煤的元素分析

煤的元素分析

煤的元素分析包括煤中碳、氢、氧、氮和硫的测定。由于我国煤质分析标准将硫单独列为一项，所以，这里讲的元素分析，是指煤中碳、氢、氮的测定和氧的计算。

第一节煤中碳、氢、氮和氧的存在形态和测定意义

煤由有机物和无机物两部分组成。无机物主要是矿物质和水；有机物主要由碳、氢、氧、氮、硫等元素组成。其中碳、氢、氧的总和占有机质的95%以上，其中碳元素占60%~98%，氢元素占0.8~6.6%,氧占1%~30%。氮含量变化范围不大，一般在0.3~3%之间，而硫元素大约占0.5~3%。一般来说随着煤化程度的加深，碳元素含量增加，氢、氧元素含量减少，表2-44是我国各种类别煤的元素组成。

煤中各种元素的赋存形式不尽一致。煤中碳、氢、氧主要以芳香族结构，脂肪族结构以及脂环族结构存在，目前，一般认为煤是由带脂肪的侧链大芳环和杂环的核所构成，碳是构成这些环的骨架，氢和其它元素结合分布在侧链和桥链上。少量碳以碳酸盐二氧化碳形式存在，少量氢、氧以结晶水方式存在。煤中氮，主要由成煤植物中的蛋白质转化而来的，通常为有机氮，其中有些是杂环型。在泥炭和褐煤中又以蛋白质氮（各种氨基酸及其衍生物）形态存在。

由于在煤的无机组分中也含有少量碳、氢、氧和硫等元素，因此，在了解煤中有机质的元素组成及进行煤炭分类时，应以重液（密度为1.4或1.35）中洗选后的精煤来测定。

煤的工艺用途主要由煤中有机质的性质所决定。因此，了解煤中有机质的组成是必要的。

在动力工业中，煤的元素组成可用来计算煤的燃烧热，煤中的碳和氢是热量的主要来源。1g碳完全燃烧生成二氧化碳产生34040J的热量，而1g氢产生的热量为143000J，约为碳的4倍，因此，它们的含量决定了发热量的高低。氧在煤中以化合态存在，氧本身不燃烧，但加热时容易使有机组分分解成挥发性物质，如：烟煤和褐煤含氧量高，所以生成的挥发性物质多，使着火点降低，但氧的含量高，碳氢的含量降低，发热量降低。氮燃烧时，大部分以游离态随烟气排出，从燃烧的角度来说，氮为无用元素，约有20%~40%在燃烧中变为NO x，随烟气排入大气，增加污染。硫分为可燃硫和不可燃硫，其中可燃硫参与燃烧，释放少量的热量，但其氧化产物为二氧化硫和三氧化硫，既腐蚀锅炉设备，同时，排到大气也污染环境，此外，煤中黄铁矿硫增高，还使灰熔融性降低，促使锅炉结渣发生，因此，硫和氮均为有害元素。

煤中碳、氢、氧是其有机质的主要组分，反映煤的变质程度。煤中碳含量随

着煤的煤化程度的加深而增加，所以，常称煤的煤化程度为煤的碳化程度，煤中氢含量则随煤的煤化程度的加深而减少，煤中氧的含量也随煤的煤化程度的加深而显著降低。因此，人们很早就以煤的元素组成作为煤炭科学分类的指标之一。如，中国煤分类国家标准GB5751中，就以干燥无灰基氢作为划分无烟煤小类的指标。

此外，煤的元素组成可用来计算理论燃烧温度和燃烧产物的组成、燃烧理论

烟气量、过量空气系数及热平衡等，估算和预测煤的低温干馏产物和褐煤蜡产率。因此，元素分析在锅炉设计和运行中有十分重要的意义。

第二节 煤中碳氢的测定（常规法）

一、煤中碳、氢测定的基本原理

1、测定原理

（1） 燃烧吸收重量法

煤样在氧气流中燃烧，煤中的碳生成二氧化碳，氢生成水。生成的二氧化碳

和水分分别被二氧化碳吸收剂和吸水剂吸收。根据吸收剂的增重，计算煤中碳和氢的含量。

对CO 2和H 2O 的吸收反应如下：

2NaOH+CO 2→Na 2CO 3+H 2O

CaCl 2 + 2H 2O ＝CaCl 2·2H 2O

CaCl 2·2H 2O +4H 2O ＝CaCl 2·6H 2O

（2）半自动测碳氢

将一定量的煤样放在瓷舟内，推至800℃的石英管中燃烧分解，用净化的氧

22232222800C O CO H O SO SO CL NO N ο+↑++↑+↑+↑+↑+↑煤催化剂

气为载气，吹进高锰酸银热解产物进行催化氧化，使煤中氢转化为水，碳转化为二氧化碳。将燃烧分解生成的水和二氧化碳载过铂—五氧化二磷电解池。电解池与仪器之间组成一电化学分析系统。未进样时电解池内阻很大，正负极之间呈开路状态，无电流流过；当含有水分的气体通过电解池时，水被五氧化二磷吸收生成偏磷酸，电解池内阻减小，启动电解，其电解电流大于50mA 。电解生成的氧气和氢气随载气流排出，而五氧化二磷得以再生复原。

随着电解反应的进行，偏磷酸越来越少，电解电流也随之下降。当下降到

5mA 终点电流时，终点控制器动作，切断电解电源，电解终止。这段时间内的电流与时间的积分值，即为电解所耗用的电量。根据法拉第电解定律可以计算出氢的质量W （g ）。

水被电解池吸收后，二氧化碳随载气流吹进装碱石棉的U 形吸收管，被碱

石棉吸收生成碳酸钠和水，然后根据吸收剂碱石棉的增量即可计算出碳的含量。

2、碳、氢测定中的干扰因素及其排除方法

由燃烧反应可知，煤燃烧时，除生成二氧化碳和水以外，还有硫的氧化物，

氮的氧化物，氯等生成，这些酸性氧化物和氯若不除去，将全部被二氧化碳吸收剂—碱石棉吸收，使得碳测值偏高。

为排除这些干扰因素，一般采取以下措施：

（1）三节炉法中，在燃烧管内用铬酸铅脱硫，以银丝卷脱氯：

4PbCrO 4＋4SO 2−−→−℃600

4PbSO 4＋2Cr 2O 3＋O 2 4PbCrO 4＋4SO 3−−→−℃600

4PbSO 4＋2Cr 2O 3＋3O 2 2Ag ＋Cl 2−−→−℃180

2AgCl （2）二节炉及半自动测碳氢法中，用高锰酸银的热分解产物脱除硫和氯；

2Ag ＋SO 2＋O 2−−→−℃500Ag 2SO 4

4Ag ＋2SO 3＋O 2−−→−℃5002Ag 2SO 4

2Ag ＋Cl 2−−→−℃5002AgCl

在燃烧管外部和粒状二氧化锰除去氮的氧化物，在氧气流中燃烧时，在有催

化剂存在情况下，煤中20~60%的氮生成氮的氧化物，若不除掉，会使碳测值偏高0.1~0.5%。

反应方程：22322 ()MnO NO Mn NO +→

二、三节炉法碳、氢测定装置

碳、氢测定装置分为三部分：氧气净化系统，燃烧装置、吸收系统。整个装置的系统图见图2-54。第一部分是氧气净化系统，脱除氧气中的二氧化碳和水；

第二部分是燃烧装置，煤样在燃烧装置中完全燃烧，煤样中碳、氢生成二氧化碳和水，硫、氯等元素对测定的干扰在燃烧管内脱除；第三部分是吸收系统，用来吸收煤燃烧生成的二氧化碳和水。根据吸收系统各自的增重，来计算煤中碳、氢的含量。在吸水管和二氧化碳吸收管之间，连接一个装有二氧化锰和氯化钙的U 形管，用来除氮。

1、氧气净化系统

氧气净化系统的作用，是除去氧气中的二氧化碳和水。

氧气净化系统由一个内装40%

氢氧化钠（或氢氧化钾）溶液的鹅头洗气瓶、

1—气体干燥塔； 2—流量计； 3—橡皮塞； 4—铜丝卷； 5—燃烧舟； 6—燃烧管； 7—氧化铜； 8—铬酸铅； 9—银丝卷； 10—吸水U 型管； 11—除氮氧化物U 型管； 12—吸收二氧化碳U 型管； 13—空U 型管； 14—气泡计；15—三节电炉及控制装置

图2-54 三节炉碳、氢测定仪