曹 青

(開灤集團(tuán)質(zhì)檢中心，河北 唐山 063000)

5E-CH2000元素分析儀測定煤中碳、氫元素的技術(shù)探討

曹 青

(開灤集團(tuán)質(zhì)檢中心，河北 唐山 063000)

碳和氫是煤中有機(jī)質(zhì)的主要組成元素，它們在煤中所占的比例相當(dāng)大，且與煤的特性有著密切的關(guān)系。故檢測的準(zhǔn)確與否，是正確表征該煤種特征的關(guān)鍵所在。結(jié)合實(shí)際論述了用紅外吸收法測定煤中碳、氫元素的基本原理，總結(jié)了正確應(yīng)用紅外吸收法測碳、氫的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)及注意事項(xiàng)。

紅外吸收法；元素分析；煤中碳?xì)?/p>

1.概述

碳?xì)浜渴窃u價(jià)煤及有機(jī)物質(zhì)的重要指標(biāo)之一，對了解煤的變質(zhì)程度和性質(zhì)及研究有機(jī)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)有重要意義。煤的元素組分的不同，不僅能反映煤化程度，而且也直接表征出煤性質(zhì)的不同。

2.煤中碳?xì)錅y定的意義

碳和氫是煤有機(jī)物的主要組成元素，兩者和氧加在一起，占煤的有機(jī)質(zhì)組成的95%以上。煤的形成過程中的兩個(gè)主要反應(yīng)是有機(jī)物碳化和脫水，隨著煤變質(zhì)程度的加深，煤中的碳含量逐漸增加，而氫含量逐漸降低。由于碳?xì)浜颗c變質(zhì)程度關(guān)系密切，故可作為煤炭科學(xué)分類的指標(biāo)之一。例如中國煤分類國家標(biāo)準(zhǔn)GB5751-1986中，就以干燥無灰基氫(Hdaf)作為劃分無煙煤小類的指標(biāo)。另外，煤中碳和氫與煤的其他特性有著密切的關(guān)系。因此，可以通過它們來推算其他指標(biāo)，如發(fā)熱量等，以及核對其他指標(biāo)的測定結(jié)果。在工業(yè)生產(chǎn)中，根據(jù)煤中碳?xì)湓睾縼硗扑闳紵O(shè)備的理論燃燒溫度以及計(jì)算鍋爐燃燒中的熱平衡；在氣化工業(yè)中，根據(jù)它們來計(jì)算煤炭氣化時(shí)的物料平衡。所以煤中碳?xì)湓睾康臏y定，是例常煤質(zhì)工作中不可缺少的項(xiàng)目之一。

3.紅外吸收法測定煤中碳?xì)涞脑?/h2>

紅外吸收法的基本原理是基于H2O、SO2、CO2等氣體分子吸收紅外光的性質(zhì)。根據(jù)朗伯-比爾定律，氣體吸收單色光的程度(即吸光度)與該氣體的濃度成正比，即：I=I0e-KLC或ln(i0/i)=KLC

式中I0——發(fā)射光(被吸收前)的強(qiáng)度；I——接收光(被吸收后)的強(qiáng)度；ln(I0/I)——吸光度，表示吸收的程度；K——吸光系數(shù)，與紅外光波長和氣體性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)；L——?dú)馐业拈L度，對于實(shí)際設(shè)備是一個(gè)確定值；C——?dú)怏w的濃度。

根據(jù)定律，只要測得紅外光被吸收前后的強(qiáng)度I，就可以確定氣體的濃度。其原理如圖1所示。

圖1 紅外傳感器示意圖

在紅外碳?xì)鋬x中，使用串聯(lián)的兩個(gè)紅外傳感器(又稱紅外池)來進(jìn)行碳、氫元素的測試。試樣燃燒后的氣體分別從氣室中通過，當(dāng)紅外光射入氣室時(shí)，一部分能量被氣體中的H2O分子和CO2吸收，光的強(qiáng)度減弱，而未被吸收的部分從氣體透過。為減少干擾，在水檢測紅外池用一個(gè)濾光片將H2O分子特征吸收光譜以外的光擋住，使其不能通過，在二氧化碳檢測紅外池用一個(gè)濾光片將CO2分子特征吸收光譜以外的光擋住，使其不能通過；紅外接收檢測元件將紅外光的強(qiáng)弱變化轉(zhuǎn)換成電壓信號，根據(jù)朗伯-比爾定律，由計(jì)算機(jī)采樣和處理就可以得到氣體濃度，再根據(jù)試樣質(zhì)量、水分等相關(guān)參數(shù)就可以計(jì)算出樣品中的碳、氫含量。

4.5E-CH2000紅外碳?xì)鋬x主要操作步驟

4.1 開機(jī)

打開計(jì)算機(jī)和儀器電源開關(guān)，使控制計(jì)算機(jī)進(jìn)入儀器應(yīng)用程序。

4.2 檢查

(1)如果更換了儀器零件、坩堝或爐試劑，請?jiān)趦x器恒溫后進(jìn)入“氣路診斷”，執(zhí)行“全氣路診斷”?！叭珰饴吩\斷”要在設(shè)備升溫且預(yù)熱穩(wěn)定后進(jìn)行。預(yù)熱穩(wěn)定時(shí)間約1小時(shí)。

(2)儀器需要定期進(jìn)行全氣路診斷(半個(gè)月一次)。

(3)如果設(shè)備長時(shí)間未使用，要進(jìn)行“爐膛診斷”。這里需要注意，“爐膛診斷”要在常溫下進(jìn)行。

4.3 溫度設(shè)置、稱樣

(1)進(jìn)入溫度設(shè)置。點(diǎn)擊“試驗(yàn)溫度”將主燃燒爐溫度設(shè)置為950度，次燃燒爐溫度設(shè)置為850度，恒溫室溫度和儲(chǔ)氣罐溫度設(shè)置為50度，還原爐溫度設(shè)置為600度，熱導(dǎo)池溫度設(shè)置為0度。

(2)儀器自動(dòng)升溫到設(shè)定溫度，恒溫1小時(shí)后主界面工作圖左下角就緒狀態(tài)“深綠色”指示變?yōu)闇?zhǔn)備就緒“淺綠色”指示時(shí)方可進(jìn)行吹掃和測試。

(3)升溫時(shí)間段內(nèi)可以進(jìn)行稱樣：

1)將鋁托放在天平上，用鑷子夾出一張錫箔杯放在鋁托中，天平清零。

2)稱取(80±5)mg樣品

3)輕輕拿出裝有樣品的錫箔杯，用手把錫箔杯的口捏緊、封好，包成一個(gè)水滴形。注意不要太用力，以免錫箔破掉。

4)把包成水滴狀錫箔的尖端向下折，以免尖部過長，造成卡樣。

5)迅速將樣品包好之后隨即放入元素分析儀帶有編號的托盤內(nèi)，并蓋好蓋子。避免樣品長時(shí)間拿在手中或與空氣接觸，造成測值不準(zhǔn)。

4.4 吹掃

(1)打開氣體減壓閥，并設(shè)置合適的壓力。氧氣設(shè)置為(0.30Mpa±10%)，動(dòng)力氣設(shè)置為(0.25Mpa±10%)。

(2)吹掃紅外池。實(shí)驗(yàn)前請打開待機(jī)吹掃(待機(jī)吹掃設(shè)定時(shí)間詳見本文：五、紅外吸收法測碳、氫的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo))，以中氣流(2L/min)吹掃C、H紅外池，C、H紅外池150秒內(nèi)電壓波動(dòng)應(yīng)在10mv(即紅外池電壓波動(dòng)小數(shù)點(diǎn)后二位變化為1)，儀器穩(wěn)定后即可測試。

4.5 測試

(1)將稱好的試樣按順序放入試樣轉(zhuǎn)盤通孔的后面。對于空白樣應(yīng)留出相應(yīng)的孔位，在正式樣中間插入空白樣時(shí)，也應(yīng)留出孔位。

(2)一般先測試5個(gè)空白樣品，再測試2個(gè)廢樣，之后再進(jìn)行2個(gè)標(biāo)樣測試，接下來再做正式樣測試。在測試8個(gè)正式樣后插入2個(gè)標(biāo)樣，接著再做正式樣測試，直到全部測試完畢。

4.6 漂移校正

(1)測試全部完成后，選擇標(biāo)樣測試數(shù)據(jù)，在工具欄中點(diǎn)擊“系統(tǒng)校正”進(jìn)入系統(tǒng)校正窗口，再分別選中碳、氫，校正方法選擇校正類型為“漂移校正”進(jìn)行漂移校正，保存后返回。

(2)當(dāng)完成標(biāo)樣分析后，選中它們統(tǒng)計(jì)它們的極差應(yīng)在國標(biāo)規(guī)定的重復(fù)性范圍內(nèi)(C≤0.5%，H≤0.15%)。

4.7 數(shù)據(jù)處理

漂移校正后，選定樣品測試數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊工具欄中的“重新計(jì)算”。此時(shí)重新計(jì)算得到的結(jié)果為準(zhǔn)確值。

4.8 關(guān)機(jī)

測試完成后，點(diǎn)擊工具欄“退出實(shí)驗(yàn)”，確定退出工作測試界面，點(diǎn)擊工具欄上“溫度設(shè)置”，進(jìn)入溫度設(shè)置窗口，點(diǎn)擊“關(guān)機(jī)溫度”，按確定。點(diǎn)擊工具欄退出系統(tǒng)。關(guān)閉測試程序，計(jì)算機(jī)，關(guān)閉電源，氣源等。這里需要注意的是，要等元素分析儀“主燃燒管溫度”和“次燃燒管溫度”都降到600℃以下(約40分鐘)，才能關(guān)閉元素分析儀的電源開關(guān)，否則設(shè)備內(nèi)部溫度過高就關(guān)閉降溫系統(tǒng)會(huì)使設(shè)備元器件造成損傷，影響再次使用。

5.紅外吸收法測碳、氫的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)

5.1 儀器預(yù)熱時(shí)間

為確保5E-CH2000元素分析儀元素分析儀穩(wěn)定運(yùn)行，打開儀器后要進(jìn)行一定時(shí)間的預(yù)熱。預(yù)熱時(shí)間過短會(huì)造成測試數(shù)據(jù)不穩(wěn)定、超差等現(xiàn)象；預(yù)熱時(shí)間過長又會(huì)造成時(shí)間和能源的浪費(fèi)。因此要選擇適當(dāng)?shù)念A(yù)熱時(shí)間。表1-1、表1-2為不同預(yù)熱時(shí)間下的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW11101r的Cd和Hd測值。

表1-1 不同預(yù)熱時(shí)間下的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)

表1-2不同預(yù)熱時(shí)間下的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)

由表1-1和表1-2可知：當(dāng)儀器預(yù)熱時(shí)間為20min時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW11101r的實(shí)測值超過其給定標(biāo)準(zhǔn)值范圍，誤差較大。當(dāng)儀器預(yù)熱時(shí)間為40min時(shí)，雖然測值1與測值2在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)，但是平行性比較差。當(dāng)儀器預(yù)熱時(shí)間大于60min后，測值1和測值2都在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)，而且平行性好。所以實(shí)際測量時(shí)，要把儀器預(yù)熱時(shí)間控制在一個(gè)小時(shí)左右。

5.2 待機(jī)吹掃時(shí)間

用紅外法測定碳、氫含量，實(shí)際上是先測定燃燒氣體中水和二氧化碳的濃度，然后再計(jì)算碳、氫含量?？諝庵幸埠幸欢康乃投趸?，所以空氣一旦進(jìn)入儀器的分析氣路就會(huì)嚴(yán)重影響測量結(jié)果。為此需要在每次實(shí)驗(yàn)開始時(shí)自動(dòng)吹掃系統(tǒng)殘留氣體，使氣路中充滿高純度的氧氣。待機(jī)吹掃時(shí)間的確定是試驗(yàn)的關(guān)鍵步驟。表2-1、表2-2為不同待機(jī)吹掃時(shí)間下的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW11107m的Cd和Hd測值。

表2-1不同待機(jī)吹掃時(shí)間下的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)

表2-2不同待機(jī)吹掃時(shí)間下的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)

由表2-1和表2-2可知：當(dāng)待機(jī)吹掃時(shí)間為100s時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW11107m的實(shí)測值超過其給定標(biāo)準(zhǔn)值范圍，誤差較大。當(dāng)儀器預(yù)熱時(shí)間為200s時(shí)，測值1與測值2仍然超過其給定標(biāo)準(zhǔn)值范圍。當(dāng)儀器預(yù)熱時(shí)間大于300s后，測值1和測值2都在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)，而且平行性好。所以實(shí)際測量時(shí)，要把待機(jī)吹掃時(shí)間控制在300s，即5分鐘左右。另外需要說明的是，300s是在儀器頻繁使用情況下的待機(jī)吹掃時(shí)間，如果儀器隔天再用應(yīng)將待機(jī)吹掃時(shí)間延長至600s左右，如果儀器超過兩天沒有使用，需要將待機(jī)吹掃時(shí)間再延長一倍，到1200s左右。

5.3 其他技術(shù)指標(biāo)

影響5E-CH2000元素分析儀測定結(jié)果準(zhǔn)確性的因素還有很多，比如儀器的氣密性、氧氣壓力、爐試劑和坩堝的使用周期等等。為了了解和排除在實(shí)驗(yàn)過程中有可能出現(xiàn)的各種問題和故障，檢測人員除了要掌握一定的解決問題的方法和技巧外，還要定期或不定期用基準(zhǔn)物質(zhì)或標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行校驗(yàn)，按國標(biāo)的規(guī)定嚴(yán)格進(jìn)行操作，才能保證碳?xì)錅y值的可靠性和準(zhǔn)確性。

[1]李英華.煤質(zhì)分析應(yīng)用技術(shù)指南[M].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社.

[2]GB/T 30733-2014，煤中碳?xì)涞臏y定.儀器法.

[3]賈延.煤中碳?xì)湓胤治龇椒ǖ难芯縖J].潔凈煤技術(shù)，1999(5).

[4]張?jiān)Ｌm.用紅外吸收法測定煤中氫元素[J].煤質(zhì)技術(shù)， 2005(1).

[5]楊培秀.CHN_2000元素分析儀在實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題與對策[J].煤質(zhì)技術(shù)，2001(9).

Discussion on the Technology of the Determination of Carbon and Hydrogen in Coal by the 5E-CH2000 Element Analyzer

CAO Qing

(Quality Inspection Center of Kailuan, Tangshan 063000, China)

Carbon and hydrogen are major components of the organics which take up a considerable proportion in coal, and have a close relationship with coal characteristics. Therefore, whether the detection is accurate or not is the key to the correct characterization of the characteristics of coal. This thesis discusses the basic principle according to the reality and summarizes several key techniques when infrared absorption method is used in measuring elements such as carbon and hydrogen.

infrared absorption method; elemental analysis; carbon and hydrogen in coal

2017-03-24

曹青(1985-)，女，大學(xué)，開灤集團(tuán)質(zhì)檢中心助理工程師，從事煤質(zhì)分析工作。

TQ533.1

A

1671-3974(2017)02-0061-04