煤的工業(yè)分析的內(nèi)容及意義

煤的工業(yè)分析的內(nèi)容及意義

0煤的工業(yè)分析工業(yè)分析是確定煤炭組成最基本的方法之一。在給定條件下，將煤炭組成與水、分權(quán)、蒸發(fā)和固定碳等組分進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析和測定。工業(yè)分析是一種有條件實(shí)驗(yàn),除了水分以外,灰分、揮發(fā)分和固定碳是煤在特定測定條件下的轉(zhuǎn)化產(chǎn)物,并非煤中的固有成分,其測定結(jié)果隨著測定條件變化而變化。為了使測定結(jié)果具有可比性,工業(yè)分析的測定方法均有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。如在中國的國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T212-2008)中分別規(guī)定了水分、灰分、揮發(fā)分和固定碳的測定方法。在工業(yè)分析的4項(xiàng)指標(biāo)中,灰分可近似代表煤中的無機(jī)物,揮發(fā)分和固定碳可近似代表煤中的有機(jī)物。工業(yè)分析雖然簡單,但分析結(jié)果對于研究煤炭性質(zhì)、確定煤炭的合理用途以及在煤炭貿(mào)易中,具有重要的作用。國內(nèi)一些學(xué)者對煤的工業(yè)分析過程進(jìn)行大量的研究和分析。本文將結(jié)合河南神火煤電公司辛莊煤礦煤出采煤層的工業(yè)分析結(jié)果來分析煤的煤質(zhì)。1礦區(qū)地質(zhì)概況河南神火煤電股份有限公司辛莊煤礦位于豫、皖兩省交界的河南省永城市東部,行政區(qū)劃屬苗橋、茴村兩鄉(xiāng)管轄。煤礦東部及北部以人為邊界與安徽省皖北礦務(wù)局劉橋二礦分界,西以王莊斷層(F21)與葛店煤礦毗鄰,南至煤層露頭線。礦井地理座標(biāo)為:經(jīng)度116°38′15″~45″,緯度33°55′10″~55′50″。南北長約7.5km,東西寬約3km,面積約20.366km2。2在分析煤炭工業(yè)中各組分的定義時2.1煤中內(nèi)在水分和外在水分的質(zhì)量之和表1水分(Mad)是煤工業(yè)分析的重要組成部分,是煤炭質(zhì)量的重要指標(biāo)。煤中的水分包括游離水和化合水。煤中游離水是指與煤呈物理態(tài)結(jié)合的水,它吸附在煤的外表面和內(nèi)部孔隙中。因此,煤的顆粒越細(xì),內(nèi)部孔隙越發(fā)達(dá),煤中吸附的水分就越高。煤中的游離水分可分為兩類:即在常溫的大氣中易于揮發(fā)的水分和不容易揮發(fā)的水分。前者吸附在煤炭顆粒的表面和較發(fā)育的毛細(xì)孔隙中,稱為外在水分,用Mf表示;后者則存在于不太發(fā)育的孔隙中,稱為內(nèi)在水分,用Minh表示。煤中內(nèi)在水分和外在水分的質(zhì)量之和就是煤的全水分,它代表了剛開采出來,或使用單位剛收到或即將投入使用狀態(tài)下煤中的全部水分(游離水分)。全水分用Mt或Mar表示。通俗地說,外在水分就是煤長時間暴露在空氣中所失去的水分,而這時沒有失去仍然殘留在煤中的水分就是內(nèi)在水分,有時也稱為風(fēng)干煤樣水分。嚴(yán)格地說,外在水分、內(nèi)在水分、全水分等指標(biāo)是水分占煤樣質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)。按照一定的采樣標(biāo)準(zhǔn)從商品煤堆、商品煤運(yùn)輸工具或用戶煤場等處所采煤樣,稱為應(yīng)用煤樣,將應(yīng)用煤樣送到化驗(yàn)室后稱為收到煤樣,它含有的水分占收到煤樣質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)稱為煤的全水分或收到基全水分,用Mt或Mar表示。應(yīng)用煤樣在空氣中放置一定時間,使煤中水分在大氣中不斷蒸發(fā),當(dāng)煤中水的蒸氣壓與大氣中水蒸氣分壓達(dá)到平衡,這時所失去的水分占收到煤樣質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)就是收到基外在水分,用Mf,ar表示。煤炭失去外在水分后所處的狀態(tài)被稱為風(fēng)干狀態(tài)或空氣干燥狀態(tài),失去外在水分的煤樣被稱為風(fēng)干煤樣或空氣干燥煤樣。殘留在風(fēng)干煤樣中的水分質(zhì)量占風(fēng)干煤樣質(zhì)量的百分比稱為空氣干燥基(dry)內(nèi)在水分,用Minh,ad表示。一般來說,煤的工業(yè)分析采用的煤樣均是空氣干燥基(dry)煤樣,空氣干燥基煤樣的水分也可稱為空氣干燥基水分,用Mad表示,它的大小在數(shù)值上與Minh,ad一致。為了應(yīng)用方便,將收到基外在水分和空氣干燥基內(nèi)在水分簡稱為外在水分和內(nèi)在水分,符號也分別簡化為Mf和Minh。外在水分和內(nèi)在水分構(gòu)成了煤的全水分(即收到基全水分),它們的關(guān)系可用下式表示:2.2空氣干燥基灰份的產(chǎn)率將煤在815℃的條件下完全燃燒后所得的殘?jiān)鳛槊旱幕曳?殘?jiān)济簶淤|(zhì)量的百分?jǐn)?shù),稱為煤的灰分產(chǎn)率,用A表示。測定灰分時所用的煤樣是粒度小于0.2mm的空氣干燥煤樣,因此,測定結(jié)果是空氣干燥基的灰分產(chǎn)率,用Aad表示。由于空氣干燥煤樣中的水分是隨空氣濕度的變化而變化的,因而造成灰分的測值也隨之發(fā)生變化。但就絕對干燥的煤樣來說,其灰分產(chǎn)率是不變的。所以,在實(shí)際使用上空氣干燥基的灰分產(chǎn)率只是個中間數(shù)據(jù),一般還需換算為干燥基的灰分產(chǎn)率Ad。在實(shí)際使用中除非特別指明,灰分的基準(zhǔn)均是干燥基。換算公式如下:煤的灰分不是煤中的固有組成,而是由煤中礦物質(zhì)轉(zhuǎn)化而來的。煤的灰分與礦物質(zhì)有很大區(qū)別,首先是灰分的產(chǎn)率比相應(yīng)的礦物質(zhì)含量要低,其次是在成分上有很大變化。礦物質(zhì)在高溫下經(jīng)分解、氧化、化合等化學(xué)反應(yīng)之后才轉(zhuǎn)化為灰分。2.3煤中揮發(fā)油分的組成在高溫條件(900℃)下,將煤隔絕空氣加熱一定時間,煤的有機(jī)質(zhì)發(fā)生熱解反應(yīng),形成部分小分子的化合物,在測定條件下呈氣態(tài)析出,其余有機(jī)質(zhì)則以固體形式殘留下來。由有機(jī)質(zhì)熱解形成并呈氣態(tài)析出的化合物稱為揮發(fā)物,該揮發(fā)物占煤樣質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)稱為揮發(fā)分或揮發(fā)分產(chǎn)率。以固體形式殘留下來的有機(jī)質(zhì)占煤樣質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)稱為固定碳。實(shí)際上,固定碳不能單獨(dú)存在,它與煤中的灰分一起形成的殘?jiān)Q為焦渣,從焦渣中扣除灰分就是固定碳。揮發(fā)分用V表示,固定碳用FC表示。煤的水分和灰分反映了煤的無機(jī)物的組成特點(diǎn),揮發(fā)分和固定碳則反映了煤的有機(jī)質(zhì)的組成特點(diǎn)。揮發(fā)分能夠反映出煤的大部分的性質(zhì),幾乎在所有研究或利用煤的場合均需要煤的揮發(fā)分?jǐn)?shù)據(jù)。因此,煤的揮發(fā)分是煤的最重要的參數(shù)之一。2.3.1固碳的測定和轉(zhuǎn)換2.3.1.空氣干燥基的揮發(fā)油分vad的質(zhì)量稱取1g分析煤樣放入揮發(fā)分坩堝,在900℃下隔絕空氣加熱7min取出,在干燥器中冷卻后稱量,按下式計算揮發(fā)分:式中,Vad為空氣干燥基的揮發(fā)分,%;m為煤樣的質(zhì)量,g;m1為殘?jiān)馁|(zhì)量,g;Mad為空氣干燥基的水分,%。2.3.1.有機(jī)物質(zhì)的熱分解揮發(fā)分和固定碳均不是煤炭中的固有成分,它們是煤中的有機(jī)物質(zhì)在特定條件下熱分解的產(chǎn)物。固定碳與煤的元素分析中碳元素是兩個不同的概念,固定碳是煤中高分子化合物的混合物,它含有碳、氫、氧、氮、硫等元素。2.3.2影響煤炭生產(chǎn)的因素2.3.2.加熱爐的大小影響揮發(fā)分測定結(jié)果的主要因素是加熱溫度、加熱時間、加熱速度。此外,加熱爐的大小,試樣容器的材質(zhì)、形狀和尺寸以及容器的支架都會影響測定結(jié)果。因此,揮發(fā)分測定是一個規(guī)范性很強(qiáng)的分析項(xiàng)目。2.3.2.煤中揮發(fā)油分煤的揮發(fā)分隨煤化程度的提高而下降。褐煤的揮發(fā)分Vad較高,通常大于40%,無煙煤的揮發(fā)分最低,一般小于10%。煤的揮發(fā)分主要來自于煤中分子不穩(wěn)定的脂肪側(cè)鏈、含氧官能團(tuán)斷裂后形成的小分子化合物和煤有機(jī)質(zhì)高分子縮聚時產(chǎn)生的氫氣。隨著煤化程度的提高(鏡質(zhì)組反射率的增大),煤分子上的脂肪側(cè)鏈和含氧官能團(tuán)均呈下降趨勢,所以煤的揮發(fā)分有隨煤化程度的提高而下降的趨勢。2.3.2.煤巖組分的揮發(fā)性煤的揮發(fā)分主要決定于其煤化程度,但也受成因類型和煤巖類型的影響。腐植煤的揮發(fā)分低于腐泥煤。這是因?yàn)槌擅涸贾参锖徒Y(jié)構(gòu)的差異引起的。腐植煤以稠環(huán)芳香族物質(zhì)為主,受熱不易分解,而腐泥煤則以脂肪族為主,受熱易裂解為小分子化合物成為揮發(fā)分。煤巖組分中殼質(zhì)組的揮發(fā)分最高,鏡質(zhì)組次之,惰質(zhì)組最低。由于各個顯微組分有不同的揮發(fā)分,因此煤的揮發(fā)分將隨顯微組分的變化而變化,而且非常敏感。圖1是不同煤巖組分的揮發(fā)分隨煤化程度的變化規(guī)律。腐植煤鏡質(zhì)組的揮發(fā)分隨煤化程度的提高而較為均勻地下降。所以,一般用揮發(fā)分作為表示煤化程度的指標(biāo)。3無煙煤變質(zhì)帶主要可采煤層為山西組的二2煤和下石盒子組三煤段的三2煤、三3煤和三5煤。二2煤層煤類為無煙煤,煤層層位穩(wěn)定,結(jié)構(gòu)簡單,為全區(qū)可采中厚煤層,厚度變化較小。以亮煤為主,鏡煤次之,暗煤及絲炭含量較少,屬光亮型煤。外生裂隙發(fā)育。本礦二2、三2、三3及三5煤層,具有Vdaf、Hdaf及H/C諸指標(biāo)自下而上增高、Rmax則自下而上降低之趨勢,應(yīng)屬深成變質(zhì)。但從本礦東部劉橋煤礦有焦、瘦煤情況看,深成變質(zhì)景較淺,與本礦基本為無煙煤變質(zhì)階段不符。究其原因,與區(qū)域巖漿熱變質(zhì)作用密不可分。永城礦區(qū)在燕山晚期有火成巖侵入,巖漿氣、液熱變質(zhì)作用及接觸變質(zhì)作用使煤層的變質(zhì)程度大大提高,形成了天然焦、無煙煤和貧煤帶,本礦即在無煙煤帶內(nèi)。由此可見,本礦無煙煤的形成是區(qū)域巖漿