煤質分析

通常是指按照國家技術標準測定煤炭的基本物理、化學特性的分析項目，主要有工業分析、元素分析、灰成分分析，煤、煤粉和灰分性質的測定等。 ^[1] 

包括對水分、揮發分、固定碳和灰分的測定，有時還包括硫分和發熱量等項數據的測定。

測定煤中有機質的碳、氫、氧、氮和可燃硫等主要元素組分，以質量百分數表示，收到基中連同水分和灰分總和為100%。

煤中的水分和灰分含量常隨開採、運輸、貯存及氣候條件而異，其他成分的含量也將隨之發生變化，為了便於生產和科研，通常採用四種成分分析基準：①收到基：以收到狀態的煤為基準的表示方法；②空氣乾燥基：以空氣乾燥狀態的煤為基準的表示方法;③乾燥基：以無水狀態的煤為基準的表示方法;④乾燥無灰基：以假想的乾燥無灰狀態的煤為基準的表示方法。

除水分和低位發熱量以外，不同基準成分數值間的換算係數見表1。

灰分是由金屬氧化物和非金屬氧化物及其鹽類組成的複雜物質，以SiO₂和Al₂O₃為主，還有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)灰成分測定：按工業分析條件灼燒煤樣製得灰樣，用NaOH溶融，沸水浸取，加HCl溶解，蒸發至近幹，再製備試液。不同成分用不同方法測定，如，SiO₂用動物膠凝聚質量法，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，還可以用原子吸收光譜法來測定除磷以外的其他灰成分。

(2)灰的熔融特性：通常稱為灰熔點，煤灰沒有固定的熔化温度，僅有一個熔化温度範圍。中國和世界上大多數國家以角錐法作為標準測定方法，記錄在半還原氣氛中的三個特徵温度：變形温度DT，即灰錐尖開始變圓或彎曲時的温度;軟化温度ST，即灰錐體彎曲。

表1 不同基準成分數值間的換算係數

注： 表中M表示水分，A表示灰分。

到錐尖觸及託板或錐體變成球形和高度不大於底長的半球時的温度；流動温度FT，即灰錐完全熔化或展成高度≤1.5 mm薄層時的温度，也稱為熔化温度。有的國家用熱顯微鏡觀測柱體試樣的熔融特徵來確定其特徵温度。

(3) 灰黏度： 表徵灰在高温熔融狀態下的流動特性，通常根據牛頓摩擦定律用鉬絲扭矩式黏度計測定1750℃以下1～10 Pa·s範圍內的熔體黏度。

煤是一種成分、結構非常複雜且極不均一，包括有機和無機化合物的混合物，以及無機物和有機質組成的金屬有機絡合物，其性質是多方面的，其中與燃燒關係較密切的有可磨係數、磨損指數、煤粉細度、密度、自由膨脹序數五項。

(1)可磨係數：表徵煤被粉碎的難易程度，測定的依據是破碎定律，即在研磨煤粉時所消耗的能量與新產生的表面面積成正比。廣泛採用的主要方法有哈德葛羅夫 (Hardgrove) 法與全俄熱工研究所(ВТИ)法，其近似換算關係為：KВТИ=0. 0034(K)+0.61。

(2)磨損指數：表徵煤在破碎過程中對金屬研磨部件磨蝕的強烈程度，現多使用YGP (Yancey，Geerand Price)法來測定在規範條件下煤樣對純鐵的磨損量。

(3)煤粉細度：煤粉是由各種尺寸不同(一般在1～500 μm)、形狀不規則的顆粒所組成，其細度一般用標準篩來測定，以篩孔尺寸為x (μm) 的篩子篩後剩餘量佔粉樣的百分數Rx(%)來表示。

(4)密度：煤的密度通常以不同的方式表示，有真密度、視密度和堆積密度之分。真密度是在20℃時，煤的質量與同温度、同體積(不包括煤內外表面孔隙)水的質量之比；視密度為在20℃時，煤的質量與同温度、同體積(包括煤內外表面孔隙)水的質量之比，又稱為假密度；煤粉堆積密度是煤粉在自然堆積狀態下的視密度。

(5)自由膨脹序數：表徵煤的黏結特性，把煤按規定方法加熱，所得焦塊與一組標準焦塊側面圖進行比較來確定的序號數。

又稱非常規分析，是測定表徵煤着火、燃盡、結渣和積灰等特性的專項分析。國際上已有基本定型的試驗工藝，但尚未形成技術標準。特種分析是通過專門的試驗裝置、使用先進的儀器或對常規分析數據進行處理來實現的；當前主要有以下幾種測定項目，即煤粉着火指數、熱(重)分析、比表面積測定、熱解化學動力學常數的測定、焦燃燒速率係數的測定、結渣傾向判別、沾污特性的判別。

煤粉着火指數： 着火温度不是煤所固有的物理化學參數，而是一個和試驗規範有關的參數。通常取能使煤粉在試驗爐膛中懸浮着火的最低温度為着火指數，用來比較煤粉着火的難易程度。

在程序控制和緩慢升温下，測量煤樣的質量隨加熱程度的變化，稱為煤的熱(重)分析，所用的儀器稱為熱天平。美國材料分析標準(ASTM)中有用熱天平進行微量煤樣工業分析的工藝；世界各國都在使用熱天平對煤的燃燒特性進行試驗研究，主要使用焦燃盡曲線、煤熱解或燃燒曲線兩類熱分析曲線。

(1)焦燃盡曲線：用來比較固體燃料燃盡的難易程度，是以專項工藝製備焦樣，在熱天平中做等温熱重分析來繪製的。

(2)煤熱解和燃燒曲線：煤樣在惰性氣氛或含O₂氣氛中熱分析的微商熱重曲線 。燃燒特性不同的煤，熱解或燃燒曲線相差較大；燃燒特性相似的燃料，熱解或燃燒曲線相近。中國傾向於在曲線上取“着火點”、“最大燃燒速度”、“燃盡時間”等特徵點來比較煤的燃燒特性。

在氣固兩相反應中，單位質量試樣的表面積(包括內孔表面)——比表面積可作為直觀反應活性的一種簡單度量。煤是多孔物質，釋放揮發分後的焦更是典型的多孔物質。通常以N₂在77K時的吸附量，用BET方程來給出煤樣或焦樣的比表面積，也有的以CO₂在298K時的吸附量，用Dubinin Polngi方程來給出試樣的比表面積。也有用壓汞法測得孔隙面積來表示比表面積。

煤在不同的熱力工況下熱解，釋放的揮發分成分和數量亦不相同。對應於層式燃燒、流化牀燃燒和煤粉懸浮燃燒的熱力條件，煤的熱解動力學參數可分別用熱天平 (温升速率<102K/s)，居里點熱裂解色譜法 (煤的温升速率約為103K/s)和管式沉降爐熱解試驗(煤的温升速率>10 K/s) 來測定。

居里點熱裂解色譜法是高頻磁場使鐵磁絲迅速受熱，塗在絲上的煤粉試樣亦迅速升温，絲達到居里點後失磁恆温，載氣將煤熱解釋放出的揮發分迅速冷卻，並收集入貯氣器，既可以測定熱解失重率，也可用色譜儀檢測熱解氣態成分的數量。

管式沉降爐熱解試驗是連續將煤粉試樣供入高温管式電爐中，在沉降過程中隨惰性載氣將煤粉試樣高速升温，快速熱解，以水冷取樣管將帶粉氣流迅速冷卻，用在線氣體分析儀檢測揮發分某些成分的數量，並用取出的焦樣由灰示蹤法確定揮發分產率，進而可算出煤熱解頻率因子和活化能。

焦是指煤釋放揮發分後的剩餘物，其燃盡時間一般佔煤燃盡時間的90%以上，其燃燒速率與煤在爐膛中的燃盡率關係較密切。焦在管式沉降爐的高温燃燒氣氛中燃燒，水冷取樣管將試樣迅速冷卻，不同温度、不同燃燒時刻的殘存焦樣，用灰示蹤法即可得出燃盡率，進而可得出視在燃燒速率係數K_c=Acexp (—Ec/RT)中的頻率因子Ac和活化能Ec，從而為計算煤在爐膛中的燃燒過程提供基礎數據。

結渣是指熔化了的灰沉積在受熱面上，它與煤的灰渣特性、燃燒工況和壁面温度等多種因素有關。通常認為煤的結渣傾向與灰分的熔融性，流變特性(黏温特性)等有關，工業部門常使用的預測指標有軟化温度判別指標、常用的結渣指數、煤粉重力篩分試驗三種。

沾污是指温度低於灰熔點的沉積物積沉在鍋爐受熱面上。通常用來判別煤灰沾污傾向的方法有沾污指數RF、重力篩分試驗、弱酸溶鹼試驗、測定煤灰的燒結強度等四種。

常用的煤質分析設備有：量熱儀（熱量儀）系列、測硫儀（定硫儀）系列、水分測定儀系列、工業分析儀、測氫儀、膠質層測定儀、灰熔點測定儀、温控儀系列、馬弗爐、快速灰化爐、微電腦粘結指數測定儀、鼓風乾燥箱、米庫姆轉鼓機、標準振篩機、錘式破碎機、鄂式破碎機、密封式化驗制樣粉碎機、煤燃點測定儀、奧亞膨脹度測定儀、破碎縮分聯合制樣機、煤炭結渣性測定儀、活性炭測定儀、運煤採樣機、煤炭採樣機等。