壓餅法中壓力對褐煤揮發分測定結果的影響研究

楊 妮，富 坤

(1.國家煤炭質量監督檢驗中心，北京 100013；2.煤炭科學技術研究院有限公司 檢測分院，北京 100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013)

0 引 言

褐煤是煤化程度最低的煤，其含有較高的內在水分，發熱量較低，揮發分高，一般Vdaf大于37%[1,2]。煤的揮發分測定規范性很強，主要受到加熱溫度、加熱時間和加熱速度的影響，此外試驗設備和試驗容器及支架等均會對測定結果產生影響。由于褐煤的水分和揮發分很高，以松散的狀態直接稱樣后放入900 ℃的馬弗爐中加熱，水分和揮發分驟然大量釋出，將坩堝蓋頂開帶走碳粒，使測定結果準確度降低，精密度變差[3-5]。

采用直接稱樣、單爐測定褐煤揮發分時易爆燃和噴濺，目前按照GB/T 212—2008《煤的工業分析方法》測定褐煤揮發分時，將褐煤先壓制成圓柱形的煤餅，再切成不超過3 mm的小塊后進行測定[6]。國際標準ISO 5071-1中規定褐煤揮發分測定方法采用雙爐法。徐華煒[7]研究了褐煤壓餅與不壓餅對褐煤測定結果的影響，表明壓餅法和不壓餅測定結果的精密度均滿足國標的要求，但不壓餅的揮發分測定結果準確度較低。薛俊海[8]研究表明不壓餅的測定結果隨機誤差較大，對于有些褐煤誤差較大，超出標準規定的重復性限。薛俊海[9]對我國標準與國際標準測定褐煤揮發分進行了比較分析，結果表明我國標準中采用的單爐壓餅法測定結果與雙爐法精密度有顯著差異，我國標準測定方法要好于國際標準。

由于壓餅時壓力大小不同，導致煤塊的結合緊密程度不同，且我國標準中未對壓餅機進行詳細規定，單爐壓餅法與國際標準ISO 5071-1中規定的雙爐方法測定結果是否有顯著性差異，壓餅的壓力對煤塊的揮發分測定結果的影響需進行深入研究。文中基于此問題展開研究，采用帶有壓力示值的壓餅機，在不同壓力下將煤樣壓制成直徑10 mm的煤餅，考察壓餅的壓力對褐煤揮發分測定結果的影響。

1 試驗部分

1.1 儀 器

螺旋式壓餅機(示值單位為kg)，馬弗爐，分析天平(分度值0.1 mg)。

1.2 試驗方法

1.2.1單爐壓餅法(國標方法)

GB/T 212—2008《煤的工業分析方法》規定將0.2 mm的褐煤樣品進行壓餅處理，再將約10 mm的煤餅切成約3 mm的小塊，稱取(1±0.01)g的樣品，在(900±10)℃下，隔絕空氣加熱7 min，以減少的質量占煤樣質量的質量分數，減去該煤樣水分含量作為煤樣的揮發分[6]。

1.2.2雙爐法(ISO方法)

國際標準ISO 5071-1《褐煤分析樣品揮發分的測定——第1部分:雙爐法》中規定褐煤揮發分的測定方法:采用2個馬弗爐，將煤樣在400 ℃下隔絕空氣加熱7 min，然后立即轉移到另一個已加熱到900 ℃的馬弗爐中繼續加熱7 min。揮發分值通過烘干樣品的質量損失或者是由分析樣品的質量損失經過水分校正后計算得到。ISO標準中規定的方法精密度為1.0%(絕對)[10]。

2 結果與討論

2.1 壓力對切塊效果的影響

選擇13個褐煤樣品，用帶有壓力測量裝置的壓餅機考察樣品能壓成餅的最小壓力。13個褐煤樣品的工業分析結果詳見表1，包括分析水、灰分、揮發分。由表中數據可看出，13個褐煤的水分和灰分差異較大，水分(Mad)在9.79%～26.35%，灰分(Ad)范圍為5.02%～37.25%，揮發分(Vd)的結果在37.22%～49.13%。

表1 褐煤樣品的工業分析結果
Table 1 Proximate analysis results of lignite samples

%

為研究壓餅的壓力對褐煤揮發分測定結果的影響，先對所選煤樣進行壓力值的初選，采用帶有顯示壓力值的壓餅機，確定13個煤樣能壓制成煤餅的最小壓力值。該褐煤樣品在不同壓力下壓餅的切塊效果描述見表2，從表2中可看出，13個煤樣在壓力為20 kg時壓制成煤餅的結合緊密程度不同，有的煤樣結合得較為緊密，需稍用力才能切成小塊，而有的煤樣壓成的煤餅稍碰就碎成粉末狀。在壓力為100 kg時，大部分褐煤均能壓成餅狀且能切成3 mm的小塊，只有9號煤樣壓成的煤餅較松散。對9號煤樣進行最大壓力的試驗，發現9號煤樣在最大壓力無法壓成結實的煤餅，也不能切成3 mm的小塊。從壓餅的效果來看，有些褐煤不能壓成煤餅，有可能與褐煤中其它礦物的含量有關[11]。

表2 不同壓力下褐煤的壓餅切塊效果
Table 2 Cutting effect of pressed cake of lignite under different pressures

樣號切塊效果P(20 kg)P(100 kg)1較松散較結實2較松散較結實3較松散較結實4較松散較結實5稍緊密較結實6稍緊密較結實7稍緊密較結實8稍緊密較結實9碎末較多較松散10較結實較結實11較結實較結實12較結實較結實13較松散較結實

研究褐煤壓餅時發現，其煤樣質量不能太大，否則壓成的煤餅結合不夠緊密。若煤樣質量太大，從圓柱形的煤餅機中出餅高度太高，導致受力不均勻、煤餅不結實、切塊效果較差。因而直徑10 mm煤餅機的每次壓餅煤樣質量不能超過1.5 g。即壓力在20 kg、100 kg時壓制成的煤餅及切塊效果分別如圖1、圖2所示。從圖1和圖2煤餅和切塊效果對比可看出，壓制壓力較小則煤餅切塊效果較差、碎末較多；壓制壓力增大則切塊效果較好、碎末較少，煤粒結合較緊密。

圖1 20 kg時壓餅效果Fig.1 Pancake pressing effect at 20 kg

圖2 100 kg時壓餅效果Fig.2 Pancake pressing effect at 100 kg

2.2 壓力對揮發分測定結果的影響

試驗表明，壓力較小時煤餅切塊后粉末較多，測定揮發分結果重復性較差。壓力太大時壓制的煤餅結合得太緊密，切成的小塊煤也結合較為緊密，有可能導致個別樣品揮發分測定時，小塊煤的揮發分釋放速率降低，在每一小塊內部形成氣體擴散控制，在試驗測定時間內揮發分釋放不完全，釋出的部分CO2和H2O等氣態組分吸附于煤結構內部，導致測定結果偏低[12-14]。煤餅的結合緊密程度無規律可循，此時只能依賴化驗員經驗判斷，對于結合較緊密的煤樣，切塊時需減小煤粒的尺寸，才能得到準確的測定結果[15,16]。

2.3 準確度

從上述樣品中選擇能壓成煤餅的12個褐煤，分別按照單爐壓餅法和雙爐法測定其揮發分，每一樣品進行2次重復測定，單爐壓餅法選擇壓力為100 kg和160 kg，測定結果見表3，并計算2種壓力下單爐壓餅法測定結果與雙爐法測定結果的差值。由表3可知，2種壓力下壓餅的差值變化較大，計算其差值的平均值分別為0.02%和-0.06%，差值的標準差分別為0.50和0.49，對其進行t檢驗，按照t檢驗公式計算其t值:100 kg和160 kg下的t值分別為0.139和0.424，查t值表得t0.05,11=2.201，2個壓力下的t值均小于臨界值t0.05,11，表明在該2個壓力下揮發分測定結果與雙爐法測定結果無顯著性差異，準確度合格。

表3 壓餅法準確度驗證
Table 3 Accuracy verification in pressure cake method

樣品編號雙爐S/%單爐壓餅/%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

分別考察2個壓力下揮發分的測定結果精密度，與ISO標準規定的雙爐法進行精密度比較，并計算2次測定結果的極差，見表4。從表4可看出，100 kg和160 kg壓力下的揮發分測定結果的重復性較好，12個樣品的重復測定極差均小于標準規定的重復性限。對測定結果進行F檢驗，計算得出壓力為100 kg和160 kg下的揮發分測定結果極差的方差分別為0.014和0.029，雙爐法測定結果極差的方差為0.017。對單爐壓餅法測定結果進行F檢驗，按照F檢驗公式計算得出100 kg和160 kg下的F值分別為1.214，1.706，從F表中查的臨界值為F0.05,11,11=2.818，2個壓力下的F值均小于臨界值，因此，在壓力為100 kg和160 kg下壓餅測定揮發分，測定結果精密度和雙爐法無顯著性差異，精密度合格。

表4 壓餅法精密度驗證
Table 4 Precision verification in pressure cake method

樣品編號P1(100 kg)/%12極差w1P2(160 kg)/%12極差w2雙爐法極差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 結 論

從上述研究可知，褐煤壓餅處理時，壓餅的壓力對煤餅的結合緊密程度有顯著影響，壓力較小時，煤餅結合較松散，切塊效果較差，測定結果的重復性較差，隨機誤差較大。壓力較大時，煤餅的結合程度較緊密，切塊后煤粒較緊密，會導致測定結果偏低。

在壓餅的壓力為100 kg和160 kg時，測定褐煤的揮發分，對比分析壓餅后的測定結果和國際標準ISO 5071-1規定的雙爐法測定結果，表明2種方法測定結果的準確度和精密度無顯著性差異。選擇合適的壓力(如在100 kg～160 kg壓力范圍內)和切塊尺寸處理煤樣，采用單爐法測定褐煤揮發分可得到與國際標準雙爐法一致的測定結果。