淺談三節(jié)爐法測定煤中碳氫元素

胡 杰浦紹飛（1.云南省煤及煤化工產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，云南 曲靖 655000；2.曲靖市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督綜合檢測中心，云南 曲靖 655000）

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淺談三節(jié)爐法測定煤中碳氫元素

胡 杰1，2浦紹飛1，2
（1.云南省煤及煤化工產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，云南 曲靖 655000；2.曲靖市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督綜合檢測中心，云南 曲靖 655000）

摘 要：本文介紹了三節(jié)爐法測定碳、氫元素的方法原理，檢測過程中應(yīng)注意的問題，以及測定碳、氫元素的重要意義。

關(guān)鍵詞：三節(jié)爐；檢測過程；注意事項

碳和氫是煤的有機質(zhì)的主要組成元素。碳和氫是煤的可燃成分。煤中碳、氫元素燃燒時會釋放大量熱能，是煤發(fā)熱量的主要來源。碳元素是組成煤的有機質(zhì)大分子的骨架，是焦炭的主要物質(zhì)基礎(chǔ)。氫元素是煤中第二個重要元素，其質(zhì)量分數(shù)相對于碳元素較小，只有碳元素的1/12。泥炭和年輕的褐煤就其碳、氫原子比例而言，可能氫元素的原子比例比碳元素的還高。在變質(zhì)程度相同的條件下，腐泥煤比腐植煤的氫含量高，而碳含量低。不管是煤化度低的泥炭，還是煤化度高的無煙煤，它們所含碳元素的質(zhì)量分數(shù)都是最高的。煤中碳含量隨其煤變質(zhì)程度的加深而增高，而氫含量卻隨煤變質(zhì)程度的加深而降低。泥炭的干燥無灰基碳含量為55%～62%；褐煤的碳含量為60%～77%；煙煤的碳含量為77%～93%；無煙煤的碳含量為88%～98%；氫元素占煙煤和褐煤有機質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)為4.0%～6.5%；無煙煤為1%～4%。在同一種煤中，其變質(zhì)程度相同的條件下，一般惰質(zhì)組的干燥無灰基碳含量最高，鏡質(zhì)組次之，殼質(zhì)組最低；殼質(zhì)組的干燥無灰其氫含量最大，鏡質(zhì)組次之，惰質(zhì)組最低。

1 測定煤中碳氫元素的意義

首先，碳含量與煤的變質(zhì)程度有密切關(guān)系，在一定情況下碳含量更能準確的表征煤的煤化程度。而對于氫含量來說，氫含量隨變質(zhì)程度加深而降低的并不多，規(guī)律性并不明顯；但在無煙煤階段甲烷減少量逐漸增多且規(guī)律性明顯，從而根據(jù)氫含量可以劃分無煙煤的小類指標。其次，煤的碳氫含量可以表征出煤性質(zhì)的不同，如碳含量高而氫含量低的煤通常是一些無黏結(jié)性的貧煤或無煙煤等年老的煤；而干燥無灰基碳含量在84%-88%，氫含量在5%以上的中等變質(zhì)程度的煤，是結(jié)焦性最好的煤。再次可以利用碳和氫的含量推算發(fā)熱量，以及推算燃燒設(shè)備的理論燃燒溫度和計算鍋爐燃燒中的熱平衡，也可根據(jù)碳氫的分析數(shù)值計算物料平衡。

2 方法原理

一定量煤樣在氧氣流中全燃燒；碳元素和氫元素等燃燒生成二氧化碳和水。生成的二氧化碳和水分別用二氧化碳吸收劑和吸水劑吸收，根據(jù)吸收劑的增量計算出煤中的碳、氫元素的質(zhì)量分數(shù)。煤樣中硫和氯對碳測定的干擾用鉻酸鉛和銀絲卷消除，氮對碳測定的干擾用粒狀二氧化錳消除。

2.1 燃燒反應(yīng)

2.2 二氧化碳和水的吸收反應(yīng)

2 Na OH+CO2→Na2CO3+H2O，CaCl2+ 2H2O→CaCl2·2H2O或CaCl2· 2H2O+4H2O→CaCl2·6H2O；Mg（ClO4）2+ 6H2O→Mg（ClO4）2·6H2O

2.3 氯、硫氧化物和氮氧化物的消除反應(yīng)

硫氧化物可用鉻酸鉛消除，氯可用銀絲卷消除，氮氧化物可用粒狀二氧化錳消除。

3 碳氫含量的計算

一般分析煤樣或水煤漿干燥試樣的碳、氫質(zhì)量分數(shù)分別按式（1）和式（2）計算：

式中：

w（Cad）——一般分析煤樣或水煤漿干燥煤樣中碳的質(zhì)量分數(shù)，%；

w（Cad）——一般分析煤樣或水煤漿煤樣中氫的質(zhì)量分數(shù)，%；

m——一般分析煤樣質(zhì)量，g；

m1——吸收二氧化碳∪形管的增量，g；

m2——吸水∪形管的增量，g；

m3——水份空白值，g；

Mad——一般分析煤樣水分的質(zhì)量分數(shù)，%；

0.2729——將二氧化碳折算成碳的因數(shù)；

0.1119——將水折算成氫的因數(shù)。

有機碳的測定，按式（3）計算有機碳的質(zhì)量分數(shù)。

式中：

W（Co，ad）——一般分析煤樣中有機碳的質(zhì)量分數(shù)，%；

W［（CO2）ad］——一般分析煤樣中碳酸鹽二氧化碳的質(zhì)量分數(shù)，%；其余符號同式（1）。

水煤漿中碳和氫的質(zhì)量分數(shù)分別按式（4）和式（5）計算：

式中：

W（Ccwm）——水煤漿中碳的質(zhì)量分數(shù)，%；

W（Cad）——水煤漿干燥煤樣中碳的質(zhì)量分數(shù)，%；

W（Hcwm）——水煤漿中氫的質(zhì)量分數(shù)，%；

W（Had）——水煤漿干燥煤樣中氫的質(zhì)量分數(shù)，%；

Mcwm——水煤漿水分的質(zhì)量分數(shù)，%；

Mad——水煤漿干燥煤樣水分的質(zhì)量分數(shù)，%。

4 碳和氫測定的重復性限和再現(xiàn)性臨界差（表1）

表1 碳和氫測定的精密度

5 空白試驗

空白試驗的測定過程和試樣的測定過程完全相同，只是做空白試驗時不用裝試樣?？瞻自囼灥哪康氖菧y出燃燒管內(nèi)殘存的水分和少量的有機物含量作為空白值?？瞻自囼炇且粋€極為重要又是非常耗時的試驗，且在做空白試驗時空白試驗的水分吸收管前后兩次的質(zhì)量差值不能超過0.0010g；二氧化碳吸收管的前后兩次的質(zhì)量差值不能超過0.0005g。碳、氫的測定裝置應(yīng)在一個溫濕度相對穩(wěn)定的環(huán)境下，不然空白值很難達到理想的恒重狀態(tài)。如果空白適當調(diào)節(jié)燃燒管的位置。

6 煤樣的測定

當空白試驗完成之后方可進行煤樣的檢測。

測定煤樣時其操作是非常重要的，根據(jù)檢測經(jīng)驗總結(jié)為：在測定煤樣時先檢查整個測定裝置，將第一節(jié)爐的溫度控制在（850±10）℃，第二節(jié)爐的溫度控制在（800±10）℃，第三節(jié)爐的溫度控制在（600±10）℃，并將第一節(jié)爐緊靠第二節(jié)爐，將水分及二氧化碳吸收瓶連接好，控制氧氣流速為120mL/min，當流量計所指示的流速穩(wěn)定，系統(tǒng)末端的氣泡顯示正常，則可以開始測定煤樣。

在預(yù)先灼燃處理過的燃燒舟中稱取粒度小于0.2mm的一般分析煤樣0.2g（可適當少于0.2g），晃動樣品上方覆蓋少許干燥的三氧化鎢或三氧化鉻粉，迅速打開橡皮塞取出銅絲卷，將燃燒舟推至燃燒管中，使其剛好在第一節(jié)爐爐口放入銅絲卷，迅速套好橡膠冒或塞緊橡膠塞。1min后，移動第一節(jié)爐，使燃燒舟的一半進入爐子，過2min后，移動爐體，使燃燒舟全部進入爐子，再過2min后，使燃燒舟位于爐子中央；保溫18min后，把第一節(jié)爐移回原位，2min后取下吸收系統(tǒng)，關(guān)閉磨口塞，用絨布擦凈，戴上干凈手套，在天平旁放置10min后稱量（一般除氮管不用稱量），若第二個二氧化碳“U”形管質(zhì)量變化小于0.0005g，計算時可忽略。用絨布擦凈、戴干凈手套以防止影響測定結(jié)果。對于高灰分，低揮發(fā)分的煤樣，可采用適延長燃燒時間來確保煤樣燃燒完全。繼續(xù)做第二個試樣時，將水分和二氧化碳吸收“U”形管的活塞打開，在連接到吸收系統(tǒng)中，查看當氣路暢通時可開始第二個樣品的檢測。

7 測定煤碳氫元素過程中應(yīng)注意的事項

7.1 由于煤燃燒所需氧氣中還有少量的水分和二氧化碳所以需設(shè)置氧氣凈化系統(tǒng)。氧氣中的水分用過氯酸鎂及濃硫酸消除。二氧化碳用粒狀堿石棉來消除。若不消除氧氣中攜帶的水分和二氧化碳，可能會使煤中碳氫測定值偏高。

7.2 碳氫測定系統(tǒng)必須具有良好的所密性。吸收管的管塞或瓶塞都應(yīng)使用磨口的，乳膠管應(yīng)選用管口徑較細的，及時更換老化的乳膠管。燃燒管應(yīng)選用致密剛玉管，不透鋼管或石英管。（不銹鋼燃燒管應(yīng)用多一些。）測定過程中，各節(jié)爐的控制溫度不能超過規(guī)定的溫度，特別是第三節(jié)爐的溫度不能超過（600±10）℃，否則鉻酸鉛顆粒會熔化粘連，脫硫效果會降低；會干擾碳的測定。如果爐溫超過規(guī)定值，鉻酸鉛顆粒熔化粘連應(yīng)立即停止試驗，切斷電源，待爐溫降低后更換燃燒管內(nèi)的試劑。

7.3 粒狀鉻酸鉛需自行制備。制備粒狀鉻酸鉛時可將粉狀鉻酸鉛加少量的水調(diào)成糊狀，上乳膠手套加工成玉米粒大小的顆粒，置于干燥箱中烘干，然后在（600±10）℃的高溫爐內(nèi)灼燒30min即可，置于磨口玻璃瓶中備用。

7.4 由于新的橡皮帽和橡皮塞受熱分解會使碳氫的測定值不準確，而且會使空白值不恒定。所以橡皮帽或橡皮塞應(yīng)在105℃～110℃下烘烤8h以上，恒重后才可以使用。

7.5 燃燒管內(nèi)填充物一般使用70～100次后就應(yīng)更換。但氧化銅、鉻酸鉛、銀絲卷經(jīng)處理后還可重復使用。氧化銅的處理可用1mm孔篩子篩去粉末；鉻酸鉛的處理可用熱稀堿液50g/L的氯化鈉溶液浸漬，然后用水洗凈干燥，并在500℃～600℃下均燒0.5h；銀絲卷的處理可用濃氨水浸泡5min，在蒸餾水中煮沸5min，用蒸餾水沖洗干凈并干燥；即可重復使用。

7.6 觀察浮子流量計，當浮子流量計指針呈下降趨勢；則可能是浮子流量計前方泄漏之處或是氧氣壓力不夠。如果裝置末端氣泡計不冒泡；則是系統(tǒng)中有漏氣或堵塞之處，若是漏氣應(yīng)更換橡膠塞或塞緊磨口瓶瓶塞，若是堵塞則可能是氣孔錯位或是真空脂過多所堵。

7.7 當堿石棉約有1/2失效時應(yīng)及時更換，一般二氧化碳吸收劑可測5～6個單樣更換，而水分的吸收劑可測40個左右單樣更換。

結(jié)語

三節(jié)爐法測定煤中碳氫元素含量的方法是經(jīng)典的重量法，它的測定結(jié)果準確可靠。三節(jié)爐法測定煤中的碳氫含量是一項操作難度很大很嚴謹?shù)墓ぷ?。在實際操作過程中會有很多因素影響檢測結(jié)果這需要工作人員能獨立即克服檢測過程中遇到的突發(fā)問題，熟練檢測規(guī)程，熟悉標準。

參考文獻

［1］趙新法，賈風軍.煤化學［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2010.

［2］曹長武.火電廠煤質(zhì)檢測技術(shù)［M］.北京，中國標準出版社，2008.

［3］GB/T476-2008，煤中的碳和氫的測定方法［S］.

［4］常溪溪.淺淡三節(jié)爐法測定煤中碳氫元素含量［D］.

中圖分類號：TQ533

文獻標識碼：A