煤中水分的賦存狀態(tài)分為2大類。一類是與礦物質(zhì)相結(jié)合的水,稱為化合水或結(jié)晶水。如石膏(CaSO4。2H2O)和高嶺土(Al2O3。2SiO2。2H2O)中的結(jié)晶水就是以化合形式與礦物質(zhì)相結(jié)合。這部分水分通常要在2000C以上的溫度下才能分解析出。如CaSO4。2H2O中的2個分子結(jié)晶水要在5000C以上才能完全脫除,在1700C時能脫除其中1.5份結(jié)晶水。工業(yè)分析中的水分則不包括這部分結(jié)晶水。另一類水分是以物理狀態(tài)與煤的有機物質(zhì)相聯(lián)系。即水分以附著和吸附等形式存在于煤中,這部分水統(tǒng)稱為游離水分。這些游離水分在105-1100C的溫度下經(jīng)過一定時間的蒸發(fā)即可全部脫除。游離水分的多少在一定程度上能表征煤炭的煤化程度深淺,也是決定媒質(zhì)優(yōu)劣的重要參數(shù)之一。
與有機質(zhì)相聯(lián)系的游離水分,還可根據(jù)其存在狀態(tài)而分為外在水分和內(nèi)在水分2部分。吸附或凝聚在媒有機質(zhì)顆粒內(nèi)部毛細孔(微孔)中的水分稱為煤的內(nèi)在水分。附著煤粒表面的水分稱為外在水分。由于毛細孔吸附力的作用,煤的內(nèi)在水分比外在水分較難蒸發(fā)除去。如煤樣在空氣中放置8-24h后,其外在水分一般就能蒸發(fā)除去,而內(nèi)在水分只有在外在水分除去相當一部分才會緩慢地向外逸散,且在室溫下幾乎不可能全部脫除。
當煤的內(nèi)部毛細孔吸附的水分達到飽和狀態(tài)時,其所含的水分稱為煤的內(nèi)在水分。煤內(nèi)部毛細孔容積的大小,基本上能表征煤的煤化程度。尤其是低煤化度煤,毛細孔的內(nèi)表面積很大,其內(nèi)在水分含量也高。
煤的外在水分和內(nèi)在水分合稱為煤的全水分(Mt)。由于煤的外在水分隨煤礦地質(zhì)條件、大氣的濕度等外界條件的改變而變化,所以煤炭的全水分含量也是經(jīng)常發(fā)生變化的。
至于煤中存在的外在水分和內(nèi)在水分的確切涵義,與煤的工業(yè)分析中測定的外在水分和內(nèi)在水分的概念有一定差異。在工業(yè)分析中的外在水分,實質(zhì)上是測定煤樣達到空氣干燥狀態(tài)時所損失的水分,這時煤的內(nèi)在水分也將往外逸散一部分而受到損失,因為當外在水分蒸發(fā)到一定程度以后,由于其水蒸氣分壓的降低而必然導(dǎo)致一部分內(nèi)在水分往外蒸發(fā)逸出。所以嚴格地說工業(yè)分析中的外在水分應(yīng)稱為“空氣干燥時的損失水分”。按同樣原理,工業(yè)分析中的內(nèi)在水分就應(yīng)稱為“空氣干燥時的殘留水分”(按ISO、ASTM、B.S的定義)。
由于工業(yè)分析中的外在水分和內(nèi)在水分的煤樣基準不同,所以全水分的測值不是兩者直接相加,而必須通過下列公式計算。即:
100- Mt
100 Mt=-Mfz+Minh x
式中 Mt——煤樣的全水分(%);
Mfz——煤樣的外在水分(%);
Minh——煤樣的內(nèi)在水分(%)。
關(guān)于煤中水的存在形式和全水分定義
煤中水分按其結(jié)合形態(tài)可分為游離水和結(jié)合水(即結(jié)晶水)兩大類。游離水是指以物理吸附或吸著方式與煤結(jié)合的水。結(jié)合水是指以化合的方式同煤中礦物質(zhì)結(jié)合的水,它是礦物晶格的一部分,如硫酸鈣(CaSO4?2H2O)和高嶺土(Al2O3?2SiO2?2H2O)中的結(jié)合水。煤中的游離水于常壓下在105 ℃~110 ℃的溫度下經(jīng)過短時間干燥即可蒸發(fā);而結(jié)晶水通常要在200 ℃,有的甚至要在500 ℃以上才能析出。我們所測定的全水分及空氣干燥水分只是游離水,也就是外在水分和內(nèi)在水分。內(nèi)在水分是指吸附在煤顆粒內(nèi)部毛細孔中的水。外在水分是指:吸附在煤顆粒表面上或非毛細孔中的水分。
煤在收到狀態(tài)時的全水分指煤中內(nèi)在水分和外在水分的總和,以符號Mt表示。
全水分定義當中的內(nèi)在水和外在水的概念是理論上的定義,在實際工作中涉及的外在水,指的是在試驗條件下,煤樣與空氣濕度達到接近平衡時所失去的水分;而接著在第二步測定條件下失去的水分稱內(nèi)在水。所以應(yīng)注意理論上的內(nèi)外水概念和實際中的內(nèi)外水概念是不同的,在實際情況下,煤從脫去外在水到脫去內(nèi)在水是個連續(xù)而復(fù)雜的過程,二者間難以嚴格區(qū)分開來,在實際的實驗中是按照試驗方法或者試驗條件來定義的,在工作中要注意辨析清楚。事實上,在實際測定中的外在水包含了一部分理論上的內(nèi)在水。
對于煤炭貿(mào)易而言,全水分超標扣重是慣例,甚至有的合同中還把它作為拒收的條款。水分超出不僅降低了貨值,同時也增加了鐵路、海運、裝卸等環(huán)節(jié)上的費用。全水分過高也會降低煤的低位發(fā)熱量,在以低位發(fā)熱量計價時,直接影響到企業(yè)的經(jīng)濟利益。
煤炭全水分對其加工、利用、儲存、運輸都有很大的影響。如全水分高的煤不易破碎;煤在鍋爐中的燃燒時,若水分含量高,就需要消耗很多熱量用于蒸發(fā)煤中的水分,這樣不但會影響燃燒的穩(wěn)定性,且消耗潛能降低熱效率,一般來說每增加1%的水分,就會降低煤的發(fā)熱量的1%左右。在煉焦中的水分高會降低產(chǎn)率,而且由于大量水分蒸發(fā)而延長焦化周期。
GB/T211標準共有A、B、C、D四種測定全水分的方法,方法A適用于各種煤;方法B適用于煙煤和無煙煤;方法C適用于煙煤和褐煤;方法D適用于外在水分高的煙煤和無煙煤。測定全水分對煤樣的要求以及制備如下:
① 煤樣:方法A、B和C采用粒度小于6 mm的煤樣,煤樣量不少于500 g;方法D采用粒度小于13 mm的煤樣,煤樣星約2 kg。
② 煤樣的制備:粒度小于13 mm煤樣按照GB 474制備。粒度小于6 mm煤樣的制備:用九點取樣法從破碎到粒度小于13 mm的煤樣中取出約2 kg,全部放入破碎機中一次破碎到粒度小干6 mm,用二分器迅速縮分出500 g煤樣,裝入密封容器。
③ 在測定全水分之前,應(yīng)檢查樣品質(zhì)量的損失情況,能確定煤樣在運送過程中有損失時,應(yīng)將減少的質(zhì)量作為煤樣在運送過程中的水分失過,并計算出該量對煤樣質(zhì)量的百分數(shù),計人煤樣全水分。
④ 稱取煤樣之前,應(yīng)將密閉容器中的煤樣充分混合至少1 min。
目前已經(jīng)出了的GBT 211-2007 煤中全水分的測定方法。