2.煤的工业分析

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4个煤质分析项目。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。

在国家标准中，煤的工业分析是指包括煤的水分(M )、灰分(A )、挥发分(V )和固定碳(FC)四个分析项目指标的测定的总称。煤的工业分析是了解煤质特性的主要指标，也是评价煤质的基本依据。通常煤的水分、灰分、挥发分是直接测出的，而固定碳是用差减法计算出来的。广义上讲，煤的工业分析还包括煤的全硫分和发热量的测定，又叫煤的全工业分析。

工业分析虽然简单，但根据分析结果，即能大致了解煤的经济价值和某些基本性质。水分和灰分可反映出煤中无机质的数量，而挥发分和固定碳则初步表明了煤中有机质的数量与性质。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。

如水分和灰分高的煤的有机质含量就少，发热量低，经济价值小。如我国的煤炭产品中就以灰分来划分煤的等级和价格。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情况。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。对于合成氨工业，煤的空气干燥基固定碳含量(FC_d)，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作长距离运输，因为在零下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。

总之，煤的工业分析是了解煤的性质和用途的重要指标。

煤工业分析的测试标准为GB/T 212-2008《煤的工业分析方法》，该标准由国家质量监督检验检疫总局和国家标准化管理委员会于2008年7月29日发布，于2009年4月1日实施。本标准规定了煤和水煤浆的水分、灰分和挥发分的测定方法和固定碳的计算方法。标准适用于褐煤、烟煤、无烟煤和水煤浆。

3.2.1 煤的水分

煤的水分测试方法要点见GB/T 212-2008。本标准规定了煤的3种水分测定方法。其中方法A（通氮干燥法）适用于所有煤种，方法B（空气干燥法）适用于烟煤和无烟煤。《煤的水分测定方法微波干燥法》作为独立的标准，供要求快速测定水分时使用，微波法适用于烟煤和褐煤。在仲裁分析中遇到有用空气干燥煤样水分进行校正以及基的换算时，应用方法A测定空气干燥煤的水分。

用来测定煤中空干燥基水分的方法普遍采用空气干燥法。应用该法测定时，应注意以下问题：

(1)试样粒度应小于0.2mm，干燥温度必须按要求加以控制（105～110℃）；干燥时间以达到干燥完全来合理掌握，不同煤源，即使属于同一煤种，其干燥时间也不一定相同。

(2)测定分析水分时，进行检查性干燥，每次30min，直到连续两次干燥煤样的质量减少不超过0.001g或质量有所增加时为止。在后一种情况下，要用质量增加前一次的称量结果作为计算依据。当分析水分小于2%时，就可不必进行检查性干燥。

(3)样品务必处于空气干燥状态后方可进行水分的测定。在制样时，为加速煤样的干燥而提高干燥温度（标准规定干燥温度不应超过40℃），结果致使煤样处于干燥或半干燥状态，这样所测出的M_ad往往很小，如仅仅在0.5%左右或更低。

一旦出现M_ad测定值过低的情况，可将小于0.2mm的样品倒入小盘中摊开，让其与空气接触一段时间，当达到恒重时，立即再次装入瓶中，重新测定空干基水分。

(4)在测定操作时，煤样置于称量瓶中，瓶盖垂直于瓶体，让水分充分逸出；当干燥完毕，将瓶盖盖好，自干燥箱中取出后，立即放置于干燥器中冷却至室温，视环境温度不同，一般要冷却10～15min。这和全水分干燥后要求趁热称重是不同的。全水分测定结果保留小数点后一位，而空干燥基水分保留小数点后两位。

3.2.2 煤的灰分

煤的灰分(A)，是指煤在一定温度(如815℃)下完全燃烧后剩下的残渣。因为这个残渣是煤中可燃物完全燃烧，煤中矿物质(除水分外所有的无机质)在煤完全燃烧过程中经过一系列分解、化合反应后的产物，所以确切地说，灰分应称为灰分产率。

(1)煤中矿物质  

煤中矿物质(mineral matter，简记符号MM)是除水分外所有无机质的总称。主要成分一般有粘土、高岭石、黄铁矿和方解石等。矿物类型属硅酸盐、碳酸盐、硫酸盐、金属硫化物和硫酸亚铁等。
5 ]2 S/ Z! g$ H$ f; `( E煤中矿物质分为内在矿物质和外在矿物质。

①内在矿物质，又分为原生矿物质和次生矿物质。

原生矿物质，是成煤植物本身所含的矿物质，它参与成煤，与煤有机质紧密结合，很难除去，6 _0 O$ q& @% U* N. n! f, y1 X其含量一般不超过1～2%；次生矿物质，是成煤过程中泥炭沼泽液中的矿物质与成煤植物遗体混在一起成煤而留在煤中的。次生矿物质的含量一般也不高，约10％以下，但变化较大。9 x, @# j  U0 }- v- m# H" W上述原生和次生矿物质都属煤的内在矿物质，故较难用洗选法脱除。6

内在矿物质所形成的灰分叫内在灰分，内在灰分只能用化学的方法才能将其从煤中分离出去。

②外来矿物质，是在采煤和运输过程中混入煤中的顶、底板和夹石层的矸石。外在矿物质形成的灰分叫外在灰分，外在灰分可用洗选的方法将其从煤中分离出去。

(2)煤中灰分

煤中灰分主要来源于煤中的矿物质。在大多数情况下，铁、铝、钙、镁、钾、钠的硅酸盐构成矿物质的主要成分，其中黏土（SiO₂·Al₂O₃·2H₂O）占较大比重。此外，还常有硫化铁、碳酸钙、碳酸镁、硫酸铁、氧化亚铁以及以有机盐形态存在的其他金属氧化物、磷酸盐、氯化物等。

煤在灰化过程中，即在815±10℃范围内所发生的主要变化是：各种矿物质先后失去结晶水；低于500℃时，硫化矿物分解生成二氧化硫；高于500℃后，碳酸盐矿物分解。标准方法规定的灰化最终温度815℃，实际上是指碳酸盐已经分解完全而硫酸盐尚未分解的温度。

①失水：

SiO₂·Al₂O₃·2H₂O→SiO₂+ Al₂O₃+2H₂O↑

CaSO₄·2H₂O→CaSO₄+2H20↑

②碳酸盐分解：CaCO₃→CaO+CO₂↑

③化合反应CaO+SO₃→CaSO₄

FeO+SO₃→2Fe₂O₃+8SO₂↑

灰分通常比原物质含量要少，因此根据灰分，用适当公式校正后可近似地算出矿物质含量。  

(3)煤灰分对工业利用的影响4 Y  ]6 H: ?1 h: x ! F. l, G9 u, Q9 ^

煤中灰分是煤炭计价指标之一。在灰分计加重，灰分是计价的基础指标；在发热量计加重，灰分是计价的辅助指标。  

煤中的矿物质或灰分一般都是不利的灰分是煤中的有害物质，它不仅影响煤的热量，同样影响煤的使用、运输和储存。灰分越高，煤炭燃烧的热效率越低；灰分越多，煤炭燃烧产生的灰渣越多，排放的飞灰也越多。

煤用作动力燃料时，灰分增加时，煤中可燃物质含量相对减少，不仅使煤的发热量降低，而且矿物质燃烧灰化时还要吸收热量；此外，煤的灰分越高，大量排放炉渣时也要带走不少热量，因而降低了煤的发热量，影响了锅炉操作(如易结渣、熄火)，加剧了设备磨损，增加排渣量。动力用煤的灰分每增加1％，大约使煤耗量增加2.0～2.5％。

炼焦用煤的灰分对焦炭质量的影响更大，炼焦煤灰分高，造成焦炭灰分高，炼铁时就要多消耗焦炭和作为助熔剂的石灰石。一般认为，焦炭灰分每增加1％，焦比增加2～2.5，石灰石增加4％，高炉产量降低3%。如果再加上因灰分增加而带来的含硫量增加，那后果就更为严重了。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。

还必须指出的是，煤中灰分增加，增加了无效运输，加剧了我国铁路运输的紧张。在选煤过程中要尽量除去外来的矿物杂质，降低灰分。

(4)在煤炭运销中常用的灰分指标有：空干基灰分(A_ad)、干基灰分(A_d)和收到基灰分(A_ar)。

(5)灰分的测定：煤的灰分测定见GB/T 212-2008。缓慢灰化法的主要技术问题：

缓慢灰化法采用分段升温。500℃以前升温速度要慢，使硫化物分解有足够的时间。在500℃时要求恒温30min，以保证硫化物分解产生的二氧化硫排出炉外。最后将炉温升到815℃，此时碳酸钙分解，二氧化硫已排出炉外。

如果二氧化硫气体不能及时从炉内排出，它将与氧化钙发生反应生成硫酸钙被固定在灰中，从而使得灰分测定结果偏高。为此，高温炉要安装烟囱，如某些试验室所使用的高温炉没有烟囱，则可参照有烟囱的高温炉自行加工，将其安装于高温炉上或者将炉门保留适当缝隙。但有的高温炉不关严炉门就断电，则可将炉门上看火孔打开或增设通风孔。

测定灰分时，煤样在灰皿中的厚度不应超过0.15 g/cm²。煤样厚度太大，即使完全灰化也会使灰分的测定值偏高。这是由于煤表面灰化后，底部生成的硫氧化物会被表面灰中氧化钙所固定，从而产生灰分测定值偏高的倾向。

在灰化方式上，最好选用单一样品单独灰化。如多种样品置于同一炉中灰化，由于在灰化过程中反应产物的互相作用，将影响灰分含量。煤样混烧与单烧相比，其测定结果往往不同，特别是煤中含硫量及灰中氧化钙含量较高时，其测定结果的差别更为明显。

为了检查灰化情况，须进行检查性灼烧，每次20min，直到连续两次灼烧质量变化不超过0.001g为止，应用最后一次灼烧后的质量进行灰分计算。对灰分小于15%的煤，在灰化后可不必进行检查性灼烧。

3.2.3 煤的挥发分

3.2.3.1含义

煤的挥发分(V)，即煤在规定条件下隔绝空气加热，并进行水分校正后的质量损失。剩下的残渣叫做焦渣。因为挥发分不是煤中固有的，而是在特定温度下热解的产物，所以确切的说应称为挥发分产率。

3.2.3.2测定意义

煤的挥发分产率与煤的变质程度有比较密切的关系，在我国煤炭分类方案中,都以挥发分作为第一分类指标。根据挥发分产率和测定挥发分后的焦渣特征可初步确定煤的加工利用途径。例如，在电力系统中，挥发分是锅炉设计需首先考虑的指标，是火力发电厂入厂煤计价的一个重要参数。挥发分的高低直接影响电厂制粉系统安全运行及锅炉稳定燃烧。

(1)煤的挥发分不仅是炼焦、气化要考虑的一个指标，也是动力用煤的一个重要指标，是动力煤按发热量计价的一个辅助指标。

挥发分是煤分类的重要指标。煤的挥发分与煤的变质程度有很大的关系，随煤化程度的增加，挥发分降低。如泥炭的挥发分高达70%，褐煤一般为40～60%，烟煤一般为10～50%，高变质的无烟煤则小于10%。

挥发分是决定煤炭利用的重要指标。煤化程度低的煤，挥发分较高。如果燃烧条件不适当，挥发分高的煤燃烧时易产生未燃尽的碳粒，俗称“黑烟”；并产生更多的一氧化碳、多环芳烃类、醛类等污染物，热效率降低。因此，要根据煤的挥发分选择适当的燃烧条件和设备。

在燃煤中，根据挥发分来选择适于特定煤源的燃烧设备或适于特定设备的煤源(在锅炉设计时已将挥发分值设定在某一范围，所以用户在购煤时要强调挥发分指标)；在炼焦中，要根据挥发分来确定配煤比例，因挥发分适中的烟煤，粘结性好，适于炼焦；在气化和液化工艺的条件选择上，挥发分也有重要的作用；在环境保护中，挥发分还作为一项制定烟雾法令的依据。

对于挥发分高的煤炭，比较易燃，储存时需注意：在煤场储存过程中要压实，并保证一定时间段的监控；在生产使用过程中也要小心制粉系统爆炸。

(2)挥发分是煤的工业分析中最难测准的一个项目，影响挥发分测定的因素很多,主要有加热温度和时间;坩埚材质、大小、厚薄、严密性与坩埚架大小;试样的质量和粒度以及水分测定的准确度和实验操作是否规范等。因此测定方法为规范性试验方法。

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CB)，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V_daf作为煤炭分类的一个主要指标。

在煤炭运销中常用的挥发分指标有：空干基挥发分(V_ad )、干基挥发分(V_d)、收到基挥发分(V_ar)和干燥无灰基挥发分(V_daf )。

3.2.3.3测定

煤的挥发分测试要点见GB/T 212-2008。

(1)加热温度与加热时间的控制：严格控制好加热温度（900±10℃）及加热时间（7min），是挥发分测定中的关键。在此条件下，各种煤中有机物的热分解反应趋于完全，挥发分测定结果比较稳定。

(2)坩埚称重与放置要求：测定挥发分时，必须使用符合标准要求的挥发分坩埚，其盖与坩埚配合严密，总质量为15～20g。称量试样时须连同坩埚盖一起称重。为了使同一炉中测定的各个试样保持相同的试验条件，应将挥发分坩埚置于坩埚架上，将其放于高温炉恒温区域内。这样既可避免坩埚底与高温炉壁直接接触，又可使各个坩埚所处温度尽可能一致。

测定挥发分时，应将高温炉上烟囱封住，否则，会使测定结果偏高。打开炉门放进坩埚后，必须立即关好炉门，以使高温炉能在3min内回升到900±10℃，如果不能达到此要求，则试验作废。

(3)坩埚的取出与称量：当坩埚送入高温炉恒温区时，计时开始，同时立即关好炉门，当时间快到7min 时，一般提前2～3S打开炉门，正好7min时，将坩埚移出高温炉。

在测定时，坩埚及其盖的外表面如聚有黑烟，多因煤中挥发分含量太大，逸出速度太快所致。碰上这种情况，试验应作废。此时可将煤样压成饼并切成小块后重新测定，如仍出现上述情况，则称样量可酌量减少。

从炉中取出坩埚后，先应置于空气中冷却15～20min，再移入干燥器中冷却至室温（约20min）后称重，计算出挥发分含量。

应用标准煤样，不仅可检查测定结果的准确性，同时也有助于查明产生误差的原因。若测定结果偏高，可能是炉温偏高。

在煤的工业分析中，挥发分是比较难测准的一个项目，一方面要严格控制测试条件，另一方面所用仪器设备均须满足标准要求。任何方面的疏忽大意，均有可能导致测定结果产生较大的误差。这里，应特别强调应用标准煤样来检查测定结果的重要性与必要性。

3.2.3.4焦渣特征

焦渣特征(CB)是煤样测定挥发分后的残留物的黏结、结焦性状。根据不同形状分为8个序号，其序号即为焦渣特征代号。

粉状(1型)：全部是粉末，没有相互粘着的颗粒。

粘着(2型)用手指轻碰即为粉末或基本上是粉末，其中较大的团块轻轻一碰即成粉末。

弱粘性(3型：用手指轻压即成不块;

不熔融粘结(4型)：用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。

不膨胀熔融粘结(5型)：焦渣形成扁平的块，煤粒的界限不易分清，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。

膨胀熔融粘结(6型)：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。

膨胀熔融粘结(7型)：焦渣的上、下表面均有银白色金属光泽，明显膨胀，但高度不超过15mm。

强膨胀熔融粘结(8型)：焦渣的上、下表面有银白色金属光泽，焦渣高度大于15mm。

3.2.4 煤的固定碳

煤的固定碳(FC)是从测定挥发分的煤样残渣中减去灰分后的残留物，通常由100减去水分、灰分和挥发分得出。

它的组成以元素碳为主，固定碳和元素碳两者之间，存在有规律的正比关系。固定碳中仍然有少部分氢、氧、氮、硫等元素。煤中固定碳的高低除了与水分、灰分等杂质多少直接相关外，它还与煤化程度成正比，即煤化程度高，其挥发分低，固定碳高。煤的固定碳与挥发分一样，也是表征煤的变质程度的一个指标。所以一些国家以固定碳作为煤分类的一个指标。

由于煤的发热量与固定碳成正比，因而工业部门常把固定碳作为煤质分析的重要指标。如化肥用煤规定，固定碳必须大于65%，因为煤的挥发分受热后很快析出，很难得到充分燃烧，而固定碳高的煤则能在锅炉中得到较长时间燃烧，其热利用率高，因此工业锅炉用煤也要考虑其固定碳大小。

固定碳计算公式： FC_ad=100-(M_ad+A_ad+V_ad)

式中，FC_ad为分析煤样的固定碳，%； M_ad为分析煤样的水分，%；A_ad为分析煤样的灰分，%；V_ad为分析煤样的挥发分，%。

干燥基固定碳计算公式： FC_d=100-( A_d+V_d)

干燥无灰基固定碳计算公式： FC_daf=100-V_daf