試論煤質(zhì)化驗(yàn)在提高煤炭質(zhì)量中所發(fā)揮的作用

柳紅臣

開灤（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 河北唐山 063000

煤炭既包含有用成分、也含有能量，可作為原、燃料使用。煤質(zhì)檢驗(yàn)的對象應(yīng)包括動力煤和化工原料煤[1]。煤質(zhì)檢驗(yàn)不僅測定煤的常規(guī)組成和性質(zhì)，還應(yīng)該考慮煤炭高效清潔轉(zhuǎn)化利用常見場景下對煤特定組分和性質(zhì)分析、評價(jià)的要求，如煤中微量（有害）元素、堿（土）金屬、熱解反應(yīng)熱、基于現(xiàn)代氣流床氣化的煤氣化特性等。

1 煤質(zhì)檢驗(yàn)的意義

過去十年，我國原煤年產(chǎn)量穩(wěn)定在36億t上下。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前國內(nèi)的煤礦超過1萬座、選煤廠1900座、火力發(fā)電廠2500座。除了煉焦、合成氨與尿素、甲醇等傳統(tǒng)的煤炭化工產(chǎn)業(yè)，煤制油以及煤制烯烴、乙二醇、芳烴等現(xiàn)代煤化工蓬勃發(fā)展，每年消耗數(shù)億噸原料煤。煤質(zhì)檢驗(yàn)在煤炭生產(chǎn)和利用中起到十分重要的作用。煤炭組成和性質(zhì)是煤炭加工、轉(zhuǎn)化、利用裝置和工藝過程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。煤質(zhì)分析提供準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，是評價(jià)煤炭質(zhì)量、進(jìn)行煤炭交易的依據(jù)，也是保證煤炭產(chǎn)品質(zhì)量、提高原燃料利用效率、節(jié)能減排的重要手段。

近年來，我國多地出現(xiàn)嚴(yán)重的霧霾天氣，在一些以煤炭為主要燃料的地區(qū)，煤的灰分、揮發(fā)分、硫含量等煤質(zhì)指標(biāo)關(guān)系到大氣污染的有效治理，上述指標(biāo)也是環(huán)保、質(zhì)監(jiān)部門對煤炭生產(chǎn)、運(yùn)輸、利用等環(huán)節(jié)進(jìn)行監(jiān)督和管理的技術(shù)依據(jù)。發(fā)熱量是動力煤計(jì)價(jià)的主要指標(biāo)之一。煤炭生產(chǎn)企業(yè)或運(yùn)銷機(jī)構(gòu)在配煤裝車過程中通常基于煤質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行下一步操作，若出現(xiàn)由于煤質(zhì)化驗(yàn)滯后而導(dǎo)致盲裝、煤質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確等現(xiàn)象，則會造成嚴(yán)重的后果，即或是因動力煤品質(zhì)不達(dá)標(biāo)而引起法律糾紛，或由于發(fā)運(yùn)的煤炭熱值過高而造成煤企的經(jīng)濟(jì)損失。

煤質(zhì)關(guān)系著火力發(fā)電設(shè)備的安全高效運(yùn)行和節(jié)能減排目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。為了保證電廠鍋爐正常、高效運(yùn)行，對燃煤進(jìn)行煤質(zhì)分析、準(zhǔn)確實(shí)時(shí)掌握煤質(zhì)指標(biāo)是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。煤的元素組成是鍋爐熱力計(jì)算和燃燒工況調(diào)整的依據(jù)之一。煤的發(fā)熱量是計(jì)算煤耗和熱效率、燃燒設(shè)備熱平衡、確定煤混和配比等的關(guān)鍵參數(shù)。電站煤粉的灰分是評價(jià)燃煤質(zhì)量的重要依據(jù)，通過煤粉灰分含量可預(yù)測電廠的運(yùn)行狀況和污染物的排放情況。

2 煤質(zhì)工業(yè)分析及測定方法

煤質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)分析中主要檢測項(xiàng)有水分、灰分、揮發(fā)分和固定碳，對其分析結(jié)果進(jìn)行整合計(jì)算得到煤炭中濕份、可燃物和有機(jī)物含量，從而判定煤炭煤質(zhì)特性等級。

2.1 煤質(zhì)工業(yè)分析

①水分測定是其中一項(xiàng)重要檢測指標(biāo)，因?yàn)槊禾恐兴趾颗c其變質(zhì)程度有對應(yīng)關(guān)系，通常煤炭隨著其煤質(zhì)程度增大其水分含量依次減小。煤質(zhì)水分測定方法有通氮干燥法、微波干燥法、粒度6mm煤樣空氣干燥法和粒度13mm煤樣空氣干燥法。②煤炭灰分主要來源于礦物質(zhì)，它的存在能降低煤炭質(zhì)量和煤炭燃燒效率，是煤炭中一種有害物質(zhì)，也是煤炭質(zhì)量評價(jià)的重要指標(biāo)。其檢測值是在規(guī)定條件下煤樣完全燃燒后殘留物的產(chǎn)率，可通過緩慢灰化法、快速灰化法進(jìn)行測定。③揮發(fā)分是煤樣在規(guī)定條件下隔絕空氣進(jìn)行加熱，去除煤樣水分后得到的揮發(fā)物產(chǎn)率。揮發(fā)分產(chǎn)率能粗略判斷煤炭變質(zhì)情況，一般揮發(fā)分產(chǎn)率越低煤變質(zhì)越好，它也是煤炭加工利用的重要參考指標(biāo)[2]。④煤樣固定碳含量是用前面三個測定值計(jì)算得到，具體為100減去空氣干燥煤樣的水分含量、灰分產(chǎn)率和揮發(fā)分產(chǎn)率。所以煤質(zhì)工業(yè)分析也常叫做“三檢測一計(jì)算”。

2.2 煤質(zhì)元素分析及測定方法

煤的組成部分主要有機(jī)物和無機(jī)物，有機(jī)物有碳、氫、氧、硫等元素組成，無機(jī)物有水和礦物質(zhì)組成。煤隨著碳元素含量增高其變質(zhì)程度越高，隨著氫、氧元素含量變化則反之。氮、硫元素含量是煤質(zhì)控制的重要指標(biāo)，它會在煤燃燒、深加工過程中會生產(chǎn)對環(huán)境或設(shè)備有害的氮氧化物和硫化物。所以元素分析是煤炭加工利用或燃燒中不可或缺的檢測項(xiàng)目。①碳、氫元素測定，是將煤樣在氧氣流條件下完全燃燒，生成的CO2和H2O用吸附劑吸附，吸附劑的增重量經(jīng)過折算即為元素含量值。常用的儀器設(shè)備有碳?xì)錅y定儀，其組成為凈化系統(tǒng)、燃燒裝置和吸收裝置。②氮元素的測定采用經(jīng)典的開氏法，其原理簡述為將煤樣用硫酸消化，消化液蒸餾吸收后用硫酸滴定，用硫酸滴定量來計(jì)算氮元素含量。③煤中硫元素以有機(jī)硫、無機(jī)硫及微量硫組成，對其全硫的測定方法有艾士卡法、庫倫法和高溫燃燒中和法。常用的艾士卡法原理簡述為煤樣與艾氏卡試劑混合灼燒，生成硫酸鈉，再用氯化鋇溶液得到硫酸鋇沉淀，最后將沉淀物轉(zhuǎn)算為全硫含量。④煤中氧元素的存在種類復(fù)雜、檢測過程繁瑣，其含量測定常用已檢測的干燥煤樣碳、氫、硫、灰分、水分含量值計(jì)算。

2.3 其他測定指標(biāo)及測定方法

除了常規(guī)化煤質(zhì)工業(yè)分析和元素分析外，根據(jù)一些科學(xué)研究項(xiàng)目或企業(yè)實(shí)際需求會進(jìn)行一些煤樣發(fā)熱量、煤灰分成分、灰熔融性等測定。發(fā)熱量是評價(jià)煤質(zhì)和動力用煤的一個重要指標(biāo)，采用氫彈量熱儀測定煤樣的高位發(fā)熱量和低位發(fā)熱量。煤灰中SiO2、FeO、AI2O3、CaO、MgO和TiO2等成分的分析，常采用常量法分析法或半微量法分析法。煤灰熔融特性影響著煤炭的動力燃燒或氣化用煤，其性能會導(dǎo)致鍋爐結(jié)渣嚴(yán)重、排渣困難的問題。其測定是在熱還原氣體環(huán)境下，制備的角錐形煤灰樣在受熱時(shí)的形態(tài)變化，然后記錄對應(yīng)的變形溫度、軟化溫度、半球化溫度及流動溫度[3]。

3 結(jié)語

（1）我國“富煤、缺油、少氣”的資源稟賦決定了在相當(dāng)長的時(shí)期內(nèi)以煤為主的能源結(jié)構(gòu)特征。無論是煤炭作為大宗工業(yè)商品貿(mào)易計(jì)價(jià)的基礎(chǔ)，還是煤炭作為原燃料利用技術(shù)管理的重要依據(jù)，準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、在線獲得煤質(zhì)指標(biāo)具有十分重要的意義。

（2）傳統(tǒng)的離線化學(xué)分析為主的煤質(zhì)檢驗(yàn)，其結(jié)果準(zhǔn)確、可靠，但工序繁瑣、耗時(shí)長，難于適應(yīng)現(xiàn)代煤炭生產(chǎn)、轉(zhuǎn)化、利用的技術(shù)和管理要求。煤質(zhì)檢驗(yàn)已經(jīng)從離線、人工、化學(xué)法分析逐漸向在線、智能、物理法表征過渡，并將應(yīng)用人工智能將采制樣、多指標(biāo)分析、數(shù)據(jù)傳輸和云管理等環(huán)節(jié)有機(jī)集成。

（3）基于物理分析的煤質(zhì)檢驗(yàn)技術(shù)，在檢測原理、建模、檢測數(shù)據(jù)解析等方面尚有許多待解決的難題。