一、实验目的
了解煤的灰分来源，煤的矿物质在灰分测定过程中的变化，掌握灰分测定方法。
二、基本原理
煤的灰分是在温度为(815±10)℃下，煤的可燃物完全燃烧，矿物质在空气中经过一系列复杂的化学反应后剩余的残渣。煤的灰分来自矿物质，但它的组成和质量与煤的矿物质不完全相同，它是一定条件下的产物。因此，确切地说，煤的灰分是煤的“灰分产率”。由于煤中矿物质的真实含量很难测定，所以常用灰分产率，借助一定的数学式，算出煤中矿物质含量的近似值。
煤的矿物质来源于三个方面。
1.原生矿物质
原生矿物质是成煤植物本身所含有的，是成煤植物在生长过程中从土壤中吸收的，主要由碱金属和碱土金属的盐所组成。煤中的原生矿物质含量很少，一般不高于2%～3%，分布均匀，与煤的有机质紧密结合，很难分离。
2.次生矿物质
次生矿物质是成煤过程中由外界混到煤层中的矿物质形成的。在煤中分布较均匀，含量一般不高。
煤的原生矿物质和次生矿物质总称为煤的内在矿物质。由内在矿物质形成的灰分叫内在灰分。内在矿物质通常很难用洗选的方法除去。
3.外来矿物质
这种矿物质原来不存在于煤层中，是采煤过程中混入的顶、底板及夹矸层的矸石、泥、沙等。这种矿物质形成的灰分叫外在灰分。这类矿物质在煤中分布很不均匀，可使用洗选的方法比较容易地除去。
燃烧法测定煤的灰分时，煤中矿物质在燃烧过程中发生以下一系列化学变化和物理变化。
1.失去结晶水
当温度高于400℃时含结晶水的硫酸盐和硅酸盐发生脱水反应。
2.受热分解
碳酸盐在温度为500℃以上时开始分解。
3.氧化反应
温度为400～600℃时，在空气中氧的作用下发生下列氧化反应。
4.挥发
碱金属氧化物和氯化物在温度为700℃以上时部分挥发。
以上过程在温度为800℃左右基本完成，所以测定煤的灰分的温度规定为(815±10)℃。
由于SO2和Ca O在实验条件下生成Ca SO4，使测定结果偏高而且不稳定。为此，需要适当的加热程序和通风条件。首先，煤样要在温度为500℃时保持一段时间，使黄铁矿硫和有机硫的氧化反应在这一温度下基本完成。碳酸盐在500℃时刚开始分解，到800℃才分解完。
煤的灰分测定的方法要点:称取一定量的煤样，放入箱形电炉内灰化，然后在温度(815± 10)℃灼烧到恒重并冷却至室温后称重，残留物质的质量占煤样质量的百分比即为灰分。
灰分测定分缓慢灰化法和快速灰化法。快速灰化法不作仲裁分析用。
三、仪器设备
1.箱形电炉:带有调温装置，能保持温度在(815±10)℃，炉膛应具有相应的恒温区，附有热电偶和高温表，炉子后壁上部有一直径为25～30mm的烟囱(使SO2在Ca O生成前完全排出反应区)，下部有一插入热电偶的小孔，小孔的位置使热电偶的热接点在炉膛内能保持距炉底约20～30mm，炉门上有一通气孔，直径约20mm。
2.灰皿:长方形灰皿的相关尺寸如图3-2所示。
图3-2 灰皿 (单位:mm)
3.干燥器:内装块状无水氯化钙或变色硅胶。
4.分析天平:精确到0.0002g。
5.耐热金属板、瓷板或石棉板:宽度略小于炉膛，其规格与炉膛相适应。
四、实验方法与步骤
1.缓慢灰化法
(1)在预先灼烧和称重(精确到0.0002g)的灰皿中，称取粒度为0.2mm以下的分析煤样(1±0.1)g(称准到0.0002g)。煤样在灰皿中要铺平，使其不超过0.15g/cm2。将灰皿送入温度不超过100℃的箱形电炉中，在自然通风和炉门留有15mm左右缝隙的条件下，用30min缓慢升高至500℃，在此温度下保持30min后，再升至(815±10)℃，然后关上炉门并在此温度下灼烧1h。灰化结束后从炉中取出灰皿，放在石棉板上，在空气中冷却5min，然后放入干燥器中，约20min可冷却至室温，称量。
(2)检查性灼烧，每次20min，直到其质量变化小于0.0010g为止，采用最后一次测定的质量作为计算依据，灰分小于15.00%时不进行检查性灼烧。
2.快速灰化法
可任选下述方法(1)或方法(2)进行。
(1)在预先灼烧至质量恒定的灰皿中，称取粒度为0.2mm以下的分析煤样(1±0.1)g(称准至0.0002g)，均匀地平摊在灰皿中，使其不超过0.15g/cm2。将盛有煤样的灰皿预先分排放在耐热金属板或瓷板上，将箱形电炉升温到850℃，打开炉门，把放有灰皿的板缓慢推进箱形电炉，使第一排灰皿中的煤样慢慢灰化。待5～10min后，煤样不再冒烟时，以不大于2cm/min的速度把剩余各排灰皿顺序推进炉中炽热部分(若煤样着火发生爆燃，则实验作废)。关闭炉门并使炉门留有15mm左右的缝隙，使其在(815±10)℃的温度下灼烧40min，然后从炉中取出灰皿，先放在空气中冷却5min，再放在干燥器中约20min，冷却到室温称量。以后再进行每次20min的检查性灼烧，直到质量变化小于0.0010g为止。采取最后一次测定的质量作为计算依据。如遇检查时结果不稳定，应改用缓慢灰化法测定。灰分小于15.00%时不进行检查性灼烧。
(2)在预先灼烧和称重(称准到0.0002g)的灰皿中，称取粒度为0.2mm以下的分析煤样(1±0.1)g(称准到0.0002g)。把灰皿连同煤样缓慢推入已预热到540℃的箱形电炉中(若煤样着火爆燃，实验作废)。在自然通风(炉门需留缝隙约15mm)、温度为500℃的条件下灼烧30min，然后把盛有煤样的灰皿取出，将灰皿顺序推入另一个已预热到850℃的箱形电炉中，关闭炉门，使其在(815±10)℃的温度下灼烧20min，然后从炉中取出灰皿，先放在空气中冷却5min，再放到干燥器中，约20min后冷却到室温称量。以后再进行每次20min的检查性灼烧，直到其质量变化小于0.0010g为止。采取最后一次测定的质量为计算依据。如遇检查结果不稳定，应改为缓慢灰化法测定。灰分小于15.00%时不进行检查性灼烧。
五、数据记录和结果计算
1.灰分测定数据记录(见表3-4)
表3-4 缓慢灰化法/快速灰化法测定煤中灰分含量
2.结果计算
式中，Aad为分析煤样灰分的质量分数;m1为恒重后灼烧残留物的质量，g;m为分析煤样的质量，g。
灰分的质量分数修约到小数点后两位。
3.灰分测定的精密度(见表3-5中的规定)
表3- 5 灰分测定的精密度
六、注意事项
1.快速灰化法不能做仲裁分析用。
2.某一矿区的煤，须经过缓慢灰化法反复校对，证明误差在允许差范围内时方可使用快速灰化法。
3.快速灰化时每排灰皿推进速度不能过快，否则容易爆燃，使实验作废。
七、思考题
1.为什么实验测得的灰分实际上是煤样的灰分产率?
2.为什么测定灰分用的箱形电炉要带烟囱，并规定在500℃时停留30min?
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