煤和煤矸石检测_【CMA/CNAS认证】_中科光析科学技术研究所

煤炭作为全球重要的基础能源和工业原料，其质量直接关系到能源利用效率、工业生产工艺以及环境保护。煤矸石作为煤炭开采和洗选过程中的伴生固体废弃物，其综合利用是矿业可持续发展的重要课题。因此，对煤和煤矸石进行精准、全面的检测分析，是煤炭贸易、清洁利用、环境治理及资源化利用不可或缺的技术支撑。

工业分析是评价煤质最基本的指标，主要包括水分、灰分、挥发分和固定碳的测定。

水分： 包括全水分和空气干燥基水分。通常采用干燥法，即将一定量的煤样在105-110℃的干燥箱中干燥至恒重，根据质量损失计算水分含量。水分高低影响煤炭的热值和运输成本。
灰分： 指煤样在规定条件下完全燃烧后残留的残渣。采用缓慢灰化法，即将煤样在815±10℃的马弗炉中灰化至恒重。灰分是煤中的主要杂质，高灰分降低热值，增加运输成本，并导致燃烧设备磨损。
挥发分： 将煤样在隔绝空气的条件下，在900±10℃的高温炉中加热7分钟，由煤中有机物分解出来的气体和液体产物（减去水分）即为挥发分。其产率和焦渣特征可用于初步判断煤的燃烧特性和分类。
固定碳： 通过计算得出，即100%减去水分、灰分和挥发分之和。固定碳是煤中可燃体的主要部分，其含量高低反映了煤的碳化程度。

2. 元素分析

元素分析用于测定煤中有机质的主要组成元素，是进行物料平衡、热工计算和煤化工工艺设计的基础。

碳、氢、氮： 通常采用高温燃烧-色谱分离或红外检测法。样品在高温氧气流中燃烧，碳、氢、氮分别转化为CO₂、H₂O和N₂/NOx，经还原为N₂后，通过特定检测器（如热导池或红外池）测定其含量。
全硫： 是评价煤质的重要环保指标。主要检测方法有艾士卡法（重量法）、库仑滴定法和高温燃烧红外吸收法。其中，库仑法和红外法因其自动化程度高、速度快，被广泛采用。硫含量决定了燃煤SO₂的排放水平。
氧：通常不直接测定，而是通过差值计算获得。

3. 发热量测定

发热量是衡量煤作为燃料价值的最核心指标。通过氧弹热量计进行测定。将一定量的煤样在充有过量氧气的氧弹中完全燃烧，根据燃烧后水温的升高计算样品燃烧释放的热量。结果通常表示为弹筒发热量、高位发热量和低位发热量，后者是实际燃烧过程中可利用的有效热值。

4. 灰成分与灰熔融性分析

灰成分： 分析煤灰中的主要氧化物，如SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃、CaO、MgO、TiO₂、K₂O、Na₂O等。常用方法包括X射线荧光光谱（XRF）和电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）。灰成分对于预测锅炉结渣、沾污倾向以及煤矸石作为建材原料的适用性至关重要。
灰熔融性： 测定煤灰在高温下变形、软化、半球和流动温度。将灰锥在特定气氛（弱还原性或氧化性）下加热，观察其形态变化。该指标对锅炉设计和方式的选择具有指导意义。

5. 煤矸石特性检测

针对煤矸石的综合利用，还需开展以下专项检测：

矿物组成： 利用X射线衍射（XRD）分析煤矸石中高岭石、石英、伊利石、长石、黄铁矿等矿物的含量，以评估其作为建材原料（如制砖、生产水泥）或提取有价元素的潜力。
有害元素浸出毒性： 模拟自然淋溶或填埋条件，检测煤矸石中重金属（如Pb、Cr、As、Hg、Cd）和氟化物等的浸出浓度，以评估其对土壤和地下水环境的潜在风险。检测方法依据国家规定的浸出毒性鉴别标准进行。
放射性核素： 测定煤矸石中镭-226、钍-232、钾-40等放射性核素的比活度，确保其用于建筑材料时的放射性安全。
含铝、含铁量： 对于高铝或高铁煤矸石，需精确测定Al₂O₃和Fe₂O₃的含量，为其资源化提取有价元素提供依据。

二、检测范围

煤与煤矸石的检测贯穿其全生命周期，服务于不同的应用领域。

煤炭生产与加工领域： 包括原煤、商品煤、洗选煤等。检测目的在于指导矿井生产、控制洗选工艺、保证产品质量满足用户要求。例如，动力煤重点检测发热量、硫分和灰分；炼焦煤则更关注粘结指数、胶质层厚度等工艺性能。
煤炭贸易领域： 作为贸易结算和纠纷仲裁的依据。买卖双方依据约定的检测标准对装船、进厂的煤炭进行联合采样和检测，涉及所有主要的煤质指标。
电力与工业燃烧领域： 检测入炉煤质，用于锅炉燃烧调整、优化配煤方案、计算热效率和污染物排放。重点关注发热量、挥发分、灰熔融性以及硫、氮等元素含量。
环境保护领域：
- 环境本底调查： 对矿区周边的土壤、水体进行煤源污染评估。
- 污染源监测： 对燃煤企业排放的废气、废渣进行检测，核定污染物排放量。
- 固体废物鉴别： 对煤矸石进行危险废物特性鉴别（如浸出毒性、急性毒性），判定其环境管理属性。
资源综合利用领域：
- 建材生产： 检测煤矸石的化学成分、矿物组成、烧失量和放射性，判断其是否适合作为水泥混合材、制砖原料或轻骨料。
- 土地复垦与生态修复： 检测煤矸石中的有机质、养分（N、P、K）和pH值，评估其作为土壤改良剂或充填复垦基质的可行性。
- 有价元素回收： 对于特定类型的煤矸石（如高岭石含量高、含铝高），进行深入的元素分析和可选性研究，为提取铝、硅、铁等有价元素提供数据支撑。

三、检测标准

为保证检测结果的准确性、可比性和法律效力，煤与煤矸石检测必须严格遵循相关的国家和行业标准。

中国标准（GB， GB/T， MT）
中国建立了完善的煤炭检测标准体系，以国家标准（GB/GB/T）为主，煤炭行业标准（MT）为辅。
- 采样与制样： GB/T 475《商品煤样人工采取方法》，GB/T 19494《煤炭机械化采样》，GB/T 474《煤样的制备方法》。
- 工业分析： GB/T 212《煤的工业分析方法》。
- 元素分析： GB/T 476《煤中碳和氢的测定方法》，GB/T 19227《煤中氮的测定方法》，GB/T 214《煤中全硫的测定方法》。
- 发热量： GB/T 213《煤的发热量测定方法》。
- 灰成分与灰熔融性： GB/T 1574《煤灰成分分析方法》，GB/T 219《煤灰熔融性的测定方法》。
- 煤矸石专项： GB/T 29162《煤矸石分类》，GB 5085.3《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》，GB 6566《建筑材料放射性核素限量》。
国际标准（ISO）
国际标准化组织（ISO）发布的标准在国际贸易中被广泛采用。
- 采样： ISO 18283《硬煤和焦炭手工采样》，ISO 13909《硬煤和焦炭机械化采样》。
- 分析方法： ISO 17246《煤工业分析》，ISO 17247《煤元素分析》，ISO 19579《固体矿物燃料硫含量的测定红外吸收法》，ISO 1928《固体矿物燃料氧弹量热法测定发热量并计算高位发热量》。
其他主要国家标准
- 美国材料与试验协会标准（ASTM）： 如 ASTM D3173《煤和焦炭分析样品中水分的标准试验方法》，ASTM D5373《煤和焦炭中碳氢氮仪器测定的标准方法》等，在美洲地区及全球实验室中具有很高影响力。
- 英国标准（BS）、德国标准（DIN）等 在某些特定领域或历史合同中也有应用。

四、检测仪器

现代煤与煤矸石检测依赖于精密的分析仪器，实现了从传统手工操作向自动化、智能化的转变。

采样与制样设备： 包括火车/汽车采样机、皮带中部/头部采样机、联合制样机（破碎-缩分一体）、对辊破碎机、密封式化验制样粉碎机、干燥箱等。其功能是获取具有代表性的样品并将其制备成符合分析要求的粒度和状态。
热分析仪器：
- 工业分析仪： 集成了高温炉和称量系统，可自动完成水分、灰分、挥发分的测定，并根据程序计算固定碳。提高了检测效率和准确性。
- 自动量热仪： 采用恒温式或绝热式氧弹热量计，配合自动充氧、放气、清洗和计算系统，实现发热量的快速、精准测定。
- 测硫仪： 主流为库仑测硫仪和红外测硫仪。前者利用电解碘化钾溶液产生的碘与二氧化硫反应进行定量；后者直接检测SO₂对特定红外光谱的吸收强度。
元素分析仪器：
- 碳氢氮硫氧（CHNS/O）元素分析仪： 样品在高温下燃烧，气体产物经分离、检测后，一次性得出多种元素的含量。
- X射线荧光光谱仪（XRF）： 主要用于煤灰成分的快速、无损分析，可定性、定量测定从钠（Na）到铀（U）之间的多种元素。
- 电感耦合等离子体发射光谱/质谱仪（ICP-OES/MS）： 用于测定煤和煤矸石中的痕量元素、重金属元素，具有灵敏度高、检出限低的特点。样品需预先进行灰化、消解处理。
物相与结构分析仪器：
- X射线衍射仪（XRD）： 用于分析煤矸石中的矿物晶体组成，是实现其资源化利用研究的关键设备。
- 扫描电子显微镜（SEM）： 可观察煤和煤矸石的微观形貌、孔隙结构和矿物嵌布特征，常与能谱仪（EDS）联用进行微区成分分析。
物理与工艺性能测定设备：
- 灰熔融性测定仪： 配有高温炉和摄像系统，可自动记录并判断灰锥在加热过程中的特征温度。
- 粘结指数测定仪、胶质层指数测定仪： 专门用于评价炼焦煤的粘结性和结焦性。
- 仪器校准与辅助设备： 包括标准物质（标准煤样）、精密分析天平（感量0.1mg或更高）、马弗炉、干燥箱等，是保证基础数据准确性的前提。