煤种及煤炭相关指标

煤种及煤炭相关指标·一、煤的生成1、泥炭化阶段在古代地球上大部分地区水陆交错，沼泽遍布，地面上气候温暖湿润，大气中CO2充沛，为植物的生长创造了极其有利的条件，当时植物生长迅速且形体庞大。植物不断繁殖、生长、死亡，其残骸堆积在水中之后，由于死亡植物被水浸泡或淹没，它们完全与空气隔绝，氧气停止进入，这时，植物残骸的菌解作用就依靠本身含有的氧发生氧化分解，即产生厌氧分解，发生去羧基、脱水作用，放出CO2、水及甲烷，形成一种凝胶状的物质，这时残骸物的碳含量相对增加，而氧及氢含量则趋于减少，植物残骸经过这些变化后，改变了原来的形体和结构，变成了含水量很高的棕褐色物质，这种物质称为泥炭或泥煤，这个复杂的生物化学变化过程就称为泥炭化阶段。2、煤化阶段由于地壳下沉、泥炭层被埋复于下层，周围泥沙堆积在泥炭层上，形成了顶板，顶板上面植物继续繁殖、生长、死亡，形成新一层泥炭，泥炭层上面继续形成新一层顶板，这样就形成了一层又一层的泥炭。当在泥炭层上面形成了岩石顶板后，即进入了成煤的第二个阶段——煤化阶段。（1）成岩作用阶段：如果地壳的下沉速度与植物生长的速度互相配合，将形成很厚的泥炭层，以后就能形成很厚的煤层。但是，地壳下沉的速度常常超过植物残骸堆积速度，于是，水层覆盖过厚，影响植物的生长，于是泥炭堆积中断，代之以粘土沙石的堆积，因而在泥炭层上形成了岩层，称为顶板，如果此时地壳下沉速度减慢，又造就了植物繁殖、生长、死亡及植物残骸堆积条件，形成新的泥炭层。随着地壳升降速度的不同，就形成了不同厚度的岩层，岩层厚的就形成了顶板，岩层薄的就形成了泥炭内部的矸石夹层，从而形成了不同层次的煤层。在漫长的地质年代里，埋复泥炭受得顶板和上覆岩层的压力作用，发生了变紧、失水、胶体老化、硬结等物理和化学变化，于此同时埋复泥炭的岩层的化学组成也发生了相当缓慢的变化，这一变化使得埋复泥炭最后变成了比重较大、较致密的黑褐色的褐煤，而岩层也变成了较硬的顶板，这个过程叫成岩作用阶段。（2）变质作用阶段：当地壳继续下沉和顶板加厚时，由于地热和顶板压力的提高，褐煤受得高温高压的作用，发生一系列物理化学变化，主要是分解和缩聚。一方面褐煤的有机质分解，另一方面分解产物又相互缩聚，生成分子量更大的物质，同时产生一些气态物质如CO2和甲烷等。于是，有机物中碳含量增高，氧和氢含量减低，缩合芳环的个数增加。有机分子结构的变化，必然引起褐煤的质变，因此这一阶段称为变质作用阶段。随着变质程度的加深（也叫煤化度），褐煤将变成烟煤和无烟煤，在变质过程中，腐植酸逐渐变成中性的腐殖质了，这样在烟煤中已不再含有腐植酸了。成煤时代与地质年代的关系代纪距今时间（百万年）生物发展阶段聚煤主要煤种动物界植物界新生代（Kz)第四纪（a)2.5本世纪初人类祖先出现被子植物泥炭第三纪（R)67哺乳类泥炭、褐煤、长焰煤、气煤中生代（Mz)白垩纪（K)137爬行类（恐龙、鸟类等）褐煤、长焰煤、气煤、无烟煤侏罗纪（J)195裸子植物褐煤、烟煤、无烟煤三叠纪（P)230烟煤、无烟煤古生代（Pz)二叠纪（P)285两栖类炼焦煤、无烟煤其他烟煤石炭纪（C)350孢子植物炼焦煤、无烟煤其他烟煤泥盆纪（D)400鱼类发展只有少量无烟煤志留纪（S)440海生无脊椎动物石煤奥陶纪（O）500藻类植物石煤寒武纪（cm)570石煤元古代（Pt)2400末期无脊椎动物太古代4500无动物时代无植物没有有机生物岩二、煤的种类与特征煤是由植物残骸经生物化学作用和地质变质作用形成的一种有机生物岩，根据成煤物质成煤条件不同，可以把煤划分为三大类：腐泥煤、残植煤及腐植煤。1.腐泥煤它是由死亡的低等植物和浮游生物在缺氧的条件下转化而成。其特点是无光泽、硬度及韧性大，真密度一般小1。其特点是灰分、硫分均高，碳含量低，并经常含有品位较高的钒、钼、镍等伴生矿物。2.残植煤这种煤在自然界储量很少，但种类较多。它是由高等植物残体中最稳定部分（如孢子、角质层、树脂、树皮等）所形成。残植煤一般含氢量高，挥发分多，低温焦油产率高。它适于作为低温干馏及加氢液化的原料。3.腐植煤由高等植物残体经过成煤过程中的泥炭化作用、成岩作用及变质作用生成腐植煤。它是自然界分布最广、蕴藏量最大、用途最多的煤。腐植煤根据煤化程度的不同分为泥炭、褐煤、烟煤和无烟煤四大类。泥炭煤化程度最低，无烟煤煤化程度最高。炼焦用煤都是腐植煤。以下讲的煤都是指腐植煤。腐殖煤是近代煤炭综合利用的主要物质基础，也是煤化学的重点研究对象。根据煤化度的不同，它可分为泥炭、褐煤、烟煤和无烟煤四大类。各类煤具有不同的外表特征和特性，其典型的品种，一般肉眼就能区分。（1）泥炭泥炭是植物向煤转变的过渡产物，外观呈不均匀的棕褐色或黑褐色。它含有大量末分解的植物组织，如根、茎、叶等残留物，有时肉眼就能看出。泥炭含水量很高，一般可达85～95%。开采出的泥炭经自然风干后，水分可降至25～35%。干泥炭为棕黑色或黑褐色土状碎块。（2）褐煤褐煤是泥炭沉积后经脱水、压实转变为有机生物岩的初期产物，因外表呈褐色或暗褐色而得名。与泥炭相比，褐煤中腐殖酸的芳香核缩合程度有所增加，含氧官能团有所减少，侧链较短，侧链的数量也较少。由于腐殖酸的相互作用，腐殖酸开始转变为中性腐殖质。褐煤大多数无光泽，真密度1.10～1.40g/cm3。褐煤含水较多，达30～60%，空气干燥后仍有10～30%的水分，易风化破裂。在外观上，褐煤与泥炭的最大区别在于褐煤不含未分解的植物组织残骸，且呈成层分布状态。（3）烟煤烟煤的煤化度低于无烟煤而高于褐煤，因燃烧时烟多而得名。烟煤中已不含有游离腐殖酸，腐殖酸已全部转变为更复杂的中性腐殖质子。因此，烟煤不能使酸、碱溶液染色。一般烟煤具有不同程度的光泽，绝大多数呈明暗交替条带状。所有的烟煤都是比较致密的，真密度较高1.20～1.45g/cm3，硬度亦较大。在烟煤中，气煤、肥煤、焦煤和瘦煤都具有不同程度的黏结性。它们被粉碎后高温干馏时，能不同程度地“软化”和“熔融”成为塑性体，然后再固化为块状的焦炭。传统观念认为这四种煤是炼焦的主要原料煤，故称之为炼焦煤；除此以外的其他煤没有或基本没有黏结性，只能用于低温干馏、造气或动力燃料等，故称之为非炼焦用煤。随着煤准备与炼焦工艺的发展，扩大了炼焦用煤的资源。新的炼焦技术已能使用所有的烟煤，甚至无烟煤作为原料成分，不再仅仅局限于气、肥、焦、瘦这四种煤。烟煤是自然界最重要，分布最广，储量最大，品种最多的煤种。根据煤化度的不同，我国将其划分为长焰煤、不黏煤、弱黏煤、气煤、肥煤、焦煤、瘦煤和贫煤等。（4）无烟煤无烟煤是煤化度最高的一种腐殖煤，因燃烧时无烟而得名。无烟煤外观呈灰黑色，带有金属光泽，无明显条带。在各种煤中，它的挥发分最低，真密度最大1.35～1.90g/cm3，硬度最高，燃点高达360～410℃以上。无烟煤主要用作民用、发电燃料；制造合成氨的原料；制造炭电极、电极糊和活性炭等炭素材料的原料；煤气发生炉造气的燃料；低灰低硫、可磨性好的无烟煤还适于作新法炼焦的原料、高炉喷吹和烧结铁矿的燃料；以及生产脱氧剂、增碳剂等。三、煤的组成与性质1、煤的元素组成煤是由有机物和无机物组成，但以有机质为主体。而煤的有机质主要由碳、氢、氧及少量的氮、硫、磷等元素构成。通常所说的元素分析是指煤中碳、氢、氧、氮和硫的测定。这五种元素是组成煤有机质．的主体，煤的组成变化与煤的成因类型、煤的岩相组成和煤化度密切相关。煤的元素组成对研究煤的成因、类型、结构、性质和利用等都有十分重要的意义。（1）碳：碳是煤中最重要的元素。煤的碳含量随煤化度的升高而增加，泥炭的碳含量为50~60%；褐煤60~77%；烟煤为74~89%；无烟煤90~98%。（2）氢：氢是煤中第二个重要组成元素，在煤的有机结构中，氢结合在碳的链状或环状结构中。煤的氢含量随煤化度的升高而减少。（3）氮：煤中的氮通常都是以有机氮的形式存在，主要由成煤植物中的蛋白质转化而来。煤的氮含量约为0.8~1.8%，氮含量随煤化度的升高而略有下降。在干馏时，煤中的大部分氮转化为氨与吡啶类等。（4）氧：氧是煤的主要元素之一。在整个煤的变质过程中，氧含量随煤化度的增加而迅速降低。从泥炭到无烟煤，煤的氧含量从30~40%下降为2~5%。（5）硫：硫分是评价煤质的重要指标之一。在炼焦、气化、燃烧等各种用煤工艺中，硫都是一种有害的杂质。焦炭中的硫在高炉冶炼过程中会转入生铁中，而致使铁热脆，对钢铁产品极具危害。硫在焦炉煤气合成甲醇中会使催化剂中毒，影响甲醇的生产。硫在煤中以有机硫和无机硫两种形式存在。无机硫主要存在于矿物质中，在洗选煤的过程中可除去一部分；有机硫存在于煤的有机质结构中，很难清除，用物理洗选的方法不能脱除。（6）磷：煤中的磷主要是无机磷，也有微量的有机磷。炼焦时，煤中磷全部进入焦炭，炼铁时，焦炭中的磷几乎全部进入生铁，使钢材冷脆。因此，磷是煤中的有害成分。我国的煤源一般含磷都很低，不会超过炼焦用煤的工业要求（0.03%）。因此，通常不测定煤中的磷含量。（7）矿物质：有原生矿物质和次生矿物质之分。原生矿物质是植物生长期间，从土壤中吸收的碱性物质和成煤过程中泥炭化阶段混入的粘土、沙粒、硫化铁等，用洗选法无法去除，次生矿物质可通过洗选除掉一部分。次生矿物质是指煤在开采过程中混入的顶板、底板和煤夹层中的煤矸石，这部分矿物质密度较大，可用重力洗选法将其除掉。矿物质在煤完全燃烧后以固体形式残留下来，称为灰分。在炼焦过程中，煤的灰分几乎全部残留在焦炭中。煤的灰分不仅降低焦炭的强度，而且给高炉冶炼带来不利。因此，灰分是衡量煤质的重要指标。（8）水分：煤的水分分为内在水分和外在水分。内在水分的含量取决于煤岩的变质程度，一般说来，煤的变质程度越高，内在水分越少；外在水分的多少则取决于开采、破碎、洗选、储运等条件，内在水分和外在水分的和称为总水分。水分波动过大，将直接影响焦炉操作的稳定。2．煤的元素分析（1）碳和氢的分析称取一定量的空气干燥煤样在氧气流中燃烧，煤中的氢和碳分别生成水和二氧化碳，用装有无水氧化钙或过氧酸镁的吸收管先吸收水，再以装有碱石棉或钠石灰的吸收管吸收二氧化碳。根据吸收管的增重即可计算出煤中碳和氢的含量。（2）氮的分析称取一定量的空气干燥煤样，加入混合催化剂和硫酸，加热分解，氮转化为硫酸氢铵。加入过量的氢氧化钠溶液，把氨蒸出并吸收在硼酸溶液中，用硫酸标准溶液滴定。根据用去的硫酸量，计算煤中的含氮量。（3）硫的分析煤中的硫通常可分为有机硫和无机硫，煤种各种形态的硫份总和称为全硫。①有机硫煤的有机质中所含的硫称为有机硫（SYJ），有机硫主要来源于成煤植物中的蛋白质和微生物的蛋白质。蛋白质中含硫0.3-2.4%。而植物整体含硫一般都小于0.5%，一般煤中有机硫的含量较低，主要由硫醚、硫化物、二氧化硫物、硫醇、羟基化合物、噻吩类杂环硫化物及硫醌化合物等组分或官能团所构成。有机硫与煤中的有机质结合为一体，分布均匀，很难清除，用一般物理方法不能脱除，一般低硫煤以有机硫为主，经过洗选，精煤硫因恢复降低而升高。②无机硫又分为硫铁矿硫（Sp)、硫酸盐硫（Ss)两种，有事也有微量元素硫。硫化物硫与有机硫统称为可燃硫，硫酸盐硫为不可燃硫。硫化物硫清除的难易程度与矿物颗粒大小及分布状态有关，颗粒大的可利用黄铁矿与有机质比重不同洗选除去，但颗粒较细且均匀分布在煤中的黄铁矿即使将煤细碎也难以除掉。当煤中含硫大于1%时，在多数情况下，是以硫化物硫为主，一般洗选后全硫含有不同程度的降低。全硫的测定有艾氏法、高温燃烧法和弹筒燃烧法等。艾氏法—是世界各国测定煤的全硫的标准方法，精确度高，但测定时间长。其原理是:将艾氏试剂(由Na2CO3和MgO按质量比1：2混合而成)与煤混匀后，置于马弗炉中加热，使煤缓慢燃烧，煤中的硫全部转化为Na2SO4和MgSO4，然后再将它们转变为硫酸钡后定量测定。高温燃烧法—使煤在高温氧气流中燃烧，硫都变为SO2，以过氧化氢吸收后用酸碱滴定法测定生成的H2SO4量。硫铁矿硫、元素硫和有机硫在