焦化产品检测_【CMA/CNAS认证】_中科光析科学技术研究所

焦化产品检测技术分析与应用指南

焦化产品作为钢铁、化工等行业的重要基础原料，其质量直接关系到下游产品的性能和工艺的稳定性。焦化产品检测涉及对煤、焦炭以及煤焦油、粗苯等化学产品的理化性质进行全面分析。本文系统阐述了焦化产品的主要检测项目、方法原理、应用范围、执行标准及关键仪器设备。

一、焦化产品检测项目与方法原理

焦化产品的检测对象主要分为三类：原料煤、主产品焦炭以及化学副产品。各类产品的检测侧重点和方法各不相同。

煤质分析（入炉煤检测）
- 工业分析：这是评价煤炭工业价值最基础的项目。
  - 水分：采用干燥法（GB/T 212），称取一定量的煤样在105-110℃的干燥箱中干燥至恒重，以失去的质量占原样质量的百分比作为水分含量。
  - 灰分：采用缓慢灰化法。将煤样在815±10℃的马弗炉中灰化至恒重，残留物质量占原样质量的百分比即为灰分。其原理是煤中矿物质在高温下发生分解、氧化等反应，生成固态氧化物和盐类。
  - 挥发分：将煤样在隔绝空气的条件下，于900±10℃的高温炉中加热7分钟，煤中的有机质和部分矿物质热解产生的气态产物（减去水分）所占的质量百分比即为挥发分。它是衡量煤炭结焦性的重要指标。
  - 硫含量：采用艾士卡法或库仑滴定法。艾士卡法是将煤样与艾士卡试剂混合，使硫全部转化为可溶性硫酸盐，然后通过沉淀为硫酸钡进行重量法测定。库仑滴定法则基于煤样在高温下燃烧，生成的二氧化硫被电解碘化钾溶液产生的碘滴定，根据电解消耗的电量计算硫含量。
- 黏结性与结焦性指标：
  - 黏结指数：用于表征烟煤在加热过程中黏结惰性物质的能力。将煤样与标准无烟煤混合，在隔绝空气下干馏，测定所得焦块的强度。
  - 胶质层指数：模拟工业炼焦过程，测定煤在干馏时形成的胶质体的最大厚度，反映煤的塑性和膨胀性。
  - 吉氏流动度：测定煤在热解过程中胶质体的流动性。
焦炭质量检测
- 机械强度：
  - 抗碎强度：通常采用米库姆转鼓试验。将一定粒度的焦炭装入转鼓内，以固定转速转动一定次数，用出鼓后大于规定粒度的焦炭质量占总质量的百分比来表示抗碎强度。
  - 耐磨强度：在上述转鼓试验中，用出鼓后小于规定粒度的焦炭粉末质量占总质量的百分比来表示耐磨性。
- 筛分组成：使用标准振筛机对焦炭进行筛分，测定各粒级焦炭的质量百分比。焦炭的粒度分布直接影响高炉料柱的透气性。
- 反应性及反应后强度：这是评价焦炭在高炉内热态性能的关键指标。将一定粒度的焦炭试样在1100±5℃的高温下，与二氧化碳气体反应2小时，以焦炭质量损失的百分数表示其反应性。反应后的焦炭在转鼓中测试其强度，即为反应后强度。该指标模拟了焦炭在高炉中与二氧化碳反应并被磨损的过程。
- 工业分析：焦炭的水分、灰分、挥发分和硫分的测定方法与煤质分析类似。焦炭的灰分组成（如氧化铝、氧化硅等）也常作为检测项目，用于预测焦炭在高炉中的行为。
化学产品检测
- 煤焦油：
  - 密度：使用密度计法，在特定温度下测定。
  - 水分：采用蒸馏法，利用甲苯或二甲苯与焦油中的水共沸，通过测定馏出液中的水体积来计算水分含量。
  - 黏度：使用恩氏黏度计或毛细管黏度计测定。
  - 馏程：模拟蒸馏过程，测定焦油中各馏分（如轻油、酚油、萘油、洗油、蒽油）的产出温度范围和收率。
  - 甲苯不溶物：将焦油试样溶解于甲苯中，通过过滤、干燥、称重，测定不溶于甲苯的物质含量，这些物质主要是游离碳和高分子炭质物。
- 粗苯：
  - 馏程：测定初馏点和180℃前馏出物的质量或体积分数，是评价粗苯质量的主要指标。
  - 密度：通常使用密度计法。
  - 赛波特比色：通过比色仪测定其颜色，判断精制程度。
  - 噻吩含量：常采用色谱法或分光光度法测定，是后续精制工艺的重要控制参数。
- 硫铵：
  - 氮含量：采用甲醛法或蒸馏后滴定法，测定其作为化肥的有效成分。
  - 游离酸：通过酸碱滴定法测定。
  - 水分：采用干燥法。

二、检测应用范围

焦化产品检测贯穿于生产、贸易、科研及环保等多个领域。

焦化生产企业：
- 入厂煤验收：通过对原料煤的工业分析、黏结性指标和硫分的检测，判断煤种是否符合采购标准，并进行配煤成本核算。
- 生产过程控制：监测焦炉煤气、焦炭质量和化产品收率，及时调整加热制度和工艺参数，确保焦炭质量稳定和化产品回收率最大化。
- 出厂产品质量检验：对最终焦炭产品（如冶金焦、铸造焦、焦丁）和化工产品（如煤焦油、粗苯）进行全项目分析，出具质量证明书。
钢铁冶金行业：
- 高炉炼铁：焦炭是高炉的燃料、还原剂和料柱骨架。钢铁企业必须对入炉焦炭进行严格的灰分、硫分、机械强度、反应性及反应后强度检测，以优化高炉操作，降低焦比，保证铁水质量。
- 铸造行业：对铸造焦的块度、灰分、硫分、气孔率和反应性有特殊要求，以保证铁水温度和熔化速度。
化工行业：
- 煤焦油加工企业：根据焦油的馏程、组分分析结果，确定加工方案，生产轻油、酚、萘、洗油、沥青等系列产品。
- 粗苯精制企业：依据粗苯的组成和杂质含量，选择加氢或酸洗工艺，控制精苯产品质量。
科研与设计领域：
- 在煤化工实验室和高校中，通过40kg或200kg试验焦炉，模拟实际生产，研究不同煤种的结焦特性，开发新的配煤方案。
- 为焦化厂的新建、扩建和技改项目提供基础设计数据。
环保监测领域：
- 对焦化厂排放的废水（如酚氰废水）进行COD、氨氮、挥发酚等指标的检测。
- 对废气中的二氧化硫、氮氧化物、颗粒物以及苯并芘等有毒有害物质进行监测。

三、检测标准规范

焦化产品的检测严格遵循国内外相关标准，以确保检测结果的准确性和可比性。

中国国家标准
- 煤和焦炭：
  - GB/T 212-2008《煤的工业分析方法》
  - GB/T 214-2007《煤中全硫的测定方法》
  - GB/T 5447-2014《烟煤黏结指数测定方法》
  - GB/T 2006-2008《焦炭机械强度的测定方法》
  - GB/T 4000-2017《焦炭反应性及反应后强度试验方法》
- 焦化产品：
  - GB/T 2279-2008《煤焦油》
  - GB/T 2283-2019《焦化苯》
  - YB/T 5022-2016《粗苯》
  - GB/T 535-2020《肥料级硫酸铵》
国际标准
- ISO 标准：
  - ISO 562:2010 Hard coal and coke — Determination of volatile matter
  - ISO 556:2020 Coke — Determination of bulk density in a small container
  - ISO 18894:2018 Coke — Determination of coke reactivity index (CRI) and coke strength after reaction (CSR)
- ASTM 标准：
  - ASTM D3172 Standard Practice for Proximate Analysis of Coal and Coke
  - ASTM D5341 Standard Test Method for Measuring Coke Reactivity Index (CRI) and Coke Strength After Reaction (CSR)

四、主要检测仪器及功能

现代化的焦化产品检测实验室配备了多种专用仪器设备，以保障分析的精度和效率。

制样设备
- 破碎机：颚式破碎机用于粗碎，对辊破碎机用于中碎，制样粉碎机用于将煤样粉碎至分析所需的细度。
- 二分器：用于对样品进行缩分，保证取样的代表性。
- 干燥箱：用于测定水分和干燥样品。
常规分析仪器
- 马弗炉：配备程序控温功能，用于测定煤和焦炭的灰分、挥发分。
- 全自动工业分析仪：集干燥、灰化、热解于一体，可自动完成多个样品的水分、灰分、挥发分的连续测定，大大提高了分析效率。
- 红外测硫仪/库仑测硫仪：基于高温燃烧和红外检测或库仑滴定原理，快速、准确地测定煤、焦炭中的全硫含量。
- 量热仪（氧弹 calorimeter）：用于测定煤和焦炭的发热量，是评价其作为燃料价值的关键指标。
专用性能检测设备
- 黏结指数测定仪：由转鼓和控制器组成，用于测定煤的黏结指数。
- 胶质层测定仪：带有探针和程序升温功能的专用设备，用于测定胶质层最大厚度。
- 米库姆转鼓：由特定材质和尺寸的鼓体、传动装置和控制器构成，用于测定焦炭的机械强度。
- 焦炭反应性测定装置：由高温反应电炉、气体控制系统、程序控温仪和转鼓组成。用于在模拟高炉条件下测定焦炭的反应性和反应后强度。
- 标准振筛机：配合不同孔径的试验筛，用于测定焦炭和煤的粒度分布。
化学产品分析仪器
- 自动馏程测定仪：根据标准方法自动加热、控制回流、记录温度和馏出体积，用于测定焦油、粗苯等产品的馏程。
- 气相色谱仪：配以氢火焰离子化检测器或热导检测器，用于分析粗苯中苯、甲苯、二甲苯及噻吩等组分的含量，也用于焦炉煤气的组分分析。
- 紫外-可见分光光度计：用于测定焦化废水中的挥发酚、硫氰化物等微量组分，或用于特定产品的色度分析。
- 卡尔·费休水分测定仪：用于准确测定焦油、苯类产品中的微量水分。