煤炭挥发分检测影响因素研究

郑 生 马新涛 左兆迎 李 娜 郭建宾

（1.日照检验认证有限公司 山东日照 276800；2.日照山能国际物流有限公司）

1 前言

煤的挥发分，即煤在规定条件下隔绝空气加热并进行水分校正后的质量损失，主要由水分、碳氢的氧化物和碳氢化合物组成，大部分是可燃气体。干燥无灰基挥发分Vdaf是扣除水分和灰分后，只用有机质作为分母计算出来的挥发分数据中；空气干燥基Vd则是以煤的干物质（包括灰和有机质，不包括水)为分母计算出来的挥发分，可简称为“干基”。挥发分是进行煤炭分类的第一分类指标，煤的挥发分反映了煤的变质程度，随着煤的变质程度增大，挥发分逐渐降低。挥发分是表征燃烧特性的重要指标，含量高，煤易于着火，燃烧稳定，挥发分含量影响燃烧器、制粉系统及磨煤机的型式选择，同时挥发分也是配煤的重要参考指标。煤化程度低的煤，挥发分较多。如果燃烧条件不适当，挥发分高的煤燃烧时易产生未燃尽的碳粒，俗称“黑烟”，并会产生更多的一氧化碳、多环芳烃类、醛类等污染物，降低热效率。因此，准确检测挥发分具有重要意义，但煤的挥发分检测是一项规范性很强的实验，影响检测结果的因素较多。

2 实验室间挥发分检测结果分析

为比较3个不同的实验室检测干燥无灰基的灰分有无差异，将一煤炭样品等分成3份，分别送往3个不同的实验室检测干燥无灰基的灰分（Vad，%）。3个各自不同的实验室独立进行了4次检测，检测结果详见表1。由此判断显著性水平α=0.05情况下不同实验室的检测结果是否具有显著性差异。

表1 3个实验室实验结果

以上数据通过方差齐性检验，可以进行单因素方差分析。假设H0：不同的实验室对实验结果没有显著性影响。为简化运算，每个实验数值减去总平均值31.9，变换后的数字仍然是xij，相应的平方和仍然为ST，SA，SE，方差计算结果详见表 2。

表2 方差计算表

由此，列出方差分析表，详见表3。

由表 3 可知，8.19＞4.26，因而拒绝 H0，不同的实验室对试验结果有显著性影响。

表3 方差分析表

试验二对实验室的5名检验员用4种不同型号的马弗炉对同一种动力煤测定挥发分（Vad，%），检测结果详见表4。

表4 挥发分检测结果（试验二）

试验二：假定马弗炉和检验员的效应之间是相互独立的，不存在相互关系。经SPSS 21.0进行数据分析，以上数据通过方差齐性检验，可以进行双因素方差分析，主体间效应检验详见表5。

表5 主体间效应检验

由表5可知，不同马弗炉对挥发分检测结果有显著影响，检验员之间所分析的挥发分没有显著影响。

3 挥发分检测影响因素

3.1 煤样

煤样粒度应不大于0.2 mm，并达到空气干燥状态。煤样的质量或者颗粒过大，会限制气体挥发并影响挥发分的准确度；煤样的颗粒越小，其中含有的惰性组有机物含量越大，导致挥发分气体溢出效率降低，即煤样的质量应该控制在0.99～1.01g[1]。根据挥发分的定义，检测挥发分需要扣除其中含有的水分，因而煤样的干燥度也会影响煤中挥发分的检测。有的工作人员为了省时省力，会将全水分的煤样直接磨制样品化验或提高干燥温度以达到尽快干燥的目的，导致空气干燥状态不合格，影响煤中挥发分检测的准确性。在磨制煤样时，煤炭颗粒会因受到挤压而集结，形成大小不一的光亮薄片，粒度会超过要求的0.2mm，且煤样的组成成分和特性也会与其他颗粒不同，因此很有必要将煤样空气干燥状态后碾碎并全部通过0.2 mm筛子。将样品称量后摊平并盖上盖子，用收指轻轻抓住坩埚，在离台面5mm左右时垂直松手，坩埚自由落下后转换90℃方向重复以上动作，重复振荡12次结束。由此可铺平煤样，避免浮煤的产生。若把坩埚快速振动几次就放入马弗炉，煤样可能表面不平整或过于松散，影响焦渣特征以及实验结果。褐煤和长焰煤具有水分和挥发分较高且松散存在的特点，因此，进行实验时如若不将褐煤和长焰煤压饼就放进（900±10）℃的马弗炉，挥发分会同时大量释放，顶起坩埚盖并带出部分煤粒从而影响检测值的准确性；压饼后可以减缓释放速度并防止爆燃。检测褐煤和长焰煤挥发分时，需进行压饼后切成3 mm的小块后再进行检测。其他煤种进行实验时，可在煤样中滴加几滴甲苯或苯等易挥发性的液体，以避免由于煤样自身挥发分含量过少，在加热后期坩埚内部压力降低而使得空气进入坩埚内造成检测结果失真。

3.2 坩埚

检测挥发分时，GB/T 212—2008《煤的工业分析方法》[2]对坩埚、盖的材质、形状、尺寸和总质量都有具体要求，但实验中坩埚薄厚不一致、坩埚总质量超过15～20 g、坩埚盖和坩埚配合不严密等因素会影响实验结果[3]。如果坩埚盖有缺口，在加热煤样后期随着挥发分气体的逸出，坩埚内压力便会下降，空气随之进入坩埚内，造成煤样的氧化以及检测值偏高。在检测过程中为了保证坩埚内的煤样受热和分解均匀，需要坩埚能够稳定严密地放置于坩埚架，检测时盛有煤样的坩埚架应放置于马弗炉的恒温区。在用标准煤样检测仪器设备准确性时，应配备与平时实验数目相同的坩埚，若煤样不足则配空的坩埚。重复实验时，同一煤样在不同炉次的位置应交叉放置，以提高检测的准确度。同时，要适用耐热金属做的坩埚架，受热时不能掉皮，防止其黏在坩埚上影响检测结果。

3.3 马弗炉

首先，排气孔和插热电偶的小孔位于马弗炉后壁，小孔位置应该使热电偶插入炉内，其热接点在坩埚底和炉底之间且距离炉20～30 mm。检测挥发分之前，需关闭马弗炉的烟囱及封闭透气孔。加热炉底与坩埚之间要架设好热电偶热接触点，同时，将它们的距离控制在30～40 mm。由于恒温区的炉温相对均匀，坩埚受热均匀，检测结果相对准确，灼烧时坩埚要放在马弗炉（900±10）℃的恒温区[4]。如果将坩埚放入马弗炉的炉膛内任意位置，偏离恒温区，容易导致测量结果失真。在关闭炉门的状态下定期对热电偶和毫伏计进行校正，校正和使用热电偶时，其冷端应放在冰水或将零点调到室温或采用冷端补偿器。对马弗炉的恒温区定期和不定期进行检测，使得马弗炉的恒温区温度与指示温度一致[5]。其次，加热温度和加热时间需要严格遵守相关规定。GB/T 212—2008规定，将马弗炉预先加热至920℃左右，打开炉门迅速放入煤样，准确加热7 min。如果加热温度不足，煤样无法充分分解，难以收集到足够的气体；如果加热温度过高，导致煤样过度分解而使结果失真。如果加热时间低于7 min或超过7 min，所测得的挥发分产率分别偏低或偏高。按照GB/T 212—2008规定，煤样刚放入马弗炉后，炉温会有所下降，但在3 min内需要使炉温恢复至（900±10）℃。

3.4 冷却时间

根据GB/T 212—2008，从坩埚中取出煤样后应在空气中冷却5min，然后放入干燥器中冷却至室温。坩埚放入干燥器约20 min后称量，放置时间也不宜过长。干燥器内的硅胶要保持干燥，干燥器的盖子要严密，否则会影响检测结果的准确性。如果干燥时间过长，焦渣容易吸收空气中水分，使检测结果低于正常值。根据挥发分检测后的焦渣可知，泥炭、褐煤、烟煤中长焰煤、贫煤及无烟煤没有黏结性；烟煤中气煤、肥煤、焦煤和瘦煤都有黏结性，可作为炼焦煤。

3.5 实验室管理

可以利用加湿器或空调等设备使实验室的温度和湿度都处于良好状态，同时可以使用稳压电源、不间断电源等设备为实验仪器设备提供相对稳定的电流和电压；还要完善实验室设备采购、监视测量设备检定校准、实验室人员培训、设备管理和维修等制度；采购符合规定的仪器设备；仪器设备、标准物质应定期进行检定校准；应使用标准煤样检查测定结果；定期对实验室工作人员进行知识更新与考核[6]。需要加强对各个工作流程中关键点的监视，按照要求做好检测过程记录，工作过程可以全程录像、拍照等形式保留证据，以实现整个检测过程的可追溯性[7]。

4 结语

综上所述，挥发分的检测结果受煤样质量、加热温度、加热时间、加热速度、实验设备的型号和大小、实验容器的材质和尺寸、实验容器的支架、实验室设备的检定校准、实验室的电流电压等诸多因素的影响，这就需要实验室工作人员具备较强的责任心和一丝不苟的工作态度，严格按照相关规程进行操作，并逐步积累工作经验，不断降低实验误差，提升检测结果的准确性。