实验3.3 煤的挥发分产率的测定及固定碳的计算
一、实验目的
煤的挥发分产率与煤化程度有着密切的关系。它能大致地反映煤的变质程度。因此，它是我国煤分类方案的第一分类指标，也是美、英、法等国煤炭分类方案及国际煤炭分类方案的第一分类指标。从煤的挥发分产率和焦渣特性可以初步估计煤的加工利用性质和对某种加工工艺的适用性，也可以用来估算某些工艺指标。尤其是它的测定方法简便、快速，所以在工业和科研工作中被广泛采用。
二、基本原理
煤在温度为(900±10)℃下隔绝空气加热7min，从煤样分解出来的水蒸气和其他气态产物的百分率减去煤样所含水分的百分率称为煤的挥发分产率。残留下来的不挥发的固体物称为焦渣(或称焦饼)。焦渣的百分率减去灰分则为固定碳的百分率。由于挥发分不是煤样固有的物质，而是在特定条件下煤的有机质受热分解的产物。因此，确切地说，该指标应称为煤的挥发分产率而不能称为煤的挥发分含量。
煤在隔绝空气条件下加热时，不仅有机质发生热分解，煤中的矿物质也会发生相应的变化。一般情况下，矿物质分解而产生的影响不大，可以不加考虑，但当煤中碳酸盐含量大时，因碳酸盐分解产生的误差必须加以校正。
煤的挥发分产率的测定是规范性很强的一项实验，测定结果完全取决于所规定的实验条件，其中以加热温度和加热时间最为主要。
三、仪器设备
1.挥发分坩埚:瓷坩埚(高40mm，上口外径为33mm，底外径为18mm，壁厚为1.5mm，盖的外径为35mm，盖槽的外径为29mm，外槽深为4mm，坩埚总重为15～20g)，形状和尺寸如图3-3所示。
2.箱形电炉:带有调温装置，能保持温度为(900±10)℃，并附有热电偶及高温表。炉后壁留有一个排气孔及插热电偶小孔，其位置应使热电偶的热接点在炉膛内能保持距炉底约20～30mm，炉膛恒温区温度应该为(900±5)℃。恒温区是在关闭的炉中，用热电偶测定的。高温表在半年内至少校正一次。
3.坩埚架:用镍铬丝制成的架，其大小以能使放入箱形电炉中的坩埚不超出恒温区为限，并要求放在架上的坩埚底部距炉底20～30mm，如图3-4所示。
4.分析天平:精确到0.0002g。
5.压饼机:螺旋式或杠杆式压饼机，能压制直径约10mm的煤饼。
6.秒表。
图3-3 挥发分坩埚 (单位:mm)
图3-4 挥发分坩埚架及坩埚架夹 (单位:mm)
四、实验步骤
在预先经900℃灼烧到恒重的带盖坩埚中，称取粒度为0.2mm以下的分析煤样(1±0.1)g (称准到0.0002g)，然后将坩埚轻轻振动，使其中的煤样铺平后加盖，并放在坩埚架上。褐煤和长焰煤应预先压饼，并切成约3mm的小块再用。
将箱形电炉预先升温到920℃，打开炉门，迅速将摆好坩埚的架子送入炉内恒温区，立即关上炉门并计时，使试样在炉中加热7min。当装满坩埚的坩埚架开始放入炉内时，炉温会有所下降，当年轻煤热解时，有时还会炉温升高，但在3min内必须使炉温达到(900±10)℃的要求，并继续保持此温度到实验结束。为此，对有些温度不易控制的箱形电炉可将电炉调到适当温度后再放坩埚架。这样，炉温即使稍降，也不至于降低太多。如果坩埚放入电炉以后在3min内不能达到规定的温度要求，这次实验应作废。加热7min后，迅速将坩埚架从炉中取出，先在空气中冷却5min，再将坩埚从架上取下，放在干燥器中(约20min)冷却到室温，然后称重。
五、结果计算
1.按式(3-8)计算煤样的空气干燥基挥发分
式中，Vad为空气干燥基分析煤样挥发分的质量分数;m1为分析煤样加热后减少的质量， g;m为分析煤样的质量，g;Mad为分析煤样水分的质量分数。
2.空气干燥基挥发分换算成干燥无灰基挥发分
当分析煤样中碳酸盐、二氧化碳的质量分数为2%～12%时，则:
当分析煤样中碳酸盐、二氧化碳的质量分数大于12%时，则:
式中，VCO2ad为分析煤样中碳酸盐、二氧化碳的质量分数;VCO2焦渣为焦渣中二氧化碳对煤样量的质量分数。
挥发分的质量分数修约到小数点后两位。
六、挥发分测定的精密度
挥发分产率测定的精密度见表3-6中的规定。
表3- 6 挥发分测定的精密度
七、特征分类
在测定煤的挥发分产率的同时，利用坩埚中残留焦渣的特征，可以初步鉴定煤的黏结性。测定挥发分产率所得的焦渣按以下标准进行区分。
(1)粉状:全部是粉末，没有互相黏着的颗粒。
(2)黏着:用手指轻压即碎成粉状或基本上是粉状，其中较大的团块或团粒轻碰即成粉状。
(3)弱黏结:用手指轻压即碎成小块。
(4)不熔融黏结:用手指用力压才碎成小块，焦渣上表面无光泽，下表面稍有银白色光泽。
(5)不膨胀熔融黏结:焦渣形成扁平的块，煤粒的界限不易分清，上表面有明显银白色金属光泽，焦渣的下表面银白色光泽更明显。
(6)微膨胀熔融黏结:焦渣用手指压不碎，在焦渣上、下表面均有银白色光泽，但在焦渣的表面上具有较小的膨胀泡(或小气泡)。
(7)膨胀熔融黏结:焦渣上、下表面有银白色金属光泽，明显膨胀，但高度不超过15mm。
(8)强膨胀熔融黏结:焦渣上、下表面有银白色金属光泽，焦渣高度大于15mm。
通常为了简便起见，可用上述序号作为各种焦渣特征的代号。
八、固定碳的计算
固定碳按下式计算:
FCad=1-(Mad+Aad+Vad)(312)
式中，FCad为空气干燥基固定碳的质量分数;Mad为分析煤样水分的质量分数;Aad为空气干燥基灰分的质量分数;Vad为空气干燥基挥发分的质量分数。
九、思考题
1.煤的挥发分产率为什么不能叫挥发分含量?
2.固定碳和煤的变质程度有什么关系?