坩埚对测定煤挥发分的影响分析

陈筱钰

(同煤广发化学工业有限公司，山西 大同 037000)

挥发分是煤炭分类最重要的指标之一，同时，煤的挥发分产率能反映出煤的许多重要性质，因此，挥发分测定是煤工业分析中的重要检测方法[1]。然而，煤中挥发分是煤在一定实验条件下经过加热后的热分解产物，其主要由水分、碳氢氧化物和碳氢化合物(以CH4为主)组成[2]。影响挥发分测定结果的因素有很多，不同实验条件都会产生不同的实验结果。为此，提高煤挥发分测定的准确度和精确度就显得尤为重要。本文主要探究分析坩埚对准确测定煤中挥发分的影响。

1 煤中挥发分的测定

1.1 煤中挥发分及煤的热解

在我国及国际煤炭分类方案中，均以挥发分作为第一分类指标。国标GB/T3715—2007中认为，煤挥发分(Vdaf)是煤中有机质的可挥发的热分解产物[3]。实验中将煤样在隔绝空气条件下高温加热，形成的由水分、碳氢氧化物和碳氢化合物(以CH4为主)组成的混合物，作为煤挥发分。

测定煤的挥发分主要是煤的高温热解，而煤的热解是将煤在隔绝空气条件下持续加热至高温时发生的一系列反应，属于吸热反应。煤的热解过程如图1所示[4]。

1.2 煤中挥发分的测定原理

挥发分不是煤中固有的挥发性物质，其测定实际上是一项规范性较强的实验项目。因次，严格把控测定的各个环节才能得到准确的测定结果。

图1 煤的热解过程图示

根据国标GB/T212—2008规定，一般情况下，煤中挥发分测定方法是：首先，称取一定量干燥煤样放在带盖的瓷坩埚内，约(1.0±0.01)g；其次，对瓷坩埚隔绝空气加热7 min，具体控制温度为(900±10)℃左右；第三，挥发分结果具体计算见公式(1)[5]。

V=(m0-m)/m0×100-Mad

(1)

式中:V为空气干燥基挥发分的质量分数，%；m0为称取的煤样质量，g；m为剩余的煤样质量，g；Mad为煤样的水分含量，%。

1.3 煤中挥发分测定的分析步骤

1.3.1 仪器设备

煤中挥发分测定所用的仪器设备主要有干燥器、分析天平、马弗炉、瓷坩埚(带盖)、坩埚架(夹)。仪器设备完全符合国家标准GB/T212—2008。

1.3.2 分析步骤

本实验煤中挥发分测定的具体分析步骤有：称量初始煤样及准备、加热煤样及称量剩余煤样及计算三步。所有的实验步骤都严格按照国家标准GB/T212-2008中的操作步骤。具体如第69页图2所示。

1.3.3 测定方法

国家标准中要求坩埚的质量为15 g～20 g。本实验中，以同一试样在相同方法、不同质量的坩埚(采用型号及材料相同)中进行实验，且为了验证重复性和再现性，每个质量段坩埚做6次平行实验，并取6次平行实验得到的平均挥发分(%)为此质量段坩埚的挥发分，以研究挥发分产率在坩埚总质量15 g～22 g具体变化情况。同时，为研究坩埚壁厚及坩埚盖质量(坩埚盖与坩埚吻合且活动度小)对挥发分的影响，把坩埚整体分成坩埚和坩埚盖，探讨其对煤挥发分影响的变化规律。此外，探讨用不同坩埚架测定挥发分的区别，如图2所示。

图2 煤中挥发分测定的具体分析步骤及具体操作

2 坩埚影响煤挥发分测定的主要因素

2.1 不同质量坩埚实验结果

本次参与实验的坩埚每次均放在坩埚架的第一排，不同质量坩埚测定同一煤试样挥发分，具体测定实验结果如表1、图3所示。

表1 不同质量坩埚测定同一煤试样挥发分①实验结果

图3 同一煤试样挥发分随不同质量坩埚变化图

由表1实验结果及图3变化图可知，同一煤试样挥发分随着坩埚质量的递增有微小递减的趋势。且最大与最小值相差0.43%，超出误差允许范围。

2.2 不同坩埚壁厚、坩埚盖质量的影响

由于本实验以同一试样在相同方法、不同质量的坩埚中进行实验。坩埚质量增加表明坩埚壁厚的增加以及坩埚盖质量的增加，由2.1研究表明，挥发分随坩埚壁厚度的增加而逐渐降低，呈线性变化；同时，挥发分随坩埚盖质量的增加而逐渐降低，呈线性变化。

2.3 不同坩埚架测定挥发分的区别

由于坩埚在坩埚架上受热程度的不同，从而可能影响挥发分的测定结果。为了进一步验证不同坩埚架测定挥发分的区别，本实验分别采用热、冷坩埚架进行对比实验，结果如表2所示。

表2 热坩埚架与冷坩埚架测定同一煤

由表2可知，用热坩埚架测定的结果明显高于用冷却的坩埚架测定的结果。分析其原因可能是，坩埚放于热坩埚架上首先得到了预热，对煤的热解过程及煤挥发分测定而言，加热速度更快，热解可能更彻底。同时，热坩埚架与冷坩埚架测定同一煤试样挥发分差值超出允许误差范围，表明影响较大，需要特别注意。

3 结果与讨论

通过上述分析结果可知，坩埚对挥发分的产率是有影响的，具体的影响为：煤挥发分随坩埚质量的增加以及坩埚壁厚、坩埚盖质量的增加，而呈现出线性降低的趋势；用热坩埚架测定的结果明显高于用冷却的坩埚架测定的结果。分析原因可能是，瓷坩埚的导热性较差，而煤中挥发分的测定过程属于煤的高温热解过程，所以在挥发分测定过程中煤样的实际温度及升温速度较低，尤其使用厚壁坩埚进行挥发分测定时更会导致此现象。同理，坩埚放于热坩埚架上首先得到了预热，有助于煤的高温热解过程，因此，用热坩埚架测定的结果明显高于用冷却的坩埚架测定的结果。

综上所述，挥发分测定是一项规范性很强的实验，其测定结果会受很多因素的影响。因此，在测定时应详细了解影响测定的因素和掌握应注意的事项，严格按标准的要求进行操作。