煤中水分的测定

一、实验目的

了解煤中水分存在的形态，掌握分析煤样水分的测定方法。

二、基本原理

煤中水分的结合状态有两种:一种为游离水，是以机械的方式吸附或者附着在煤上的水分;另一种为化合水，是以化合的方式与煤中矿物质结合的水，也就是无机化合物的结晶水。游离水以它存在于煤的不同结构中的状态，又可分为外在水分和内在水分。前者是煤在开采、运输、贮存、洗煤时附着在煤粒表面及大毛细孔(直径大于10-5cm)中的水分。后者则是吸附或凝聚在煤粒内表面的毛细孔(直径小于10-5cm)中的水分。

游离水在温度稍高于100℃下，经足够时间的加热即可全部除去，而化合水则要加热到200℃以上才能分解析出。

水分测定最常用的是间接测定法，即将已知一定质量的煤放在一定温度下进行干燥到恒重，煤样所减少的质量即为煤的水分。

本实验介绍了煤的两种水分测定方法。其中方法A适用于所有煤种，方法B仅适用于烟煤和无烟煤。

在仲裁分析中，遇到用空气干燥煤样水分进行校正以及基准换算时，应用方法A测定干燥煤样的水分。

三、测试方法

方法A 通氮干燥法

1.方法提要

称取一定量的空气干燥煤样，置于105～110℃干燥箱内，在干燥氮气流中干燥到质量恒定，然后根据煤样的质量损失计算出水分的质量分数。

2.仪器设备

(1)鼓风干燥箱:箱体严密，具有较小的自由空间，有气体进、出口，并带有自动调温装置，能保持温度在105～110℃。

(2)干燥器:内装变色硅胶或块状无水氯化钙干燥剂。

(3)玻璃称量瓶:其主要尺寸如图3-1所示，附有密合的(磨口)盖。

(4)分析天平:精确到0.0002g。

(5)干燥塔:容量为250m L，内装干燥剂。

(6)流量计:量程为100～1000m L/min。

3.试剂

(1)氮气:纯度99.9%，含氧量小于0.01%。

(2)无水氯化钙:化学纯，粒状。

(3)变色硅胶:工业用品。

图3-1 小型玻璃称量瓶 (单位:mm)

4.分析步骤

在预先干燥和已称量过的称量瓶内称取粒度小于0.2mm的空气干燥煤样(1±0.1)g，称准至0.0002g，平摊在称量瓶中。

打开称量瓶盖，放入预先通入干燥氮气并已加热到105～110℃的干燥箱中，烟煤干燥1.5h，褐煤和无烟煤干燥2h。在称量瓶放入干燥箱前10min开始通氮气，氮气流量以每小时换气15次为准。

从干燥箱中取出称量瓶，立即盖上盖，放入干燥器中冷却至室温(约20min)后称重。进行检查性干燥，每次30min，直到连续两次干燥煤样质量的减少不超过0.0010g或质量增加时为止。在后一种情况下，采用质量增加前一次的质量为计算依据。水分在2.00%以下不再进行检查性干燥。

方法B 空气干燥法

1.方法提要

称取一定量的空气干燥煤样，置于105～110℃干燥箱内，于空气流中干燥到质量恒定。根据煤样的质量损失计算出水分的质量分数。

2.仪器设备

(1)鼓风干燥箱:带有自动调温装置，内附鼓风机能保持温度为105～110℃。

(2)干燥器:内装变色硅胶或块状无水氯化钙干燥剂。

(3)玻璃称量瓶:其主要尺寸如图3-1所示。

(4)分析天平:精确到0.0002g。

3.分析步骤

用预先烘干并称出质量(称准到0.0002g)的带盖的玻璃称量瓶，称取粒度为0.2mm以下的分析试样(1±0.1)g(称准到0.0002g)，平摊在称量瓶中。然后把盖开启，将玻璃称量瓶放入预先鼓风并加热到温度为105～110℃的干燥箱中，在不断鼓风条件下，烟煤干燥1h，无烟煤干燥1～1.5h，从干燥箱中取出称量瓶并加盖，放入干燥器中冷却至室温(约20min)再称重。然后进行检查性干燥，每次30min，直到试样的质量变化小于0.0010g或质量增加时为止。在后一种情况下要采用增重前的质量为计算依据。水分在2.00%以下不再进行检查性干燥。

四、数据记录及结果计算

1.水分测定数据记录(见表3-1)

表3-1 A/B法测定煤中水分

2.结果计算

式中，Mad为分析试样水分的质量分数;m1为分析试样干燥后失去的质量，g;m为分析试样质量，g。

水分的质量分数修约到小数点后两位。

3.煤中水分测定结果的精密度如表3-2所示

表3- 2 水分测定结果的重复性限

五、注意事项

1.为了使干燥箱的温度均匀和稳定，在放入煤样以前，干燥箱必须预先鼓风，并在鼓风条件下调节所需温度。

2.褐煤、自然氧化或风化烟煤中的水分测定:称取一定量的试样于温度为(145±5)℃的干燥箱内，在一直鼓风条件下干燥1h，从干燥箱中取出称量瓶，立即盖好盖子，在空气中冷却2～3min后，放入干燥器中冷却到室温(约25min)称重，其所失去的质量占试样原质量的百分数即为水分含量。

3.凡需根据水分测定结果进行校正和换算的分析实验，应和水分测定同时进行，如不能同时进行，两者测定也应在煤样水分不发生显著变化的期限(最多不超过7天)内进行。

六、思考题

1.为什么不同变质程度的煤要用不同的测定条件?

2.实验测得的水分与煤样的真实水分有什么差别?

附录:煤中全水分的测定方法

在氮气流中干燥的方式(方法A1和方法B1)适用于所有煤种;在空气流中干燥的方式(方法A2和方法B2)适用于烟煤和无烟煤;微波干燥法(方法C)适用于烟煤和褐煤。以方法A1作为仲裁方法。

1.方法A(两步法)

(1)方法A1:在氮气流中干燥

一定量的粒度小于13mm的煤样，在温度不高于40℃的环境下干燥到质量恒定，再将煤样破碎到粒度小于3mm，于105～110℃下，在氮气流中干燥到质量恒定。根据煤样两步干燥后的质量损失计算出全水分。

(2)方法A2:在空气流中干燥

一定量的粒度小于13mm的煤样，在温度不高于40℃的环境下干燥到质量恒定，再将煤样破碎到粒度小于3mm，于105～110℃下，在空气流中干燥到质量恒定。根据煤样两步干燥后的质量损失计算出全水分。

2.方法B(一步法)

(1)方法B1:在氮气流中干燥

称取一定量的粒度小于6mm的煤样，于105～110℃下，在氮气流中干燥到质量恒定。根据煤样干燥后的质量损失计算出全水分。

(2)方法B2:在空气流中干燥

称取一定量的粒度小于13mm(或小于6mm)的煤样，于105～110℃下，在空气流中干燥到质量恒定。根据煤样干燥后的质量损失计算出全水分。

3.方法C(微波干燥法)

称取一定量的粒度小于6mm的煤样，置于微波炉内。煤中水分子在微波发生器的交变电场作用下，高速振动产生摩擦热，使水分迅速蒸发。根据煤样干燥后的质量损失计算出全水分。

一、仪器设备及试剂

1.仪器设备(方法A和方法B)

(1)空气干燥箱:带有自动控温和鼓风装置，能控制温度在30～40℃和105～110℃范围内，有气体进、出口，有足够的换气量，如每小时可换气5次以上。

(2)通氮干燥箱:带自动控温装置，能保持温度在105～110℃范围内，可容纳适量的称量瓶，且具有较小的自由空间，有氮气进、出口，每小时可换气15次以上。

(3)浅盘:由镀锌铁板或铝板等耐热、耐腐蚀材料制成，其规格应能容纳500g煤样，且单位面积负荷不超过1g/cm2。

(4)玻璃称量瓶:直径为70mm，高为35～40mm，并带有严密的磨口盖。

(5)分析天平:感量为0.001g。

(6)工业天平:感量为0.1g。

(7)干燥器:内装变色硅胶或粒状无水氯化钙。

(8)流量计:量程为100～1000m L/min。

(9)干燥塔:容量为250m L，内装变色硅胶或粒状无水氯化钙。

2.试剂

(1)氮气(GB/T8979):纯度为99.9%，含氧量小于0.01%。

(2)无水氯化钙(HGB3208):化学纯，粒状。

(3)变色硅胶(GB/T7822):工业用品。

二、全水分分析煤样的制备

1.煤样:粒度小于13mm的全水分煤样，煤样不少于3kg;粒度小于6mm的煤样，煤样不少于1.25kg。

2.煤样的制备有以下两种情况。

(1)粒度小于13mm的全水分煤样按照GB474或GB/T19494.2的规定制备。

(2)粒度小于6mm的全水分煤样:用破碎过程中水分无明显损失的破碎机将全水分煤样一次破碎到粒度小于6mm，用二分器迅速缩分出不少于1.25kg煤样，装入密封容器中。

3.在测定全水分之前，应首先检查煤样容器的密封情况。然后将其表面擦拭干净，用工业天平称准到总质量的0.1%，并与容器标签所注明的总质量进行核对。当称出的总质量小于标签上所注明的总质量(不超过1%)，并且能确定煤样在运送过程中没有损失时，应将减少的质量作为煤样在运送过程中的水分损失量，计算水分损失百分率，并进行水分损失补正。

4.称取煤样之前，应将密封容器中的煤样充分混合至少1min。

三、测定步骤

1.方法A(两步法)

(1)外在水分(方法A1和A2，空气干燥)

在预先干燥和已称量过的浅盘内迅速称取小于13mm的煤样(500±10)g(称准至0.1g)，平摊在浅盘中，于环境温度或不高于40℃的空气干燥箱中干燥到质量恒定(连续干燥1h，质量变化不超过0.5g)，记录恒定后的质量(称准至0.1g)。对于使用空气干燥箱干燥的情况，称量前需使煤样在实验室环境中重新达到湿度平衡。

按式(3-2)计算外在水分:

式中，Mf为煤样的外在水分，用质量分数表示;m为称取的粒度小于13mm的煤样质量， g;m1为煤样干燥后的质量损失，g。

(2)内在水分(方法A1，通氮干燥)

①立即将测定外在水分后的煤样破碎到粒度小于3mm，在预先干燥和已称量过的称量瓶内迅速称取(10±1)g煤样(称准至0.001g)，平摊在称量瓶中。

②打开称量瓶盖，放入预先通入干燥氮气并已加热到105～110℃的通氮干燥箱中，氮气每小时换气15次以上。烟煤干燥1.5h，褐煤和无烟煤干燥2h。

③从干燥箱中取出称量瓶，立即盖上盖，在空气中放置约5min，然后放入干燥器中，冷却到室温(约20min)，称量(称准至0.001g)。

④进行检查性干燥，每次30min，直到连续两次干燥煤样的质量减少不超过0.01g或质量增加时为止。在后一种情况下，采用质量增加前一次的质量作为计算依据。内在水分在2.00%以下时，不必进行检查性干燥。

⑤按式(3-3)计算内在水分:

式中，Minh为煤样的内在水分，用质量分数表示;m2为称取的煤样质量，g;m3为煤样干燥后的质量损失，g。

(3)内在水分(方法A2，空气干燥)

除将通氮干燥箱改为空气干燥箱外，其他操作步骤同(2)内在水分(方法A1，通氮干燥)。

(4)结果计算

按式(34)计算煤中全水分:

式中，Mt为煤样的全水分，用质量分数表示;Mf为煤样的外在水分，用质量分数表示;Minh为煤样的内在水分，用质量分数表示。

如实验证明，按GB/T212测定的一般分析实验煤样水分(Mad)与按本标准测定的内在水分(Minh)相同，则可用前者代替后者;而对某些特殊煤种，按本标准测定的全水分会低于按GB/T212测定的一般分析实验煤样水分，此时应用两步法测定全水分并用一般分析实验煤样水分代替内在水分。

2.方法B(一步法)

(1)方法B1(通氮干燥)

①在预先干燥和已称量过的称量瓶内迅速称取粒度小于6mm的煤样10～12g(称准至0.001g)，平摊在称量瓶中。

②打开称量瓶盖，放入预先通入干燥氮气并已加热到105～110℃的通氮干燥箱中，烟煤干燥2h，褐煤和无烟煤干燥3h。

③从干燥箱中取出称量瓶，立即盖上盖，在空气中放置约5min，然后放入干燥器中，冷却到室温(约20min)，称量(称准至0.001g)。

④进行检查性干燥，每次30min，直到连续两次干燥煤样的质量减少不超过0.01g或质量增加时为止。在后一种情况下，采用质量增加前一次的质量作为计算依据。

(2)方法B2(空气干燥)

(a)粒度小于13mm的煤样的全水分测定

①在预先干燥和已称量过的浅盘内迅速称取粒度小于13mm的煤样(500±10)g(称准至0.1g)，平摊在浅盘中。

②将浅盘放入预先加热到105～110℃的空气干燥箱中，在鼓风条件下，烟煤干燥2h，无烟煤干燥3h。

③将浅盘取出，趁热称量(称准至0.1g)。

④进行检查性干燥，每次30min，直到连续两次干燥煤样的质量减少不超过0.5g或质量增加时为止。在后一种情况下，采用质量增加前一次的质量作为计算依据。

(b)粒度小于6mm的煤样的全水分测定

除将通氮干燥箱改为空气干燥箱外，其他操作步骤同(1)方法B1(通氮干燥)。

(3)结果计算:

按式(3-5)计算煤中全水分:

式中，Mt为煤样的全水分，用质量分数表示;m为称取的煤样质量，g;m1为煤样干燥后的质量损失，g。

3.水分损失补正

如果在运送过程中煤样的水分有损失，则按式(36)求出补正后的全水分值。

M't=M1+(1-M1)×Mt(36)

式中，M't为煤样的全水分，用质量分数表示;M1为煤样在运送过程中的水分损失百分率;Mt为不考虑煤样在运送过程中的水分损失时测得的水分，用质量分数表示。

当M1大于1%时，表明煤样在运送过程中可能受到意外损失，则不可补正，但测得的水分可作为实验室收到煤样的全水分。在报告结果时，应注明“未经水分损失补正”，并将容器标签和密封情况一并报告。

四、精密度

全水分测定的重复性限见表3- 3规定。

表3- 3 煤中全水分测定结果的精密度

五、思考题

1.全水分测定前需做哪些准备工作?

2.全水分测定应注意哪些问题?