低阶煤制样防氧化处理对元素分析化验结果的作用探析

一、引言

低阶煤作为煤炭资源的重要组成部分，具有储量丰富、分布广泛的特点。然而，其高水分、高挥发分、低变质程度的特性，使其在制样过程中极易与空气中的氧气发生氧化反应。这种氧化不仅会改变煤的物理化学性质，还会对后续元素分析化验结果的准确性产生严重影响。元素分析能够精确测定煤中碳、氢、氧、氮、硫等元素的含量，是评估低阶煤质量、预测燃烧特性及加工利用性能的关键环节。若制样氧化问题得不到有效解决，将导致元素分析数据失真，进而影响低阶煤的合理开发、贸易结算以及清洁高效利用。

二、低阶煤特性及制样氧化机理

（一）低阶煤物理化学特性[1]

低阶煤通常具有高水分含量，一般在 15%-30% 之间，部分年轻褐煤水分甚至可达 40% 以上。高水分使得低阶煤在空气中极易吸收水分或散失水分，改变煤的结构和性质。其挥发分含量较高，多在 30%-50% ，这意味着低阶煤中含有大量易挥发的有机物质，稳定性较差。从变质程度来看，低阶煤属于年轻煤种，煤化程度低，内部结构疏松，孔隙率较大，比表面积高，使得氧气更容易进入煤体内部，与煤中的有机物质发生氧化反应。

（二）制样过程中氧化反应机制

在低阶煤制样过程中，破碎、研磨等操作会破坏煤的原有结构，暴露出更多的新鲜表面，增加与氧气的接触面积。氧气首先与煤表面的活性位点，如不饱和键、含氧官能团等发生反应，产生自由基。这些自由基具有很高的化学活性，会引发连锁反应，促使煤中的有机大分子不断裂解和氧化。例如，煤中的碳氢化合物在自由基作用下，与氧气反应生成二氧化碳、水以及各种含氧有机化合物。同时，氧化反应会释放热量，进一步加速反应的进行，形成恶性循环。

三、低阶煤制样防氧化处理方法研究

（一）常见防氧化处理技术

惰性气体保护法[2]：惰性气体保护法是通过在制样环境中充入氮气、氩气等惰性气体，排出空气，形成惰性氛围，从而隔绝氧气与低阶煤的接触。在实际操作中，可在密封的制样设备，如手套箱、真空干燥箱中充入高纯氮气或氩气。该方法操作相对简便，能有效抑制低阶煤的氧化反应。

低温处理法[3]：低温环境能够降低化学反应速率，从而抑制低阶煤的氧化。通常将制样过程置于低温环境中，如冰箱冷藏室（4℃左右）或低温实验室 (-10^∘C-0^∘C ）进行。低温处理可以减缓自由基的产生和反应的进行，保持煤样的原始性质。但该方法需要特殊的低温设备，且制样效率较低，对操作人员的要求也较高。

抗氧化剂添加法[3]：抗氧化剂添加法是在低阶煤制样过程中加入特定的抗氧化剂，通过抗氧化剂与氧气或自由基的反应，消耗体系中的活性物质，从而达到防止煤样氧化的目的。

（二）防氧化处理方法对比与优化

对上述三种常见防氧化处理方法从操作难度、成本、防氧化效果等方面进行综合对比。惰性气体保护法操作相对简单，但需要持续消耗惰性气体，成本较高；低温处理法对设备要求较高，操作复杂，且制样效率低；抗氧化剂添加法虽然成本较低，但抗氧化剂的选择和添加量控制较为困难，且可能引入杂质影响元素分析。为了提高防氧化效果，可采用多种方法联合使用的策略。例如，在低温环境下结合惰性气体保护进行制样，既能降低反应速率，又能隔绝氧气；或者先添加适量抗氧化剂，再进行惰性气体保护制样。

四、防氧化处理对元素分析化验结果的影响

（一）对碳、氢元素分析结果的影响

低阶煤氧化使碳、氢元素与氧气反应，含量降低。未防氧化处理的样品，碳元素含量平均下降 3%-5% ，氢元素下降 1‰ 。惰性气体保护法可

使碳元素下降幅度减至 1%-2% ，氢元素下降约 0.5% ；低温处理法使碳元素下降 1.5%-2.5% ，氢元素下降 0.8% 左右；抗氧化剂添加法在优化添加量下，碳元素下降控制在 1.2%-2.2% ，氢元素下降 0.6‰

（二）对氧元素分析结果的影响

氧化使低阶煤氧元素含量增加。未防氧化处理样品氧元素含量平均增加 4‰ 。惰性气体保护法可将增加幅度控制在 1.5%-2.5% ；低温处理法使氧元素含量增加约 2%-3% ；抗氧化剂添加法在合适条件下，增加1.8‰ 。

（三）对氮、硫元素分析结果的影响

氮、硫元素在氧化中相对稳定，但氧化会改变其赋存形态。未防氧化处理样品氮元素含量波动± 0.5% ，硫元素波动± 0.3‰ 。防氧化处理后，氮元素波动减小至± 0.2% ，硫元素波动在± 0.1% 左右。

五、实验设计与结果分析

（一）实验方案设计

样品选取：选取三种典型低阶煤样品，分别为褐煤、长焰煤和不黏煤，每种煤样采集多个平行样品，确保实验的代表性。

实验分组：将每种煤样平均分为四组，分别进行不同处理：第一组为常规存放，不进行任何防氧化处理；第二组采用惰性气体保护法（在手套箱中充入高纯氮气，持续通气）；第三组采用低温处理法（在- .10^∘C 低温实验室中进行制样）；第四组采用抗氧化剂添加法。

分析方法：采用开元仪器元素分析仪，按照GB/T30733-2008《煤中碳氢氮测定方法》、GB/T214-2007《煤中全硫的测定方法》等国家标准，对制样后的煤样进行碳、氢、氧、氮、硫元素含量测定，每个样品重复测定两次，取平均值作为测定结果。

（二）实验结果与讨论

三种防氧化处理方法均能有效改善低阶煤元素分析化验结果的准确性。惰性气体保护法在减少碳、氢元素损失和控制氧元素增加方面效果较为显著，这是因为其能够完全隔绝氧气，从源头上抑制氧化反应。低温处理法通过降低反应速率，也能在一定程度上减缓氧化过程，但由于无法完全排除氧气的影响，效果略逊于惰性气体保护法。抗氧化剂添加法在合适的添加量下，能有效捕获自由基，抑制氧化反应，且对元素分析结果的干扰较小。同时，不同煤种由于性质差异，对防氧化处理方法的响应也有所不同。

六、结论

低阶煤在制样过程中极易氧化，导致碳、氢元素含量降低，氧元素含量增加，氮、硫元素含量波动，对煤中各元素分析化验结果的准确性存在着不可忽略的影响。

惰性气体保护法、低温处理法和抗氧化剂添加法等防氧化处理方法均能有效抑制低阶煤制样过程中的氧化反应，提高元素分析结果的准确性。其中，惰性气体保护法效果最佳，抗氧化剂添加法和低温处理法在合理操作条件下也能取得较好的效果。不同煤种对防氧化处理方法的响应存在差异，在实际应用中，应根据煤种特性选择合适的防氧化处理方法或采用多种方法联合使用的策略，以达到最佳的防氧化效果和元素分析准确性。

引用文献：

[1]杜芳鹏,宁树正,刘池洋,乔军伟,赵晓辰,李聪聪,谭富荣,魏云迅,苏刚,雒铮.中国低阶富惰质组煤的时空分布、煤质特征及清洁利用[J].中国地质,2022,49(6):1792-1807.

[2]郑万成,王浩,邹祺,等.惰性气体对煤低温氧化过程官能团变化影响研究[J].能源与环保,2024,46(12):54-59,65.

[3]易忠波.低阶粉煤的热解特性与低温热解试验研究[D].江苏:江苏大学,2015.

职称：工程师