煤的元素分析Word文档格式.docx
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15~20
长焰煤
77~81
4.5~6.0
0.7~2.2
10~15
气煤
79~85
5.4~6.8
1~2.2
8~12
肥煤
82~89
4.8~6.0
1~2.0
4~9
焦煤
86.5~91
4.5~5.5
3.5~6.3
瘦煤
88~92.5
4.3~5.0
0.9~2.0
3~5
贫煤
88~92.7
4.0~4.7
0.7~1.8
2~5
无烟煤
89~98
0.8~4.0
0.3~1.5
1~4
石煤
93~97
0.5~3.0
0.5~1.0
泥煤
55~62
5.3~6.5
1~3.5
27~34
煤中各种元素的赋存形式不尽一致。
煤中碳、氢、氧主要以芳香族结构,脂肪族结构以及脂环族结构存在,目前,一般认为煤是由带脂肪的侧链大芳环和杂环的核所构成,碳是构成这些环的骨架,氢和其它元素结合分布在侧链和桥链上。
少量碳以碳酸盐二氧化碳形式存在,少量氢、氧以结晶水方式存在。
煤中氮,主要由成煤植物中的蛋白质转化而来的,通常为有机氮,其中有些是杂环型。
在泥炭和褐煤中又以蛋白质氮(各种氨基酸及其衍生物)形态存在。
由于在煤的无机组分中也含有少量碳、氢、氧和硫等元素,因此,在了解煤中有机质的元素组成及进行煤炭分类时,应以重液(密度为1.4或1.35)中洗选后的精煤来测定。
煤的工艺用途主要由煤中有机质的性质所决定。
因此,了解煤中有机质的组成是必要的。
在动力工业中,煤的元素组成可用来计算煤的燃烧热,煤中的碳和氢是热量的主要来源。
1g碳完全燃烧生成二氧化碳产生34040J的热量,而1g氢产生的热量为143000J,约为碳的4倍,因此,它们的含量决定了发热量的高低。
氧在煤中以化合态存在,氧本身不燃烧,但加热时容易使有机组分分解成挥发性物质,如:
烟煤和褐煤含氧量高,所以生成的挥发性物质多,使着火点降低,但氧的含量高,碳氢的含量降低,发热量降低。
氮燃烧时,大部分以游离态随烟气排出,从燃烧的角度来说,氮为无用元素,约有20%~40%在燃烧中变为NOx,随烟气排入大气,增加污染。
硫分为可燃硫和不可燃硫,其中可燃硫参与燃烧,释放少量的热量,但其氧化产物为二氧化硫和三氧化硫,既腐蚀锅炉设备,同时,排到大气也污染环境,此外,煤中黄铁矿硫增高,还使灰熔融性降低,促使锅炉结渣发生,因此,硫和氮均为有害元素。
煤中碳、氢、氧是其有机质的主要组分,反映煤的变质程度。
煤中碳含量随着煤的煤化程度的加深而增加,所以,常称煤的煤化程度为煤的碳化程度,煤中氢含量则随煤的煤化程度的加深而减少,煤中氧的含量也随煤的煤化程度的加深而显著降低。
因此,人们很早就以煤的元素组成作为煤炭科学分类的指标之一。
如,中国煤分类国家标准GB5751中,就以干燥无灰基氢作为划分无烟煤小类的指标。
此外,煤的元素组成可用来计算理论燃烧温度和燃烧产物的组成、燃烧理论烟气量、过量空气系数及热平衡等,估算和预测煤的低温干馏产物和褐煤蜡产率。
因此,元素分析在锅炉设计和运行中有十分重要的意义。
第二节煤中碳氢的测定(常规法)
一、煤中碳、氢测定的基本原理
1、测定原理
(1)燃烧吸收重量法
煤样在氧气流中燃烧,煤中的碳生成二氧化碳,氢生成水。
生成的二氧化碳和水分分别被二氧化碳吸收剂和吸水剂吸收。
根据吸收剂的增重,计算煤中碳和氢的含量。
对CO2和H2O的吸收反应如下:
2NaOH+CO2→Na2CO3+H2O
CaCl2+2H2O=CaCl2·
2H2O
CaCl2·
2H2O+4H2O=CaCl2·
6H2O
(2)半自动测碳氢
将一定量的煤样放在瓷舟内,推至800℃的石英管中燃烧分解,用净化的氧气为载气,吹进高锰酸银热解产物进行催化氧化,使煤中氢转化为水,碳转化为二氧化碳。
将燃烧分解生成的水和二氧化碳载过铂—五氧化二磷电解池。
电解池与仪器之间组成一电化学分析系统。
未进样时电解池内阻很大,正负极之间呈开路状态,无电流流过;
当含有水分的气体通过电解池时,水被五氧化二磷吸收生成偏磷酸,电解池内阻减小,启动电解,其电解电流大于50mA。
电解生成的氧气和氢气随载气流排出,而五氧化二磷得以再生复原。
随着电解反应的进行,偏磷酸越来越少,电解电流也随之下降。
当下降到5mA终点电流时,终点控制器动作,切断电解电源,电解终止。
这段时间内的电流与时间的积分值,即为电解所耗用的电量。
根据法拉第电解定律可以计算出氢的质量W(g)。
水被电解池吸收后,二氧化碳随载气流吹进装碱石棉的U形吸收管,被碱石棉吸收生成碳酸钠和水,然后根据吸收剂碱石棉的增量即可计算出碳的含量。
2、碳、氢测定中的干扰因素及其排除方法
由燃烧反应可知,煤燃烧时,除生成二氧化碳和水以外,还有硫的氧化物,氮的氧化物,氯等生成,这些酸性氧化物和氯若不除去,将全部被二氧化碳吸收剂—碱石棉吸收,使得碳测值偏高。
为排除这些干扰因素,一般采取以下措施:
(1)三节炉法中,在燃烧管内用铬酸铅脱硫,以银丝卷脱氯:
4PbCrO4+4SO2
4PbSO4+2Cr2O3+O2
4PbCrO4+4SO3
4PbSO4+2Cr2O3+3O2
2Ag+Cl2
2AgCl
(2)二节炉及半自动测碳氢法中,用高锰酸银的热分解产物脱除硫和氯;
2Ag+SO2+O2
Ag2SO4
4Ag+2SO3+O2
2Ag2SO4
在燃烧管外部和粒状二氧化锰除去氮的氧化物,在氧气流中燃烧时,在有催化剂存在情况下,煤中20~60%的氮生成氮的氧化物,若不除掉,会使碳测值偏高0.1~0.5%。
反应方程:
二、三节炉法碳、氢测定装置
碳、氢测定装置分为三部分:
氧气净化系统,燃烧装置、吸收系统。
整个装置的系统图见图2-54。
第一部分是氧气净化系统,脱除氧气中的二氧化碳和水;
第二部分是燃烧装置,煤样在燃烧装置中完全燃烧,煤样中碳、氢生成二氧化碳和水,硫、氯等元素对测定的干扰在燃烧管内脱除;
第三部分是吸收系统,用来吸收煤燃烧生成的二氧化碳和水。
根据吸收系统各自的增重,来计算煤中碳、氢的含量。
在吸水管和二氧化碳吸收管之间,连接一个装有二氧化锰和氯化钙的U形管,用来除氮。
1、氧气净化系统
氧气净化系统的作用,是除去氧气中的二氧化碳和水。
氧气净化系统由一个内装40%氢氧化钠(或氢氧化钾)溶液的鹅头洗气瓶、一个下部装碱石棉、上部装氯化钙(或过氯酸镁)的气体干燥塔和一个全部装氯化钙(或过氯酸镁)的气体干燥塔组成。
连接的顺序,沿氧气流入方向依次为:
(1)鹅头洗气瓶;
(2)下部装碱石棉、上部装氯化钙的气体干燥塔;
(3)装有氯化钙的气体干燥塔。
在两个气体干燥塔之间,装有一个量程为150ml/min的氧气流量计。
2、燃烧装置
燃烧装置分为两个部分:
燃烧管和加热装置(包括测温和控温装置)。
a、燃烧管
用三节炉法测煤中碳、氢时,燃烧管内填充有线状氧化铜、铬酸铅、银丝卷。
其中氧化铜的作用,是使在氧气流中未能完全燃烧的物质进一步氧化为二氧化碳和水。
其填充见图2-55。
二节炉法中,燃烧管内填充有高锰酸银的热分解产物。
其填充见图2-56。
应该注意,装有氧化铜的这段燃烧管,加热不得超过900℃,装铬酸铅这段管子加热不得超过600℃。
否则,会使填充物熔化粘结,堵塞燃烧管,铬酸铅表面的硫酸铅也由于温度过高,分解出三氧化硫,不能保证脱硫效果。
b、加热装置
碳氢仪的加热装置是三节(或二节)管式电炉(单管或双管),每个电炉有各自的测温和控温装置。
由于试验方法有三节炉法和二节炉法,故电炉亦有三节炉和二节炉。
3、吸收系统
吸收系统主要是由装有吸水剂(氯化钙或过氯酸镁)和二氧化碳吸收剂(碱石棉)的U形管组成,见图2-57、图2-58。
其作用是吸收燃烧产物——水和二氧化碳。
在这个系统中,吸水管和二氧化碳吸收管之间,连接内装二氧化锰和氯化钙(或过氯酸镁)的除氮U形管。
在该系统中,用作吸水剂的氯化钙,可能含有碱性物质。
因而使用前,应先以二氧化碳饱和,并除去过剩的二氧化碳,以免CO2在吸水管中被吸收,确保测定值的准确,不致发生氢高、碳低的现象。
二、煤中碳、氢的测定步骤
1、空白试验
空白,是指燃烧舟中只放催化剂,不放煤样而按照规定的试验步骤操作时,吸收管的增重值。
在氢的测定中,应减掉空白值。
空白,主要是由盛煤样的瓷舟表面和催化剂吸附空气中一定量的水分;
氧气不纯等因素造成的。
吸附空气中水分造成的空白,应在氢测定结果中减掉。
空白试验步骤:
通电升温,并按通氧气。
将第一节炉往返移动几次。
将新装好的吸收系统和装置连接,并检查系统是否漏气,若不漏气即以120ml/min的流速通氧气20分钟左右。
取下吸收系统(并装上另一套),用绒布擦净,在天平旁放置10分钟左右称重。
这时,各U形管的质量,是与试验装置内的压力达到平衡的初始质量。
当第一、二节炉温升到800℃,第三节炉温升到600℃,并保持各自温度后,开始做空白试验。
空白试验时,瓷舟内只装与正式试验相当量的催化剂。
空白试验时间为25分钟。
分析步骤与碳、氢测定操作步骤相同。
重复相同的空白试验,直至吸水管空白值的差值不超过0.0010g。
除氮管和二氧花碳吸收管最后一次质量变化不超过0.0005g时为止,取两次空白值的平均值作为当天空白值。
2、煤中碳、氢测定的分析步骤
(1)将第一、二节炉温控制在800±
10℃,第三节炉温控制在600±
10℃,并使第一节炉紧靠第二节炉。
(2)在预先灼烧过的舟中称取粒度小于0.2mm的空气干燥分析煤样0.2g(称准到0.0002g)并均匀铺平,在煤样上盖一层三氧化二铬。
可把舟暂存入专用的磨口玻璃管或不加干燥剂的干燥器中。
(3)接上已测过空白并称重过的吸收系统,并以120ml/min的速度通入氧气。
关闭靠近燃烧管出口端的U形管,打开入口端橡皮塞,取出铜丝卷,迅速将装有煤样的瓷舟放入燃烧管内,用推棒推至第一节炉炉口处,放入铜丝卷,塞紧橡皮塞,旋开U形管,进入氧气,保持120ml/min的流速,1分钟后,向瓷舟方向移动第一节炉,使瓷舟的一头进入炉子,2分钟后,使瓷舟全部进入炉子,再过2分钟,使瓷舟位于炉子中心,保温10分钟后,把第一节炉移回原位。
2分钟后,关闭和拆下吸收系统,用绒布擦净,在天平旁放置10分钟后称重(除氮管不必称重)。
(4)在使用二节炉法进行碳、氢测定时,第一节炉温控制在800±
10℃,第二节炉温控制在500±
10℃。
空白试验时间为20分钟。
燃烧舟位于炉子中心保温时间为13分钟。
其它操作均与三节炉法操作相同。
3、结果计算
测定结果的计算公式如下:
当煤中碳酸盐二氧化碳含量小于2%时,计算公式见式2-119:
(式2-119)
当煤中碳酸盐二氧化碳含量大于2%时,计算公式见式2-120:
(式2-120)
氢元素含量计算公式见式1-121:
(式1-121)
式中:
Cad—分析煤样中碳含量
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