《《煤矿总工技术手册》第一章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《煤矿总工技术手册》第一章（22页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第 10 篇 煤炭洗选加工1 煤质与煤炭产品质量要求1.1 煤的组成与性质1.1.1 煤的岩相组成在由植物转化为的过程中，由于植物种类、积聚环境的氧化还原性、覆水深度、水流状况、水介质的酸碱性、微生物活动情况、埋藏深度、成煤年代等因素的差异巨大，形成的煤炭均匀性极差。从岩石学的观点来看，煤是一种特殊的沉积岩可燃有机岩，其物质组成较为复杂。当用肉眼仔细观察时，就可以看到它的物质组成常显示明显的不均一性。其主要表现为煤是有机物和无机物 (矿物质)的混合物。有机物本身也因成煤原始物质的和聚积条件的不同，呈现出复杂性和多样性。利用岩石学的方法和手段研究自然状态下煤的组成、成分、类型及性质等，就形成了煤
2、岩学。利用煤岩学方法得到的煤的组成称为煤的岩相组成或煤岩组成。煤岩学研究煤的方法可分为两种，一是利用肉眼观察的宏观方法，另一个是借助于显微镜的微观方法。宏观法较为粗略，但方法简单，微观法虽精细，但测定过程却复杂得多。1.1.1.1 煤的有机显微组分煤的有机显微组分显微组分是指煤在显微镜下能够区别和辨识的最基本的组成单位，是显微镜下能观察到的煤中成煤原始植物残体转变而成的组分。目前国际煤岩学术委员会的显微组分分类方案是侧重于化学工艺性质的分类。按组分成因和工艺性质的不同，煤的有机显微组分大致可分为镜质组、壳质组（稳定组或类脂组）和惰质组三大类。划分依据是组分的颜色、形态、结构和突起等特征。（1）
3、镜质组及其成因镜质组是由植物的木质纤维组织受凝胶化作用转化形成的，是煤中最常见和最重要的显微组分组。凝胶化作用是指泥炭化作用阶段成煤植物的组织在气流闭塞、积水较深的沼泽环境下，产生极其复杂的变化。一方面，构成植物组织的化学成分在微生物参与下，发生分解、水解、化合等化学反应，破坏植物的细胞结构；另一方面植物组织在沼泽水的浸泡下吸水膨胀，使植物细胞结构变形、破坏乃至消失，或进一步再分解为凝胶。凝胶再进一步经过煤化作用转化为煤中的镜质组分。从低煤级到高煤级煤，镜质组在油浸反射光下呈深灰至浅灰色，无突起到微突起。反射率介于壳质组和惰质组之间，并随煤级增高而增加，各向异性增强。在透射光下呈橙红色棕红色棕
4、黑色黑色。部分低煤级烟煤中镜质组在蓝光激发下发暗褐色到褐色荧光，被称为富氢镜质体或荧光镜质体。与其他两个组分组相比，镜质组氧的含量较高，碳、氢含量介于二者之间，根据其结构和形状的不同，又可区分下列三种显微组分：结构镜质体、无结构镜质体和碎屑镜质体。（2）壳质组及其成因壳质组包括孢子体、角质体、树脂体、木栓质体、藻类体和碎屑壳质体等显微组分，来源于植物的孢子、角质层、木栓、树脂、蜡、脂肪和油。壳质组是成煤植物中化学稳定性强的组成部分，在泥炭化和成岩阶段保存在煤中的组分几乎没有发生什么质的变化。从低煤级烟煤到中煤级烟煤，它们在透射光下透明到半透明，颜色呈柠檬黄色黄色桔黄色至红色，轮廓清楚，外形特殊
5、。反射光下呈现深灰色，大多数有突起；油浸反射光下呈现深灰色、灰黑色、黑灰色到浅灰色，低突起，反射率较镜质组低。蓝光激发下发绿黄色亮黄色橙黄色褐色荧光。中高级煤中壳质组与镜质组颜色不能区分。它与镜质组和惰质组相比，具有较高氢含量和挥发分产率。多数壳质组组分具有粘结性。（3）惰质组及其成因惰质组主要是通过丝炭化作用，由植物的组织或已经经过凝胶化作用的组分转化而来的。丝炭化作用是指成煤植物的组织在积水较少、湿度不足的条件下，木质纤维组织经脱水作用和缓慢的氧化作用的复杂过程。丝炭化作用也可以作用于已经受不同程度凝胶化作用的组分上，形成结构上与镜质组类似的惰质组分，但经丝炭化作用后的组分不能再发生凝胶化
6、作用成为凝胶化组分。惰质组的另一个成因是植物的木质组织遭到火灾，被烧焦炭化，再经煤化作用而形成惰质组分。惰质组包括丝质体、半丝质体、微粒体、粗粒体、菌类体和碎屑惰质体等显微组分。反射光下呈白色至亮白色，具有较高突起和较高反射率。油浸反光下呈灰白色、亮白色、亮黄白色，大多具中高突起；透射光下呈棕黑色到黑色、微透明或不透明；蓝光激发下一般不发荧光。与其他两个显微组分组相比，其碳含量最高，氢含量最低，挥发分产率最少，没有粘结性（微粒体除外） 。1.1.1.2 煤的无机显微组分煤的无机显微组分煤是由有机成分和无机成分组成的。煤的有机成分是煤炭利用的主体，也是人们关注的中心。煤的无机成分是指在显微镜下能
7、观察到的煤中矿物，以及与有机质相结合的各种金属、非金属元素和化合物（无机质） 。运用煤岩学方法研究煤的无机成分，大多是镜下可观察的具有晶质的矿物。而镜下看不见的分散的极细矿物、隐晶矿物和无机质的研究则是元素地球化学、无机地球化学等学科研究的范畴。 按矿物成分和性质，可将煤中矿物质分为以下几类。（1）粘土类矿物粘土类矿物是煤中最常见、最重要的矿物质。它在煤中所占比例很大，分布极广。常见的粘土矿物有高岭石、水云母、伊利石等。在煤中粘土矿物常呈透镜状、薄层状，也有的呈细分散的微粒状，散布于基质中或充填在植物细胞腔中，这种浸染状的细分散的粘土类矿物，很难通过分选加以清除。（2）硫化物类矿物 硫化物类矿
8、物多为不透明矿物，在反射光下具有耀眼的金属光泽。此类矿物包括黄铁矿、白铁矿等。其中黄铁矿是煤中大量存在的矿物之一，常呈晶粒、透镜体、鲕状和球状结核在煤中出现，有时也见到充填于植物细胞腔中或交代孢子体（被黄铁矿完全替代） 、角质体等。 （3）碳酸盐类矿物 碳酸盐类矿物主要包括方解石和菱铁矿。方解石常呈薄膜充填于煤的裂隙和层面内，镜下观察多呈脉状。菱铁矿多呈球状或粒状分布在基质中。 （4）氧化物类矿物氧化物类矿物主要是石英、蛋白石等。最常见的是陆源碎屑沉积的石英，多呈粉砂状，棱角状半棱角状存在于煤中。其次是化学成因的自生石英颗粒多为不规则的细粒或微粒分布于基质中。（5）硫酸盐类矿物硫酸盐类矿物主要
9、是石膏，往往沿裂隙或层面，呈微小晶粒出现，常在煤层近地表处可见到。 1.1.1.3 煤的宏观煤岩成分煤的宏观煤岩成分由于煤生成过程的复杂多样性，在宏观或微观上也表现出许多特征，人们可以用肉眼或借助放大镜，可以区分它们在组成、结构和物理性质方面的特点和差异，从而把煤划分出许多宏观煤岩成分。宏观煤岩成分是指煤层中肉眼可以识别的不同条带，是用肉眼区分煤的岩石组成的基本单位。表 10-1-1 列出了腐植煤和腐泥煤的煤岩类型及其最重要的特征。腐植煤煤层通常由镜煤（光亮条带） 、亮煤（半光亮条带） 、暗煤（暗淡条带）和丝炭（矿物木炭）组成。其中镜煤和丝炭是简单的煤岩成分，亮煤和暗煤是复杂的煤岩成分。在光泽
10、强度上丝炭和暗煤是暗淡的，镜煤和亮煤则是光亮的。表 10-1-1 煤的类型和煤岩成分煤的类型煤岩成分肉眼可识别的特征腐植煤镜煤亮煤暗煤丝炭光亮，黑色，一般很脆，常具裂隙 半亮，黑色，极薄层状暗淡，黑色或灰黑色，坚硬，表面粗糙丝绢光泽，黑色，纤维状，软，极易碎腐泥煤烛煤藻煤暗淡或弱油脂光泽，黑色，均一状，非层状，很坚硬，贝壳状断口，黑色条痕象烛煤，但外观略带褐色，褐色条痕（1）镜煤镜煤呈黑色、深黑色，光泽强，明亮如镜，因而得名。是煤中颜色最深、光泽最强的类型，其质地纯净而均匀，以贝壳状或眼球状断口和垂直的内生裂隙发育为特征，性脆，但脆度次于丝炭，易破碎成棱角状小块，在煤中常呈透镜状或条带状，有时
11、呈线理状夹在亮煤和暗煤中。镜煤的颜色、光泽和内生裂隙数目均随煤化程度作有规律的变化。（2）亮煤亮煤是煤中最常见的煤岩类型。其光泽仅次于镜煤，性较脆，内生裂隙较发育，比重较小，有时有贝壳状断口。其均一程度不如镜煤，往往可见微细纹理，在煤层中常呈较厚的分层或透镜状出现。（3）暗煤暗煤的颜色为灰黑、暗黑，光泽暗淡，致密坚硬，韧性较大，比重大，内生裂隙不发育，层理不清晰，断面粗糙，断口呈不规则状或平坦状。在煤中形成较厚的分层，甚至单独成层。（4）丝炭丝炭外观像木炭，颜色灰黑或暗黑，具有明显的纤维状结构和丝绢光泽，疏松多孔，性脆易碎染指，其空腔常被矿物质充填，称为矿化丝炭，其致密坚硬、比重大。丝炭在煤层
12、中，一般数量不多，常呈透镜状沿煤的层面分布，多数厚 12mm 至数 mm，有时形成不连续的薄层。1.1.2 煤的元素组成煤的元素组成指的是煤有机质的元素组成，煤的有机质主要是由碳、氢、氧、氮和硫等五种元素组成的。1.1.2.1 煤中的碳元素碳是构成煤分子骨架最重要的元素之一，也是煤燃烧过程中放出热能最主要的元素之一。随煤化程度的提高，煤中的碳元素逐渐增加，从褐煤的 60%左右一直增加到年老无烟煤的 98%。腐植煤的碳含量高于腐泥煤，在不同煤岩组分中，碳含量的顺序是：惰质组镜质组壳质组。1.1.2.2 煤中的氢元素氢元素是煤中第二重要的元素，主要存在于煤分子的侧链和官能团上，在有机质中的含量约为
13、 2.0%6.5%左右，随煤化程度的提高而呈下降趋势。从低煤化度到中等煤化程度阶段，氢元素的含量变化不十分明显，但在高变质的无烟煤阶段，氢元素的下降较为明显而且均匀，从年轻无烟煤的 4%下降到年老无烟煤的 2%左右。因此，我国无烟煤分类中采用氢元素含量作为分类指标。氢元素的发热量约为碳元素的 4 倍，虽然含量远低于碳含量，但氢元素的变化对煤的发热量影响很大。 1.1.2.3 煤中的氧元素氧也是组成煤有机质的重要元素，主要存在于煤分子的含氧官能团上，如OCH3、COOH、OH、C=O 等基团上均含有氧原子。氧主要存在于年轻煤中，随煤化程度的提高，煤中的氧元素迅速下降，从褐煤的 23%左右下降到中
14、等变质程度肥煤的 6%左右，此后氧含量下降速度趋缓，到无烟煤时大约只有 2%左右。氧元素在煤燃烧时不产生热量，在煤液化时要无谓地消耗氢气，对于煤的利用不利。腐泥煤的氧含量低于腐植煤。腐植煤中不同煤岩组分氧含量的顺序是：镜质组惰质组壳质组。1.1.2.4 煤中的氮元素煤中的氮元素含量较少，一般为 0.5%1.8%，随煤化程度提高而呈下降趋势。氮在煤中主要以胺基、亚胺基、五员杂环（吡咯、咔唑等）和六员杂环（吡啶、喹啉等）等形式存在。煤中的氮在煤燃烧时也不放热，主要以 N2的形式进入废气，少量形成 NOx。当煤在炼焦时，煤中的氮部分形成 NH3，HCN 及其它有机含氮化合物，其余的则留在焦炭中。1.
15、1.2.5 煤中的硫元素硫是煤中主要的有害元素，在煤的焦化、气化和燃烧中均产生对工艺和环境有害的H2S、SO2等物质。煤中的硫分为有机硫和无机硫。一般煤中的有机硫含量较低，但组成很复杂，主要由硫醚或硫化物、二硫化物、硫醇、巯基化合物、噻吩类杂环化合物及硫醌化合物等组分或官能团所构成。煤中的有机硫一般低于 0.2%0.5%，但也有有机硫高于 1%2%甚至更高的煤。煤中的无机硫主要以硫铁矿、硫酸盐等形式存在，其中尤以硫铁矿硫居多。脱除硫铁矿硫的难易程度取决于硫铁矿的颗粒大小及分布状态，颗粒大则较易去除，极细颗粒的硫铁矿硫也难以采用常规方法脱除。一般情况下，煤中的硫酸盐硫是黄铁矿氧化所致，因而未经氧
16、化的煤中的硫酸盐硫很少。煤中硫含量的高低与成煤的原始环境有密切关系，与煤化程度没有明显的关系。根据最近的研究结果，对有机硫而言，在泥炭化和早期成岩阶段形成的有机硫多以硫醇、硫醚及饱和环状含硫化合物为主；晚期成岩阶段和变质阶段形成的有机硫以噻吩硫为主。许多学者认为高硫煤中的硫经历了一个逐渐积聚的过程，在这一过程中，沉积环境起决定性作用。一般来说，陆相煤的硫含量较低，而海相煤则含硫较高。这是因为在海相的还原环境下，海水中的硫酸根被还原形成硫铁矿进入煤层，此外，海相植物本身的含硫量较高。煤中元素含量随煤化程度的变化规律见表 10-1-2。1.1.3 煤的物理性质1.1.3.1 煤的密度（1）真相对密度在 20时，煤的质量与同体积（不包括煤中所有孔隙）水的质量之比称为煤的真相对密度，用 TRD 表示。煤的真相对密度简称煤的真密度，它是煤的主要物理性质之一，在研究煤的分子结构、确定煤化程度、制定煤的分选密度时，都会用到煤的真密度。自然状态下的煤成分比较复杂，因各种因素的综合影响使其密度大体上随煤化程度的加深而提高。煤化度较低时，真
