第一篇煤焦分析基础

第一篇煤焦分析基础煤焦特性、质量控制、理化分析检测方面的基础知识，是煤焦特性检测技术的重要组成部分，它贯穿于煤焦检测的全过程中。基础知识篇主要包括：煤焦分类及其基本特征，标准体系、设备计量方面的基础知识，煤的物理和化学性质及煤焦分析方面的基础知识。这些都是检测质量控制方面最重要、也是应用最多的基础知识。对煤质检测人员来说，单纯能按标准或规程进行检测操作是不够的。只有熟悉并掌握煤焦特性方面的基础知识，学会并能应用检测质量控制的原理与方法，这对保证煤质检测质量，提高煤质检测水平具有十分重要的意义。第一章煤的形成、分类、质量分级与各类工业用煤的质量要求第一节煤的形成与变质作用一、煤的形成煤是由古代植物经过复杂的生物化学、物理化学和地球化学作用转变而成的固体有机可燃矿物，其形成大体分为两个阶段——泥炭化阶段和煤化阶段。（一）泥炭化阶段在植物大量繁殖的浅海、湖泊或沼泽地区，植物死亡后大量残骸沉入水中并不断堆积，与空气隔绝，植物残骸经厌氧细菌分解而发生脱羧基、羟基等作用后，变成含水分很高的棕褐色凝胶状物质，这种物质就叫做泥炭，或称为泥煤和腐泥。1.腐泥的形成在低等植物（主要是藻类）繁殖很快的湖泊、海湾等环境中，藻类死亡其遗体与泥沙一起在湖底或海底沉积，在缺氧的还原环境下，藻类遗体中的蛋白质、脂肪等物质，经细菌的分解和化学合成等一系列复杂的生物作用下，逐渐转变为富含沥青质的胶冻状物质。这种物质与泥沙混合就成为腐泥。腐泥是湖泊及海湾中常见的沉积物，一般是黄褐色或黑色。腐泥的用途：腐泥晒干后可作为燃料使用，最普遍的是作为肥料使用，腐泥经受进一步的地质作用就可形成煤，称为腐泥煤。2.泥炭的形成在地表上雨量充沛，积水又不太深，既有利于植物生长繁殖，又有利于植物死亡后遗体聚积的环境，最理想的是沼泽地。在沼泽环境中植物遗体被沼泽水淹没或浸泡，减少了其与空气中氧的接触。但高等植物有机体的纤维素(C6H10O5)n及木质素（C50H49O11）等物质，在厌氧细菌的分解活动和分解产物的化学合成等一系列复杂的生物化学作用下，转化为新的合成物质（腐植酸、腐植酸盐及沥青等）。这种新生的物质与尚未分解或部分分解的植物遗体、以及由地表水携入沼泽的泥沙、地下水中溶解的矿物质等混合在一起，就形成泥炭。泥炭一般是黄褐色或黑褐色、无光泽、质地较疏松。泥炭的用途：风干后可作燃料、化工原料，它也是重要的肥源（氮、磷、钾及腐植酸）。泥炭经受进一步的地质作用而转变成煤，称腐植煤（因为泥炭中含有大量的腐植酸）。我们目前开采的煤层绝大多数都是腐植煤。3.腐植——腐泥混合物质这是因为自然界中事物的发生、发展往往彼此互有联系、相互转化的原因，湖泊和沼泽即形成腐泥和泥炭的自然环境相互转换和演变导致腐泥和泥炭交替形成，从而产生腐植——腐泥混合物质。总之，从以上的分析可知：根据原始植物质料和聚集环境的不同，可将煤分为三大类：腐植煤类（分布广、储量大，细分为陆植和残植）腐泥煤类腐植-腐泥类煤。（二）煤化阶段由于地壳的下沉，泥炭被埋覆于地下，当泥炭层上面形成了岩石顶板后；即进入成煤的第二阶段——煤化阶段。煤化阶段根据作用的因素及所发生变化的不同，又可分为成岩作用阶段和变质作用阶段。在漫长的地质年代里，埋覆于地下的泥炭受顶板及上覆岩层的压力作用，发生了压紧、失水、硬结等物理和化学变化；同时化学组成也发生了缓慢变化，变成了密度较大、较致密的最年轻的煤种——褐煤，这个过程称为成岩作用阶段。在褐煤形成后，通过地壳的进一步沉降，温度和压力都有了较大的变化，受高温、高压的影响，褐煤的结构与性质又发生了变化，从而成为烟煤或无烟煤，这个过程叫变质作用阶段。二、煤的变质作用在变质因素的作用下，煤的变质过程主要是化学变化过程，也有物理结构的变化。变质作用的结果，煤中官能团含量、挥发份产率逐渐减少，碳含量逐渐增高，氢、氧含量逐渐减少，热稳定性有所提高。在物理性质上，煤的相对密度增大，颜色变深，光泽及反射能力增强，比热减少，其它如机械性质、导电性、磁性质等都发生有规律的变化。同时在烟煤化学组成中已不再含有腐植酸，褐煤中的腐植酸已进一步缩合为腐植质了，沥青的含量也不多。无烟煤并不一定是腐植煤转化的最终产物，在更高的地热和压力下，还可以继续发生高级变质作用，一直到形成石墨。在自然中，从植物转变成煤的过程是一个由低级到高级的发展过程，也是一个由量变到质变的过程。从植物及各种煤的组成成分来看，随着煤化程度增高，煤中碳含量增加，氢、氧含量减少。所以，成煤过程是一个碳逐渐增加的过程，是各种成煤条件作用下，原始植物不断转化和发展的过程。这一过程既是统一连续的、又是分阶段作用的。泥炭、褐煤、烟煤（又分为长焰煤、气煤、肥煤、焦煤、瘦煤、贫煤在自然中，从植物转变成煤的过程是一个由）和无烟煤都只是整个成煤过程中各个阶段的代表产物，在各个阶段之间还存在着许多过渡煤种，有时很难将它列人某一阶段中。而且，泥炭、褐煤、烟煤和无烟煤等也都是煤演变转化过程中的不同形态，而不应理解为性质已经固定不变了的物质。总之，根据变质作用的程度，褐煤逐步形成各类烟煤及无烟煤。综合本节所述的内容，煤的形成过程如下：泥炭化作用成岩作用变质作用变质作用古代植物泥炭褐煤烟煤无烟煤第二节煤炭分类、特征与用途一、煤炭的分类由于成煤的植物不同，成煤年代与成煤条件的差异，特别是它们在变质程度上的区别，导致各种煤具有不同的化学组成和特性，因而可将煤炭进行分类。1986年我国制定了煤炭分类的国家标准，即GB5751-1986《中国煤炭分类》。我国将煤分成三大类，14个类别，29个单元。（一）分类参数（1）按煤的煤化程度及工艺性能进行分类。（2）采用煤化程度来区分无烟煤、烟煤和褐煤。（3）无烟煤煤化程度的参数，采用干燥无灰基挥发分（Vdaf）和干燥无灰基氢含量（Hdaf）作为指标，以此来区分无烟煤的小类。（4）采用两个参数来确定烟煤的类别，—个表征烟煤煤化程度的参数，另—个表征煤粘结性的参数。烟煤煤化程度的参数采用干燥无灰基挥发分（Vdaf）为指标；烟煤粘结性的参数，根据粘结性的大小不同选用粘结指数、胶质层最大厚度（或奥亚膨胀度）作为指标，以此来区分烟煤中的类别。（5）褐煤煤化程度的参数，采用透光率（PM）作为指标，用以区分褐煤和烟煤以及褐煤中划分小类。并采用恒湿无灰基高位发热量（Qgr,maf）为辅来区分烟煤和褐煤。我国煤炭分类指标，最主要的为干燥无灰基挥发分Vdaf及粘结指数G，而胶质层最大厚度Y、奥亚膨胀指数b、透光率PM、恒湿无灰基高位发热量Qgr,maf，则作为煤炭分类的辅助指标。根据煤的煤化程度，将煤分为无烟煤、烟煤及褐煤。无烟煤是煤化程度最深的煤；褐煤则是最浅的煤；烟煤则介于二者之间。（二）采样和制样（1）分类用煤样应按GB482煤层煤样采取方法、GB481生产煤样采取方法、GB475商品煤样采取方法及1979年煤炭部颁布的《煤炭资源勘探煤样采取规程》采取。（2）分类用煤样的缩制按GB474煤样制备方法进行。原煤灰分小于或等于10％的不需减灰。灰分大于10％的煤样需用规定氯化锌重液减灰后再分类。（3）烟煤粘结指数测定用的专用无烟煤按GB5447《烟煤粘结指数测定方法》附录规定采制和质量鉴定。（三）煤类的划分和编码（1）各类煤用两位阿拉伯数码表示十位数：按煤的挥发分分组。无烟煤为0，烟煤为1～4，褐煤为5。个位数：无烟煤类为1～3，表征煤化程度；烟煤类为1～6，表示粘结性；褐煤类为1～2，表示煤化程度。（2）按中国煤炭分类表和图进行编码和分类参见表1-1。表1-1煤炭分类总表[注]：（1）凡Vdaf37.0％、G≤50再用透光率PM来区分烟煤和褐煤。（2）凡Vdaf37.0％、PM50％为烟煤；PM30~50％的煤，如恒湿无灰基高位发热量Qgr,maf大于24MJ/kg（5700cal/g），则划为长焰煤。类别符号数码分类指标Vdaf，%PM，%无烟煤WY01,02,03≤10烟煤YM11,12,13,14,15,1621,22,23,24,25,2631,32,33,34,35,3641,42,43,44,45,4610褐煤HM51,5237.0(1)≤50(2)二、各类煤的基本特征和主要用途国家标准GB5751-1986《中国煤炭分类》将中国煤分为14大类，参见表1-2(见教材第6页)。各大类煤的基本特征和主要用途如下：（一）无烟煤煤化程度高的一类煤，挥发分低，含碳量最高，光泽强，硬度高，密度大，燃点高，无粘结性，燃烧时多不冒烟。按挥发分产率及用途分为3个类别：Vdaf（％）产率3.5％以下的无烟煤一号以作碳素材料等高碳材料较好；Vdaf（％）产率3.5%～6.5％的无烟煤二号是生产合成煤气的主要材料；Vdaf（%）产率大于6.5％的无烟煤三号可作为高炉喷吹燃料。这三类无烟煤都是较好的民用燃料。（二）贫煤烟煤中煤化程度最高、挥发分最低而接近无烟煤的一类煤，国外也称之为半无烟煤。这种煤燃烧时火焰短，但热值较高，无粘结性，加热后不产生胶质体，不结焦，多做动力或民用燃烧使用。（三）贫瘦煤烟煤中煤化程度较高、挥发分较低的煤，受热后只产生少量胶质体，粘结性较差，其性质介于贫煤和瘦煤之间，大部分作为动力或民用燃料，少量用于制造煤气燃料。（四）瘦煤烟煤中煤化程度较高、挥发分较低的一种煤，受热后能产生一定数量的胶质体；单独炼焦时，大部分能结焦，焦炭的块度大、裂纹少，但熔融较差，耐磨强度低。可作为炼焦配煤的原料，也可作为民用或动力燃料。（五）焦煤烟煤中煤化程度中等或较高的一类煤，受热后能产生热稳定性较好的一类胶质体，具有中等或较强的粘结性；单种煤炼焦时可炼成熔融性好、块度大、裂纹少、强度高而耐磨性又好的焦炭，是一种优质的炼焦用煤。（六）肥煤煤化程度中等的烟煤，在受热到一定温度时能产生较多的胶质体，有较强的粘结性，可粘结煤中一些惰性物质；单独炼焦时，能生成熔融性良好的焦炭，但有较多的横裂纹，焦根部分有蜂焦，因而其强度和耐磨性较焦煤稍差，是炼焦配煤的重要部分，但不易单独使用。（七）气煤煤化程度较低、挥发分较高的烟煤，受热后能生成一定量的胶质体，粘结性从弱到中等均有；单独炼焦时，焦炭多细长、易碎，并有较多的纵裂纹，焦炭强度和耐磨性均较差。在炼焦中能产生较多的煤气、焦油和其它化学产品，多作为配煤炼焦使用，也是生产干馏煤气的好原料。（八）1/3焦煤煤化程度属中等，其性质介于焦煤、肥煤和气煤之间，含中等或较高挥发分的强粘结性煤。单独炼焦时，能生成强度较高的焦炭，是炼焦配煤的好原料。（九）气肥煤煤化程度与气煤相近的一种挥发分高、粘结性强的烟煤。单独炼焦时，能产生大量的煤气和胶质体，因其气体析出过多，不能生成强度高的焦炭，用作炼焦配煤或生产干馏煤气的原料。（十）1/2中粘煤煤化程度较低，挥发分范围较宽，受热后形成的胶质体较少，粘结性介于气煤和弱粘煤之间的一种过渡性煤类，其中粘结性较好的可作配煤原料，粘结性差的可作为气化原料或燃料。我国这类煤的资源很少。（十一）弱粘煤煤化程度较低，挥发分范围较宽的烟煤。受热后生成的胶质体很少，只有微弱的粘结性，煤岩显微组分中有较多的丝质组和半丝质组，主要作气化原料或燃料。（十二）不粘煤这类煤是在成煤初期受一定氧化作用后生成的以丝质组为主的煤，煤化程度较低，挥发分范围较宽、无粘结性的烟煤。可用作气化原料或燃料。（十三）长焰煤烟煤中煤化程度最低，挥发分最高的一类煤。受热后一般不结焦，燃烧时火焰长，是较好的气化原料和锅炉燃料。（十四）褐煤煤化程度最低的一类煤，外观多呈褐色，也有黑色，光泽暗淡或呈沥青光泽，块状或土状的都有，含有较高的内在水分和不同数量的腐值酸，在空气中易氧化，发热量低。根据其透光率PM的不同分为两个小类：褐煤一号和二号。一般只能做燃料使用，也可作为造气原料。总之，无烟煤主要供民用和作合成氨造气的原料；低灰、低硫且质软易磨的无烟煤，不仅是理想的高炉喷吹和烧结矿石用的还原剂与燃料，而且还可以做制造各种碳素材料如电石、炭块、阳极糊和活性炭、滤料等原料；某些无烟煤制成的航空用型煤还可用于飞机发动机和车辆马达的保温。近年来，无烟煤已逐步用作电厂发电燃