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煤的基礎知識

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編輯: 馬亮亮
發布時間: 2011-11-03
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    一、煤的組成

煤是古代植物遺體經成煤作用后轉變成的固體可燃礦產。煤的組成以有機質為主體，構成有機高分子的主要是碳、氫、氧、氮等元素。煤中存在的元素有數十種之多，但通常所指的煤的元素組成主要是五種元素、即碳、氫、氧、氮和硫。在煤中含量很少，種類繁多的其他元素，一般不作為煤的元素組成，而只當作煤中伴生元素或微量元素。
（一）煤中的碳
一般認為，煤是由帶脂肪側鏈的大芳環和稠環所組成的。這些稠環的骨架是由碳元素構成的。因此，碳元素是組成煤的有機高分子的最主要元素。同時，煤中還存在著少量的無機碳，主要來自碳酸鹽類礦物，如石灰巖和方解石等。碳含量隨煤化度的升高而增加。在我國泥炭中干燥無灰基碳含量為55～62%；成為褐煤以后碳含量就增加到60～76.5%；煙煤的碳含量為77～92.7%；一直到高變質的無煙煤，碳含量為88.98%。個別煤化度更高的無煙煤，其碳含量多在90%以上，如北京、四望峰等地的無煙煤，碳含量高達95～98%。因此，整個成煤過程，也可以說是增碳過程。
（二）煤中的氫
    氫是煤中第二個重要的組成元素。除有機氫外，在煤的礦物質中也含有少量的無機氫。它主要存在于礦物質的結晶水中，如高嶺土（Al203•2Si02•2H2O）、石膏（CaS04•2H20 ）等都含有結晶水。在煤的整個變質過程中，隨著煤化度的加深，氫含量逐漸減少，煤化度低的煤，氫含量大；煤化度高的煤，氫含量小?？偟囊幝墒菤浜侩S碳含量的增加而降低。尤其在無煙煤階段就尤為明顯。當碳含量由92%增至98%時，氫含量則由2.1%降到1%以下。通常是碳含量在80～86%之間時，氫含量最高。即在煙煤的氣煤、氣肥煤段，氫含量能高達6.5%。在碳含量為65～80%的褐煤和長焰煤段，氫含量多數小于6%。但變化趨勢仍是隨著碳含量的增大而氫含量減小。
    （三）煤中的氧　
    氧是煤中第三個重要的組成元素。它以有機和無機兩種狀態存在。有機氧主要存在于含氧官能團，如羧基（--COOH），羥基（--OH）和甲氧基（--OCH3）等中；無機氧主要存在于煤中水分、硅酸鹽、碳酸鹽、硫酸鹽和氧化物中等。煤中有機氧隨煤化度的加深而減少，甚至趨于消失。褐煤在干燥無灰基碳含量小于70%時，其氧含量可高達20%以上。煙煤碳含量在85%附近時，氧含量幾乎都小于10%。當無煙煤碳含量在92%以上時，其氧含量都降至5%以下?！?/div>
    （四）煤中的氮　
    煤中的氮含量比較少，一般約為0.5～3.0%。氮是煤中唯一的完全以有機狀態存在的元素。煤中有機氮化物被認為是比較穩定的雜環和復雜的非環結構的化合物，其原生物可能是動、植物脂肪。植物中的植物堿、葉綠素和其他組織的環狀結構中都含有氮，而且相當穩定，在煤化過程中不發生變化，成為煤中保留的氮化物。以蛋白質形態存在的氮，僅在泥炭和褐煤中發現，在煙煤很少，幾乎沒有發現。煤中氮含量隨煤的變質程度的加深而減少。它與氫含量的關系是，隨氫含量的增高而增大。　
    （五）煤中的硫　
    煤中的硫分是有害雜質，它能使鋼鐵熱脆、設備腐蝕、燃燒時生成的二氧化硫（SO2）污染大氣，危害動、植物生長及人類健康。所以，硫分含量是評價煤質的重要指標之一。煤中含硫量的多少，似與煤化度的深淺沒有明顯的關系，無論是變質程度高的煤或變質程度低的煤，都存在著有機硫或多或少的煤。 煤中硫分的多少與成煤時的古地理環境有密切的關系。在內陸環境或濱海三角平原環境下形成的和在海陸相交替沉積的煤層或淺海相沉積的煤層，煤中的硫含量就比較高，且大部分為有機硫。 根據煤中硫的賦存形態，一般分為有機硫和無機硫兩大類。各種形態的硫分的總和稱為全硫分。所謂有機硫，是指與煤的有機結構相結合的硫。有機硫主要來自成煤植物中的蛋白質和微生物的蛋白質。煤中無機硫主要來自礦物質中各種含硫化合物，一般又分為硫化物硫和硫酸鹽硫兩種，有時也有微量的單質硫。硫化物硫主要以黃鐵礦為主，其次為白鐵礦、磁鐵礦（（Fe7S8）、閃鋅礦（ZnS）、方鉛礦（PbS）等。硫酸鹽硫主要以石膏（CaSO4•2H20）為主，也有少量的綠礬 （FeSO4•7H 20 ）等。
　　二、煤的形成
　　煤是由植物殘骸經過復雜的生物化學作用和物理化學作用轉變而成的。這個轉變過程叫做植物的成煤作用。一般認為，成煤過程分為兩個階段泥炭化階段和煤化階段。前者主要是生物化學過程，后者是物理化學過程。
    在泥炭化階段，植物殘骸既分解又化合，最后形成泥炭或腐泥。泥炭和腐泥都含有大量的腐植酸，其組成和植物的組成已經有很大的不同。
　　煤化階段包含兩個連續的過程：
    第一個過程，在地熱和壓力的作用下，泥炭層發生壓實、失水、肢體老化、硬結等各種變化而成為褐煤。褐煤的密度比泥炭大，在組成上也發生了顯著的變化，碳含量相對增加，腐植酸含量減少，氧含量也減少。因為煤是一種有機巖，所以這個過程又叫做成巖作用。
    第二個過程，是褐煤轉變為煙煤和無煙煤的過程。在這個過程中煤的性質發生變化，所以這個過程又叫做變質作用。地殼繼續下沉，褐煤的覆蓋層也隨之加厚。在地熱和靜壓力的作用下，褐煤繼續經受著物理化學變化而被壓實、失水。其內部組成、結構和性質都進一步發生變化。這個過程就是褐煤變成煙煤的變質作用。煙煤比褐煤碳含量增高，氧含量減少，腐植酸在煙煤中已經不存在了。煙煤繼續進行著變質作用。由低變質程度向高變質程度變化。從而出現了低變質程度的長焰煙、氣煤，中等變質程度的肥煤、焦煤和高變質程度的瘦煤、貧煤。它們之間的碳含量也隨著變質程度的加深而增大。
    溫度對于在成煤過程中的化學反應有決定性的作用。隨著地層加深，地溫升高，煤的變質程度就逐漸加深。高溫作用的時間愈長，煤的變質程度愈高，反之亦然。在溫度和時間的同時作用下，煤的變質過程基本上是化學變化過程。在其變化過程中所進行的化學反應是多種多樣的，包括脫水、脫羧、脫甲烷、脫氧和縮聚等。
    壓力也是煤形成過程中的一個重要因素。隨著煤化過程中氣體的析出和壓力的增高，反應速度會愈來愈饅，但卻能促成煤化過程中煤質物理結構的變化，能夠減少低變質程度煤的孔隙率、水分和增加密度。
    當地球處于不同地質年代，隨著氣候和地理環境的改變，生物也在不斷地發展和演化。就植物而言，從無生命一直發展到被子植物。這些植物在相應的地質年代中造成了大量的煤。在整個地質年代中，全球范圍內有三個大的成煤期：
     （1）古生代的石炭紀和二迭紀，成煤植物主要是袍子植物。主要煤種為煙煤和無煙煤。
     （2）中生代的株羅紀和白堊紀，成煤植物主要是裸子植物。主要煤種為褐煤和煙煤。
     （3）新生代的第三紀，成煤植物主要是被子植物。主要煤種為褐煤，其次為泥炭，也有部分年輕煙煤。
三、煤的工業分析
　　煤的工業分析也叫技術分析或實用分析，包括煤中水分、灰分和揮發分的測定及固定碳的計算。煤的工業分析是了解煤質特性的主要指標也是評價煤質的基本依據，根據工業分析的各項測定結果可初步判斷煤的性質、種類和各種煤的加工利用效果及其工業用途。
     煤的工業分析中各項指標如下：
  　1、水分。水分一項重要的煤質指標、它在煤的基礎理論研究和加工利用中都具有重要的作用。根據煤中水分隨煤的變質程度加深而呈規律性變化：從泥炭、褐煤、煙煤、年輕無煙煤，水分逐漸減少，而從年輕無煙煤到年老無煙煤，水分又增加。煤的水分對其加工利用、貿易和儲存運輸都有很大影響。鍋爐燃燒中，水分高會影響燃燒穩定性和熱傳導；在煉焦工業中，水分高會降低焦炭產率，而且由于水分大量蒸發帶走熱量而延長焦化周期；在煤炭貿易上，煤的水分是一個重要的計質和計量指標。在現代煤炭加工利用中，有時水分高反是一件好事，如煤中水分可作為加氫液化和加氫氣化的供氫體。在煤質分析中，煤的水分是進行不同基的煤質分析結果換算的基礎數據。
     2、灰分。煤中灰分是另一項在煤質特性和利用研究中起重要作用的指標。在煤質研究中由于灰分與其他特性，如含碳量、發熱量、結渣性、活性及可磨性等有程度不同的依賴關系，因此可以通過它來研究上述特性。由于煤灰是煤中礦物質的衍生物，因此可以用它來算媒中礦物質含量。此外，由于煤中灰分測定簡單，而它在煤中的分布又不易均勻，因此在煤炭采樣和制樣方法研究中，一般都用它來評定方法的準確度和精密度。在煤炭洗選工藝研究中，一般也以煤的灰分作為一項洗選效率指標。在煤的燃燒和氣化中，根據煤灰含量以及它的諸如熔點、粘度、導電性和化學組成等特性來預測燃燒和氣化中可能出現的腐蝕、沾污、結渣問題，并據此進行爐型選擇和煤灰渣利用研究。
     3、揮發分。煤的揮發分產率與煤的變質程度有密切的關系。隨著變質程度的提高，煤的揮發分逐漸降低。如煤化程度低的褐煤，揮發分產率為65%～＞37%；變質階段進人煙煤時，揮發分為55%～＞10%；到達無煙煤階段，揮發分就降到10%甚至3%以下。因此，根據煤的揮發分產率可以大致判斷煤的煤化程度。在我國煤炭分類方案以及蘇（原）、美、英、法、波和國際煤炭分類方案中都以揮發分作為第一分類指標。根據揮發分產率和測定揮發分后的焦渣特征可以初步確定煤的加工利用途徑。如高揮發分煤，干餾時化學副產品產率高，適于作低溫干餾或加氫液化的原料，也可作氣化原料；揮發分適中的煙煤，粘結性較好，適于煉焦。在配煤煉焦中，要用揮發分來確定配煤比，以將配煤的揮發分控制到適宜范圍25%～31%。此外，根據揮發分可以估算煉焦時焦炭、煤氣和焦油等產率。在動力用煤中，可根據揮發分來選擇特定的燃燒設備或特定設備的煤源。在氣化和液化工藝的條件選擇上，揮發分也有重要的參考作用。在環境保護中，揮發分還作為一個制定煙霧法令的依據。此外、揮發分與其它媒質特性指標如發熱量、碳和氫含量都有較好的相關關系。利用揮發分可以計算煤的發熱量和碳、氫、氯含量及焦油產率。
     4、固定碳。固定碳是煤炭分類、燃燒和焦化中的一項重要指標，煤的固定碳隨變質程度的加深而增加。在煤的燃燒中，利用固定碳來計算燃燒設備的效率；在煉焦工業中，根據它來預計焦炭的產率。
     四、煤的分類
　　隨著社會的發展，科學的進步，煤的用途愈來愈廣泛。人們對煤的性質、組成結構和應用等方面的認識也越來越深入，逐漸發現各種煤炭既有相同的地方，又有不同的特性。根據各種不同的需要，把各種不同的煤歸納和劃分成性質相似的若干類別。這樣，就形成煤分類的概念。針對不同的側重點，煤的分類方法有：
    1．煤的成因分類：成煤的原始物料和堆積環境分類，稱為煤的成因分類
    2．煤的科學分類：煤的元素組成等基本性質分類，稱為科學分類。
    3．煤的實用分類：煤的實用分類又稱煤的工業分類。按煤的工藝性質和用途分類，稱為實用分類。
　　中國煤分類和各主要工業國的煤炭分類均屬于實用分類，以下詳細介紹我國煤實用分類的情況。
     根據煤的煤化度，將我國所有的煤分為褐煤、煙煤和無煙煤三大煤類。又根據煤化度和工業利用的特點，將褐煤分成2個小類，無煙煤分成3個小類。煙煤比較復雜，按揮發分分為4個檔次，即Vdaf＞10～20%、＞20～28%、＞28～37%和＞37%，分為低、中、中高和高四種揮發分煙煤。按粘結性可以分為5個或6個檔次，即GR．I．為0～5，稱不粘結或弱粘結煤；GR．I．＞5～20，稱弱粘結煤；GR．I．＞20～50，稱為中等偏弱粘結煤；GR．I．＞50～65，稱中等偏強粘結煤；GR．I． ＞65，稱強粘結煤。在強粘結煤中，若y＞25mm或b＞150%（對于Vdaf＞28%，的肥煤，b＞220%）的煤，則稱為特強粘結煤。參見GB5751-1986。
　　各類煤的基本特征如下：
     （1）無煙煤（WY）。無煙煤固定碳含量高，揮發分產率低，密度大，硬度大，燃點高，燃燒時不冒煙。01號無煙煤為年老無煙煤；02號無煙煤為典型無煙煤；03號無煙煤為年輕無煙煤。如北京、晉城、陽泉分別為01、02、03號無煙煤。
    （2）貧煤（PM）。貧煤是煤化度最高的一種煙煤，不粘結或微具粘結性。在層狀煉焦爐中不結焦。燃燒時火焰短，耐燒。
    （3）貧瘦煤（PS）。貧瘦煤是高變質、低揮發分、弱粘結性的一種煙煤。結焦較典型瘦煤差，單獨煉焦時，生成的焦粉較多。
    （4）瘦煤（SM）。瘦煤是低揮發分的中等粘結性的煉焦用煤。在煉焦時能產生一定量的膠質體。單獨煉焦時，能得到塊度大、裂紋少、抗碎性較好的焦炭，但焦炭的耐磨性較差。
    （5）焦煤（JM）。焦煤是中等及低揮發分的中等粘結性及強粘結性的一種煙煤。加熱時能產生熱穩定性很高的膠質體。單獨煉焦時能得到塊度大、裂紋少、抗碎強度高的焦炭，其耐磨性也好。但單獨煉焦時，產生的膨脹壓力大，使推焦困難。
    （6）肥煤（FM）。肥煤是低、中、高揮發分的強粘結性煙煤。加熱時能產生大量的膠質體。單獨煉焦時能生成熔融性好、強度較高的焦炭，其耐磨性有的也較焦煤焦炭為優。缺點是單獨煉出的焦炭，橫裂紋較多，焦根部分常有蜂焦。
    （7）1／3焦煤（1／3JM）。1／3焦煤是新煤種，它是中高揮發分、強粘結性的一種煙煤，又是介于焦煤、肥煤、氣煤三者之間的過渡煤。單獨煉焦能生成熔融性較好、強度較高的焦炭。
    （8）氣肥煤（QF）。氣肥煤是一種揮發分和膠質層都很高的強粘結性肥煤類，有的稱為液肥煤。煉焦性能介于肥煤和氣煤之間，單獨煉焦時能產生大量的氣體和液體化學產品。
   （9）氣煤（QM）。氣煤是一種煤化度較淺的煉焦用煤。加熱時能產生較高的揮發分和較多的焦油。膠質體的熱穩定性低于肥煤，能夠單獨煉焦。但焦炭多呈細長條而易碎，有較多的縱裂紋，因而焦炭的抗碎強度和耐磨強度均較其他煉焦煤差。
    （10）1／2中粘煤（1／2ZN）。1／2中粘煤是一種中等粘結性的中高揮發分煙煤。其中有一部分在單獨煉焦時能形成一定強度的焦炭，可作為煉焦配煤的原料。粘結性較差的一部分煤在單獨煉焦時，形成的焦炭強度差，粉焦率高。
    （11）弱粘煤（RN）。弱粘煤是一種粘結性較弱的從低變質到中等變質程度的煙煤。加熱時，產生較少的膠質體。單獨煉焦時，有的能結成強度很差的小焦塊，有的則只有少部分凝結成碎焦屑，粉焦率很高。
    （12）不粘煤（BN）。不粘煤是一種在成煤初期已經受到相當氧化作用的低變質程度到中等變質程度的煙煤。加熱時，基本上不產生膠質體。煤的水分大，有的還含有一定的次生腐植酸，含氧量較多，有的高達10%以上。
    （13）長焰煤（CY）。長焰煤是變質程度最低的一種煙煤，從無粘結性到弱粘結性的都有。其中最年輕的還含有一定數量的腐植酸。貯存時易風化碎裂。煤化度較高的年老煤，加熱時能產生一定量的膠質體。單獨煉焦時也能結成細小的長條形焦炭，但強度極差，粉焦率很高。
（14）褐煤（HM）。褐煤分為透光率Pm＜30%的年輕褐煤和Pm＞30～50%的年老褐煤兩小類。褐煤的特點為：含水分大，密度較小，無粘結性，并含有不同數量的腐植酸，煤中氧含量高。常達15～30%左右。化學反應性強，熱穩定性差，塊煤加熱時破碎嚴重。存放空氣中易風化變質、破碎成效塊甚至粉末狀。發熱量低，煤灰熔點也低，其灰中含有較多的CaO，而有較少的Al2O3。
五、動力用煤的應用范圍及其對煤質的要求
    （一）發電用煤
     發電用煤量占全國首位，約1／3以上的煤用來發電，1996～1997年的發電耗煤量均在5億噸以上。 目前平均發電耗煤為標準煤370g／（kW•h）左右。電廠利用煤的熱值，把熱能轉變為電能。發熱量是影響電廠技術經濟指標的主要因素。電廠設計建廠時，要求有固定的供煤基地，根據不同煤質進行電廠的鍋爐設計。一旦建成投產，煤質符合鍋爐設計的要求，鍋爐效率才能充分發揮。電力部門一般要求煤的發熱量（Qnet，ar）大于20.9lMJ／kg（不包括褐煤），可波動5%，粒度為小于25mm末煤或小于50mm混煤，揮發分（Vdaf，大于20%，硫分（St，d）小于1.0%，外在水分（Mt）小于10%，干式除渣灰熔融性軟化溫度（ST）大于1250℃。煤的發熱量的高低，影響到電廠原料煤系統、制粉系統、爐膛容積、煙道、通風量、集塵及排渣等各個環節，直接影響電廠建設投資和生產成本。
    （二）機車用煤
    機車用煤占動力用煤2%左右，年用煤量約2000萬噸。蒸汽機車鍋爐平均耗煤指標為100kg／（萬噸•km）左右，其鍋爐構造和燃燒條件要求用塊煤，且要求煤易燃和耐燃。鍋爐蒸發面積一般為240m2。蒸發量為75kg／（m2•h），平均為50kg／（m2•h），滿足此要求機車才能正點運行，當線路不好需要迅速調節火力增加蒸發量。因此對煤的發熱量和揮發分要求較高，發熱量（Qnet,ar）＞23.00MJ／kg，揮發分（Vdaf）大于30%，因爐膛溫度較高，故熔融性軟化溫度（ST）要求大于1350℃。粒度不超過50mm，以50~25mm或25~13mm為最好，含粉（＜6mm）越少越好。粉煤易隨煙道飛揚或在爐蓖漏掉。據試驗，含粉增加1%，損失增加0.4%。硫分應小于1%，否則機車通過長隧道時易引起人員SO2中毒。
    （三）建材用煤
    建材用煤約占動力用煤的l0%以上，年用煤量約1億噸以上。以水泥用量最大，其次為玻璃、磚、瓦等。磚、瓦，對煤質要求不嚴，有較低發熱量即可。玻璃生產用煤造氣作燃料，對煤質要求與化肥用煤類同。在水泥生產過程中，煤不僅作為燃料，而且成為水泥中的一種成分，因此對煤的質量要求嚴格。回轉窯耗煤指標240kg標煤/噸泥左右，多用煙煤，要求灰分穩定在18%～22%、揮發分大于25%的小于25mm級末煤。而立窯耗煤指標220kg／噸水泥，要求用無煙煤塊，灰分小于20%，揮發分小于10%。且希望水分小，含硫低，發熱量大于20.90MJ／kg。
    （四）一般工業鍋爐用煤
    除熱電廠及大型供熱鍋爐外，一般企業及取暖用的工業鍋爐型號繁多，數量大且分散。用煤量約占動力煤的30%，年耗煤3億噸左右。這些鍋爐多數為層床燃燒，效率較低，鏈條爐為75%左右，往復爐及振動爐為65%～70%。工業鍋爐根據不同的煤種、灰分、發熱量及揮發分進行設計，以層床燃燒為主，煤粉 爐較少。對煤的質量要求較寬，一般灰分小于40%，發熱量為14.63～20.90MJ／kg。層床爐有固定爐排和移動爐排，要求粒度小于50mm，以13～50mm塊煤最好，小于6mm要求低于35%。小于13mm末煤多用于往復爐及固定爐排的爐子。不同粒度適應不同爐型的鍋爐，粒度過大產生不完成燃燒，粒度小易產生漏煤損失。因此燒原煤是很不經濟的。含殲多，對鍋爐、運行和熱效率影響也很大。工業鍋爐用煤量大，節能潛力也大，更應做到供需適應，有效利用和節約煤炭。
    （五）生活用煤 　
    生活用煤的數量也較大，約占燃料用煤的20%，年耗煤約2億多噸。大多數為直接供民用。城市煤氣用煤量也逐年上升。民用煤的質量要求因地而宜。一般民用燃料應使用揮發分低的無煙煤。城市煤氣用煤，為獲得煤氣較高的產量，一般采用揮發分為30%～40%以上的氣煤、l／3焦煤、氣肥煤或其它揮發分較高的煙煤制氣。要求灰分要低，最好用洗后煤。爐型不同對煤的質量和品種的具體要求也不同。另外，采用魯奇加壓氣化爐，對煤的質量要求低。外部水分為6%～8%，DT大于l200℃，粒度為50～6mm。使用煤氣可長距離輸送，避免煤炭和灰碴的往返運輸，改善環境衛生，節約煤炭，應不斷推廣發展。
     六、冶金用動力煤
    冶金用動力煤主要為燒結和高爐噴吹用無煙煤。其用量不到動力用煤量的1%。年用量小于1000萬噸。其中大部分供燒結用，噴吹占20%左右。高爐噴吹是以煤代焦。據計算，噴吹1噸無煙煤粉可代替0.8噸焦炭，折合洗精煤1.2噸?？梢娨悦捍故呛侠砝妹禾抠Y源的發展方向。我國高爐半數以上有噴吹設施，噴吹耗煤量可逐步提高到100kg／t生鐵以上。每噸燒結礦石配入無煙煤粉80kg左右。燒結和高爐噴吹用無煙煤，要求灰分小于13%，硫分小于0.80%，磷小于0.02%，水分小于8%，粒度小于25mm。從用戶對商品煤的質量要求來看，生產的原煤必需經過加工方可使用，對要求煤質不嚴的用戶，可以篩分分級，對煤質和品種要求嚴格的用戶，必需供應洗選加工的商品煤。