煤质分析中基准的确定和不同基的换算公式推导

煤质分析中基准的确定和不同基的换算公式推导
赵江
【摘要】针对煤化工初学者和质检人员容易混淆、难以理解的煤质分析中的基准及其确定、不同基准间的相互关系和换算公式等问题,介绍了煤质分析中基准的概念,阐述了煤的工业分析、煤的元素分析和其它常用指标分析中基准的表达和确定,分析了不同基准间的相互关系和物质含义,并根据物质不灭定律对不同基的换算公式进行了推导.
【期刊名称】《广州化工》
【年(卷),期】2014(042)010
【总页数】3页(P43-45)
【关键词】煤质分析;基准;确定;相互关系;换算公式;推导
【作者】赵江
【作者单位】云南能源职业技术学院,云南曲靖655001
【正文语种】中文
【中图分类】TQ533
煤质分析是一种条件试验，不同煤样的分析试验结果是不同的，即使是同一煤样，其各项指标的测定结果也将随着其状态的不同和测定条件的变化而变化。

为了使测定结果具有可比性，从煤样的采取、制备到各项指标的测定方法均有严格的国家标准。

为了区别试验煤样的不同状态，在煤质分析中常以不同“基”表示煤质分析结
果，不同“基”可以相互换算。

1 基准的概念
“基准”一词在新华字典中的基本解释为:在测量工作中用作起始尺度的标准，泛指标准。

煤质分析中的基准 (简称“基”)是表征煤样基本状态的统一尺度。

简而言之，就是指煤质分析试验结果的表达是以何种状态下的煤样为基础而实测或换算出的。

煤质分析中常用的基准有收到基、空气干燥基、干燥基、干燥无灰基、干燥无矿物质基等。

国标分别定义如下:
①收到基(ar):以收到状态的煤为基准［1］。

②空气干燥基(ad):以与空气湿度达到平衡状态的煤为基准［1］。

③干燥基(d):以假想无水状态的煤为基准［1］。

④干燥无灰基(daf):以假想无水无灰状态的煤为基准［1］。

⑤干燥无矿物质基(dmmf):以假想无水无矿物质状态的煤为基准［1］。

可见，煤质分析中有些基准在实际中是不存在的，是一种理想状态，根据使用的需要可用公式换算出来;有些基准在实际中存在，可以实测，但为了方便，有时也不进行测试，而是根据已知基准的分析试验结果进行换算。

2 煤的工业分析中的基准
煤的工业分析是确定煤化学组成最基本的方法，它是在规定条件下，将煤的组成划分为水分、灰分、挥发分和固定碳四种组分。

工业分析是一种条件实验，除水分之外，灰分、挥发分和固定碳是煤在测定条件下的转化产物，不是煤的固有组分，其测定结果随测定条件的变化而变化［4］。

2.1 煤中的水分
煤中的水分可分为游离水和化合水，游离水包括外在水分和内在水分，化合水在煤的工业分析中不予考虑。

通俗地说，吸附在煤粒的外表面和较大毛细孔隙中的水，
称为外在水分，在常温下容易失去;吸附或凝聚在煤粒内部较小毛细孔隙中的水，
称为内在水分，在常温下不易失去;煤的内在水分和外在水分的质量之和就是煤的
全水分，它代表了刚开采出来，或使用单位刚收到或即将投入使用的煤中的全部水分。

国标分别定义如下:
①外在水分(Mf):在一定条件下煤样与周围空气湿度达到平衡时失去的水分［2］。

②内在水分(Minh):在一定条件下煤样与周围空气湿度达到平衡时保持的水分［2］。

③全水分(Mt):煤的外在水分和内在水分的总和［2］。

④化合水:与矿物质结合的、除去全水分后仍保留下来的水分［2］。

因此，可以这样认为:收到基煤样在空气中放置一定时间，煤中的部分水分在空气
中会不断蒸发，当煤样与周围空气湿度达到平衡，煤中的水分不再变化，这时所失去水分的质量占收到煤样的质量分数就是收到基的外在水分，用Mf表示;煤失去
外在水分后所处的状态称为空气干燥状态，失去外在水分的煤样称为空气干燥煤样(新国标称为一般分析试验煤样)，残留在空气干燥煤样中的全部游离态水占空气干燥煤样的质量分数称为空气干燥基的内在水分，用Minh表示;煤的工业分析中，
空气干燥法测煤的水分，一定质量的一般分析试验煤样置于105～110℃鼓风干燥箱，于空气流中干燥到质量恒定，煤样的质量损失 (即内在水分的质量)占一般分析试验煤样的质量分数称为一般分析试验煤样水分，用Mad表示，理论上
Minh=Mad;外在水分和内在水分构成了煤的全水分，即收到基全水分，用Mar
或Mt表示。

通过以上分析，与内在水分和外在水分有关的三种煤样的基准可定义如下:
①收到基煤样:既含内在水分又含外在水分的煤样。

②空气干燥基煤样:仅失去外在水分的煤样。

③干燥基煤样:既失去外在水分又失去内在水分的煤样。

理解了这三种煤样的基准，在实际应用中，煤的全水分计算公式可推导如下:
假设收到基煤样为100 g，则外在水分的质量为100×Mf%=Mfg，空气干燥基煤样的质量为 (100-Mf)g，空气干燥基煤样中内在水分的质量为 (100-Mf)
×Minh%g，全水分 (Mt)为煤的外在水分和内在水分的总和，故有:
2.2 煤的灰分
煤的灰分是指煤样在规定条件下完全燃烧后所得的残留物［2］。

煤的工业分析中以残留物的质量占煤样质量的质量分数作为煤样的灰分［3］。

严格地说，煤的灰分应称为煤的灰分产率，灰分的多少与测定条件有关。

由于空气干燥煤样中的水分是随空气湿度的变化而变化的，因而造成灰分的测值也随之发生变化。

就绝对干燥的煤样而言，其灰分产率是不变的，灰分的表示基准应是干燥基。

煤的工业分析中，测定灰分所用的煤样是空气干燥基煤样，测定结果是空气干燥基的灰分产率Aad，还需要换算为干燥基的灰分产率Ad。

2.3 挥发分
煤的挥发分是煤样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［2］。

挥发分由煤的有机质热解而产生，挥发分的高低反映了煤的有机质分子结构的特性。

煤的工业分析中，测定挥发分所用的煤样是空气干燥煤样，但挥发分的测定结果用空气干燥基Vad表示时，由于水分和灰分的影响，既不能正确反映这种特性，也
不能准确表达挥发分的高低。

因此，排除水分和灰分的影响，挥发分的表示基准应是干燥无灰基Vdaf。

2.4 固定碳
从测定挥发分后的煤样残渣中减去灰分后的残留物，通常由100减去水分、灰分
和挥发分得出［2］。

公式如下:
3 煤的元素分析中的基准
研究表明，煤中有机质主要是由碳、氢、氧、氮和硫等五种元素构成的。

煤的元素分析是碳、氢、氧、氮、硫五个煤炭分析项目的总称，煤的元素组成则是这五种元素分别占煤总量的比例。

国标中，煤中碳、氢、氮、硫的测定均是以一般分析试验煤样 (即空气干燥煤样)为基准，煤中的氧含量一般不直接测定，而是根据工业分析和元素分析的结果，用差减法按下式计算:
4 其它常用煤质指标分析的基准
在进行其他煤质指标分析时，如煤中全硫的测定、煤的发热量测定、烟煤胶质层指数测定、烟煤黏结指数测定等，一般均采用空气干燥煤样为基准，所得到的结果为空气干燥基数据。

5 不同基准间的相互关系和物质含义
煤质分析时煤炭组成有两种划分法:一种是将煤划分为有机质 (用挥发分V、固定碳FC或C、H、O、N和St近似代替)和无机质 (水分M、矿物质MM);另一种是将
煤划分为可燃质 (挥发分V、固定碳FC或C、H、O、N和St)和不可燃质(水分M、灰分A)。

5.1 不同基准间的相互关系
综合煤在各基准下的组成分析，可以得到不同基准之间的相互关系，如图1所示。

图1 常用基准间的相互关系Fig.1 The Mutual relations between different basis
5.2 不同基准的物质含义
6 不同基的换算公式
煤质分析指标测定时，一般均采用空气干燥煤样为试样，以此煤样测得的结果，就是以空气干燥煤样的质量为基准的。

但空气干燥基的数据往往不能正确反映指标的本质，只是一个基础数据，根据不同用途的需要，还需要换算成其他基准表示的数据。

6.1 不同基的换算的理论依据—物质不灭定律
在化学反应中，参加反应的各物质的质量总和等于反应后生成各物质的质量总和。

这个规律就叫做质量守恒定律。

它是自然界普遍存在的基本定律之一。

在任何与周围隔绝的体系中，不论发生何种变化或过程，其总质量始终保持不变。

或者说，任何变化包括化学反应和核反应都不能消除物质，只是改变了物质的原有形态或结构，所以该定律又称物质不灭定律。

6.2 不同基的换算公式推导
用X代表M、A、V、FC、C、H、O、N、S等具体指标。

6.2.1 收到基和空气干
燥基、干燥基、干燥无灰基、干燥无矿物质基的换算
假设收到基煤样的质量为100 g，则空气干燥煤样质量为(100-Mf)g，干燥基煤样的质量为(100-Mar)g，干燥无灰基煤样的质量为(100-Mar-Aar)g，干燥无矿物质基煤样的质量为(100-Mar-MMar)g。

组分质量=混合物的质量×组分的质量分数，根据物质不灭定律，推导如下:
6.2.2 空气干燥基和干燥基、干燥无灰基、干燥无矿物基的换算
假设空气干燥煤样的质量为100 g，则干燥基煤样的质量为(100-Mad)g，干燥无灰基煤样的质量为(100-Mad-Aad)g，干燥无矿物基煤样的质量为(100-Mad-MMad)g。

组分质量=混合物的质量×组分的质量分数，根据物质不灭定律，推导如下:
6.2.3 干燥基和干燥无灰基、干燥无矿物基的换算
假设干燥基煤样的质量为100 g，则干燥无灰基煤样的质量为(100-Ad)g，干燥无矿物质基煤样的质量为(100-MMd)g。

组分质量=混合物的质量×组分的质量分数，根据物质不灭定律，推导如下:
6.2.4 干燥无灰基和干燥无矿物质基的换算
假设干燥无灰基煤样的质量为100 g，则干燥无矿物质基煤样的质量为(100-Sp)g，而Sp难于确定，直接推导困难。

可用前面所得公式间接推导，推导如下:
daf→dmmf:用式(13)除以式(12)，推出:
7 结语
煤质分析中基准的确定及其相互换算是煤化工从业人员容易混淆、难以理解和把握的内容。

只有理解了基准的概念，弄清了基准间的相互关系，掌握了不同基的换算公式推导，才能熟练应用而不出错，满足实际工作的需要。

参考文献
［1］GB/T 483-2007，煤炭分析试验方法一般规定［S］．
［2］GB/T 3715-2007，煤质及煤分析有关术语［S］．
［3］GB/T 212-2008，煤的工业分析方法［S］．
［4］张双全．煤化学．2版［M］．徐州:中国矿业大学出版社，2009:80-85，111 -112．。