煤中的元素及其利用

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1、煤中的元素及其利用煤为不可再生的资源。煤是古代植物埋藏在地下经历了 复杂的生物化学和物理化学变化逐渐形成的固体可燃性矿 产，一种固体可燃有机岩，主要由植物遗体经生物化学作用， 埋藏后再经地质作用转变而成。俗称煤炭。中国是世界上最 早利用煤的国家。辽宁省新乐古文化遗址中，就发现有煤制 工艺品，河南巩义市也发现有西汉时用煤饼炼铁的遗址。山海经中称煤为石涅，魏、晋时称煤为石墨或石炭。明 代李时珍的本草纲日首次使用煤这一名称。希腊和古罗 马也是用煤较早的国家，希腊学者泰奥弗拉斯托斯在公元前 约300年著有石史，其中记载有煤的性质和产地；古 罗马大约在2000年前已开始用煤加热。煤主要由碳、氢、氧、氮、

2、硫和磷等元素组成，碳、氢、 氧三者总和约占有机质的95%以上，是非常重要的能源，也 是冶金、化学工业的重要原料，有褐煤、烟煤、无烟煤、半 无烟煤这几种分类。著名作家朱自清也曾以煤为标题写过一 首诗，赋予其独特的象征意义。我国是世界上煤炭资源最丰富的国家之一，不仅储量 大，分布广，而且种类齐全，煤质优良，为我国工业现代化 提供了极为有利的条件。截至2011年，中国是世界上煤炭 产量最大的国家，煤炭产量32.4亿吨，相当于1800.4，占世 界比例高达48.3%；其次是美国，占世界产量比例为14.8%； 排名第三的是澳大利亚，占世界产量比例为6.3%；印度和印 尼则分别排名第四五 占世界产量比例分

3、别是5.8%和5.0%。 由此可见，作为我国第一能源，煤炭的合理开发和利用对发 展国民经济和提高人民生活水平起着极其重要的作用。煤的形成在地表常温、常压下，由堆积在停滞水体中的植物遗体 经泥炭化作用或腐泥化作用，转变成泥炭或腐泥；泥炭或腐 泥被埋藏后，由于盆地基底下降而沉至地下深部，经成岩 作用而转变成褐煤；当温度和压力逐渐增高，再经变质作用 转变成烟煤至无烟煤。泥炭化作用是指高等植物遗体在沼泽 中堆积经生物化学变化转变成泥炭的过程。腐泥化作用是指 低等生物遗体在沼泽中经生物化学变化转变成腐泥的过程。 腐泥是一种富含水和沥青质的淤泥状物质。冰川过程可能有 助于成煤植物遗体汇集和保存。在整个地质

4、年代中，全球范围内有三个大的成煤期：(1) 古生代的石炭纪和二叠纪，成煤植物主要是孢子植 物。主要煤种为烟煤和无烟煤。(2) 中生代的侏罗纪和白垩纪，成煤植物主要是裸于植 物。主要煤种为褐煤和烟煤。(3) 新生代的第三纪，成煤植物主要是被子植物。主要煤 种为褐煤，其次为泥炭，也有部分年轻烟煤。煤的用途煤是重要能源，也是冶金、化学工业的重要原料。主要 用于燃烧、炼焦、气化、低温干馏、加氢液化等。燃烧。 煤炭是人类的重要能源资源，任何煤都可作为工业和民用燃 料。炼焦。把煤置于十馏炉中，隔绝空气加热，煤中有机 质随温度升高逐渐被分解，其中挥发性物质以气态或蒸气状 态逸出，成为焦炉煤气和煤焦油，而非挥

5、发性固体剩留物即 为焦炭。焦炉煤气是一种燃料，也是重要的化工原料。煤焦 油可用于生产化肥、农药、合成纤维、合成橡胶、油漆、染 料、医药、炸药等。焦炭主要用于高炉炼铁和铸造，也可用 来制造氮肥、电石。电石是塑料、合成纤维、合成橡胶等合 成化工产品。气化。气化是指转变为可作为工业或民用燃 料以及化工合成原料的煤气。低温干馏。把煤或油页岩置 于550r左右的温度下低温干馏可制取低温焦油和低温焦 炉煤气，低温焦油可用于制取高级液体燃料和作为化工原 料。加氢液化。将煤、催化剂和重油混合在一起，在高温 高压下使煤中有机质破坏，与氢作用转化为低分子液态和气 态产物，进一步加工可得汽油、柴油等液体燃料。加氢液

6、化 的原料煤以褐煤、长焰煤、气煤为主。综合、合理、有效开发利用煤炭资源，并着重把煤转变 为洁净燃料，是人们努力的方向。煤的分类煤有褐煤、烟煤、无烟煤、半无烟煤等几种。云南常用 的是褐煤、烟煤、无烟煤三种。煤的种类不同，其成分组成 与质量不同，发热量也不相同。单位重量燃料燃烧时放出的 热量称为发热量，人为规定以每公斤发热量7000千卡的煤 作为标准煤，并以此标准折算耗煤量。1 .褐煤：多为块状，呈黑褐色，光泽暗，质地疏松； 含挥发分40%左右，燃点低，容易着火，燃烧时上火快，火 焰大，冒黑烟；含碳量与发热量较低(因产地煤级不同，发 热量差异很大)，燃烧时间短，需经常加煤。2. 烟煤：一般为粒状、

7、小块状，也有粉状的，多呈黑 色而有光泽，质地细致，含挥发分30%以上，燃点不太高， 较易点燃；含碳量与发热量较高，燃烧时上火快，火焰长， 有大量黑烟，燃烧时间较长；大多数烟煤有粘性，燃烧时易 结渣。3. 无烟煤：有粉状和小块状两种，呈黑色有金属光泽 而发亮。杂质少，质地紧密，固定碳含量高，可达80%以上; 挥发分含量低，在10%以下，燃点高，不易着火；但发热量 高，刚燃烧时上火慢，火上来后比较大，火力强，火焰短， 冒烟少，燃烧时间长，粘结性弱，燃烧时不易结渣。应掺入 适量煤土烧用，以减轻火力强度。(4) 泥煤：碳化程度最浅，含碳量少，水分多，Mar可高 达90%,所以需要露天风干后使用；泥煤的

8、灰分很容易熔化， 发热量低，挥发分含量很多，因此极易着火燃烧。泥煤可燃性好，很容易着火燃烧，反应性强，含硫量低， 灰分熔点低，但机械强度较低。因此，泥煤在工业上使用价 值不高，更不宜长途运输，一般只作为地方性燃料使用。产 区分布于西南各省和浙江（西湖泥煤）等地煤的伴生元素伴生元素指以有机或无机形态富集于煤层及其围岩中 的元素。有些元素在煤中富集程度很高，可以形成工业性矿 床，如富锗煤、富铀煤、富钒石煤等，其价值远高于煤本身。根据煤中伴生元素的性质和用途，可分为有益元素、有 害元素和指相元素3类。有益元素主要有锗、镓、铀、钒 等，可被利用。有害元素主要有硫、磷、氟、氯、砷、铍、 铅、硼、镉、汞、

9、硒、铭等。硫是煤中常见的有害成分，其 他有害元素在煤中含量一般不高，但危害极大，如砷是一种 有毒元素。煤在燃烧中，硫是造成城镇环境污染的主要物质 源。当然，对有害元素如果收集、处理得当也可变成对人有 用的财富。煤中伴生元素，有各自的地球化学性质，形成于 不同的沉积环境中。因此，可根据元素的相对含量、元素的 共生组合关系及元素的比值，来判断相和沉积环境。下而具 体介绍几种煤的伴生元素。1铀铀主要应用于现代原子能工业，与煤伴生的铀矿是该矿 种重要的类型之一。煤中铀的工业品位要求为0.02%。目前 已知具有工业价值的富铀煤层大多形成于陆相沉积环境，尤 其是在褐煤中较多。这些富铀煤层大多位于煤盆地结品

10、基底 上，常与酸性喷出岩互层出现。铀在煤中主要以铀的有机化合 物出现。在泥炭堆积时期，多呈易溶铀有机络合物形式迁移， 以不同的腐植酸盐络合物形式被搬运。当腐植酸氧化，络合物 破坏，或者铀有机络合物与某些盐类起化学作用，或由于吸附 作用而沉淀下来；铀也可呈胶溶体形式迁移，受到有机质等的 还原作用而沉淀下来。在我国云南省的许多褐煤盆地中，铀均 富集于盆地底部煤层。我国主要是从煤灰中浸出铀。2锗锗元素的提取 从煤中提取：近年来发现，某些粉灰中 也含有一定量的锗，成为种新的锗资 源。目前，国内提 取锗的方法主要有沉淀法、还原法和萃取法。前两种方法普 遍存在着过程较复杂、成本较高、产品纯度也不够理想等问

11、 题;而萃取法中所用的某些萃取剂，例如Kelex100、Lix63等 萃锗效果较好，可惜国内缺乏这类试剂，需要进口。而国内 新合成的二酞异经肪酸，利用二酞异经厉酸(DHYA )的磺化煤 油溶液，从低酸度粉煤灰浸取液中提取锗。采用相比13- 14, 水相pH值为1.00 一 1.25，室温下进行三级逆流萃取，使用 NH4F溶液反萃取，最后锗收率可达99%,产品纯度在99. 8% 以上.锗属于稀有分散元素，煤中含量一般不高,只要达到20g/t即可加工利用。锗主要分布于煤层的顶、底板附近,薄 煤层和透镜体中锗的含量较高。从已发现的几个超大型含锗 煤矿床来看，锗主要赋存在低成熟度的褐煤中。煤中锗有的以

12、 腐植酸盐形式存在，有的以吸附状态或其它锗金属有机化合 物形式存在，少量以硅酸盐或硫化物、氧化物形式存在。最近 有研究表明，锗主要与煤中的含氧官能团形成有机配合物8。 从煤中提取锗的传统方法是燃烧含锗煤，用硫酸从烧灰中浸 取锗。该法在煤燃烧时锗的损失达20%50%,回收率低，所以 一些研究者开始采用微生物法浸出煤中锗。3钒钒广泛用于制造优质合金钢，也用于高效催化剂、陶瓷彩 釉和干燥剂。钒的工业品位为0.7%。在我国作为钒的单独矿 床开采主要是石煤,石煤资源分布在20多个省区，尤以湖南、 湖北、江西、浙江等省含钒石煤资源丰富，一般石煤中含 V2O50.5%1.2%,目前已大量从石煤中提取钒。从石

13、煤中提钒, 传统工艺多为平窑钠法焙烧。由于该工艺钒的转化率和总回 收率低，现在多采用湿法提取石煤中的钒。4镓镓大量用于制造半导体元件，在自然界没有独立矿床，但 在煤中普遍存在，一般煤中含镓10g/t,有的高 达250g/t,工业 可采品位为30g/t。镓通常共生于高A12O3煤中,煤层顶、底 板及央矸中镓的含量也较高。目前主要是从煤灰和煤矸石中 提取镓,主要采用高温煅烧浸出和低温酸性浸出两种工艺 从煤灰中提取：在粉煤灰中的镓含量达12230pg/g，具有提 取价值。粉煤灰经碱法烧结后，用碳酸钠溶液浸出，经三次 碳酸化及分离过程，可获得富镓沉淀。该沉淀用氢氧化钠溶 液溶解，可用电解法制得金属镓。

14、煤的工业分析通过工业分析可大致了解煤的性质，又称技术分析，是 指煤的水分、挥发分、灰分的测定以及固定碳的计算。水分可分为外在水分、内在水分以及与煤中矿物质结合 的结品水、化合水。外在水分为煤炭在开采、运输、储存及洗选过程中，附 着在煤颗粒表面和大毛细孔中的水分。内在水分为吸附或凝聚在煤颗粒内部的毛细孔中的水 分，温度超过100C时可将煤中内在水分完全蒸发出来。灰分是指煤完全燃烧后残留的残渣量。灰分来自煤的矿 物质。挥发分是指煤中有机质可挥发的热分解产物。挥发分随煤化程度增高而降低，可用于初步估测煤种。固定碳是指煤中有机质经隔绝空气加热分解的残余物， 固定碳随变质程度的加深而增高，可作为鉴定煤变

15、质程度的 指标。煤化工煤化工是以煤为原料，经过化学加工使煤转化为气体， 液体，固体燃料以及化学品的过程，生产出各种化工产品的 工业。煤化工包括煤的一次化学加工、二次化学加工和深度化 学加工。煤的焦化、气化、液化，煤的合成气化工、焦油化 工和电石乙炔化工等，都属于煤化工的范围。煤化工利用生产技术中，炼焦是应用最早的工艺，并且 至今仍然是煤化学工业的重要组成部分。煤的气化在煤化工 中占有重要地位，用于生产各种燃料起，是干净的能源，有 利于提高人民生活水平和环境保护；煤气化生产的合成气是 合成液体燃料等多种产品的原料。煤直接液化，即煤高压加氢液化，可以生产人造石油和 化学产品。在石油短缺时，煤的液化

16、产品将替代目前的天然 石油！以上既是在煤化工转化的主要方面。新一代煤化工技术是指以煤气化为龙头，以一碳化工技 术为基础，合成、制取各种化工产品和燃料油的煤炭洁净利 用技术，与电热等联产可以实现煤炭能源效率最高、有效组 分最大程度转化、投资运行成本最低和全生命周期污染物排 放最少的目标。洁净煤洁净煤技术(clean coal technology)是指从煤炭开发到 利用的全过程中旨在减少污染排放与提高利用效率的加工、 燃烧、转化及污染控制等新技术。洁净煤技术(CCT)一词 源于美国，旨在减少污染和提高效益的煤炭加工、燃烧、转 换和污染控制等新技术的总称。传统意义上的洁净煤技术主 要是指煤炭的净化技术及一些加工转换技术，即煤炭的洗 选、配煤、型煤以及粉煤灰的综合利用技术，国外煤炭的洗 选及配煤技术相当成熟，已被广泛采用；目前意义上洁净煤 技术是指高技术含量的洁净煤技术