压饼法中压力对褐煤挥发分测定结果的影响研究

杨 妮，富 坤

(1.国家煤炭质量监督检验中心，北京 100013；2.煤炭科学技术研究院有限公司 检测分院，北京 100013；3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013)

0 引 言

褐煤是煤化程度最低的煤，其含有较高的内在水分，发热量较低，挥发分高，一般Vdaf大于37%[1,2]。煤的挥发分测定规范性很强，主要受到加热温度、加热时间和加热速度的影响，此外试验设备和试验容器及支架等均会对测定结果产生影响。由于褐煤的水分和挥发分很高，以松散的状态直接称样后放入900 ℃的马弗炉中加热，水分和挥发分骤然大量释出，将坩埚盖顶开带走碳粒，使测定结果准确度降低，精密度变差[3-5]。

采用直接称样、单炉测定褐煤挥发分时易爆燃和喷溅，目前按照GB/T 212—2008《煤的工业分析方法》测定褐煤挥发分时，将褐煤先压制成圆柱形的煤饼，再切成不超过3 mm的小块后进行测定[6]。国际标准ISO 5071-1中规定褐煤挥发分测定方法采用双炉法。徐华炜[7]研究了褐煤压饼与不压饼对褐煤测定结果的影响，表明压饼法和不压饼测定结果的精密度均满足国标的要求，但不压饼的挥发分测定结果准确度较低。薛俊海[8]研究表明不压饼的测定结果随机误差较大，对于有些褐煤误差较大，超出标准规定的重复性限。薛俊海[9]对我国标准与国际标准测定褐煤挥发分进行了比较分析，结果表明我国标准中采用的单炉压饼法测定结果与双炉法精密度有显著差异，我国标准测定方法要好于国际标准。

由于压饼时压力大小不同，导致煤块的结合紧密程度不同，且我国标准中未对压饼机进行详细规定，单炉压饼法与国际标准ISO 5071-1中规定的双炉方法测定结果是否有显著性差异，压饼的压力对煤块的挥发分测定结果的影响需进行深入研究。文中基于此问题展开研究，采用带有压力示值的压饼机，在不同压力下将煤样压制成直径10 mm的煤饼，考察压饼的压力对褐煤挥发分测定结果的影响。

1 试验部分

1.1 仪 器

螺旋式压饼机(示值单位为kg)，马弗炉，分析天平(分度值0.1 mg)。

1.2 试验方法

1.2.1单炉压饼法(国标方法)

GB/T 212—2008《煤的工业分析方法》规定将0.2 mm的褐煤样品进行压饼处理，再将约10 mm的煤饼切成约3 mm的小块，称取(1±0.01)g的样品，在(900±10)℃下，隔绝空气加热7 min，以减少的质量占煤样质量的质量分数，减去该煤样水分含量作为煤样的挥发分[6]。

1.2.2双炉法(ISO方法)

国际标准ISO 5071-1《褐煤分析样品挥发分的测定——第1部分:双炉法》中规定褐煤挥发分的测定方法:采用2个马弗炉，将煤样在400 ℃下隔绝空气加热7 min，然后立即转移到另一个已加热到900 ℃的马弗炉中继续加热7 min。挥发分值通过烘干样品的质量损失或者是由分析样品的质量损失经过水分校正后计算得到。ISO标准中规定的方法精密度为1.0%(绝对)[10]。

2 结果与讨论

2.1 压力对切块效果的影响

选择13个褐煤样品，用带有压力测量装置的压饼机考察样品能压成饼的最小压力。13个褐煤样品的工业分析结果详见表1，包括分析水、灰分、挥发分。由表中数据可看出，13个褐煤的水分和灰分差异较大，水分(Mad)在9.79%～26.35%，灰分(Ad)范围为5.02%～37.25%，挥发分(Vd)的结果在37.22%～49.13%。

表1 褐煤样品的工业分析结果
Table 1 Proximate analysis results of lignite samples

%

为研究压饼的压力对褐煤挥发分测定结果的影响，先对所选煤样进行压力值的初选，采用带有显示压力值的压饼机，确定13个煤样能压制成煤饼的最小压力值。该褐煤样品在不同压力下压饼的切块效果描述见表2，从表2中可看出，13个煤样在压力为20 kg时压制成煤饼的结合紧密程度不同，有的煤样结合得较为紧密，需稍用力才能切成小块，而有的煤样压成的煤饼稍碰就碎成粉末状。在压力为100 kg时，大部分褐煤均能压成饼状且能切成3 mm的小块，只有9号煤样压成的煤饼较松散。对9号煤样进行最大压力的试验，发现9号煤样在最大压力无法压成结实的煤饼，也不能切成3 mm的小块。从压饼的效果来看，有些褐煤不能压成煤饼，有可能与褐煤中其它矿物的含量有关[11]。

表2 不同压力下褐煤的压饼切块效果
Table 2 Cutting effect of pressed cake of lignite under different pressures

样号切块效果P(20 kg)P(100 kg)1较松散较结实2较松散较结实3较松散较结实4较松散较结实5稍紧密较结实6稍紧密较结实7稍紧密较结实8稍紧密较结实9碎末较多较松散10较结实较结实11较结实较结实12较结实较结实13较松散较结实

研究褐煤压饼时发现，其煤样质量不能太大，否则压成的煤饼结合不够紧密。若煤样质量太大，从圆柱形的煤饼机中出饼高度太高，导致受力不均匀、煤饼不结实、切块效果较差。因而直径10 mm煤饼机的每次压饼煤样质量不能超过1.5 g。即压力在20 kg、100 kg时压制成的煤饼及切块效果分别如图1、图2所示。从图1和图2煤饼和切块效果对比可看出，压制压力较小则煤饼切块效果较差、碎末较多；压制压力增大则切块效果较好、碎末较少，煤粒结合较紧密。

图1 20 kg时压饼效果Fig.1 Pancake pressing effect at 20 kg

图2 100 kg时压饼效果Fig.2 Pancake pressing effect at 100 kg

2.2 压力对挥发分测定结果的影响

试验表明，压力较小时煤饼切块后粉末较多，测定挥发分结果重复性较差。压力太大时压制的煤饼结合得太紧密，切成的小块煤也结合较为紧密，有可能导致个别样品挥发分测定时，小块煤的挥发分释放速率降低，在每一小块内部形成气体扩散控制，在试验测定时间内挥发分释放不完全，释出的部分CO2和H2O等气态组分吸附于煤结构内部，导致测定结果偏低[12-14]。煤饼的结合紧密程度无规律可循，此时只能依赖化验员经验判断，对于结合较紧密的煤样，切块时需减小煤粒的尺寸，才能得到准确的测定结果[15,16]。

2.3 准确度

从上述样品中选择能压成煤饼的12个褐煤，分别按照单炉压饼法和双炉法测定其挥发分，每一样品进行2次重复测定，单炉压饼法选择压力为100 kg和160 kg，测定结果见表3，并计算2种压力下单炉压饼法测定结果与双炉法测定结果的差值。由表3可知，2种压力下压饼的差值变化较大，计算其差值的平均值分别为0.02%和-0.06%，差值的标准差分别为0.50和0.49，对其进行t检验，按照t检验公式计算其t值:100 kg和160 kg下的t值分别为0.139和0.424，查t值表得t0.05,11=2.201，2个压力下的t值均小于临界值t0.05,11，表明在该2个压力下挥发分测定结果与双炉法测定结果无显著性差异，准确度合格。

表3 压饼法准确度验证
Table 3 Accuracy verification in pressure cake method

样品编号双炉S/%单炉压饼/%P1(100 kg)P2(160 kg)差值d(P1-S)/%差值d(P2-S)/%V138.3937.4637.60-0.93-0.78V246.0146.2145.860.20-0.15V344.2244.7644.740.550.53V445.3545.8245.600.470.25V548.8048.8148.590.01-0.21V643.6843.7343.440.05-0.24V736.9137.2037.490.290.57V845.8246.4146.330.590.51V939.8740.3740.390.500.52V1049.0748.1948.33-0.88-0.74V1149.1848.8648.86-0.32-0.32V1248.3948.1147.80-0.28-0.59

2.4 精密度

分别考察2个压力下挥发分的测定结果精密度，与ISO标准规定的双炉法进行精密度比较，并计算2次测定结果的极差，见表4。从表4可看出，100 kg和160 kg压力下的挥发分测定结果的重复性较好，12个样品的重复测定极差均小于标准规定的重复性限。对测定结果进行F检验，计算得出压力为100 kg和160 kg下的挥发分测定结果极差的方差分别为0.014和0.029，双炉法测定结果极差的方差为0.017。对单炉压饼法测定结果进行F检验，按照F检验公式计算得出100 kg和160 kg下的F值分别为1.214，1.706，从F表中查的临界值为F0.05,11,11=2.818，2个压力下的F值均小于临界值，因此，在压力为100 kg和160 kg下压饼测定挥发分，测定结果精密度和双炉法无显著性差异，精密度合格。

表4 压饼法精密度验证
Table 4 Precision verification in pressure cake method

样品编号P1(100 kg)/%12极差w1P2(160 kg)/%12极差w2双炉法极差w3/%V130.7530.540.2130.9930.530.460.01V235.4335.190.2435.0035.070.070.16V337.7637.660.1037.7037.680.020.33V435.8835.500.3835.6635.380.280.03V537.5237.510.0137.5437.160.380.34V635.9835.990.0135.8835.590.290.33V733.9133.940.0334.1234.250.130.22V841.2541.330.0841.1841.250.070.25V934.6734.670.0034.7534.630.120.03V1037.1737.220.0537.5537.070.480.01V1138.1338.070.0638.2137.720.490.12V1237.5537.290.2637.2637.110.150.00

3 结 论

从上述研究可知，褐煤压饼处理时，压饼的压力对煤饼的结合紧密程度有显著影响，压力较小时，煤饼结合较松散，切块效果较差，测定结果的重复性较差，随机误差较大。压力较大时，煤饼的结合程度较紧密，切块后煤粒较紧密，会导致测定结果偏低。

在压饼的压力为100 kg和160 kg时，测定褐煤的挥发分，对比分析压饼后的测定结果和国际标准ISO 5071-1规定的双炉法测定结果，表明2种方法测定结果的准确度和精密度无显著性差异。选择合适的压力(如在100 kg～160 kg压力范围内)和切块尺寸处理煤样，采用单炉法测定褐煤挥发分可得到与国际标准双炉法一致的测定结果。