坩堝對測定煤揮發(fā)分的影響分析

陳筱鈺

(同煤廣發(fā)化學(xué)工業(yè)有限公司，山西 大同 037000)

揮發(fā)分是煤炭分類最重要的指標(biāo)之一，同時，煤的揮發(fā)分產(chǎn)率能反映出煤的許多重要性質(zhì)，因此，揮發(fā)分測定是煤工業(yè)分析中的重要檢測方法[1]。然而，煤中揮發(fā)分是煤在一定實驗條件下經(jīng)過加熱后的熱分解產(chǎn)物，其主要由水分、碳?xì)溲趸锖吞細(xì)浠衔?以CH4為主)組成[2]。影響揮發(fā)分測定結(jié)果的因素有很多，不同實驗條件都會產(chǎn)生不同的實驗結(jié)果。為此，提高煤揮發(fā)分測定的準(zhǔn)確度和精確度就顯得尤為重要。本文主要探究分析坩堝對準(zhǔn)確測定煤中揮發(fā)分的影響。

1 煤中揮發(fā)分的測定

1.1 煤中揮發(fā)分及煤的熱解

在我國及國際煤炭分類方案中，均以揮發(fā)分作為第一分類指標(biāo)。國標(biāo)GB/T3715—2007中認(rèn)為，煤揮發(fā)分(Vdaf)是煤中有機質(zhì)的可揮發(fā)的熱分解產(chǎn)物[3]。實驗中將煤樣在隔絕空氣條件下高溫加熱，形成的由水分、碳?xì)溲趸锖吞細(xì)浠衔?以CH4為主)組成的混合物，作為煤揮發(fā)分。

測定煤的揮發(fā)分主要是煤的高溫?zé)峤?，而煤的熱解是將煤在隔絕空氣條件下持續(xù)加熱至高溫時發(fā)生的一系列反應(yīng)，屬于吸熱反應(yīng)。煤的熱解過程如圖1所示[4]。

1.2 煤中揮發(fā)分的測定原理

揮發(fā)分不是煤中固有的揮發(fā)性物質(zhì)，其測定實際上是一項規(guī)范性較強的實驗項目。因次，嚴(yán)格把控測定的各個環(huán)節(jié)才能得到準(zhǔn)確的測定結(jié)果。

圖1 煤的熱解過程圖示

根據(jù)國標(biāo)GB/T212—2008規(guī)定，一般情況下，煤中揮發(fā)分測定方法是：首先，稱取一定量干燥煤樣放在帶蓋的瓷坩堝內(nèi)，約(1.0±0.01)g；其次，對瓷坩堝隔絕空氣加熱7 min，具體控制溫度為(900±10)℃左右；第三，揮發(fā)分結(jié)果具體計算見公式(1)[5]。

V=(m0-m)/m0×100-Mad

(1)

式中:V為空氣干燥基揮發(fā)分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；m0為稱取的煤樣質(zhì)量，g；m為剩余的煤樣質(zhì)量，g；Mad為煤樣的水分含量，%。

1.3 煤中揮發(fā)分測定的分析步驟

1.3.1 儀器設(shè)備

煤中揮發(fā)分測定所用的儀器設(shè)備主要有干燥器、分析天平、馬弗爐、瓷坩堝(帶蓋)、坩堝架(夾)。儀器設(shè)備完全符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T212—2008。

1.3.2 分析步驟

本實驗煤中揮發(fā)分測定的具體分析步驟有：稱量初始煤樣及準(zhǔn)備、加熱煤樣及稱量剩余煤樣及計算三步。所有的實驗步驟都嚴(yán)格按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T212-2008中的操作步驟。具體如第69頁圖2所示。

1.3.3 測定方法

國家標(biāo)準(zhǔn)中要求坩堝的質(zhì)量為15 g～20 g。本實驗中，以同一試樣在相同方法、不同質(zhì)量的坩堝(采用型號及材料相同)中進(jìn)行實驗，且為了驗證重復(fù)性和再現(xiàn)性，每個質(zhì)量段坩堝做6次平行實驗，并取6次平行實驗得到的平均揮發(fā)分(%)為此質(zhì)量段坩堝的揮發(fā)分，以研究揮發(fā)分產(chǎn)率在坩堝總質(zhì)量15 g～22 g具體變化情況。同時，為研究坩堝壁厚及坩堝蓋質(zhì)量(坩堝蓋與坩堝吻合且活動度小)對揮發(fā)分的影響，把坩堝整體分成坩堝和坩堝蓋，探討其對煤揮發(fā)分影響的變化規(guī)律。此外，探討用不同坩堝架測定揮發(fā)分的區(qū)別，如圖2所示。

圖2 煤中揮發(fā)分測定的具體分析步驟及具體操作

2 坩堝影響煤揮發(fā)分測定的主要因素

2.1 不同質(zhì)量坩堝實驗結(jié)果

本次參與實驗的坩堝每次均放在坩堝架的第一排，不同質(zhì)量坩堝測定同一煤試樣揮發(fā)分，具體測定實驗結(jié)果如表1、圖3所示。

表1 不同質(zhì)量坩堝測定同一煤試樣揮發(fā)分①實驗結(jié)果

圖3 同一煤試樣揮發(fā)分隨不同質(zhì)量坩堝變化圖

由表1實驗結(jié)果及圖3變化圖可知，同一煤試樣揮發(fā)分隨著坩堝質(zhì)量的遞增有微小遞減的趨勢。且最大與最小值相差0.43%，超出誤差允許范圍。

2.2 不同坩堝壁厚、坩堝蓋質(zhì)量的影響

由于本實驗以同一試樣在相同方法、不同質(zhì)量的坩堝中進(jìn)行實驗。坩堝質(zhì)量增加表明坩堝壁厚的增加以及坩堝蓋質(zhì)量的增加，由2.1研究表明，揮發(fā)分隨坩堝壁厚度的增加而逐漸降低，呈線性變化；同時，揮發(fā)分隨坩堝蓋質(zhì)量的增加而逐漸降低，呈線性變化。

2.3 不同坩堝架測定揮發(fā)分的區(qū)別

由于坩堝在坩堝架上受熱程度的不同，從而可能影響揮發(fā)分的測定結(jié)果。為了進(jìn)一步驗證不同坩堝架測定揮發(fā)分的區(qū)別，本實驗分別采用熱、冷坩堝架進(jìn)行對比實驗，結(jié)果如表2所示。

表2 熱坩堝架與冷坩堝架測定同一煤

由表2可知，用熱坩堝架測定的結(jié)果明顯高于用冷卻的坩堝架測定的結(jié)果。分析其原因可能是，坩堝放于熱坩堝架上首先得到了預(yù)熱，對煤的熱解過程及煤揮發(fā)分測定而言，加熱速度更快，熱解可能更徹底。同時，熱坩堝架與冷坩堝架測定同一煤試樣揮發(fā)分差值超出允許誤差范圍，表明影響較大，需要特別注意。

3 結(jié)果與討論

通過上述分析結(jié)果可知，坩堝對揮發(fā)分的產(chǎn)率是有影響的，具體的影響為：煤揮發(fā)分隨坩堝質(zhì)量的增加以及坩堝壁厚、坩堝蓋質(zhì)量的增加，而呈現(xiàn)出線性降低的趨勢；用熱坩堝架測定的結(jié)果明顯高于用冷卻的坩堝架測定的結(jié)果。分析原因可能是，瓷坩堝的導(dǎo)熱性較差，而煤中揮發(fā)分的測定過程屬于煤的高溫?zé)峤膺^程，所以在揮發(fā)分測定過程中煤樣的實際溫度及升溫速度較低，尤其使用厚壁坩堝進(jìn)行揮發(fā)分測定時更會導(dǎo)致此現(xiàn)象。同理，坩堝放于熱坩堝架上首先得到了預(yù)熱，有助于煤的高溫?zé)峤膺^程，因此，用熱坩堝架測定的結(jié)果明顯高于用冷卻的坩堝架測定的結(jié)果。

綜上所述，揮發(fā)分測定是一項規(guī)范性很強的實驗，其測定結(jié)果會受很多因素的影響。因此，在測定時應(yīng)詳細(xì)了解影響測定的因素和掌握應(yīng)注意的事項，嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行操作。