煤炭和焦炭检测

煤炭和焦炭检测技术综述

煤炭和焦炭作为基础的能源和冶金原料，其质量直接关系到利用效率、工艺稳定性、环境保护及经济成本。因此，建立一套科学、准确、标准化的检测体系至关重要。、元素分析、物理性质、工艺性质和有害元素分析等大类。

1.1 工业分析
工业分析是评价煤炭经济价值的基础指标，包括水分、灰分、挥发分和固定碳。

• 水分 (M): 分为全水分 (Mt) 和空气干燥基水分 (Mad)。测定原理为加热干燥失重法。全水分测定通常采用两步法（空气干燥和通氮干燥或空气干燥后高温干燥），空气干燥基水分则在105-110℃的氮气流或空气流中干燥至恒重。

• 灰分 (A): 指煤在规定条件下完全燃烧后剩余的残渣。测定方法分为缓慢灰化法和快速灰化法。将一定质量的煤样放入马弗炉中，以一定的升温程序在815℃下灼烧至恒重，剩余质量占原煤样质量的百分数即为灰分产率。

• 挥发分 (V): 指煤在隔绝空气条件下，于(900±10)℃加热7分钟，分解出的气体和液体（蒸汽状态）产物的质量百分数。减去该条件下的水分含量，即为挥发分产率。该指标是煤炭分类和焦化配煤的关键参数。

• 固定碳 (FC): 并非直接测定，而是通过计算得出：FCad = 100 - Mad - Aad - Vad（空气干燥基）。

1.2 元素分析
主要用于燃烧计算、热工设备设计和环境评估。

• 碳 (C)、氢 (H): 通常采用三节炉法或快速自动测定仪。原理是使煤样在氧气流中高温燃烧，碳和氢分别转化为二氧化碳和水，用吸收剂分别吸收，根据增重计算其含量。现代仪器多采用红外检测或热导检测法。

• 氮 (N): 常采用开氏法或半微量蒸汽法。将煤样在催化剂作用下用浓硫酸消解，使氮转化为硫酸氢铵，加碱蒸馏出氨，用硼酸吸收后用硫酸滴定。仪器法则多采用化学发光法。

• 硫 (S): 包括全硫、硫酸盐硫、硫铁矿硫和有机硫。常用检测方法：

  • 艾士卡法：经典重量法，将煤样与艾氏剂（Na₂CO₃ + MgO）混合灼烧，硫转化为硫酸盐，加入氯化钡沉淀为硫酸钡，根据沉淀质量计算全硫含量。

  • 库仑滴定法：煤样在催化剂作用下于空气流中燃烧，硫氧化物被电解液吸收并电解，根据电解消耗的电量计算硫含量。

  • 高温燃烧红外法：煤样在高温氧气流中燃烧，硫转化为二氧化硫，由红外检测器测定其浓度。

• 氧 (O): 通常通过差减法计算：Oad = 100 - Cad - Had - Nad - Sad - Aad - Mad。也可采用仪器直接测定。

1.3 发热量
发热量是评价动力用煤质量的核心指标。测定在氧弹热量计中进行。将一定质量的煤样置于充有过量氧气的氧弹中完全燃烧，燃烧释放的热量被内筒已知质量的水吸收，通过测量水温的升高值，经过冷却校正、热交换校正等计算，得到弹筒发热量 (Qb)。再通过公式换算为空气干燥基恒容高位发热量 (Qgr,v,ad) 和收到基恒容低位发热量 (Qnet,v,ar)。

1.4 物理与工艺性质

• 粒度分析: 通过不同孔径的标准筛进行筛分，计算各粒级的质量分布，对焦炭和入炉煤尤为重要。

• 粘结指数 (G值) 与胶质层指数 (X, Y值)：评价烟煤结焦性的关键指标。

  • 粘结指数 (G): 将一定质量的煤样与专用无烟煤混合，在规定条件下焦化后所得焦炭的机械强度，表征煤的粘结能力。

  • 胶质层指数：在胶质层测定仪中，对煤样从单侧加热，测定其生成胶质体的最大厚度 (Y值) 和最终收缩度 (X值)，反映煤的结焦性和膨胀压力。

• 煤灰熔融性（灰熔点）: 将煤灰制成特定形状的三角锥，在还原性或弱还原性气氛下，以一定速率加热，观察并记录其四个特征温度：变形温度 (DT)、软化温度 (ST)、半球温度 (HT) 和流动温度 (FT)。ST对气化和燃烧炉的排渣方式有重要指导意义。

• 焦炭反应性 (CRI) 与反应后强度 (CSR): 评价冶金焦炭热性能的核心指标。将一定粒度的焦炭在1100℃下与二氧化碳反应2小时，以反应后焦炭质量损失的百分数作为反应性 (CRI)。反应后的焦炭置于特制转鼓中转一定时间后，用规定筛子筛分，以大于规定粒度的焦炭质量占反应后入鼓焦炭质量的百分数作为反应后强度 (CSR)。

1.5 有害元素分析

• 煤中微量元素（如汞、砷、氟、氯、磷等）: 通常采用高温燃烧/热解-化学气相发生法（汞、砷）、高温水解-离子选择电极法（氟、氯）、或电感耦合等离子体质谱 (ICP-MS)、原子荧光光谱 (AFS) 等仪器方法进行测定，对环境保护和钢铁质量有直接影响。

2. 检测范围与应用需求

不同应用领域对煤炭和焦炭的检测重点各有侧重：

• 火力发电：重点关注收到基低位发热量 (Qnet,ar)、全水分 (Mt)、全硫 (St)、可磨性指数 (HGI) 及灰熔融性 (ST)，以优化燃烧效率、评估结渣倾向和控制排放。

• 钢铁冶金：

  • 炼焦用煤：核心关注粘结指数 (G)、胶质层厚度 (Y)、镜质体反射率、全硫 (St)、磷含量及灰分 (Ad)，用于优化配煤方案，确保焦炭质量。

  • 冶金焦炭：核心检测反应性 (CRI)、反应后强度 (CSR)、抗碎强度 (M40/M25)、耐磨强度 (M10)、灰分 (Ad)、硫分 (St)、挥发分 (Vdaf) 及粒度组成，直接关系到高炉的顺行、焦比和铁水质量。

• 煤化工（气化、液化）：侧重关注煤岩组成、元素分析 (C/H/O)、灰熔融性、化学活性及成浆性等。

• 商品贸易与定价：依据合同要求，通常以发热量、全硫、灰分、全水分、挥发分等作为计价基础指标。

• 环境监测与评估：重点关注汞、砷等痕量有害元素、氟、氯及硫、氮的含量，为污染物排放控制提供数据。

3. 检测标准

检测活动严格遵循国内外标准规范，确保数据的准确性与可比性。

• 中国国家标准 (GB/T)：构成了我国煤炭和焦炭检测的主体标准体系。如：

  • 工业分析：GB/T 212-2008

  • 全硫测定：GB/T 214-2007

  • 发热量测定：GB/T 213-2008

  • 元素分析：GB/T 476-2008 (C/H), GB/T 19227-2008 (N)

  • 粘结指数：GB/T 5447-2014

  • 胶质层指数：GB/T 479-2016

  • 煤灰熔融性：GB/T 219-2008

  • 焦炭反应性及反应后强度：GB/T 4000-2017

  • 焦炭机械强度：GB/T 2006-2008 (M40, M10)

• 国际标准 (ISO)：在国际贸易和科研中广泛应用。

  • 如：ISO 589: 2008（硬煤-总水分），ISO 562: 2010（挥发分），ISO 1171: 2010（灰分），ISO 1928: 2009（发热量），ISO 12900: 2018（焦炭-反应性测定）等。

• 其他地区标准：如美国材料与试验协会标准 (ASTM)、欧洲标准 (EN) 等，在特定区域或特定领域使用。

4. 主要检测仪器设备

现代检测实验室配备一系列专业仪器，以实现高效、精确的检测。

• 工业分析仪：可自动或半自动完成水分、灰分、挥发分的测定，部分型号可计算固定碳。分为单独测定的马弗炉（灰分、挥发分）和烘箱（水分），以及集成的自动工业分析仪。

• 元素分析仪：

  • 碳氢氮硫 (CHNS/O) 分析仪：通常采用动态燃烧色谱法或热导法，可在几分钟内同时测定C、H、N、S的含量，部分型号可测氧。

  • 全硫测定仪：包括库仑滴定仪和红外测硫仪，后者基于高温燃烧红外吸收原理，速度快、精度高。

• 氧弹热量计：用于精确测定煤炭发热量，分为恒温式和绝热式，均配备高精度温度传感器和计算机控制系统，实现自动点火、测量和计算。

• 胶质层指数测定仪：由加热炉、程序控温系统、探针压力系统和自动记录仪组成，用于测定胶质层最大厚度 (Y值) 和最终收缩度 (X值)。

• 粘结指数测定仪：包括马弗炉和专用转鼓，用于测定煤的粘结指数 (G值)。

• 煤灰熔融性测定仪：在可控气氛（还原性或氧化性）下，通过高温炉和摄像观察系统，自动或半自动测定灰锥的四个特征温度。

• 焦炭反应性测定装置：主要由高温管式反应炉、高纯CO2气体供应系统、气体流量控制器、称量系统和程序控温系统组成，用于测定焦炭的CRI和CSR。

• 制样与辅助设备：包括颚式破碎机、对辊破碎机、密封式化验制样粉碎机、标准筛振筛机、二分器等，确保分析样品具有代表性并符合粒度要求。

• 微量成分分析仪器：如原子荧光光谱仪 (AFS)、电感耦合等离子体质谱仪 (ICP-MS)、测汞仪等，用于精确测定煤中痕量有害元素。

综上所述，煤炭和焦炭的检测是一个系统化、标准化的技术过程，涵盖了从基础理化性质到特定工艺性能的广泛领域。随着技术进步，检测方法正朝着自动化、智能化、高精度和快速化的方向发展，为煤炭和焦炭的清洁高效利用、产品质量控制及环境保护提供着坚实的技术支撑。