煤中水分結合狀態分析-低場核磁共振技術

煤的水分是評價煤炭經濟價值最基本的指標。因為煤中水分含量越多,煤的無用成分也就越多。同時,煤中有大量水分時,不僅煤的有用成分減少,而且大量水分在煤燃燒時,還要吸收大量的熱成為水蒸氣蒸發掉。所以煤的水分越低越好。但煤中水分特別是內在水分與煤的煤化程度有關:年輕煤內在水分最大,強黏結性煤內在水分最小,向年老煤過渡時內在水分又有所增加。外在水分與外界氣候等多種因素有關。所以,煤的全水分既與煤的煤化程度有關,又與外界天氣等各種因素有關。

煤中水分的存在形式,可根據其結合狀態的不同而分為游離水和化合水兩大類。游離水是以物理狀態(如附著、吸附等形式)同煤結合;化合水是以化合方式同煤中的礦物質結合,即通常所說的結晶水和結合水,如硫酸鈣中的結晶水和高嶺土中的結合水。煤中的游離水,在105~110℃的溫度下放置1~2h后一般即可全部蒸發掉。這是因為煤中游離水幾乎玩荃是以吸附狀態存在于煤的表面的緣故,而結晶水通常要在200℃以上才能分解析出。但煤中含量很少的硫酸鈣二水化合物失水溫度僅為163℃,而高嶺土組分中的結合水的分解失水溫度高達560℃。

根據水分存在的不同賦存狀態,煤中的水分又可分為內在水分和外在水分兩種。吸附或凝聚在煤粒內部毛細孔中的水,稱為內在水分;附著在煤粒表面上的水,稱為外在水分。由于毛細孔吸附力的作用,內在水分比外在水分較難蒸發。如外在水分在45~50℃的溫度下放置一定時間后即能蒸發掉,而內在水分需要100℃以上的溫度經過一定時間后才能蒸發。

煤粒內部毛細孔吸附的水分達到飽和狀態時,內在水分達到最高值,這種水分稱為煤的最高內在水分。由于煤的孔隙率與其煤化程度有一定的變化規律,所以煤的最高內在水分基本上反映了煤化程度、黏結性和發熱量等煤質特征。如年輕褐煤的最高內在水分多在30%以上,而最高內在水分含量小于1%的煙煤,幾乎都是強黏結性和高發熱量的肥煤和主焦煤。用最高內在水分來區別各種年輕煤最為適宜。

煤中水分結合狀態分析-低場核磁共振技術

水中所含有的1-H原子核磁矩不為零,在外加磁場下會產生核磁共振現象,因此理論上可以使用NMR方法對煤中水分進行實驗研究.煤中水分分布于微孔、中孔、大孔以及煤樣表面,不同位置的水受到不同程度的束縛作用,不同的束縛程度在核磁共振信號里表現為不同的橫向弛豫時間T2,受束縛程度越大,T2越短.通過測量煤樣中水分的核磁共振信號得到衰減圖樣,然后反演得到T2分布曲線,可獲得不同煤樣中的水分變化規律以及不同溫度水熱反應處理后錫林格勒盟褐煤中的水分變化規律。

橫向弛豫時間T2反映了樣品內部氫質子所處的化學環境,與氫質子所受的束縛力及自由度有關,而氫質子的束縛程度與樣品的物理、化學結構有密不可分的關系.氫質子受束縛越大或自由度越小,T2越短,在T2譜上峰位置較靠左;反之則T2越長,在T2譜上峰位置較靠右。煤分子中所含的氫(不包括水中的氫)原子因直接與碳鏈或者苯環相連,自由度很小,T2很短,低于該儀器所能檢測T2的最小值.水中所含的氫原子自由度較大,弛豫時間長,能夠被儀器檢測.可以認為該儀器檢測出的T2分布是煤中所含水里面氫原子的T2分布。