，mL c 氢氧化钠标准溶液的浓
27、度，氢氧化钠标准溶液的浓度，m mol/mL f 校正系数。校正系数。当当 St,ad4%时，时，f=1.05双管定硫仪法双管定硫仪法 62高温燃烧中和法测定硫含量 精密度要求St,ad(%)重复性重复性St,ad(%)再现性再现性St,ad(%)4 0.05 0.10 0.20 0.15 0.25 0.3563其他其他n红外法红外法n64煤中氮的测定煤中氮的测定n见实验五见实验五:P.257 n煤中氮含量及燃烧型煤中氮含量及燃烧型NOx的测定的测定碳、氢元素的测定 电量-重量法是我国独有的碳氢测定方法，它以电量法（即库仑法）测氢，重量法测碳。具有测定速度快，准确度、精密度高，取样量少等特点。1）电量）电量-重量法重量法2）电量法）电量法 煤样经高温燃烧，氢生成水，碳生成的二氧化碳与氢氧化锂反应后也生成水，分别送入相应的电解池电解，测量电解所消耗的电量，依照法拉第电解定律计算出样品中氢和碳的含量。
