元素分析技术在煤质分析中的应用

原雅楠

阳城国际发电有限责任公司 山西阳城

摘要：随着科学技术的发展和人类生活水平的提高，我国各行各业对于能源的需求与日剧增。而煤炭作为我国工业发展的一类重要的不可再生能源，使得无数企业加强对煤的研究。煤由许多种元素构成，但是煤的主要的有机质的组成元素是碳、氢、氧、氮、硫等五个元素。这五个元素构成了煤的主要部分，其他元素的含量较小所以通常不被纳入研究范围。本文将就煤的主要组成元素进行分析，探讨这些元素在煤中的存在形式和状态，进而探究煤的元素种类与煤质的关系。

关键词：元素；成分分析；煤炭

引言

随着工业的不断发展，煤炭能源已日趋紧张，燃煤用户愈加注重煤炭的质量成分及燃烧效率，煤元素分析技术亦被越来越多的用煤大户关注并采用。煤质分析技术的启用将会给企业和社会带来巨大的经济效益和社会效益。

1仪器及工作原理

试验选用德国ｖａｒｉｏＭＡＣＲＯｃｕｂｅ型元素分析仪，由进样及通氧系统、加热炉及反应炉区、分离区及ＴＣＤ检测系统组成。

该元素分析仪工作原理简述如下：样品在燃烧管高温纯氧条件下燃烧，煤中碳、氢、氮元素在燃烧管中分别转化成二氧化碳、水和氮氧化物；混合气体燃烧产物在还原管中经去除杂质（硫、氯等）后，氮氧化物被全部还原为分子氮，反应生成的二氧化碳、水和氮气经吸附柱分离，依次进入ＴＣＤ检测器检测。通过标准曲线的计算和标准样品校正，即可得到煤样中各元素的精确含量。

2检测方法

2.1工作参数

激光器能量100～300MJ，激光波长1064nm;光谱仪检测范围180～850nm，工作频率1～2Hz，测量时间3～5min。

2.2检测方法

从每份样品中各取7g，压制成直径为5cm的圆形样片，在样片上取4×4的点阵，共计16个点进行检测，每个点检测60次，每次检测均获取一组完整的光谱数据。考虑到样品表面的杂质干扰，每个点的前20次检测数据视为无效数据，只取后40次的检测数据用于计算。每份样品的有效数据共计640组，取待测元素峰数据平均值代入数学模型进行运算，得到对应的元素含量。

2.3数据处理

激光检测煤炭样品成分过程中，激光激发煤炭样品表面产生等自离体，会存在烧蚀坑，烧蚀面积大于0．79mm2，深度随着激光次数的增加而不断延伸，但深度超过激光焦点后，激光能量降低，延伸距离将减少。这一过程产生的光谱，一定程度上存在不稳定性，重复性低，光谱处理必须通过大量谱线平均及预处理后得到代表性的谱线。

3结果与讨论

3.1方法精密度

3.1.1煤标准物质测试

选取不同量值不同煤种的煤标准物质３种，在最佳样品量范围３０ｍｇ～７０ｍｇ内称取样品，每个样品重复测定６次，计算其平均值及标准差ＳＤ。国家标准中给出的煤中碳、氢、氮元素实验室内重复测定的标准差分别为：０．１７７％、０．０５３％、０．０２８％。所选煤标准物质碳、氢、氮元素６次重复测定标准差均小于国家标准规定的重复测定标准差，符合要求。

3.1.2与经典方法对比

分别用经典方法和元素分析仪测定不同量值不同种类的日常煤样共８种，在最佳样品量范围３０ｍｇ～７０ｍｇ内称取样品，进行碳、氢、氮２次重复测定，计算２次重复测定结果之差。

3.2样品量对测定结果的影响

试验采用通用分析设备ｖａｒｉｏＭＡＣＲＯｃｕｂｅ型元素分析仪，其规定样品量应近似小于５００ｍｇ，但实际测定所用样品量范围由于样品性质不同而差异较大，因此需确定此元素分析仪适用于煤炭样品的最佳样品量范围。

选取５种不同煤种不同含量范围的有证煤标准物质，改变其样品量，进行碳、氢、氮元素的２次重复测定。

3.3方法准确度

3.3.1煤标准物质测试

采用ｖａｒｉｏＭＡＣＲＯｃｕｂｅ型元素分析仪，在最佳样品量范围３０ｍｇ～７０ｍｇ内称取样品，对不同煤种不同含量范围的５种煤标准物质进行碳、氢、氮２次重复测定，结果见表４。由表４可知：５种标准煤样的碳、氢、氮元素重复测定结果，２个单次的测定结果之差未超出重复性限，且２个单次的平均值均在其标准值的不确定度范围内，表明该方法的准确度良好，符合要求。

3.3.2与经典方法对比

分别用经典方法和元素分析仪测定不同煤种不同含量范围的煤炭试样共５种，在最佳样品量范围３０ｍｇ～７０ｍｇ内称取样品，每种样品重复测定２次。

２种方法测定的差值均在标准规定的重复性限内；按０．０５显著性水平对２种方法测得的碳、氢、氮含量进行显著性检验（ｔ检验），得出３种元素的ｔ值分别为１．３３３、０．６４８、１．３６０，均小于限值ｔ０．０５，４＝２．７７６，表明２种方法测定煤中碳、氢、氮元素没有显著性差异。同时计算３种元素差值的９５％置信区间，分别为－０．２９％～０．４４％、－０．１５％～０．１２％、－０．０５％～０．０８％，置信区间较小。

4煤的元素组成以及元素分析种类

根据相关的科学数据分析，我们可以得知煤通常是由两个大部分组成，一是有机物，其次是无机物。有机物就是我们通常所说的碳、氢、氧、氮、硫五个元素，这些元素占到了整个煤的百分之九十五以上，其他的一些元素也分别占到了相应的比例，但是由于相对于碳、氢、氧、氮、硫这五个元素来说，这些元素的含量相对较小，因此可以不做深入研究。其次无机物主要包括矿物质和水。

煤中的碳、氢、氧三个元素主要是以芳香族结构、胭脂族结构、脂环族结构存在于煤中，而在这三个元素之中，碳又是组成煤的结构的重要元素，只有为数不多的碳以碳酸盐、二氧化碳的形式存在。碳的含量会因为其外部环境以及内在因素而时高时低，但是我们不能否认的是碳在整个煤中的含量是最高的。氢、氧则以结晶水的形式存在于煤之中，而且煤中的氢有一部分是被氧束缚住，没有被氧束缚住的氢被称作自由氢。煤中的氧气也以自己独有的结构存在于煤的侧链之中。氮是煤的所有有机物构成元素中唯一一个按照有机物的的形式和状态存在于煤之中的元素。根据目前的勘测技术以及相关的实验数据，还无法得知氮在煤中的具体存在形式，但是根据煤的形成过程以及煤中的蛋白质的含量，我们可以得知煤中的氮应该也是由蛋白质转化而来，不同形式的煤的形成状态都不同，因此每一种煤之中的氮的含量也不相同。例如由藻类植物等转化而来的煤里面的氮的含量要比由高等植物转化而来的煤的氮的含量要高，因此藻类植物中的蛋白质要比高等植物中的蛋白质的含量要高，这也从侧面解释了为什么不同的煤中的氮的含量不同。最后硫在煤中的构成含量要根据煤的形成过程、形成状态以及相应的沉淀物才能够得知。我国的煤中的硫大多是因为海陆交替而形成的，因此煤中的硫的含量相应会高，但是那些陆地里面沉积的煤中的硫的含量相对来说要少与沿海地区或者是海陆地区的煤中的硫的含量。根据硫在煤中的不同的存在形态以及不同的构成方式，我们进一步又可以将硫分为有机硫和无机硫，这些硫在煤中发挥了重要的作用，以其特有的存在方式存在于煤的大分子结构之中。

5煤的元素种类与煤质的关系

5.1煤的元素种类是衡量煤质好坏的重要指标

鉴于煤的元素种类的分析，我们可以得知煤的主要的有机物构成是碳、氢、氧、氮、硫五个元素，这五个元素因为其独特的作用和功能直接影响到了衡量煤质好坏的指标。例如煤中的含碳量的高低直接就决定了煤质的好坏，因为煤主要是用作燃料，如果煤中的含碳量过低，那么煤质自然就下降，所以说我们可以根据煤中的碳的含量来衡量煤质的好坏。再比如煤中的硫，因为硫是一个有害的元素，我们在烧煤的时候首先要考虑到的一点就是煤对于环境的污染和对人体的健康损害。煤在燃烧的过程中，硫也会通过火苗进行燃烧，从而产生一氧化硫等有害物质，在比较封闭的空间里会直接威胁人的生命安全，在平时的煤的燃烧过程中，释放的硫的多少也会直接污染大气环境。所以，如果煤中的硫元素的含量过高，那么在评价煤质好坏的时候，这种煤的质量会大打折扣并且会逐步被市场所淘汰。

5.2煤的元素种类的存在形式和存在状态直接影响煤质

煤中的氮对于煤的使用发挥了重要的作用，其总量以及存在的状态会直接影响煤的性质。如果煤中的氮的含量过高，那么煤的粘结性就会降低，从而使得煤的发热量降低，这样一来，煤在燃烧的过程中无法充分发挥其作用，严重的还有可能造成大量的浪费。不利于经济效益的提高以及环境的保护。同时，氮在煤中的含量也可以被用来当做是评判煤是否被氧化和风化的重要依据，如果煤中的氮的含量相对来说较高的话，那么这种煤被风化和氧化的程度也就越严重，进而影响了煤质。

结语

元素分析仪很好的解决了目前电厂生产运行过程中存在一些问题，可以有效的监测燃料品质，控制燃料成本，监测混煤品质，控制入炉煤偏差，监测入炉煤品质，合理指导锅炉运行优化，并且有效控制了污染物的排放，提高电厂运行的精细化管理水平。

参考文献

[1]徐军伟,崔国圣,宋兆龙.煤质成分在线检测装置[J].江苏电机工程，2005(1):1-3.

[2]陆同兴.激光光谱技术原理及应用[M].合肥:中国科学技术大学出版社，1999.

[3]陈金忠,王敬,马瑞玲,等.纳秒激光诱导等离子体发射光谱中的自吸收效应[J].强激光与粒子束,2015,27(1):119-124.

[4]李雄威.激光诱导击穿光谱法测量煤中碳含量的基体效应及其消除[D].北京:清华大学,2014.

[5]潘晶.燃煤电厂应用煤质在线检测技术的现状及前景[J].东北电力技术，2007,1.

[6]许丽珍．德国煤质在线分析仪的技术考察[J]．中国电力,1995．

[7]全国煤炭标准化技术委员会．煤中碳氢氮的测定仪器法：ＧＢ／Ｔ30733—2014［Ｓ］．北京：中国标准化出版社，2014－10．

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