曹 青

(開灤集團質(zhì)檢中心，河北 唐山 063000)

5E-CH2000元素分析儀測定煤中碳、氫元素的技術探討

曹 青

(開灤集團質(zhì)檢中心，河北 唐山 063000)

碳和氫是煤中有機質(zhì)的主要組成元素，它們在煤中所占的比例相當大，且與煤的特性有著密切的關系。故檢測的準確與否，是正確表征該煤種特征的關鍵所在。結(jié)合實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)了正確應用紅外吸收法測碳、氫的幾個關鍵點及注意事項。

紅外吸收法；元素分析；煤中碳氫

1.概述

碳氫含量是評價煤及有機物質(zhì)的重要指標之一，對了解煤的變質(zhì)程度和性質(zhì)及研究有機物質(zhì)的結(jié)構有重要意義。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.煤中碳氫測定的意義

碳和氫是煤有機物的主要組成元素，兩者和氧加在一起，占煤的有機質(zhì)組成的95%以上。煤的形成過程中的兩個主要反應是有機物碳化和脫水，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。由于碳氫含量與變質(zhì)程度關系密切，故可作為煤炭科學分類的指標之一。例如中國煤分類國家標準GB5751-1986中，就以干燥無灰基氫(Hdaf)作為劃分無煙煤小類的指標。另外，煤中碳和氫與煤的其他特性有著密切的關系。因此，可以通過它們來推算其他指標，如發(fā)熱量等，以及核對其他指標的測定結(jié)果。在工業(yè)生產(chǎn)中，根據(jù)煤中碳氫元素含量來推算燃燒設備的理論燃燒溫度以及計算鍋爐燃燒中的熱平衡；在氣化工業(yè)中，根據(jù)它們來計算煤炭氣化時的物料平衡。所以煤中碳氫元素含量的測定，是例常煤質(zhì)工作中不可缺少的項目之一。

3.紅外吸收法測定煤中碳氫的原理

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)的強度；I——接收光(被吸收后)的強度；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)有關的常數(shù)；L——氣室的長度，對于實際設備是一個確定值；C——氣體的濃度。

根據(jù)定律，只要測得紅外光被吸收前后的強度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

在紅外碳氫儀中，使用串聯(lián)的兩個紅外傳感器(又稱紅外池)來進行碳、氫元素的測試。試樣燃燒后的氣體分別從氣室中通過，當紅外光射入氣室時，一部分能量被氣體中的H2O分子和CO2吸收，光的強度減弱，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弱變化轉(zhuǎn)換成電壓信號，根據(jù)朗伯-比爾定律，由計算機采樣和處理就可以得到氣體濃度，再根據(jù)試樣質(zhì)量、水分等相關參數(shù)就可以計算出樣品中的碳、氫含量。

4.5E-CH2000紅外碳氫儀主要操作步驟

4.1 開機

打開計算機和儀器電源開關，使控制計算機進入儀器應用程序。

4.2 檢查

(1)如果更換了儀器零件、坩堝或爐試劑，請在儀器恒溫后進入“氣路診斷”，執(zhí)行“全氣路診斷”?！叭珰饴吩\斷”要在設備升溫且預熱穩(wěn)定后進行。預熱穩(wěn)定時間約1小時。

(2)儀器需要定期進行全氣路診斷(半個月一次)。

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

4.3 溫度設置、稱樣

(1)進入溫度設置。點擊“試驗溫度”將主燃燒爐溫度設置為950度，次燃燒爐溫度設置為850度，恒溫室溫度和儲氣罐溫度設置為50度，還原爐溫度設置為600度，熱導池溫度設置為0度。

(2)儀器自動升溫到設定溫度，恒溫1小時后主界面工作圖左下角就緒狀態(tài)“深綠色”指示變?yōu)闇蕚渚途w“淺綠色”指示時方可進行吹掃和測試。

(3)升溫時間段內(nèi)可以進行稱樣：

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。避免樣品長時間拿在手中或與空氣接觸，造成測值不準。

4.4 吹掃

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

(2)吹掃紅外池。實驗前請打開待機吹掃(待機吹掃設定時間詳見本文：五、紅外吸收法測碳、氫的關鍵技術指標)，以中氣流(2L/min)吹掃C、H紅外池，C、H紅外池150秒內(nèi)電壓波動應在10mv(即紅外池電壓波動小數(shù)點后二位變化為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。對于空白樣應留出相應的孔位，在正式樣中間插入空白樣時，也應留出孔位。

(2)一般先測試5個空白樣品，再測試2個廢樣，之后再進行2個標樣測試，接下來再做正式樣測試。在測試8個正式樣后插入2個標樣，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，選擇標樣測試數(shù)據(jù)，在工具欄中點擊“系統(tǒng)校正”進入系統(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”進行漂移校正，保存后返回。

(2)當完成標樣分析后，選中它們統(tǒng)計它們的極差應在國標規(guī)定的重復性范圍內(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)，點擊工具欄中的“重新計算”。此時重新計算得到的結(jié)果為準確值。

4.8 關機

測試完成后，點擊工具欄“退出實驗”，確定退出工作測試界面，點擊工具欄上“溫度設置”，進入溫度設置窗口，點擊“關機溫度”，按確定。點擊工具欄退出系統(tǒng)。關閉測試程序，計算機，關閉電源，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)，才能關閉元素分析儀的電源開關，否則設備內(nèi)部溫度過高就關閉降溫系統(tǒng)會使設備元器件造成損傷，影響再次使用。

5.紅外吸收法測碳、氫的關鍵技術指標

5.1 儀器預熱時間

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

表1-1 不同預熱時間下的標準物質(zhì)

表1-2不同預熱時間下的標準物質(zhì)

由表1-1和表1-2可知：當儀器預熱時間為20min時，標準物質(zhì)GBW11101r的實測值超過其給定標準值范圍，誤差較大。當儀器預熱時間為40min時，雖然測值1與測值2在標準值范圍內(nèi)，但是平行性比較差。當儀器預熱時間大于60min后，測值1和測值2都在標準值范圍內(nèi)，而且平行性好。所以實際測量時，要把儀器預熱時間控制在一個小時左右。

5.2 待機吹掃時間

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

表2-1不同待機吹掃時間下的標準物質(zhì)

表2-2不同待機吹掃時間下的標準物質(zhì)

由表2-1和表2-2可知：當待機吹掃時間為100s時，標準物質(zhì)GBW11107m的實測值超過其給定標準值范圍，誤差較大。當儀器預熱時間為200s時，測值1與測值2仍然超過其給定標準值范圍。當儀器預熱時間大于300s后，測值1和測值2都在標準值范圍內(nèi)，而且平行性好。所以實際測量時，要把待機吹掃時間控制在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吹掃時間，如果儀器隔天再用應將待機吹掃時間延長至600s左右，如果儀器超過兩天沒有使用，需要將待機吹掃時間再延長一倍，到1200s左右。

5.3 其他技術指標

影響5E-CH2000元素分析儀測定結(jié)果準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驗過程中有可能出現(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物質(zhì)或標準物質(zhì)對整個系統(tǒng)進行校驗，按國標的規(guī)定嚴格進行操作，才能保證碳氫測值的可靠性和準確性。

[1]李英華.煤質(zhì)分析應用技術指南[M].北京：中國標準出版社.

[2]GB/T 30733-2014，煤中碳氫氮的測定.儀器法.

[3]賈延.煤中碳氫元素分析方法的研究[J].潔凈煤技術，1999(5).

[4]張裕蘭.用紅外吸收法測定煤中氫元素[J].煤質(zhì)技術， 2005(1).

[5]楊培秀.CHN_2000元素分析儀在實驗中出現(xiàn)的問題與對策[J].煤質(zhì)技術，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，開灤集團質(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