煤化工基本知识

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1、煤基本知识煤的组成煤的组成以有机质为主体，构成有机高分子的主要是碳、氢、氧、氮等元素。煤中存在的元素有 数十种之多，但通常所指的煤的元素组成主要是五种元素、即碳、氢、氧、氮和硫。在煤中含量很少， 种类繁多的其他元素，一般不作为煤的元素组成，而只当作煤中伴生元素或微量元素。一、煤中的碳一般认为，煤是由带脂肪侧链的大芳环和稠环所组成的。这些稠环的骨架是由碳元素构成的。因 此，碳元素是组成煤的有机高分子的最主要元素。同时，煤中还存在着少量的无机碳，主要来自碳酸 盐类矿物，如石灰岩和方解石等。碳含量随煤化度的升高而增加。在我国泥炭中干燥无灰基碳含量为 5562%；成为褐煤以后碳含量就增加到6076.5

2、%；烟煤的碳含量为7792.7%； 直到高变质的无烟 煤，碳含量为88.98%。个别煤化度更高的无烟煤，其碳含量多在90%以上，如北京、四望峰等地的无 烟煤，碳含量高达9598%。因此，整个成煤过程，也可以说是增碳过程。二、煤中的氢氢是煤中第二个重要的组成元素。除有机氢外，在煤的矿物质中也含有少量的无机氢。它主要存 在于矿物质的结晶水中，如高岭土(A12032SiO22H2O)、石膏(CaSO42H20)等都含有结晶水。在煤的 整个变质过程中，随着煤化度的加深，氢含量逐渐减少，煤化度低的煤，氢含量大；煤化度高的煤， 氢含量小。总的规律是氢含量随碳含量的增加而降低。尤其在无烟煤阶段就尤为明显。当

3、碳含量由92% 增至98%时，氢含量则由2.1%降至I1%以下。通常是碳含量在8086%之间时，氢含量最高。即在烟 煤的气煤、气肥煤段，氢含量能高达6.5%。在碳含量为6580%的褐煤和长焰煤段，氢含量多数小于 6%。但变化趋势仍是随着碳含量的增大而氢含量减小。三、煤中的氧氧是煤中第三个重要的组成元素。它以有机和无机两种状态存在。有机氧主要存在于含氧官能团， 如羧基(-COOH),羟基(-OH)和甲氧基(-OCH3)等中；无机氧主要存在于煤中水分、硅酸盐、碳酸盐、 硫酸盐和氧化物中等。煤中有机氧随煤化度的加深而减少，甚至趋于消失。褐煤在干燥无灰基碳含量 小于70%时，其氧含量可高达20%以上。

4、烟煤碳含量在85%附近时，氧含量几乎都小于10%。当无烟 煤碳含量在92%以上时，其氧含量都降至5%以下。四、煤中的氮煤中的氮含量比较少，一般约为0.53.0%。氮是煤中唯一的完全以有机状态存在的元素。煤中有 机氮化物被认为是比较稳定的杂环和复杂的非环结构的化合物，其原生物可能是动、植物脂肪。植物 中的植物碱、叶绿素和其他组织的环状结构中都含有氮，而且相当稳定，在煤化过程中不发生变化， 成为煤中保留的氮化物。以蛋白质形态存在的氮，仅在泥炭和褐煤中发现，在烟煤很少，几乎没有发 现。煤中氮含量随煤的变质程度的加深而减少。它与氢含量的关系是，随氢含量的增高而增大。五、煤中的硫煤中的硫分是有害杂质，它

5、能使钢铁热脆、设备腐蚀、燃烧时生成的二氧化硫SO2)污染大气，危 害动、植物生长及人类健康。所以，硫分含量是评价煤质的重要指标之一。煤中含硫量的多少，似与 煤化度的深浅没有明显的关系，无论是变质程度高的煤或变质程度低的煤，都存在着有机硫或多或少 的煤。煤中硫分的多少与成煤时的古地理环境有密切的关系。在内陆环境或滨海三角训平原环境下形 成的和在海陆相交替沉积的煤层或浅海相沉积的煤层，煤中的硫含量就比较高，且大部分为有机硫。 根据煤中硫的赋存形态，一般分为有机硫和无机硫两大类。各种形态的硫分的总和称为全硫分。所谓 有机硫，是指与煤的有机结构相结合的硫。有机硫主要来自成煤植物中的蛋白质和微生物的蛋白

6、质。 煤中无机硫主要来自矿物质中各种含硫化合物，一般又分为硫化物硫和硫酸盐硫两种，有时也有微量 的单质硫。硫化物硫主要以黄铁矿为主，其次为白铁矿、磁铁矿(Fe7S8)、闪锌矿(ZnS)、方铅矿(PbS) 等。硫酸盐硫主要以石膏(CaSO4 2H20)为主，也有少量的绿矶(FeSO47H 20)等。煤的形成煤是由植物残骸经过复杂的生物化学作用和物理化学作用转变而成的。这个转变过程叫做植物的 成煤作用。一般认为，成煤过程分为两个阶段泥炭化阶段和煤化阶段。前者主要是生物化学过程，后 者是物理化学过程。在泥炭化阶段，植物残骸既分解又化合，最后形成泥炭或腐泥。泥炭和腐泥都含有大量的腐植酸， 其组成和植物

7、的组成已经有很大的不同。煤化阶段包含两个连续的过程：第一个过程，在地热和压力的作用下，泥炭层发生压实、失水、肢体老化、硬结等各种变化而成 为褐煤。褐煤的密度比泥炭大，在组成上也发生了显著的变化，碳含量相对增加，腐植酸含量减少， 氧含量也减少。因为煤是一种有机岩，所以这个过程又叫做成岩作用。第二个过程，是褐煤转变为烟煤和无烟煤的过程。在这个过程中煤的性质发生变化，所以这个过 程又叫做变质作用。地壳继续下沉，褐煤的覆盖层也随之加厚。在地热和静压力的作用下，褐煤继续 经受着物理化学变化而被压实、失水。其内部组成、结构和性质都进一步发生变化。这个过程就是褐 煤变成烟煤的变质作用。烟煤比褐煤碳含量增高，

8、氧含量减少，腐植酸在烟煤中已经不存在了。烟煤 继续进行着变质作用。由低变质程度向高变质程度变化。从而出现了低变质程度的长焰烟、气煤，中 等变质程度的肥煤、焦煤和高变质程度的瘦煤、贫煤。它们之间的碳含量也随着变质程度的加深而增 大。温度对于在成煤过程中的化学反应有决定性的作用。随着地层加深，地温升高，煤的变质程度就 逐渐加深。高温作用的时间愈长，煤的变质程度愈高，反之亦然。在温度和时间的同时作用下，煤的 变质过程基本上是化学变化过程。在其变化过程中所进行的化学反应是多种多样的，包括脱水、脱羧、 脱甲烷、脱氧和缩聚等。压力也是煤形成过程中的一个重要因素。随着煤化过程中气体的析出和压力的增高，反应速

9、度会 愈来愈馒，但却能促成煤化过程中煤质物理结构的变化，能够减少低变质程度煤的孔隙率、水分和增 加密度。当地球处于不同地质年代，随着气候和地理环境的改变，生物也在不断地发展和演化。就植物而 言，从无生命一直发展到被子植物。这些植物在相应的地质年代中造成了大量的煤。在整个地质年代 中，全球范围内有三个大的成煤期：(1) 古生代的石炭纪和二迭纪，成煤植物主要是袍子植物。主要煤种为烟煤和无烟煤。(2) 中生代的株罗纪和白垩纪，成煤植物主要是裸子植物。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。煤的工业分析煤的工业分析也叫技术分

10、析或实用分析，包括煤中水分、灰分和挥发分的测定及固定碳的计算。 煤的工业分析是了解煤质特性的主要指标也是评价煤质的基本依据，根据工业分析的各项测定结果可 初步判断煤的性质、种类和各种煤的加工利用效果及其工业用途。煤的工业分析中各项指标如下：1、水分，水分一项重要的煤质指标、它在煤的基础理论研究和加工利用中都具有重要的作用。根 据煤中水分随煤的变质程度加深而呈规律性变化：从泥炭、褐煤、烟煤、年轻无烟煤，水分逐渐减少， 而从年轻无烟煤到年老无烟煤，水分又增加。煤的水分对其加工利用、贸易和储存运输都有很大影响。 锅炉燃烧中，水分高会影响燃烧稳定性和热传导；在炼焦工业中，水分高会降低焦炭产率，而且由于

11、 水分大量蒸发带走热量而延长焦化周期；在煤炭贸易上，煤的水分是一个重要的计质和计量指标。在 现代煤炭加工利用中，有时水分高反是一件好事，如煤中水分可作为加氢液化和加氢气化的供氢体。 在煤质分析中，煤的水分是进行不同基的煤质分析结果换算的基础数据。2、灰分，煤中灰分是另一项在煤质特性和利用研究中起重要作用的指标。在煤质研究中由于灰分 与其他特性，如含碳量、发热量、结渣性、活性及可磨性等有程度不同的依赖关系，因此可以通过它 来研究上述特性。由于煤灰是煤中矿物质的衍生物，因此可以用它来算媒中矿物质含量。此外，由于 煤中灰分测定简单，而它在煤中的分布又不易均匀，因此在煤炭采样和制样方法研究中，一般都用

12、它 来评定方法的准确度和精密度。在煤炭洗选工艺研究中，一般也以煤的灰分作为一项洗选效率指标。 在煤的燃烧和气化中，根据煤灰含量以及它的诸如熔点、粘度、导电性和化学组成等特性来预测燃烧 和气化中可能出现的腐蚀、沾污、结渣问题，并据此进行炉型选择和煤灰渣利用研究。3、挥发分，煤的挥发分产率与煤的变质程度有密切的关系。随着变质程度的提高，煤的挥发分逐 渐降低。如煤化程度低的褐煤，挥发分产率为65%37% ；变质阶段进人烟煤时，挥发分为55% 10%；到达无烟煤阶段，挥发分就降到10%甚至3%以下。因此，根据煤的挥发分产率可以大致判断煤 的煤化程度。在我国煤炭分类方案以及苏(原)、美、英、法、波和国际

13、煤炭分类方案中都以挥发分作 为第一分类指标。根据挥发分产率和测定挥发分后的焦渣特征可以初步确定煤的加工利用途径。如高 挥发分煤，干馏时化学副产品产率高，适于作低温干馏或加氢液化的原料，也可作气化原料；挥发分 适中的烟煤，粘结性较好，适于炼焦。在配煤炼焦中，要用挥发分来确定配煤比，以将配煤的挥发分 控制到适宜范围25%31%。此外，根据挥发分可以估算炼焦时焦炭、煤气和焦油等产率。在动力用煤 中，可根据挥发分来选择特定的燃烧设备或特定设备的煤源。在气化和液化工艺的条件选择上，挥发 分也有重要的参考作用。在环境保护中，挥发分还作为一个制定烟雾法令的依据。此外、挥发分与其 它媒质特性指标如发热量、碳和

14、氢含量都有较好的相关关系。利用挥发分可以计算煤的发热量和碳、 氢、氯含量及焦油产率。4、固定碳，固定碳是煤炭分类、燃烧和焦化中的一项重要指标，煤的固定碳随变质程度的加深而 增加。在煤的燃烧中，利用固定碳来计算燃烧设备的效率；在炼焦工业中，根据它来预计焦炭的产率。煤质分析中“基”的定义由于煤中水分和灰分的含量受到外界条件的影响，其它成分的百分量亦将随之变更，所以不能简 单地用成分百分量来表明煤的种类和某些特性，而必须同时指明百分数的基准是什么。“基”既是表示 化验结果是以什么状态下的煤样为基础而得出的。煤质分析中常用的“基”有空气干燥基、干燥基、收 到基、干燥无灰基、干燥无矿物质基。其定义如下：

15、1、空气干燥基:以与空气湿度达到平衡状态的煤为基准。表示符号为ad(air dry basis)。2、干燥基:以假想无水状态的煤为基准。表示符号为d(dry basis)。3、收到基:以收到状态的煤为基准。表示符号为ar(as received)。4、干燥无灰基：以假想无水，无灰状态的煤为基准。表示符号为：daf(dry ash free)。5、干燥无矿物质基:以假无水、无矿物质状态的煤为基准。表示符号为dmmf(dry mineral matter free)。 煤的分类随着社会的发展，科学的进步，煤的用途愈来愈广泛。人们对煤的性质、组成结构和应用等方面 的认识也越来越深入，逐渐发现各种煤炭

16、既有相同的地方，又有不同的特性。根据各种不同的需要， 把各种不同的煤归纳和划分成性质相似的若干类别。这样，就形成煤分类的概念。针对不同的侧重点， 煤的分类方法有：1. 煤的成因分类：成煤的原始物料和堆积环境分类，称为煤的成因分类2. 煤的科学分类：煤的元素组成等基本性质分类，称为科学分类。3. 煤的实用分类：煤的实用分类又称煤的工业分类。按煤的工艺性质和用途分类，称为实用分类。 中国煤分类和各主要工业国的煤炭分类均属于实用分类，以下详细介绍我国煤实用分类的情况。根据煤的煤化度，将我国所有的煤分为褐煤、烟煤和无烟煤三大煤类。又根据煤化度和工业利用 的特点，将褐煤分成2个小类，无烟煤分成3个小类。烟煤比较复杂，按挥发分分为4个档次，即Vdaf 1020%、2028%、2837%和37%，分为低、中、中高和高四种挥发分烟煤。按粘结性可以 分