5E-CH2000元素分析仪测定煤中碳、氢元素的技术探讨

曹 青

(开滦集团质检中心，河北 唐山 063000)

5E-CH2000元素分析仪测定煤中碳、氢元素的技术探讨

曹 青

(开滦集团质检中心，河北 唐山 063000)

碳和氢是煤中有机质的主要组成元素，它们在煤中所占的比例相当大，且与煤的特性有着密切的关系。故检测的准确与否，是正确表征该煤种特征的关键所在。结合实际论述了用红外吸收法测定煤中碳、氢元素的基本原理，总结了正确应用红外吸收法测碳、氢的几个关键点及注意事项。

红外吸收法；元素分析；煤中碳氢

1.概述

碳氢含量是评价煤及有机物质的重要指标之一，对了解煤的变质程度和性质及研究有机物质的结构有重要意义。煤的元素组分的不同，不仅能反映煤化程度，而且也直接表征出煤性质的不同。

2.煤中碳氢测定的意义

碳和氢是煤有机物的主要组成元素，两者和氧加在一起，占煤的有机质组成的95%以上。煤的形成过程中的两个主要反应是有机物碳化和脱水，随着煤变质程度的加深，煤中的碳含量逐渐增加，而氢含量逐渐降低。由于碳氢含量与变质程度关系密切，故可作为煤炭科学分类的指标之一。例如中国煤分类国家标准GB5751-1986中，就以干燥无灰基氢(Hdaf)作为划分无烟煤小类的指标。另外，煤中碳和氢与煤的其他特性有着密切的关系。因此，可以通过它们来推算其他指标，如发热量等，以及核对其他指标的测定结果。在工业生产中，根据煤中碳氢元素含量来推算燃烧设备的理论燃烧温度以及计算锅炉燃烧中的热平衡；在气化工业中，根据它们来计算煤炭气化时的物料平衡。所以煤中碳氢元素含量的测定，是例常煤质工作中不可缺少的项目之一。

3.红外吸收法测定煤中碳氢的原理

红外吸收法的基本原理是基于H2O、SO2、CO2等气体分子吸收红外光的性质。根据朗伯-比尔定律，气体吸收单色光的程度(即吸光度)与该气体的浓度成正比，即：I=I0e-KLC或ln(i0/i)=KLC

式中I0——发射光(被吸收前)的强度；I——接收光(被吸收后)的强度；ln(I0/I)——吸光度，表示吸收的程度；K——吸光系数，与红外光波长和气体性质有关的常数；L——气室的长度，对于实际设备是一个确定值；C——气体的浓度。

根据定律，只要测得红外光被吸收前后的强度I，就可以确定气体的浓度。其原理如图1所示。

图1 红外传感器示意图

在红外碳氢仪中，使用串联的两个红外传感器(又称红外池)来进行碳、氢元素的测试。试样燃烧后的气体分别从气室中通过，当红外光射入气室时，一部分能量被气体中的H2O分子和CO2吸收，光的强度减弱，而未被吸收的部分从气体透过。为减少干扰，在水检测红外池用一个滤光片将H2O分子特征吸收光谱以外的光挡住，使其不能通过，在二氧化碳检测红外池用一个滤光片将CO2分子特征吸收光谱以外的光挡住，使其不能通过；红外接收检测元件将红外光的强弱变化转换成电压信号，根据朗伯-比尔定律，由计算机采样和处理就可以得到气体浓度，再根据试样质量、水分等相关参数就可以计算出样品中的碳、氢含量。

4.5E-CH2000红外碳氢仪主要操作步骤

4.1 开机

打开计算机和仪器电源开关，使控制计算机进入仪器应用程序。

4.2 检查

(1)如果更换了仪器零件、坩埚或炉试剂，请在仪器恒温后进入“气路诊断”，执行“全气路诊断”。“全气路诊断”要在设备升温且预热稳定后进行。预热稳定时间约1小时。

(2)仪器需要定期进行全气路诊断(半个月一次)。

(3)如果设备长时间未使用，要进行“炉膛诊断”。这里需要注意，“炉膛诊断”要在常温下进行。

4.3 温度设置、称样

(1)进入温度设置。点击“试验温度”将主燃烧炉温度设置为950度，次燃烧炉温度设置为850度，恒温室温度和储气罐温度设置为50度，还原炉温度设置为600度，热导池温度设置为0度。

(2)仪器自动升温到设定温度，恒温1小时后主界面工作图左下角就绪状态“深绿色”指示变为准备就绪“浅绿色”指示时方可进行吹扫和测试。

(3)升温时间段内可以进行称样：

1)将铝托放在天平上，用镊子夹出一张锡箔杯放在铝托中，天平清零。

2)称取(80±5)mg样品

3)轻轻拿出装有样品的锡箔杯，用手把锡箔杯的口捏紧、封好，包成一个水滴形。注意不要太用力，以免锡箔破掉。

4)把包成水滴状锡箔的尖端向下折，以免尖部过长，造成卡样。

5)迅速将样品包好之后随即放入元素分析仪带有编号的托盘内，并盖好盖子。避免样品长时间拿在手中或与空气接触，造成测值不准。

4.4 吹扫

(1)打开气体减压阀，并设置合适的压力。氧气设置为(0.30Mpa±10%)，动力气设置为(0.25Mpa±10%)。

(2)吹扫红外池。实验前请打开待机吹扫(待机吹扫设定时间详见本文：五、红外吸收法测碳、氢的关键技术指标)，以中气流(2L/min)吹扫C、H红外池，C、H红外池150秒内电压波动应在10mv(即红外池电压波动小数点后二位变化为1)，仪器稳定后即可测试。

4.5 测试

(1)将称好的试样按顺序放入试样转盘通孔的后面。对于空白样应留出相应的孔位，在正式样中间插入空白样时，也应留出孔位。

(2)一般先测试5个空白样品，再测试2个废样，之后再进行2个标样测试，接下来再做正式样测试。在测试8个正式样后插入2个标样，接着再做正式样测试，直到全部测试完毕。

4.6 漂移校正

(1)测试全部完成后，选择标样测试数据，在工具栏中点击“系统校正”进入系统校正窗口，再分别选中碳、氢，校正方法选择校正类型为“漂移校正”进行漂移校正，保存后返回。

(2)当完成标样分析后，选中它们统计它们的极差应在国标规定的重复性范围内(C≤0.5%，H≤0.15%)。

4.7 数据处理

漂移校正后，选定样品测试数据，点击工具栏中的“重新计算”。此时重新计算得到的结果为准确值。

4.8 关机

测试完成后，点击工具栏“退出实验”，确定退出工作测试界面，点击工具栏上“温度设置”，进入温度设置窗口，点击“关机温度”，按确定。点击工具栏退出系统。关闭测试程序，计算机，关闭电源，气源等。这里需要注意的是，要等元素分析仪“主燃烧管温度”和“次燃烧管温度”都降到600℃以下(约40分钟)，才能关闭元素分析仪的电源开关，否则设备内部温度过高就关闭降温系统会使设备元器件造成损伤，影响再次使用。

5.红外吸收法测碳、氢的关键技术指标

5.1 仪器预热时间

为确保5E-CH2000元素分析仪元素分析仪稳定运行，打开仪器后要进行一定时间的预热。预热时间过短会造成测试数据不稳定、超差等现象；预热时间过长又会造成时间和能源的浪费。因此要选择适当的预热时间。表1-1、表1-2为不同预热时间下的标准物质GBW11101r的Cd和Hd测值。

表1-1 不同预热时间下的标准物质

表1-2不同预热时间下的标准物质

由表1-1和表1-2可知：当仪器预热时间为20min时，标准物质GBW11101r的实测值超过其给定标准值范围，误差较大。当仪器预热时间为40min时，虽然测值1与测值2在标准值范围内，但是平行性比较差。当仪器预热时间大于60min后，测值1和测值2都在标准值范围内，而且平行性好。所以实际测量时，要把仪器预热时间控制在一个小时左右。

5.2 待机吹扫时间

用红外法测定碳、氢含量，实际上是先测定燃烧气体中水和二氧化碳的浓度，然后再计算碳、氢含量。空气中也含有一定量的水和二氧化碳，所以空气一旦进入仪器的分析气路就会严重影响测量结果。为此需要在每次实验开始时自动吹扫系统残留气体，使气路中充满高纯度的氧气。待机吹扫时间的确定是试验的关键步骤。表2-1、表2-2为不同待机吹扫时间下的标准物质GBW11107m的Cd和Hd测值。

表2-1不同待机吹扫时间下的标准物质

表2-2不同待机吹扫时间下的标准物质

由表2-1和表2-2可知：当待机吹扫时间为100s时，标准物质GBW11107m的实测值超过其给定标准值范围，误差较大。当仪器预热时间为200s时，测值1与测值2仍然超过其给定标准值范围。当仪器预热时间大于300s后，测值1和测值2都在标准值范围内，而且平行性好。所以实际测量时，要把待机吹扫时间控制在300s，即5分钟左右。另外需要说明的是，300s是在仪器频繁使用情况下的待机吹扫时间，如果仪器隔天再用应将待机吹扫时间延长至600s左右，如果仪器超过两天没有使用，需要将待机吹扫时间再延长一倍，到1200s左右。

5.3 其他技术指标

影响5E-CH2000元素分析仪测定结果准确性的因素还有很多，比如仪器的气密性、氧气压力、炉试剂和坩埚的使用周期等等。为了了解和排除在实验过程中有可能出现的各种问题和故障，检测人员除了要掌握一定的解决问题的方法和技巧外，还要定期或不定期用基准物质或标准物质对整个系统进行校验，按国标的规定严格进行操作，才能保证碳氢测值的可靠性和准确性。

[1]李英华.煤质分析应用技术指南[M].北京：中国标准出版社.

[2]GB/T 30733-2014，煤中碳氢氮的测定.仪器法.

[3]贾延.煤中碳氢元素分析方法的研究[J].洁净煤技术，1999(5).

[4]张裕兰.用红外吸收法测定煤中氢元素[J].煤质技术， 2005(1).

[5]杨培秀.CHN_2000元素分析仪在实验中出现的问题与对策[J].煤质技术，2001(9).

Discussion on the Technology of the Determination of Carbon and Hydrogen in Coal by the 5E-CH2000 Element Analyzer

CAO Qing

(Quality Inspection Center of Kailuan, Tangshan 063000, China)

Carbon and hydrogen are major components of the organics which take up a considerable proportion in coal, and have a close relationship with coal characteristics. Therefore, whether the detection is accurate or not is the key to the correct characterization of the characteristics of coal. This thesis discusses the basic principle according to the reality and summarizes several key techniques when infrared absorption method is used in measuring elements such as carbon and hydrogen.

infrared absorption method; elemental analysis; carbon and hydrogen in coal

2017-03-24

曹青(1985-)，女，大学，开滦集团质检中心助理工程师，从事煤质分析工作。

TQ533.1

A

1671-3974(2017)02-0061-04