煤的元素分析介绍
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- 煤的元素分析 mei de yuansu fenxi ultimate analysis of coal 字体 [大] [中] [小] 通过对煤中碳、氢、氧、氮和硫五种元素的测定来检验煤的化学组成的方法，是煤化学的研究内容之一。这五种元素是组成煤有机质的主体，煤的组成的变化与煤的成因类型、煤的岩相组成和煤化度密切相关。各类煤的组成见表。煤的组成又决定了煤的结构、性质和工艺用途。通过煤的元素组成数据， 运用统计结构分析法可以大致估计煤的结构参数 (见煤的化学结构)，如煤的芳香度、芳环缩合度和分子大小。在工艺上， 可以运用煤的元素组成来计算煤的发热量、理论燃烧温度和燃烧产物的组成， 进行各种热工计算，还能大致估计炼焦化学产品的产率。煤中一些元素的含量还可作为煤炭科学分类 (见煤炭分类) 的指标， 如中国煤炭分类中把氢含量作为无烟煤分类的指标之一。煤的碳、氢、氮、硫含量是用直接法测出的，煤的氧含量除特殊情况下需要用直接测定法外， 一般用差减法计算而得。煤的元素组成用质量百分数表示，有时也用原子百分比表示。 碳和氢 煤中最重要的元素， 主要以芳香族和脂肪族碳氢化合物的形式存在。随着煤化度提高，煤的有机质发生脱甲氧基、脱甲基、脱羧基和脱羟基等反应，煤中碳含量逐渐增高， 而氢含量下降。到无烟煤阶段，氢碳原子比(H/C)急剧降低。当煤化度相同时，在煤岩显微组分中， 以惰质组的碳含量最高， 镜质组次之， 稳定组最低， 而氢含量却与此相反。碳和氢含量通常用燃烧法又称利比西(Liebig)法测定，该法可分为添加催化剂的快速测定法和不加催化剂的常规测定法。其要点是，将装有一定量煤样的瓷舟放入燃烧管中，于800℃和有氧化铜存在的条件下，使煤样在氧气流中充分燃烧， 生成的水和二氧化碳分别用吸水剂(如氯化钙、浓硫酸或过氯酸镁) 和二氧化碳吸收剂(如碱石棉、钠石灰或40%氢氧化钾溶液)吸收。根据吸收剂的增重， 按下式计算煤中碳和氢的百分含量(空气干燥基)： 式中G为空气干燥煤样的质量，g;G1为二氧化碳吸收管的增重，g;G2为水分吸收管的增重，g;G3为水分测定中的空白值，g;Mad为空气干燥煤样的水分，%;0.2729为由二氧化碳折算碳的因数;0.1119为由水折算氢的因数。当煤中碳酸盐的二氧化碳含量大于2%时，需对测得的碳含量加以校正。在测定中，用铬酸铅和银丝卷或高锰酸银的热解产物排除煤样中硫和氯对测定的干扰;用粒状二氧化锰排除氮对碳含量测定的干扰。 各类煤的元素组成 煤的类别 Cdaf % Hdaf % Odaf % Ndaf % 年轻褐煤年老褐煤烟 煤无烟煤 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 在煤中主要以有机氮形态存在。它是由成煤植物中的蛋白质转化而来。煤的氮含量一般为0.5～2%，且与煤化度没有规律性关系。在各种显微组分中，镜质组含氮量较高。在煤的转化过程中，煤中的氮可生成胺类、含氮杂环、含氮多环化合物和氰化物等。煤燃烧和气化时，氮转化成污染环境的NOx。煤液化时，需要消耗部分氢才能使产品中的氮含量降到最低限度。在煤炼焦过程中，一部分氮变成N2、NH3、HCN和其他一些有机氮化物逸出， 其余的氮进入煤焦油中或残留在焦炭中。炼焦化学产品中氨的产率，与煤中氮含量及其存在形态有关。煤焦油中的含氮化合物有吡啶类和喹啉类，而在焦炭中则以某些结构复杂的含氮化合物形态存在。氮的测定方法有开氏法、杜马法和蒸气燃烧法。开氏法是1883年德国开达尔 (J.Kjeldahl)提出的，后经多次改进，至今一直沿用。开氏法分为常量法和半微量法， 其测定机理尚未得到充分阐明。常量法包括消化、蒸馏、吸收和滴定四个步骤。它的反应过程如下： 煤在沸腾的浓硫酸中经催化剂 (硫酸铜) 的作用， 其中有机质消化并氧化成二氧化碳和水，而煤中大部分氮则转化为氨，氨与硫酸作用成为硫酸氢铵;在加入过量氢氧化钠中和硫酸后，氨能从氢氧化钠溶液中蒸馏出来，蒸馏出的氨用硼酸或硫酸溶液吸收，最后用酸、碱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剂代替常量法中的硫酸铜催化剂。其目的是缩短消化反应时间，节省试剂和降低能源消耗。用开氏法测氮时，在消化反应过程中，煤中以吡啶、吡咯和嘌呤形态存在的有机杂环氮化物，有一部分以氮分子的形态逸出，致使测值偏低。...
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