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煤的元素分析介紹

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更新時間：2013-05-07
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煤的元素分析 mei de yuansu fenxi ultimate analysis of coal 字體 [大] [中] [小] 通過對煤中碳、氫、氧、氮和硫五種元素的測定來檢驗煤的化學組成的方法，是煤化學的研究內容之一。這五種元素是組成煤有機質的主體，煤的組成的變化與煤的成因類型、煤的巖相組成和煤化度密切相關。各類煤的組成見表。煤的組成又決定了煤的結構、性質和工藝用途。通過煤的元素組成數據，運用統計結構分析法可以大致估計煤的結構參數 (見煤的化學結構)，如煤的芳香度、芳環縮合度和分子大小。在工藝上，可以運用煤的元素組成來計算煤的發熱量、理論燃燒溫度和燃燒產物的組成，進行各種熱工計算，還能大致估計煉焦化學產品的產率。煤中一些元素的含量還可作為煤炭科學分類 (見煤炭分類) 的指標，如中國煤炭分類中把氫含量作為無煙煤分類的指標之一。煤的碳、氫、氮、硫含量是用直接法測出的，煤的氧含量除特殊情況下需要用直接測定法外，一般用差減法計算而得。煤的元素組成用質量百分數表示，有時也用原子百分比表示。碳和氫煤中最重要的元素，主要以芳香族和脂肪族碳氫化合物的形式存在。隨著煤化度提高，煤的有機質發生脫甲氧基、脫甲基、脫羧基和脫羥基等反應，煤中碳含量逐漸增高，而氫含量下降。到無煙煤階段，氫碳原子比(H/C)急劇降低。當煤化度相同時，在煤巖顯微組分中，以惰質組的碳含量最高，鏡質組次之，穩定組最低，而氫含量卻與此相反。碳和氫含量通常用燃燒法又稱利比西(Liebig)法測定，該法可分為添加催化劑的快速測定法和不加催化劑的常規測定法。其要點是，將裝有一定量煤樣的瓷舟放入燃燒管中，于800℃和有氧化銅存在的條件下，使煤樣在氧氣流中充分燃燒，生成的水和二氧化碳分別用吸水劑(如氯化鈣、濃硫酸或過氯酸鎂) 和二氧化碳吸收劑(如堿石棉、鈉石灰或40%氫氧化鉀溶液)吸收。根據吸收劑的增重，按下式計算煤中碳和氫的百分含量(空氣干燥基)：式中G為空氣干燥煤樣的質量，g;G1為二氧化碳吸收管的增重，g;G2為水分吸收管的增重，g;G3為水分測定中的空白值，g;Mad為空氣干燥煤樣的水分，%;0.2729為由二氧化碳折算碳的因數;0.1119為由水折算氫的因數。當煤中碳酸鹽的二氧化碳含量大于2%時，需對測得的碳含量加以校正。在測定中，用鉻酸鉛和銀絲卷或高錳酸銀的熱解產物排除煤樣中硫和氯對測定的干擾;用粒狀二氧化錳排除氮對碳含量測定的干擾。各類煤的元素組成煤的類別 Cdaf % Hdaf % Odaf % Ndaf % 年輕褐煤年老褐煤煙煤無煙煤 60～70 70～77 77～93 89～98 5.5～6.6 4.5～6.0 4.0～6.8 0.8～4.0 20～30 15～23 2～15 1～3 1.5～2.5 1.0～2.5 0.7～2.2 0.3～1.5 氮在煤中主要以有機氮形態存在。它是由成煤植物中的蛋白質轉化而來。煤的氮含量一般為0.5～2%，且與煤化度沒有規律性關系。在各種顯微組分中，鏡質組含氮量較高。在煤的轉化過程中，煤中的氮可生成胺類、含氮雜環、含氮多環化合物和氰化物等。煤燃燒和氣化時，氮轉化成污染環境的NOx。煤液化時，需要消耗部分氫才能使產品中的氮含量降到最低限度。在煤煉焦過程中，一部分氮變成N2、NH3、HCN和其他一些有機氮化物逸出，其余的氮進入煤焦油中或殘留在焦炭中。煉焦化學產品中氨的產率，與煤中氮含量及其存在形態有關。煤焦油中的含氮化合物有吡啶類和喹啉類，而在焦炭中則以某些結構復雜的含氮化合物形態存在。氮的測定方法有開氏法、杜馬法和蒸氣燃燒法。開氏法是1883年德國開達爾 (J.Kjeldahl)提出的，后經多次改進，至今一直沿用。開氏法分為常量法和半微量法，其測定機理尚未得到充分闡明。常量法包括消化、蒸餾、吸收和滴定四個步驟。它的反應過程如下：煤在沸騰的濃硫酸中經催化劑 (硫酸銅) 的作用，其中有機質消化并氧化成二氧化碳和水，而煤中大部分氮則轉化為氨，氨與硫酸作用成為硫酸氫銨;在加入過量氫氧化鈉中和硫酸后，氨能從氫氧化鈉溶液中蒸餾出來，蒸餾出的氨用硼酸或硫酸溶液吸收，最后用酸、堿滴定法求出煤的氮含量。半微量法用硫酸汞和硒粉的混合催化劑代替常量法中的硫酸銅催化劑。其目的是縮短消化反應時間，節省試劑和降低能源消耗。用開氏法測氮時，在消化反應過程中，煤中以吡啶、吡咯和嘌呤形態存在的有機雜環氮化物，有一部分以氮分子的形態逸出，致使測值偏低。...

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