通過煤炭燃燒看煤炭化驗

     煤炭質(zhì)量，是指煤炭產(chǎn)品在自身的形成和開采、加工過程中所具有的、能夠滿足不同用戶需求的特征或特性的總和。根據(jù)煤炭產(chǎn)品質(zhì)量特性和用途，可用一定的質(zhì)量指標(biāo)（或標(biāo)準(zhǔn)）來表示。如按煤的工業(yè)分析，可用煤的固定碳、揮發(fā)分、灰分和水分等指標(biāo)來表示；按煤的元素分析，可用煤中碳（C）、氫（H）、氧(n)、氮(N)、硫(S)、磷(P)及微量元素含量的多少來表示；按煤的工藝性質(zhì)，煤炭質(zhì)量又可用煤的發(fā)熱量(0)、煤的粘結(jié)性（R·I）和結(jié)焦性（y）、煤的熱穩(wěn)定性(TS)、煤灰的熔融性(DT、ST或FT)、煤的反應(yīng)性、煤的燃點（T）以及煤的可選性等指標(biāo)來表示。

　　一、水分

　　1、外在水分(Wwz)：外在水分是指在煤開采、運輸和洗選過程中潤濕在煤的外表以及大毛細(xì)孔（直徑＞10-5厘米）中的水。它以機(jī)械方式與煤相連結(jié)著，較易蒸發(fā)，其蒸汽壓與純水的蒸汽相等。在空氣中放置時，外在不分不斷蒸發(fā)，直至煤中水分的蒸汽壓與空氣的相對濕度達(dá)到平衡時為止，此時失去的水分就是外在水分。含有外在水分的煤稱為應(yīng)用煤，失去外在水分的煤稱為風(fēng)干煤。外在水分的多少與煤粒度等有關(guān)，而與煤質(zhì)無直接關(guān)系。

　　2、內(nèi)在水分(Wnz)：吸附或凝聚在煤粒內(nèi)部毛細(xì)孔（直徑〈10-5厘米〉中的水，稱為內(nèi)在水分。內(nèi)在水分指將風(fēng)干煤加熱到105～110時所失去的水分，它主要以物理化學(xué)方式(吸附等)與煤相連結(jié)著，較難蒸發(fā)，故其蒸汽壓小于純水的蒸汽壓。失去內(nèi)在水分的煤稱為絕對干燥或干煤。

　　二、灰分

　　1、灰分的來源和種類：煤灰?guī)缀羧縼碓从诿褐械牡V物質(zhì)，但煤在燃燒時，礦物質(zhì)大部分被氧化，分解，并失去結(jié)晶水，因此，煤灰的組成和含量與煤中礦物質(zhì)的組成和含量差別很大。我們一般說的煤的灰分實際上就是煤灰產(chǎn)率，煤中礦物質(zhì)和灰分的來源，一般可分三種。

　　(1)原生礦物質(zhì)：它是原來存在于成煤植物中的礦物質(zhì)，物質(zhì)緊密地結(jié)合在一起，極難用機(jī)械的方法將其分開。它燃燒后形成母體灰分，這部分?jǐn)?shù)量很小。

　　(2)次生礦物質(zhì)：當(dāng)死亡植質(zhì)堆積和菌解時，由風(fēng)和水帶來的細(xì)粘土，砂?；蛴伤锈}、鎂、鐵等離子生成的腐植酸鹽及FeS2等混入而成，在煤中成包裹體存在。用顯微鏡觀察煤的光片或薄片時，如它們均勻分布在煤中，并且顆粒很細(xì)，則很難與煤分離；如它們顆粒較大，比重與差很大，并在煤中分布不均， 則把煤破啐后尚可能將它們洗選掉。

　　煤中的原生礦物質(zhì)和次生礦物質(zhì)合稱為內(nèi)在礦物質(zhì)。來自于內(nèi)在礦物質(zhì)的灰分，稱為內(nèi)在灰分。一般次生礦物質(zhì)在煤中的含量也不多，僅有少數(shù)煤層中次生礦物質(zhì)較多，如遷移堆積抽形成的煤層即如此。

　　(3)外來礦物質(zhì)：這種礦物質(zhì)原來不含于煤層中，它是由在采煤過程中混入煤中的頂、底板和夾矸層中的矸石所形成的。

　　其數(shù)量多少，根據(jù)開采條件不同而有很大波動。它的主要成分為SiO2和A12O3，也有一些CaSO3、CaSO4、FeS2等。這類礦物質(zhì)應(yīng)通過加強(qiáng)質(zhì)量管理，靈活地使用炸藥，鞏固坑道，合理采煤并通過轉(zhuǎn)筒篩選機(jī)篩選和手選的方法予以減少。外來礦物質(zhì)的塊度，比重越大時，越易分離，可用一般選煤方式將它除掉。外來礦物質(zhì)在煤燃燒時形成的灰分稱為外在灰分。

　　2、煤灰熔融性

　　煤灰熔融性和煤灰粘度是動力用煤的重要指標(biāo)。煤灰熔融性習(xí)慣上稱作煤灰熔點，但嚴(yán)格來講這是不確切的。因為煤灰是多種礦物質(zhì)組成的混合物，這種混合物并沒有一個固定的熔點，而僅有一個熔化溫度的范圍。開始熔化的溫度遠(yuǎn)比其中任一組分純凈礦物質(zhì)熔點為低。這些組分在一定溫度下還會形成一種共熔體，這種共熔體在熔化狀態(tài)時，有熔解煤灰中其他高熔點物質(zhì)的性能，從而改變了熔體的成分及其熔化溫度。

　　煤灰成分及其含量與層聚積環(huán)境有關(guān)。我國很多煤層的礦物質(zhì)以粘土為主，煤灰成分則以SiO2、A12O3為主，兩者總和一般可達(dá)50~80%。在濱海沼澤中形成的煤層，如華北晚石炭紀(jì)煤層黃鐵礦含量高，煤灰中Fe2O3及SO3含量亦較高；在內(nèi)陸湖盆地中形成的某些第三紀(jì)褐煤的煤灰中CaO含量較高。

　　大量試驗資料表明，SiO2含量在45~60%時，灰熔點隨SiO2含量增加而降低；SiO2在其含量〈45%或〉60%時，與灰熔點的關(guān)系不夠明顯。A12O3在煤灰中始終起增高灰熔點的作用。煤灰中A12O3的含量超過30%時，灰熔點在1500?；页煞种蠪e2O3、CaO、MgO均為較易熔組分，這些組分含量越高，灰熔點就越低?；胰埸c也可根據(jù)其組成用經(jīng)驗公式進(jìn)行計算。

　　三、揮發(fā)分和固定碳

　　揮發(fā)分主要是煤中有機(jī)質(zhì)熱分解的產(chǎn)物，評價煤質(zhì)時為了排除水分、灰分變化的影響，須將分析煤樣揮發(fā)分換算為以可燃物為基準(zhǔn)的揮發(fā)分，以符號VR表示。換算公式為：

　　Vr=Vf 100 100-WF-AF

　　式中：Vr——可燃基（無水無灰基）揮發(fā)分，%；

　　Vf——分析基揮發(fā)分，%；

　　Wf——分析煤樣水分，%；

　　Af——分析煤樣灰分，%。

　　揮發(fā)分隨煤化程度升高而降低的規(guī)律性十分明顯，可以初步估計煤的種類和化學(xué)工藝性質(zhì)，而且揮發(fā)分的測定簡單、快速，幾乎世界各國都采用可燃基揮發(fā)分（Vr）作為煤炭工業(yè)分類的第一分等指標(biāo)。

　　揮發(fā)分的分析結(jié)果常受煤中礦物質(zhì)的影響。所以當(dāng)煤中碳酸鹽含量較高時，礦物質(zhì)在高溫下分解出來的CO2等也包括在揮發(fā)分內(nèi)。所以當(dāng)煤中碳酸鹽含量較高，分解出來的CO2產(chǎn)率大于2%時，需要對煤的揮發(fā)進(jìn)行校正。也可在測定揮發(fā)分之前，用鹽酸處理分析煤樣，使煤中碳中碳酸鹽事先分解。在我國大多數(shù)煤中，粘土礦物，高嶺土在560析出的結(jié)果水也算入揮發(fā)分，因此粘土礦物含量高的煤所測出的揮發(fā)分通常偏高。

　　固定碳就是測定揮發(fā)分后殘留下來的有機(jī)物質(zhì)的產(chǎn)率，可按下式算出：

　　Cgd=1000-（Wf+Af+Vf）

　　焦渣按其形狀，特征的不同可分為八種類型，用來初步表示不同煤種的粘性、熔融性及膨脹性。根據(jù)揮發(fā)分測定后的焦渣可知，泥炭、褐煤、煙煤中長焰煤、貧煤及無煙煤沒有粘結(jié)性；煙煤中氣、肥、焦、瘦煤都有粘結(jié)性，可作為煉焦煤，而其中肥煤和焦煤沒有粘結(jié)性最好，其坩堝焦熔融，粘結(jié)良好且具有膨脹性。

　　四、煤的發(fā)熱量(卡/克或千卡/千克)

　　把一克煤樣放在高壓充氧的彈筒中燃燒，由量熱計測得的發(fā)熱量稱為彈筒發(fā)熱量(QDT)。當(dāng)煤在彈筒中燃燒時，在高溫高壓下，氮生成硝酸，硫生成硫酸都釋放出熱量，這部分熱量也包括在彈筒發(fā)熱量內(nèi)。另外，水分在彈筒的高壓下保持液態(tài)，也放出冷凝熱。而煤在空氣中燃燒時，硫成為二氧化硫放出，而水分仍保持水蒸汽狀態(tài)，故彈筒發(fā)熱量減去硫和氧的校正值后的發(fā)熱量稱為高位發(fā)熱量(QGW)

　　工業(yè)上多采用應(yīng)用煤的低位發(fā)熱量(QDW)作為計算和設(shè)計的依據(jù)。低位發(fā)熱量可按下式計算：

　　QDW=QGW-6(W+9H)

　　式中：QGW，QDW----應(yīng)用煤的高，低位熱量，卡/克；

　　WY----應(yīng)用煤的全水分，%；

　　HY----應(yīng)用煤的氫含量，%

　　煤的發(fā)熱量除直接設(shè)定外，還可以根據(jù)元素分析或工業(yè)分析的數(shù)據(jù)進(jìn)行估算。煤科院煤化學(xué)研究所(北京煤化所)根據(jù)我國煤質(zhì)資料推導(dǎo)出許多發(fā)熱量計算式，例如：

　　利用元素分析數(shù)據(jù)，估算可燃基高位發(fā)熱量的半經(jīng)驗公式

　　低煤化程度的煤：

　　QGW=80CR+305（310）HR+22SR-26OR-4（Ag-10）

　　式中，HR前面的系數(shù)對褐煤為305，對長焰煤、不粘煤和弱粘煤為310；對AG≤10%的煤，不計算最后一項灰分的校正值。

　　由上式可知，OR、AG越高，QJW越低。

　　煉焦煤：QGW=80 CR +310HR+22SR-25OR-7（Ag-10）

　　無煙煤（低灰和高灰適用）：QGW=80（78.1）CR+320HR+22SR+(SR-OR)-8(AG-10)

　　式中，對FR﹥1.5%的一般無煙煤，CR前面的系數(shù)用80；對HR≤1.5%的年老無煙煤，CR前面的系數(shù)采用78.1；對AG≤10%的所有無煙煤，公式中最后一項應(yīng)予刪去。

　　利用工業(yè)分析數(shù)據(jù)，估算低熱值煤高位發(fā)熱量的半經(jīng)驗公式

　　高灰(AF＞45~90%)煙煤：QGW=81CGD+55VF-3AF

　　高灰無煙煤：QGW=80CGD+50VF-3AF

　　石煤：QGW=80CGD+40VF-3AF

　　五、煤中的硫

　　煤中硫分的賦存形態(tài)通?？煞譃橛袡C(jī)硫和無機(jī)硫兩大類，煤中各種形態(tài)的硫分的總和稱為全硫(SQ)

　　1）有機(jī)硫：煤的機(jī)質(zhì)中所含的硫稱為有機(jī)硫 (SYJ)。有機(jī)硫主要來自成煤植物中的蛋白質(zhì)和微生物的蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)中含硫0.3~2.4%，而植物整體的含硫量一般都小于0.5%(紅樹等濱海鹽生植物的硫分較高)。一般煤中有機(jī)硫的含量較低，但組成很復(fù)雜，主要由硫醚或硫化物、二硫化物、硫醇、噻吩類雜環(huán)硫公物及硫醌分合物等組成或官能團(tuán)所構(gòu)成。有機(jī)硫與煤的有機(jī)質(zhì)結(jié)為一體，分布均勻，很難清除，用一般物理洗選方法不能脫除。一般低硫煤中以有機(jī)硫為主，經(jīng)過洗選，精煤全硫因灰分減少而增高。

　　2）無機(jī)硫：無機(jī)硫又分為硫鐵礦硫(STL)和硫酸鹽硫(STY)兩種，有時也有微量的元素硫。硫化物硫與有機(jī)硫合稱為可燃硫，硫酸鹽硫則為不可燃硫。硫化物硫中絕大部分以黃鐵礦硫形態(tài)存在，有時也有少量的白鐵礦硫。它們的分子式都是FeS2，但黃鐵礦是正方晶系晶體，多呈結(jié)梳狀、透鏡狀、團(tuán)塊狀和浸染狀等形態(tài)存在于煤中；白鐵礦則是斜方晶系體，多呈放射狀存在，它在顯微鏡下的反射率比黃鐵礦低。硫化物硫清除的難易程度與礦物顆粒大小及分布狀態(tài)有關(guān)，顆粒大的可利用黃鐵礦與有機(jī)質(zhì)比重不同洗選除去。但以極細(xì)顆粒均勻分布在煤中的黃鐵礦則即使將煤細(xì)碎也難以除掉。

　　硫化物硫在高硫煤的全硫中所占比重較大，它們一部分來源于適煤植物及其轉(zhuǎn)化產(chǎn)物中的硫化物，另一部分則是由停滯缺氧水中的硫酸鐵等鹽類還原生成的。

　　硫酸鹽硫主要存在形態(tài)是石膏（CaSO4.2H2O），也有少量綠礬（FeSO4.7H2O）等。我國在部分煤中硫酸鹽含量小于0.1%，部分煤為0.1~0.3%。一般硫酸鹽硫含量較高的煤，可能曾受過氧化。

　　六、煤中的磷

　　煤中的磷主要是無機(jī)磷，也有微量有機(jī)磷。煉焦時，煤中磷全部進(jìn)入焦炭，焦中磷又全部進(jìn)入生鐵，使鋼鐵冷脆。因此，磷是煤中有害成分。我國煤中磷含量較低，一般為0.01~0.1%，最高不超過1%。多數(shù)情況下不超過煉焦用煤的工業(yè)要求Pg＜0.01%。

　　七、煤的機(jī)械強(qiáng)度

　　煤的機(jī)械強(qiáng)度測試方法有幾種，應(yīng)用比較普遍的落下試驗法是根據(jù)煤塊在運輸、裝卸、入爐過程中落下，互相撞擊而破碎等特點擬定的。測定方法為：選取60~100毫米的塊煤稱重。然后一塊一塊地從2米高處落到厚度大于15毫米的金屬板上，這樣自由跌落三次之后，用25毫米的方孔篩篩分，以大于25毫米的塊煤重量占總重量的百分?jǐn)?shù)來表示煤的機(jī)械強(qiáng)度，其分級標(biāo)準(zhǔn)如下：

　　煤的機(jī)械強(qiáng)度分級

　　級 別 落下試驗法（>25毫米），%

　　高強(qiáng)度煤 >65

　　中強(qiáng)度煤 >50~65

　　低強(qiáng)度煤 >30~50

　　特低強(qiáng)度煤 ≤30

　　我國大多數(shù)無煙煤的機(jī)械強(qiáng)度好，一般為60~92%。但也有一些煤成片狀、粒狀，煤質(zhì)松軟，機(jī)械強(qiáng)度差，一般為20~40%，部分甚至在20%以下。

　　八、粘結(jié)指數(shù)

　　煙煤的粘結(jié)指數(shù)測定是將一定質(zhì)量的試驗煤樣和專用無煙煤樣（我國以寧夏汝萁溝礦生產(chǎn)的專用無煙煤為標(biāo)準(zhǔn)煤樣），在規(guī)定的條件下混合，快速加熱成焦，所得焦塊在一定規(guī)格的轉(zhuǎn)鼓內(nèi)進(jìn)行強(qiáng)度檢驗，以焦塊的耐磨強(qiáng)度，即抗破壞力的大小來表示煤樣的粘結(jié)能力。粘結(jié)指數(shù)是判別煤的粘結(jié)性、結(jié)焦性的一個關(guān)鍵指標(biāo)。

　　粘結(jié)指數(shù)是我國北京煤化所參考羅加指數(shù)測定原理提出的表征煙煤粘結(jié)性的一種指標(biāo)。該指標(biāo)的測定方法是按1：5或3：3的配比使煙煤和標(biāo)準(zhǔn)無煙煤混合后灼燒，測定其所得焦塊的強(qiáng)度。

　　煙煤的粘結(jié)指數(shù)(GR.I)與R.I不同之點在于：

　　1.專用無煙煤的統(tǒng)一加工及選定

　　2.標(biāo)準(zhǔn)無煙煤的粒度由R.I法的0.3--0.4毫米，改為GR.I法的0.1--0.2毫米，擴(kuò)大強(qiáng)粘煤的測值范圍，同時由于無煙煤粒度與試驗用煙煤粒度相近，容易混勻，減少指標(biāo)誤差，提高測定的重現(xiàn)性與穩(wěn)定性；

　　3.在測定弱粘結(jié)性煤的粘結(jié)指數(shù)時，將無煙煤與煙煤的配比改為3：3，解決羅加法中對弱粘煤的測定不準(zhǔn)的問題；

　　4.實現(xiàn)了機(jī)械攪拌，改善了試驗條件，減少了人為誤差；

　　5.將三次轉(zhuǎn)鼓試驗改為二次，并改變計算分式，簡化了操作。這些改進(jìn)受到國內(nèi)有關(guān)煤炭、冶金化驗單位的歡迎。GR.I法已被國內(nèi)用于煤的分類，在擴(kuò)大煉焦用煤范圍及煉焦配煤、焦炭質(zhì)量預(yù)測等方面，并取得可喜成果。

　　九、煤的反應(yīng)性

　　煤的反應(yīng)性，又稱活性。指在一定溫度條件下煤與不同氣化介質(zhì)的反應(yīng)程度。反應(yīng)性強(qiáng)的煤，在氣化和燃燒過程中，反應(yīng)速度快，效率高。尤其當(dāng)采用一些高效能的新型氣化技術(shù)時，反應(yīng)性的強(qiáng)弱直接影響到煤在爐中反應(yīng)的情況、耗氧量、耗煤量及煤氣中的有效成分等。在流化燃燒新技術(shù)中，煤的反應(yīng)性強(qiáng)弱與其燃燒速度也有密切關(guān)系。因此，反應(yīng)性是氣化和燃燒的重要特性指標(biāo)。

　　將CO2還原率(a，%)與相應(yīng)的測定溫度繪成曲線，可以看出，煤的反應(yīng)性隨反應(yīng)溫度的升高而加強(qiáng)；各種煤的反應(yīng)性隨變質(zhì)程度的加深而減弱，這是由于碳和CO2的反應(yīng)不僅在燃料的外表面進(jìn)行，而且也在燃樣的內(nèi)部微細(xì)孔隙的毛細(xì)管壁上進(jìn)行，孔隙率越高，反應(yīng)表面積越大。不同煤化程度的煤及其干餾所得的殘?zhí)炕蚪固康臍饪茁?，化學(xué)結(jié)構(gòu)是不同的，因此其反應(yīng)性顯著不同。褐煤的反應(yīng)性最強(qiáng)，但在較高溫度時，隨溫度升高其反應(yīng)性顯著增強(qiáng)。煤的灰分組成與數(shù)量對反應(yīng)性也有明顯的影響。堿金屬和堿土金屬的化合物能提高煤、焦的反應(yīng)性，降低焦炭反應(yīng)后的強(qiáng)度。

　　十、煤的結(jié)渣性

　　煤的結(jié)渣性是反映煤灰在氣化或燃燒過程中成渣的特性，它對評價煤的加工利用特性有很重要的實際意義。

　　在氣化中，煤灰的結(jié)渣會給操作帶來不同程度的影響，結(jié)渣嚴(yán)重時將會導(dǎo)致停產(chǎn)。因此，必須選擇不易結(jié)渣或只輕度結(jié)渣的煤炭用作氣化原料。由于煤灰熔點并不能完全反映煤在氣化爐中的結(jié)渣情況，因此，須用煤的結(jié)渣性來判斷煤在氣化中的結(jié)渣難易程度。

　　煤的結(jié)渣性測定要點，是用空氣為氣化介質(zhì)，來氣化預(yù)先加熱到800~850℃的赤熱煤樣；氣化過程的后期溫度降到100℃時即停止氣化，等冷卻到室溫后取出灰渣，測定〉6毫米的灰渣占灰渣總重的百分?jǐn)?shù)及其相應(yīng)的最高溫度用為煤樣的結(jié)渣性指標(biāo)。

　　十一、煤的熱穩(wěn)定性

　　煤的熱穩(wěn)定性是指煤在高溫燃燒或氣化過程中對熱的穩(wěn)定程度，也就是煤塊在高溫作用下保持其原來粒度的性質(zhì)。熱穩(wěn)定性好的煤，在燃燒或氣化過程中能以其原來的粒度燃燒或氣化掉而不碎成小塊，或破碎較少；熱穩(wěn)定性差的煤在燃燒或氣化過程中則迅速裂成小塊或煤粉。這樣，輕則爐內(nèi)結(jié)渣，增加爐內(nèi)阻力和帶出物，降低燃燒或氣化效率，重則破壞整個氣化過程，甚至造成停爐事故。因此，要求煤有足夠的熱穩(wěn)定性。

　　各種工業(yè)鍋爐和氣化爐對煤的粒度有不同的要求，因此測定煤的熱穩(wěn)定性的方法也有所不同。常用的有下列兩種：

　　（1）13~25毫米級塊煤測定法。該法是把煤樣放在預(yù)熱到850℃的馬弗爐熱處理15分鐘，求出各篩級占總殘焦的百分?jǐn)?shù)；以各級累計百分?jǐn)?shù)與篩級（1、3、6、13毫米）作出曲線。以大于13毫米級殘焦的百分?jǐn)?shù)S+13 作為熱穩(wěn)定性指標(biāo)，以小于1毫米級殘焦的百分?jǐn)?shù)S-1及熱穩(wěn)定性曲線作為輔助指標(biāo)。

　?。?）6~13毫米級塊煤測定法。 取6~13毫米級塊煤500立方厘米，稱出其重量，放入預(yù)熱致到850℃的馬弗爐中加熱90分鐘，然后取出稱重，篩分。將所得〈6毫米，〈3毫米，及〈1毫米的殘焦總重量的百分?jǐn)?shù)作為穩(wěn)定性指標(biāo)KP6、KP3及KP1指標(biāo)數(shù)值越大，表明熱穩(wěn)定性越差。

　　煤的熱穩(wěn)定性分級

　　級 別 熱穩(wěn)定性碇KP6，%

　　熱穩(wěn)定性好 ≤30

　　熱穩(wěn)定性中等 ﹥30~45

　　熱穩(wěn)定性差 ﹥45

　　我國大多數(shù)無煙煤的熱穩(wěn)定性較好，KP6均在35%以下，但在高變質(zhì)無煙煤中也有少數(shù)煤熱穩(wěn)定性不好。無煙煤的熱穩(wěn)定性差，是由于其結(jié)構(gòu)致密，加熱時內(nèi)外溫度差很大，引起膨脹不同而破裂。熱穩(wěn)定性不好的無煙煤預(yù)熱處理后，其熱穩(wěn)定性可顯著改善。