煤质分析可以分为常规分析和特种分析(或称非常规分析)两大类。
常规分析是指按照国家技术标准测定煤炭的基本物理、化学特性的分析项目,主要有工业分析、元素分析、灰成分分析,煤、煤粉和灰分性质的测定等。工业分析包括对水分、挥发分、灰分和固定碳的测定,有时还包括硫分和发热量等项数据的测定。煤中的水分和灰分含量常随开采、运输、贮存及气候条件而异,其他成分的含量也将随之发生变化,为了便于生产和科研,通常采用四种成分分析基准:①收到基:以收到状态的煤为基准的表示方法;②空气干燥基:以空气干燥状态的煤为基准的表示方法;③干燥基:以无水状态的煤为基准的表示方法;④干燥无灰基:以假想的干燥无灰状态的煤为基准的表示方法。
特种分析又称非常规分析,是测定表征煤着火、燃尽、结渣和积灰等特性的专项分析。国际上已有基本定型的试验工艺,但尚未形成技术标准。特种分析是通过专门的试验装置、使用先进的仪器或对常规分析数据进行处理来实现的;当前主要有以下几种测定项目,即煤粉着火指数、热(重)分析、比表面积测定、热解化学动力学常数的测定、焦燃烧速率系数的测定、结渣倾向判别、沾污特性的判别。
煤在隔绝空气下加热,大致情况是:小于100℃煤中吸附的气体和部分水逸出,小于110℃内水逸尽,至200℃化合水逸出;250℃第一次热解开始,有气体逸出;大于350℃有焦油产生;550~600 ℃,焦油逸尽;大于600℃第二次热解开始,气体再度逸出冷凝得高温焦,900~1000℃分解停止,残留物为焦炭(灰分+固定碳)。
以空气干燥过的煤样为基准的成分称为空气干燥基成分。空气干燥基以经过自然干燥,除去外部水分后的煤为基准,以下标ad表示。空气干燥基,原分析基,以上标f表示。
当煤样在实验室的正常条件下放置,即在实验室中室温20℃,空气相对湿度60%时,煤样在试验室中存放一定时间后,会失去一些水分而达到一个稳定的水分含量,称为空气干燥水分(air dired),其余成分也称为空气干燥成分,以ad表示,其成分可以写成:Mad+Vad+FCad+Aad=100(%)
注:煤的工业分析所测定煤的水分为空气干燥煤样的水分(Mad,过去先后用的符号是Wa、Wf)。它是将一定数量的煤样,预先风干制成供化验用的空气干燥煤样,在102~105℃的温度下烘至恒重,使之达到完全干燥。然后,根据煤样失去的质量,计算出煤的水分。空气干燥煤样水分与煤质有关,它随变质程度的增高而降低,但到无烟煤阶段,水分又略有增高;同样,煤受风化后,水分也要增高。
煤炭水分(moisture content of coal)是2017年公布的化工名词,是指煤中水分。在一定环境温度和湿度下,煤与大气达到接近平衡时所失去的那部分水(外在水)和留下来的内在水分。一般分为收到基水分(外在水和内在水)、空干基水分(内在水)。按结合状态分为游离水和化合水。
M表示游离水,是吸着润湿在煤表面和吸附凝聚在煤内部毛细孔中以机械方式结合的水;煤中存在的水分根据其结构状态的不同,在对煤质分析研究时往往进一步分成外在水分和内在水分,两者之和为全水分(Mt );
化合水又称结晶水,是煤中与矿物质结合的除去全水分后仍保留下来的水分,分解温度较高,一般不作测定。
挥发分是指在隔绝空气的条件下,将煤在900±10摄氏度下加热7分钟,煤中的有机质和一部分矿物质就会分解成气体(如一氧化碳、甲烷等可燃气体)和液体溢出,溢出物减去煤中的水分即为挥发分。评价煤质时为了排除水分(环境差异)、灰分(工况差异)变化的影响,须将分析煤样挥发分换算为以可燃物为基准的挥发分(可燃基/干燥无灰基 挥发分),以符号Vr表示。。
煤在规定条件下隔绝空气加热进行水分校正后的质量损失即为挥发分。去掉挥发分后的残渣叫焦渣。挥发分不是煤中原来固有的挥发性物质,而是煤在严格规定条件下,加热时的热分解产物,确切地说,煤中挥发分应叫挥发分产率。
“灰分”是煤碳完全燃烧后剩下的固体残渣,是重要的煤质指标。灰分主要来自煤炭中不可燃烧的矿物质。缓慢灰化法:称取1g空气干燥煤样,放入马弗炉中,以一定的速度加热到815±10℃,灰化并灼烧到质量恒定,以残留物的质量占煤样质量的百分数作为灰分产率。(马弗炉是一种通用的加热设备,依据外观形状可分为箱式炉、管式炉、坩埚炉)
衡量煤中的灰分一般用到:原煤灰分和浮煤灰分两个概念。原煤、浮煤灰分用Ad%符号表示。我国煤中的灰分普遍较高,且变化也很大。灰分小于10%的特低灰煤全国仅约占探明储量的17%左右。
通常将约1g煤粉置于有盖的标准坩埚中,在900℃时加热7分钟,剩余的质量减去灰分即得。