影响煤炭挥发分测定值的试验条件探究

章 靖，吕嘉栋，王 建，王 绩

(浙江越华能源检测有限公司，浙江 宁波 315211)

0 引 言

煤炭分析中的工业分析包括水分、灰分、挥发分的测定，其中挥发分是评判煤化程度的重要参数，也是确定煤炭分类的重要指标。煤样在隔绝空气条件下于(900±10)℃下加热7 min，溢出物进行水分校正后的质量损失率即为挥发分[1]，挥发分的高低对煤的着火和燃烧有着较大的影响。煤炭挥发分测定是1项规范性很强的试验，即在挥发分的实际检测过程中，坩埚、加热温度、加热时间、冷却时间等试验条件对其试验结果影响较大。

国内外学者已对挥发分值的影响因素进行研究，如刘亚丹等[2]研究发现，随着加热时间的延长，挥发分产率逐渐增加。陈筱钰[3]、余林春等[4]将坩埚对挥发分值的影响进行试验探究，发现坩埚盖与坩埚配合严密性、坩埚壁厚度、坩埚架上的坩埚放置方式以及坩埚架冷热程度等对挥发分值均有一定程度的影响;郑生等[5]研究发现仪器设备对挥发分测定结果也有影响。

挥发分的测定是1项极具规范性的试验项目，需逐步探寻最适宜的不同煤种煤样挥发分测定的影响条件，因此笔者将通过一系列的试验，以不同挥发分值的标准煤样作为试验样品，通过改变冷却时间、坩埚内积垢、不同坩埚质量以及3 min内是否升温至(900±10)℃该4个变量，通过理论与试验的结合，从而推选影响挥发分值的最佳试验条件，以期提升挥发分检测的精密度和准确度。

1 挥发分的测定

以下试验均严格按照国标GB/T 212—2008执行，试验所用的马弗炉、天平、秒表等均在检定有效期内，坩埚架(夹)为耐热金属，干燥器以及坩埚均符合国家标准。

试验采用6种标准煤样，分别为GBW 111001g、GBW 111001j、GBW 111001h、GBW 111001k、GBW 111007h、GBW 11103m，以上6种标煤的认定值均在认定有效期内，其挥发分值参数见表1。坩埚架可同时放置6个坩埚，而样品个数不足6个时，有多种放置方法可供选择，不同个数将影响马弗炉炉膛加热速度进而影响升温温度和时间，从而影响测定结果，因此以下试验中坩埚放置个数、放置位置均保持一致，同一标煤进行2次测定，其平均值作为试验结果。

表1 标准煤样挥发分参数Table 1 Volatile parameters of standard coal samples

标煤挥发分测定的重复性限及再现性临界差详见表2。

表2 挥发分测定的重复性限及再现性临界差Table 2 Limitation of repeatability and critical difference of reproducibility for determination of volatile matter

1.1 试验标准及原理

煤在(900±10)℃的温度下，隔绝空气加热7 min，其中有机物质和一部分矿物质热解成为气体，包括常温下生成的液体逸出，导致质量的减少，以失去的质量占煤样的百分率减去煤样的水分后即为挥发分[6-8]。空气干燥基挥发分计算公式见式(1):

Vad=(m0-m)/m1×100-Mad

(1)

式中，Vad为空气干燥基挥发分质量分数，%;m0为坩埚加称取的煤样质量，g;m为加热后坩埚加煤样质量，g;m1为称取的一般分析试验煤样质量，g;Mad为一般分析试验煤样水分的质量分数，%。

1.2 试验设备及步骤

试验用马弗炉符合国标标准，带有高温计和控温装置，能控制温度在(900±10) ℃[9]，并有足够的恒温区，炉后壁有1个排气孔和插热电偶的小孔，距炉底(20～30)mm[10]。

试验用挥发分坩埚:带有严密的盖子，坩埚总质量为(15～20)g[11]。

试验步骤如下:

(1)试验用坩埚预先在(900±10)℃的温度下灼烧至质量恒定并带有严密的盖子。

(2)称取粒度小于0.2 mm的一般分析煤样(1±0.01)g，轻敲煤样，使煤样摊平，放置于坩埚架上。

(3)将坩埚架放入预先加热至920 ℃的马弗炉恒温区内，并立即关上炉门，准确计时7 min，且炉温在3 min内须升至(900±10) ℃，否则该组试验作废，需重新试验。

(4)从炉内取出坩埚架放置于耐热板上，在空气中冷却5 min左右，移入干燥塔中冷却至室温(约20 min)后称量[12]。

首先，要多主体参与教学评价环节，学习者、管理者、企业、教师多角度、多方面进行教学评价，对评价信息及时反馈，实行教学改进，引导教学贴近大众多样化需求；

2 挥发分影响因素的试验研究

2.1 冷却时间的影响

当灼烧后的坩埚从马弗炉中取出后，GB/T 212—2008中对放置时间的规定为在空气中约冷却5 min，移入干燥塔中冷却至室温后称量，依次按照上述试验步骤分别对6种标煤在空气中冷却5 min后，移入干燥塔冷却5 min、15 min、20 min、25 min、30 min进行一系列试验，每种标煤进行2组试验，以总冷却时间为依据，得到的挥发分值(Vd，%)如图1所示。

由图1可知，随着冷却时间的增加，6种不同值的标煤挥发分值总体呈现降低的趋势;在总冷却时间为10 min时易偏离标煤认定值不确定度范围，试验结果不符合要求;总冷却时间在25 min时最接近认定值，超过25 min则易引起焦渣吸水从而影响试验结果，因此在检测中应严格控制空气中冷却时间。

图1 6种标煤不同冷却时间对应挥发分值Fig. 1 Volatile value of six standard coal at different cooling time

2.2 坩埚内积垢的影响

测定挥发分后，经常发现在坩埚内表面(包括盖)会产生1层黑色油光附着物，可在试验后通过灼烧除去，继而在坩埚中遗留下1层积垢灰。此次试验将探究积垢对挥发分的影响，试验选取1组灼烧后未擦净，坩埚内壁带积垢灰的空坩埚，按照国标要求称取一定量的标煤[13-14]，进行试验后选用同一组擦净后无灰积垢的空坩埚，称取同种标煤进行试验，试验中所用设备、器具均相同，坩埚摆放位置、环境条件均一致，空气中冷却时间相同，坩埚质量(15 g～20 g)在标准范围内，每种标煤分别进行2次试验，挥发分测定值(Vd，%)结果见表3，不同标煤有无积垢的不同挥发分值如图2所示。由图2可知，3种不同认定值的标煤在坩埚内积垢的挥发分值均低于坩埚内无积垢的测值，同时坩埚内积垢较易引起挥发分值偏离标煤不确定度范围，从而影响日常检测准确度，因此每次挥发分试验后应将坩埚内擦净并灼烧至恒重。

图2 不同标煤有无积垢的不同挥发分值Fig. 2 The standard coal has different volatile score with or without scaling

表3 不同标煤有无积垢的不同挥发分值Table 3 The standard coal has different volatile score with or without scaling %

注:GBW 111003m、GBW 111001k、GBW 111007h、GBW 111001g、GBW 111001j、GBW 111001h的挥发分值(Vd)认定值分别为10.41±0.30、19.32±0.24、30.59±0.41、19.40±0.24、24.38±0.22、31.84±0.22。

2.3 坩埚质量的影响

由于坩埚内壁积垢引起坩埚质量的增加，可能引起挥发分值偏离[15-16]，因此，以下将继续探究坩埚质量对挥发分值的影响，试验用6种不同认定值的标准煤样，分别进行5组试验以探究坩埚质量对挥发分值的影响，每组试验所用坩埚均为灼烧后擦净无积垢坩埚，所用设备、环境条件、坩埚架上摆放位置均相同，坩埚质量变化对应挥发分值如图3所示。由图3可知，挥发分值会随着坩埚质量(不含积垢)的增加而减小，因此坩埚质量过重会影响升温速率进而影响加热的温度和时间，最后会影响到挥发分测定值的准确度。

图3 6种标煤不同坩埚质量对应挥发分值Fig. 3 The corresponding volatilization fraction of six standard coal with different crucible mass

2.4 马弗炉恢复炉温对挥发分的影响

煤的国家标准GB/T 212—2008中，对工业分析中挥发分坩埚放入马弗炉后的升温时间有规定，即在3 min内恢复到(900±10)℃，马弗炉温度是影响挥发分测定的重要因素之一。

在日常试验中，坩埚放入马弗炉速度过慢则易引起升温时间增加。笔者将采用6组不同认定值的标准煤样进行一系列试验，控制马弗炉是否在3 min内恢复到(900±10)℃，从而得出数据并分析结果。此次试验中，使用的坩埚均擦净至内壁无积垢，且同组试验采用同一组坩埚、同一台设备、同一冷却时间及环境条件。不同标煤是否在3 min 内恢复炉温对挥发分值的影响见表4及如图4所示。

表4 不同标煤是否在3 min 内恢复炉温对挥发分值的影响Table 4 Influence of whether the furnace temperature of different standard coals is restored within 3 min on volatile values

图4 不同标煤是否在3 min 内恢复炉温对挥发分值的影响Fig. 4 Influence of whether the furnace temperature of different standard coals is restored within 3 min on volatile values

因此，在日常挥发分检测过程中，因快速将挥发分坩埚放入马弗炉中，同时确保坩埚盖保持密封状态，及时关闭炉门，观察马弗炉是否在3 min内升温至(900±10)℃，若超过3 min，应舍弃该组试验，重新称量并检测。

3 结 论

通过上述试验分析，冷却时间、坩埚内积垢、坩埚质量、3 min升至炉温对挥发分值的影响明显，且一定程度偏离认定值的不确定度范围，日常检测过程中容易引起试验误差，具体影响结果分析如下:

(1)空气中冷却时间对挥发分测定结果影响较大，冷却时间较短或较长都易引起测定结果的不准确，因此试验中挥发分坩埚从马弗炉中取出后，在空气中放置5 min后，移入干燥塔放置20 min，总冷却时间25 min为最适宜时间。

(2)坩埚内积垢造成挥发分测定值偏离其真实值，将影响试验结果，因此在试验前应及时清理坩埚内壁，擦净并灼烧至恒重。

(3)挥发分值与坩埚质量呈负相关关系，坩埚质量的增加将引起挥发分值降低，因此挥发分坩埚质量必须在标准范围内(15g～20g) ，否则将引起挥发分结果的偏离。

(4)挥发分坩埚放入马弗炉后，3 min内是否升温至(900±10)℃对挥发分值影响明显，易引起挥发分值结果偏离，因此，在日常检测中，应确保试验过程中的炉温回升时间在3 min内。

综上所述，挥发分测定是1项规范性较强的试验，影响因素较多，因此试验过程中应严格控制试验条件，充分了解注意事项并严格按照标准执行。