第4章　煤的工业分析

1.什么是煤的工业分析？测试煤的工业分析有什么用处？

煤的工业分析是煤质分析中最基本也是最重要的分析项目，它包括煤的水分、灰分、挥发分、固定碳、全硫和发热量等一系列分析项目。因此，凡是以煤为原料或燃料的工业部门都需要进行煤的工业分析。

煤的工业分析也曾叫煤的实用分析、近似分析或技术分析，其测试内容有煤的外在水分、内在水分、全水分、分析煤样的水分、灰分、挥发分、固定碳、全硫和各种硫及发热量等项目。通常把煤的水分、灰分、挥发分和固定碳叫做煤的半工业分析，再加上硫分和发热量等分析项目则叫做煤的全工业分析。

测出煤的工业分析以后，即能大致了解煤的经济价值和某些基本性质。如水分和灰分高的煤其有机质含量就少，发热量低，经济价值小。如我国的煤炭产品中就根据灰分来划分煤的等级和确定价格。又如根据煤的挥发分产率和焦渣特征，即可初步确定煤的煤化程度的高低、黏结性的强弱、低温焦油产率的大小以及发热量的高低等基本特性。而根据煤的水分、灰分、挥发分及其焦渣特征等指标，即可比较可靠地算出煤的高位发热量和低位发热量。煤中全硫的高低是确定炼焦用烟煤的重要指标。对于合成氨工业，干燥基煤的固定碳（FCd）含量是评价无烟煤用于制造合成气（半水煤气）时经济价值的一个重要指标。此外，煤的外在水分和全水分，不仅影响动力用煤的低位发热量，而且还与煤的运输与贮存等条件有十分密切的关系。例如在寒冷地区的冬季，就不宜将水分高的煤做长距离运输，因为在-20～-30℃的低温下，高水分煤就会与车皮冻结在一起而造成无法卸车的事故。同样，如把水分高的煤露天堆放，由于煤块冻结也无法装车。根据煤中各种硫的比例还可推测煤样洗选脱硫的可能性。如有机硫占全硫比较高的煤，经洗选后的精煤其硫分反而会比洗选前的原煤还高。

2.测定煤的水分有何实际意义？煤中水分存在哪些形态？

煤的水分是评价煤炭经济价值最基本的指标。因为煤中水分含量越多，煤的无用成分也就越多。同时，煤中有大量水分时，不仅煤的有用成分减少，而且大量水分在煤燃烧时，还要吸收大量的热成为水蒸气蒸发掉。所以煤的水分越低越好。但煤中水分特别是内在水分与煤的煤化程度有关：年轻煤内在水分最大，强黏结性煤内在水分最小，向年老煤过渡时内在水分又有所增加。外在水分与外界气候等多种因素有关。所以，煤的全水分既与煤的煤化程度有关，又与外界天气等各种因素有关。

煤中水分的存在形式，可根据其结合状态的不同而分为游离水和化合水两大类。游离水是以物理状态（如附着、吸附等形式）同煤结合；化合水是以化合方式同煤中的矿物质结合，即通常所说的结晶水和结合水，如硫酸钙（CaSO4·2H2O）中的结晶水和高岭土 [Al2（Si4O14）（OH）8]中的结合水。煤中的游离水，在105～110℃的温度下放置1～2h后一般即可全部蒸发掉。这是因为煤中游离水几乎完全是以吸附状态存在于煤的表面的缘故，而结晶水通常要在200℃以上才能分解析出。但煤中含量很少的硫酸钙二水化合物失水温度仅为163℃，而高岭土组分中的结合水的分解失水温度高达560℃。

根据水分存在的不同赋存状态，煤中的水分又可分为内在水分和外在水分两种。吸附或凝聚在煤粒内部毛细孔中的水，称为内在水分；附着在煤粒表面上的水，称为外在水分。由于毛细孔吸附力的作用，内在水分比外在水分较难蒸发。如外在水分在45～50℃的温度下放置一定时间后即能蒸发掉，而内在水分需要100℃以上的温度经过一定时间后才能蒸发。

煤粒内部毛细孔吸附的水分达到饱和状态时，内在水分达到最高值，这种水分称为煤的最高内在水分。由于煤的孔隙率与其煤化程度有一定的变化规律，所以煤的最高内在水分基本上反映了煤化程度、黏结性和发热量等煤质特征。如年轻褐煤的最高内在水分多在30％以上，而最高内在水分含量小于1％的烟煤，几乎都是强黏结性和高发热量的肥煤和主焦煤。用最高内在水分来区别各种年轻煤最为适宜。

3.如何利用内水和外水的测定结果来计算煤的全水分？

全水分往往分两步测定，即先测定煤的外在水分，然后再测定煤的内在水分。两次测定结果的和（不能直接相加，需作必要的换算）就是煤的全水分。这里所说的外在水分是指煤样放在空气中并同空气的湿度达到平衡时所失去的水分。残留在煤样内部的水分即为内在水分。

根据外在水分和内在水分的测定结果，可用式（4-1）计算煤的全水分。

式中　Mt——全水分，％；

Mf——外在水分，％；

Minh——内在水分，％。

如煤样的水分在运送过程中有损失，外在水分（Mf）可按式（4-2）进行补正。

式中　——补正后的外在水分，％；

M1——在运送过程中煤样水分的损失，％。

收到基低位发热量是各种煤用作动力燃料时最重要的指标之一，因此收到基水分（即煤在燃烧时的全水分）也是动力用煤的一个十分重要的指标。

4.什么是煤的矿物质？

煤中矿物质是煤中除水分以外的所有无机物的总称，一般是由各种硅酸盐矿物、石英矿物、碳酸盐矿物、硫酸盐矿物、金属硫化物矿物和氧化亚铁矿物等组成。按煤中矿物质的不同来源划分，通常分为以下3种矿物质。

（1）原生矿物质

由成煤植物本身所含的矿物所形成。这种矿物质在煤中的含量很少，一般不超过1％～2％，但它很难用洗选的方法脱除。

（2）次生矿物质

在成煤过程的初期，由于自然界的多种原因而进入煤层中的矿物质。这种矿物质在煤中的含量一般也不高，但也有少数地质条件比较复杂的煤田（或煤层）的次生矿物质含量较高。

煤中原生矿物质和次生矿物质总称为内在矿物质。内在矿物质通常很难用选煤的方法除去，只有采用化学方法才能分离。

（3）外来矿物质

在采煤过程中混到煤中的顶板、底板和夹石层等的矸石。这种矿物质比较容易用洗煤方法除去，大于50mm的矸石还可用手选的方法拣除。随着采煤机械化程度的不断提高，今后煤中外来矿物质的含量必将越来越高。为了提高煤炭质量，尽量减少大量矸石的远距离运送，各矿区尤其是动力煤矿区急需加快矿井选煤厂的建设，以便为国民经济各部门提供优质煤炭。

5.煤中矿物质在燃烧后会发生哪些变化？

煤中矿物质燃烧（氧化）以后就会形成灰分，但灰分通常比原矿物质的含量要少，灰分用适当公式校正后也可近似地算出矿物质的含量。

煤中矿物质在815℃的温度下燃烧后，其中许多组分都会发生变化，其反应式分别列下。

（1）黏土、石膏等水合物失去结晶水。

（2）碳酸盐受热分解放出CO2。

（3）氧化亚铁生成三氧化二铁。

（4）硫化铁等矿物氧化成二氧化硫和三氧化二铁。

（5）在燃烧时生成的SO2与煤中CaCO3和氧作用生成CaSO4。

6.怎样利用灰分来计算煤中的矿物质含量？

严格地说，用灰分来计算原煤中的矿物质含量时，需根据不同的矿物质组分采用不同的计算公式。但因煤中矿物质组分大多可以划分为几种类型，为此，很多学者曾根据不同类型的矿物组分分别提出了用灰分计算煤中矿物质含量的一些经验公式。

（1）B.C.克雷姆研究发现，含碳酸盐、硫酸盐和氧化铁等矿物质组分较少的煤，可用下列公式近似地校正矿物质中的结晶水和硫化铁矿物中的硫，然后算出煤中的矿物质含量。

MM=1.10A+0.5SLT　　（4-10）

式中　MM——煤中矿物质含量，％；

A——煤中灰分产率，％；

SLT——煤中硫化铁硫含量，％。

（2）派尔提出下列公式计算煤中的矿物质含量。

MM=1.08A+0.55SLT　　（4-11）

或　　MM=1.1A+0.1St,d（简化式）　　（4-12）

在式（4-12）中，St,d为煤中全硫含量，其他符号的意义同式（4-10）。

为了较精确地算出煤中矿物质含量，最好根据不同煤田的煤中矿物质组分及其不同比例，采用不同的计算公式。如我国某煤田的矿物质含量，可用下列经验公式计算。

MM=1.129A+0.35St,d-0.2　　（4-13）

7.什么是煤的灰分？灰分对煤的利用有何影响？

煤中灰分是指煤在一定温度（如815℃）下完全燃烧后的残留物，由于煤中的灰分是一种无用物质，因此各种用途的煤都要求灰分越低越好。灰分增高时，不仅使煤的发热量降低，而当矿物质燃烧后成为灰分时还要吸收热量。此外，煤的灰分越高，大量排放炉渣时也要带走不少热量。因而煤的灰分越高，它在燃烧和气化过程中也就越容易结渣而影响正常操作。炼焦用煤的灰分对焦炭质量的影响更大，如炼焦用精煤的灰分每增高0.8％，就使焦炭灰分增高1％，焦炭的强度下降2％，炼铁时焦比增高2％～2.5％，高炉生产能力下降2.5％～3％。造渣量增加2.7％～2.9％，生铁成本上升0.7％。此外，为使多余的灰分变成炉渣排出，还需要相应地增加助熔剂（石灰石）用量。因此，一般炼焦用煤都需要采用灰分小于10％的精煤。国家规定，合格的炼焦精炼灰分最高不超过12.5％，但配合煤的灰分不宜超过10％。

但事物总是一分为二的，在有的煤中灰分也可以进行综合利用，变废为宝，为国家创造大量财富。如有些高灰分石煤灰渣可以用来提钒，残渣可制造无熟料水泥。有的高灰分煤的炉渣因氧化铝含量高而可从中提取结晶氯化铝和固体聚合铝等化工产品。还有的高灰分煤可直接作为内燃砖而使灰渣变成制砖的原料。有的高灰分块煤在立窑中烧水泥时既是燃料又是原料。

为了充分利用煤炭资源，除某些必须使用低灰分煤的厂矿企业外，一般应尽可能多地掺用高灰分的劣质煤，以充分利用其热能，并大力做好灰渣的综合利用。但必须注意的是，高灰分煤不宜远距离运输，应在矿区附近就地作为矸石电厂的燃料使用。

8.什么是煤的挥发分？测定煤的挥发分有何用处？

将煤放在与空气隔绝的容器内，在高温（如900℃或950℃）下经一定时间（如7min）加热后，从煤中分解出来的液体（呈蒸气状态）和气体的数量（减去煤中所含的水分）占试验煤量的比例，就是煤的挥发分。煤的挥发分的测值随温度、时间和所用坩埚的大小、形状、材质等的不同而有差异。因此测定方法为规范性试验方法，测定结果应称为挥发分产率而不能叫挥发分含量。

煤的挥发分测定方法简单易行，而且能反映出煤的许多重要特性。如根据煤的挥发分产率及其焦渣特征（其符号为CRC），即能初步确定该种煤的煤化程度、结焦性和黏结性、发热量以及焦油产率等各种重要性质。因此，几乎世界各国都采用干燥无灰基煤的挥发分Vdaf作为煤炭分类的一个主要指标。

为消除矿物质含量对挥发分的影响，以及排除不能正确反映煤化程度的丝炭类惰性物质和孢子、花粉、树脂等壳质组分的影响，因而必须采用重液分选后的精煤（这时的煤岩组分以能正确反映煤化程度的镜质组为主）来测定挥发分。此外，炼焦工业中各种配合煤的综合平均挥发分Vdaf也是配煤炼焦的重要指标。如我国各主要焦化厂的配煤平均挥发分Vdaf采用25％～28％，其中大型高炉用焦的配煤平均挥发分以28％以内最好，中小型高炉用焦的配煤平均挥发分Vdaf也可在30％左右。这样既能使焦炭的强度满足不同类型高炉的需要，又能使焦化副产品（如焦油、苯、氨水和煤气等）的产率增高，有利于炼焦煤的综合利用。在配煤炼焦中，应尽可能多地采用我国炼焦煤资源中比例最多的气煤和1/3焦煤。

其他工业生产如选择气化、液化和化肥用煤甚至动力用煤时，都首先需要了解挥发分是否合乎要求。在煤炭性质的研究等工作中也都离不了挥发分这一指标。所以煤的挥发分测值是了解煤的基本性质和用途的最基本也是最重要的指标。

9.什么是煤的固定碳？计算煤的固定碳有何用处？

煤中固定碳（其符号是FC）是指除去水分、灰分和挥发分后的残留物。从100％减去煤的水分、灰分和挥发分后的差值即为煤的固定碳含量。从测定煤炭挥发分后的残留焦渣量中减去煤的灰分，也可求得煤的干燥基固定碳含量（FCd）。由100％减去干燥无灰基挥发分Vdaf即为干燥无灰基固定碳（FCdaf）含量。固定碳的化学组分，主要为碳元素，另外还有一定数量的氢、氧、氮、硫等其他元素。从煤的工业分析指标来看，发热量主要是煤中固定碳燃烧产生的。因此国际上利用工业分析结果计算发热量的公式，多以煤的固定碳作为主要指标。国内计算灰分超过45％的高灰分烟煤、无烟煤和石煤发热量的经验公式，也是以煤的固定碳含量作为主要计算参数。煤的干燥无灰基固定碳含量与挥发分一样，也是表征煤炭变质程度的一个参数，即煤中固定碳含量随煤的变质程度的增高而增高。一般褐煤的固定碳含量FCdaf≤60％，烟煤为50％～90％。无烟煤的FCdaf>90％。因此某些国家（如日本和美国）的煤炭分类即以干燥无灰基固定碳含量作为分类指标之一。空气干燥基固定碳含量也是某些工业用煤的一个重要指标。如对合成氨用煤要求固定碳含量FCd>65％。

10.什么是煤的燃料比？它有何用途？

煤的燃料比是指煤的固定碳与挥发分之比。燃料比也是表征煤化程度的一个指标，即煤的燃料比随煤的煤化程度的增高而增高。无烟煤的燃料比的变化范围一般是9～49，而贫煤的燃料比为4～9，瘦煤和贫瘦煤的燃料比为4～6.2，焦煤的燃料比一般为2.3～4.6，气煤和1/3焦煤的燃料比多为1.1～2.3，长焰煤的燃料比为1～1.7，褐煤的燃料比为0.6～1.5。因此有些国家（如日本）即以燃料比作为煤炭分类的主要指标之一。

11.什么是煤的焦渣特征？测定焦渣特征有何用途？

煤的焦渣特征是指煤测定挥发分后的残留焦渣的性状。它共分为以下八类。

①粉状　全部是粉末，没有互相黏着的颗粒。

②黏着　用手指轻碰即成粉末或基本上是粉末，其中较大的团块轻轻一碰即成粉末。

③弱黏结　用手指轻压即成小块。

④不熔融黏结　以手指用力压才裂成小块，焦渣上表面无光泽，下表面稍有银白色光泽。

⑤不膨胀熔融黏结　焦渣形成扁平的块，煤粒的界线不易分清，焦渣上表面有明显的银白色金属光泽，下表面银白色光泽更明显。

⑥微膨胀熔融黏结　用手指压不碎，焦渣的上、下表面均有银白色金属光泽，但焦渣表面具有较小的膨胀泡（或小气泡）。

⑦膨胀熔融黏结　焦渣上、下表面有银白色金属光泽，明显膨胀，但高度不超过15mm。

⑧强膨胀熔融黏结　焦渣上、下表面有银白色金属光泽，焦渣高度大于15mm。

根据煤的焦渣特征大小，即可判断其黏结性的强弱，再结合Vdaf值即可以大致预测其煤的类别为烟煤、褐煤或无烟煤以及烟煤中的何种小类别（如肥煤、焦煤、瘦煤等）。此外，根据焦渣特征的大小、再结合煤的Vdaf值还可计算烟煤的发热量和元素成分中的碳、氢、氧等含量和低温焦油产率。

12.中国不同类别煤的工业分析的大致分布范围如何？

除了煤的灰分和硫分与煤的不同类别无关以外，其他如煤的水分、挥发分和焦渣特征以及发热量等指标都与煤的类别有不同程度的关系。现将中国13类煤的主要工业分析指标列于表4-1。

13.测定煤的全水分时应注意哪些问题？

测定煤中全水分的关键问题是要保证原来煤样的水分没有损失也没有增加，即从制样到测试前的全过程中煤样的水分没有变化，为此必须注意以下几个问题：

①采集的全水分试样保存在密封良好的容器内，并放在阴凉的地方，以免水分蒸发后凝结在容器的顶部；

②制样操作过程要快，最好采用密封式破碎机；

③全水分样品送到试验室后立即测定；

④进行全水分测定的煤样粒度不宜过细，如要用较细的试样进行测定，则应该用密封式破碎机或用两步法进行测定——即先破碎成较大颗粒测定其外水，再破碎到较细颗粒测出其内水。

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