什么是煤的工业分析和元素分析

通过元素分析方法得出的煤的主要组成成分，称元素分析成分。它包括碳（C）、氢（H）、氧（O）、氮（N）、硫（S）、灰分（A）、水分（M）。其中碳、氢、硫是可燃成分。硫燃烧后要天生SO2，及少量SO3，故它是有害成分。煤中的水分和灰分也都是有害成分。

(1) 外在水分(Wwz)外在水分是指煤在开采、运输和洗选过程中润湿在煤的外表以及大毛细孔（直径＞10-5厘米）中的水.它以机械方式与煤相连结着,较易蒸发,其蒸汽压与纯水的蒸汽相等.与煤粒度等有关,而与煤质无直接关系.

(2)内在水分(Wnz)吸附或凝聚在煤粒内部的毛细孔（直径〈10-5厘米〉中的水,称为内在水分.内在水分指将风干煤加热到105～110时所失去的水分,它主要以物理化学方式(吸附等)与煤相连结着,较难蒸发,故蒸气压小于纯水的蒸汽压. 失去内在水分的煤称为绝对干燥或干煤.

2. 灰分

1).灰分的来源和种类 煤灰几呼全部来源于煤中的矿物质,但煤在燃烧时,矿物质大部分被氧化,分解,并失去结晶水,因此,煤灰的组成和含量与煤中矿物质的组成和含量差别很大.我们一般说的煤的灰分实际上就是煤灰产率,煤灰成分及其含量与层聚积环境有关. 大量试验资料表明,SiO2含量在45~60%时,灰熔点随SiO2含量增加而降低；SiO2在其含量〈45%或〉60%时,与灰熔点的关系不够明显.A12O3在煤灰中始终起增高灰熔点的作用.煤灰中A12O3的含量超过期30%时,灰熔点在1500.灰成分中Fe2O3,CaO,MgO均为较易熔组分,这些组分含量越高,灰熔点就越低.灰熔点也可根据其组成用经验公式进行计算.

3. 挥发分和固定碳

挥发分主要是煤中有机质热分解的产物,评价煤质时为了排除水分,灰分,变化的影响,须将分析煤样挥发分换算为以可燃物为基准的挥发分,以符号VR表示.挥发分随煤化程度升高而降低的规律性十分明显,可以初步估计煤的种类和化学工艺性质,而且挥发分的测定简单,快速发分的分析结果常受煤中矿物质的影响.所以当煤中碳酸盐含量较高,矿物质在高温下分解出来的CO2,结果水等也包括在挥发分内.所以当煤中碳酸盐含量较高,分解出来的CO2产率大于2%时,需要对煤的挥发进行正.也可在测定挥发分之前,用盐酸处理分析煤样,使煤中碳中碳酸盐事先分解.在我国大我数煤中,粘土矿物,高岭土在560析出的结果水也算入挥发分,因此粘土矿物含量高的煤所测出的挥发分通常偏高.

固定碳就是测定挥发分后残留下来的机物质的产率,可按下式算出： Cgd=1000-（Wf+Af+Vf）

1.煤中元素的分类

自Richardson于1848年发现煤中锌（Zn）和镉（Cd）以来，除了极稀少的钋（Po）、砹（At）、钫（Fr）、锕（Ac）、镤（Pa）外，其余的元素几乎在煤中都已被发现（Finkel-man，1994）。采用现有分析技术手段，可以从煤及其解吸气体样品中检测到86种元素，而地壳中可供统计的元素也只有88种（黎彤，1992）。国内外某些学者根据元素在煤中的浓度或含量，对煤中元素进行了分类：

——Юдович（1978）参照沉积岩中各类元素的克拉克值，将煤中元素分为造灰元素（含量＞0.5%）、次要元素（含量0.5%～0.01%）、稀有元素（含量0.01%～0.0001%）和超稀元素（含量＜0.00001%）四种类型。

——程介克（1986）根据元素在地壳中的丰度，提出元素的含量分类为常量元素（1%～100%）、微量元素（0.01%～1%）、痕量元素（0.0001%～0.001%）和超痕量元素（＜0.0001%）。

——一般认为，煤中元素可分为常量元素（＞0.1%）和微量元素（≤0.1%）两大范畴。常量元素在煤中主要为C，H，O，N，S，Si，Al，Fe，Ca，K，Na，Mg等，其他大多数元素以微量级浓度存在于煤中（唐修义等，2002a；代世峰，2002）。

本书采用后一种分类。此外，根据元素的毒害程度又可对煤中元素进行有害性与无害性分类。

2.煤中的有害元素

煤中有害元素是指煤炭资源在加工、利用、运输和存放过程中，能够以不同形式运移至大气圈、水圈或土壤圈，并对其中的环境造成污染，从而危害人类和其他生物正常生存安全的元素。

（1）煤中有害元素的种类

煤中常量有害元素S和N对环境造成的巨大危害已是众所周知。然而，对煤中有害微量元素的认识，即哪些微量元素对环境与人类健康具有危害潜势，目前还没有统一的认识。

——美国国家研究委员会根据危害程度将元素分为三类：一类污染物有As，B，Cd，Mo，Hg，Pb，Se；二类污染物包括Cr，Cu，F，Ni，V，Zn；三类污染物有Ba，Sb，Sr，Na，Mn，Co，Li，Br。

——美国《毒害性化学品手册》列出了29种毒害性元素，即As，B，Ba，Be，Br，Cd，Cl，Co，Cr，Cu，F，Hg，Hf，In，Mn，Mo，Ni，P，Pb，Sb，Se，Sn，Th，Tl，U，V，Y，Zn 及Zr（Sitting，1981）。

——美国国会1990年颁布的《洁净空气补充法案》列出了11种有害元素，包括Se，Ba，Cd，Hg，As，Cr，Pb，Ag等。

——王连生（1994）将金属元素的潜在毒性进行了排序，认为Ⅰ类元素有Hg，Cd，Tl，Pb，Cr，In，Sn，毒性大；Ⅱ类元素为Ag，Sb，Zn，Mn，Au，Cu，Pr，Ce，Co，Pd，Ni，V，Os，Lu，Pt，毒性中等。

就煤中有害微量元素种类而言，一些组织及学者作过研究：

——美国国家资源委员会（NRC）1980年根据危害程度将煤中元素分为六类（Finkelman，等，1999）。Ⅰ类为值得特别关注的元素，如As，B，C，Cd，Hg，Mo，N，Pb，Se，S；Ⅱ类为值得关注的元素，包括Cr，Cu，F，Ni，Sb，V，Zn；Ⅲ类为值得加以关注的元素，有Al，Ge，Mn；Ⅳ类为需要加以关注的放射性元素，如 Po，Ra，Rn，Th，U等；Ⅴ类是需要关注但在煤及其残余物中很少富集的元素，如Ag，Be，Sn，Tl；Ⅵ类为暂时不需要关注的元素，即上述五类之外的元素（图1-1）。

图1-1 煤中潜在有害元素

（据NRC，1980）

——Swaine（1995）认为：煤中有24种微量元素对生态环境有害，即As，B，Ba，Be，Cd，Cl，Co，Cr，Cu，F，Hg，Mn，Mo，Ni，P，Pb，Sb，Se，Sn，Th，Tl，U，V及Zn。

——Finkelman（1995）讨论了煤中25种对环境敏感的微量元素，即上述的24种元素加上Ag元素。

——赵峰华（1997）通过对比国内外环境标准所列出的元素，认为当前环保关心的有19种元素，即Ag，As，Ba，Be，Cd，Cl，Co，Cr，Cu，F，Hg，Mn，Mo，Ni，Pb，Se，Sb，V，Zn，并把煤中有害元素限定为22种元素，即上述的19种加上Tl，Th，U。其中Tl，Be，Cd，Hg，Pb为有毒元素，Be，Cd，Cr，Ni，Pb，As为致癌元素。

——PECH（1980）根据危害程度将煤中微量元素分为六类（Swaine，1990）。Ⅰ类需要特别关注的元素为As，B，Cd，Hg，Mo，Pb，Se；Ⅱ类需要关注的元素为Cr，Cu，F，Ni，V，Zn；Ⅲ类需要加以关注的元素为Ba，Br，Cl，Co，Ge，Li，Mn，Sr；Ⅳ类放射性元素有 Po，Ra，Rn，Th，U；Ⅴ类是在煤及其残余物中很少富集的元素，如 Ag，Be，Sn，Tl；Ⅵ类为对环境基本无害的元素，上述五类之外的元素。

——Swaine（2000）认为，煤中有26种微量元素应引起环境关注（Enviornmental in-terest），并据其危害性分为三类，从Ⅰ类到Ⅲ类危害程度降低。Ⅰ类元素有As，Cd，Cr，Hg，Pb，Se；Ⅱ类元素有B，Cl，F，Mn，Mo，Ni，Be，Cu，P，Th，U，V，Zn；Ⅲ类元素有Ba，Co，I，Ra，Sb，Sn，Tl。

（2）本项目重点研究的煤中有害元素

上述文献资料显示，各研究者或组织对煤中有害元素的界定不尽相同，但大都包括As，Be，Cd，Cl，Co，Cr，F，Hg，Mo，Mn，Ni，Pb，Sb，Se，Th及U16种元素。Br虽在上述文献中出现的次数不多，但其本身具有毒害性，且在煤燃烧时对锅炉有较强的腐蚀性。

然而，在上述文献资料中没有被包括的某些元素，在煤的利用过程中也可能产生危害。例如，稀土元素致癌是人们极为关注的研究课题，因长期吸入稀土粉尘而引起肺的纤维性病变称为“稀土尘肺”。稀土元素以口、呼吸道和皮肤为途径，可与体内多种组织成分起反应，如轻稀土可与氨基酸络合，重稀土易与蛋白质结合。吸入的稀土元素在体内的半衰期可长达一年至十几年，长期吸入稀土元素对人体是有害的。接触稀土烟雾和尘粒的生产工人，可产生频繁的头疼、恶心、咳嗽、过敏热等，稀土引起的最重要的病理学和生化效应之一是形成脂肪肝（陈清等，1989）。

目前，已制定有关稀土元素卫生标准的国家很少。前苏联提出车间空气中各种稀土元素氧化物气溶胶的最高允许浓度为：氧化钇2mg/m3，氧化铈5mg/m3，铈族6mg/m3，钇族4mg/m3，还提出镧在地面水中最高允许浓度推荐值为0.01mg/L。美国于1960年推荐钇的阈限值（TLV）为5mg/m3，后因前苏联报道给动物气管滴入氧化钇可致严重肺损伤，故将此值修订为1mg/m3。不少研究者总结认为：稀土粉尘的最高允许浓度为4～6mg/m3，人体从食物中摄入稀土硝酸盐的允许量为12～120 mg/（日·人）（赵志根等，2002a）。我国目前正在探讨稀土生产及应用车间空气、地面水以及食品中稀土的最高允许浓度（陈清等，1989）。我国人类食用的植物性食品中稀土限量的国家标准（GB13107-91）已颁布实施。

美国曾对炼油厂稀土污染进行过研究（彭安等，1995）。然而，关于煤中稀土元素是否可列入有害元素的范畴，目前未见文献报道。但在有些煤中、特别是洗选后的煤泥以及燃煤后的粉煤灰、飞灰中，稀土元素丰度较高，有的甚至达到或超过了工业品位（500×10-6）。彭安等（1995）计算了不同排放源对大气元素的贡献，发现煤的燃烧对城市大气中稀土的含量贡献最大。

实际上，元素周期表中的任何一种元素如果高度富集或贫乏，都会对环境和人类健康造成危害（Finkelman等，1999），而且煤中元素有其特殊性，它们在煤的利用（主要是燃烧、洗选、淋滤）过程中的迁移性在很大程度上决定了其危害性。有的元素虽然本身具有毒害性，但在煤利用过程中以及在利用后固体废物受风化或雨水淋滤等作用过程中表现为惰性，基本不向外界环境迁移，那么它就是相对无害的。有的元素，虽在煤中含量不高，但在煤的利用过程中有较大排放量，或虽有较小的迁移量，但能生成毒性更大的化合物，难以降解，具有积累性，那么它就是有害的。

因此，煤中元素的有害性或无害性是相对的，评价其危害性，不但要考虑其含量水平以及本身具有的毒害性，还要考虑其迁移特性。同时，人的认识能力随科学技术的发展而不断提高，在现有认识水准下认为是无害的元素，将来可能被确定为是有害元素。因此，单纯地限定煤中有害元素种类的做法并不科学，重要的是要查明它们的含量水平、分布特征、赋存状态及其在煤利用前、利用过程中、利用后的迁移行为。此外，在煤中有些元素之间存在依存或共生关系，因此单独研究某几种元素也具有较大的片面性。

综合以上考虑，本书除了研究有害常量元素S以外，对煤中砷（As）、铅（Pb）、汞（Hg）、镉（Cd）、铬（Cr）、硒（Se）、氟（F）、氯（Cl）、镍（Ni）、锰（Mn）、钴（Co）、钼（Mo）、铍（Be）、锑（Sb）、铀（U）、钍（Th）、溴（Br）17种有害微量元素也应进行重点研究，对其他有害或潜在有害微量元素以及在现今认识水准下认为无害的元素作一般性讨论，即在充分利用现有资料的情况下，尽可能达到不遗漏、不放过有害元素的目的。

煤炭化验是由研发的新一代检测煤炭各元素指标含量的仪器。 主要检测项目：全硫、发热量、煤的水分（全水分、分析水）、灰分、挥发分、固定碳、碳、氢、灰熔融性、炉渣含碳量、焦煤、石油焦、型煤等相关项目测定。