初次认识煤

认识煤一、煤的重要地位二、煤的形成三、煤的结构四、煤的元素组成五、煤的燃烧一、煤的重要地位泥煤无烟煤褐煤2010年底煤炭探明储量分布中东及非洲3.8欧洲及欧亚大陆35.4亚太30.9北美洲28.5中南美洲1.52010年煤炭总储量8609.38亿吨世界排名前十位国家的总储量占世界的90%，排名第一的是美国，占世界总量的1/4，中国列第三位在我国，煤炭资源主要分布在山西、陕西、内蒙古、黑龙江、辽宁、山东、新疆等几个省区等。(1)资源总量相对分布不均煤炭资源与地区的经济发达程度呈逆向分布煤炭资源与水资源呈逆向分布(2)煤种齐全，但不均衡优质动力煤丰富，优质无烟煤和优质炼焦用煤不多(3)煤质较好含硫量小于1%的低硫煤约占65%(4)煤层埋藏较深，适于露天开采的储量很少，适于露天开采的中、高变质煤更少(5)共伴生矿产种类多，资源丰富中国煤炭资源总体特点二、煤炭的形成煤是由植物遗体经过生物化学作用和物理化学作用演变而成的沉积有机岩。低等植物——海带低等植物——地衣低等植物——蘑菇高等植物——蕨类植物高等植物——松树煤炭的生成，必须有气候、生物、地理、地质等条件的相互配合，才能生成具有工业利用价值的煤炭矿藏。这些条件包括：（1）适宜的气候条件和植物的大量生长繁殖（2）适宜的地理环境(沼泽、湖泊等)（3）适宜的地质作用的配合（地壳的沉降运动－－形成上覆岩层和顶底板－－多煤层）煤炭生成条件根据成煤植物种类的不同，煤主要可分为两大类，即腐泥煤和腐植煤。根据煤化度的不同，腐殖煤可分为泥炭、褐煤、烟煤、无烟煤。种类含碳量（%）热量（kJ/g）用途泥煤50608,40012,500替代柴薪褐煤607512,50020,900一般燃料次烟煤758520,90023,000替代烟煤烟煤859023,00029,300炼制煤焦工业燃料无烟煤909529,30033,500最佳燃料（1）腐植煤：由高等植物经过成煤过程中复杂的生化和地质变化作用生成。自然界中分布最广，蕴藏量最大。煤化学的主要研究对象。（2）腐泥煤：主要由湖沼或浅水海湾中藻类等低等植物形成。储量大大低于腐植煤，工业意义不大。（3）残植煤：由高等植物残骸中对生物化学作用最稳定的组分(孢子、角质层、树皮、树脂)富集而成。残植煤在自然界中的储量很少，常呈薄层或透镜体夹在腐植煤中。（4）腐植腐泥煤：由高等植物、低等植物共同形成的煤。成煤作用过程由高等植物转化为腐植煤要经历复杂而漫长的过程，一般需要几千万年到几亿年的时间。整个成煤作用可划分为两个阶段：即泥炭化作用过程和煤化作用。煤化作用又分为两个连续的过程，即成岩作用和变质作用。植物泥炭化泥炭成岩作用褐煤变质作用烟煤、无烟煤煤化作用泥炭化作用的概念：高等植物死亡后，在生物化学作用下，变成泥炭的过程称为泥炭化作用。在这一阶段，植物首先在微生物作用下，分解和水解为分子量较小的性质活泼的化合物，然后小分子化合物之间相互作用，进一步合成新的较稳定的有机化合物，如腐植酸、沥青质等。泥炭化作用（1）组织、器官（如皮、叶、茎、根等）基本消失，细胞结构遭到不同程度的破坏，变成颗粒细小、含水量极大、呈胶泥状的膏状体－－泥炭（2）组成成分发生了很大的变化，如植物中大量存在的纤维素和木质素在泥炭中显著减少，蛋白质消失，而植物中不存在的腐植酸却大量增加，并成为泥炭的最主要的成分之一，通常达到40%以上。泥炭化作用植物经泥炭化作用成为泥炭，在两方面发生巨大变化：煤化作用煤化作用包括成岩作用和变质作用两个连续的过程。成岩作用泥炭在沼泽中层层堆积，越积越厚，当地壳下降速度较大时，泥炭将被泥沙等沉积物覆盖。在上覆沉积物的压力作用下，泥炭发生了压紧、失水、胶体老化、固结等一系列变化，微生物的作用逐渐消失，取而代之的是缓慢的物理化学作用。这样，泥炭逐渐变成了较为致密的岩石状的褐煤。煤化作用当褐煤层继续沉降到地壳较深处时，上覆岩层压力不断增大，地温不断增高，褐煤中的物理化学作用速度加快，煤的分子结构和组成产生了较大的变化。碳含量明显增加，氧含量迅速减少，腐植酸也迅速减少并很快消失，褐煤逐渐转化成为烟煤。随着煤层沉降深度的加大，压力和温度提高，煤的分子结构继续变化，煤的性质也发生不断的变化，最终变成无烟煤。变质作用煤化作用变质作用的因素：促成煤变质作用的主要因素是温度。温度过低（50～60℃），褐煤的变质就不明显了，如莫斯科煤田早石炭世煤至今已有3亿年以上，但仍处于褐煤阶段。通常认为，煤化程度是煤受热温度和持续时间的函数。温度越高，变质作用的速度越快。因为变质作用的实质是煤分子的化学变化，温度高促进了化学反应速度的提高。煤化程度煤化程度的概念：在褐煤向烟煤、无烟煤转化的进程中，由于地质条件和成煤年代的差异，使煤处于不同的转化阶段。煤的这种转化阶段称为煤化程度，有时称为变质程度，或煤级。按煤化程度由低到高依次是：褐煤烟煤(长焰煤、气煤、肥煤、焦煤、瘦煤、贫煤）无烟煤煤是由分子量不同、分子结构相似但又不完全相同的一组“相似化合物”的混合物组成的。煤的结构十分复杂，一般认为它具有高分子聚合物(polymer)的结构，但又不同于一般的聚合物，它没有统一的聚合单体(monomer)。三、煤的结构煤的经典结构模型环状芳烃缩合交联含硫、氮的杂环煤的现代结构模型煤是三维空间高度交联的非晶质的高分子缩聚物结构单元的核心是缩合芳香核结构单元的周边有不规则部分结构单元之间由桥键连接氧、氮、硫的存在形式低分子化合物煤化程度对煤结构的影响经过科学家大量研究，虽然还没有彻底了解煤的分子结构，但目前绝大多数人接受的煤化学结构概念可表述为：煤不是由均一单体聚合而成，而是由许多化学结构相似但又不完全相同的基本结构单元通过桥键连接形成的高分子聚合物。结构单元由规则的缩合芳香核与不规则的、连接在核上的侧链和官能团两部分构成。(1)煤是三维空间高度交联的非晶质的高分子缩聚物煤的高分子聚合物特性：相对分子量大。在数千范围内。具有聚合结构。可氧化为苯羧酸——具有缩合芳香结构。可发生降解。连续加氢，使分子量变小。可发生热分解。分解产物具有极为相似的红外光谱。由几个或十几个苯环、脂环、氢化芳香环及杂环（含氮、氧、硫等元素）缩聚而成，称为基本结构单元的核或芳香核。环数随煤化程度的提高而增加。碳含量为70%~83%时，平均环数为2；碳含量为83%~90%时，平均环数为3～5；碳含量为大于90%时，环数急剧增加，碳含量大于95%时，平均环数大于40。煤的芳碳率，烟煤一般小于0.8，无烟煤则趋近于1。(2)结构单元的核心是缩合芳香核连接在缩合芳香核上的不规则部分包括烷基侧链和官能团烷基侧链的长度随煤化程度的提高而缩短；官能团主要是含氧官能团，包括羟基、羧基、羰基、甲氧基等，随煤化程度的提高，甲氧基、羧基很快消失，其它含氧基团在各种煤化程度的煤中均有存在有少量的含硫官能团和含氮官能团(3)结构单元的不规则部分(4)连接结构单元的桥键桥键的主要类型－CH2－－O－(－S－)－O－CH2－Car－Car键桥键数量与类型与煤化程度的关系低煤化程度的煤桥键最多，主要是前三种中等煤化程度的煤桥键最少，主要是前两者无烟煤桥键较烟煤增多，主要是Car－Car键(5)氧、氮、硫的存在形式氧的存在形式除了官能团外，还有醚键和杂环硫的存在形式有巯基、硫醚和噻吩等氮的存在形式有吡咯环、胺基和亚胺基等(6)低分子化合物在煤的高分子化合物缝隙中，还独立存在着具有非芳香族结构的低分子化合物，它们主要是脂肪族化合物，如褐煤、泥炭中广泛存在的树脂、蜡等其分子量在500左右或以下其存在对低煤化度煤（如褐煤）的性质影响较大低煤化度煤较多非芳香结构和含氧基团，芳香核环数较少。年轻煤规则部分小，侧链长而多，官能团也多，因此形成比较疏松的空间结构，具有较大孔隙率和较高比表面积。中等煤化度煤（肥煤和焦煤）含氧官能团和烷基侧链少，芳核有所增大，结构单元之间的桥键减少，使煤的结构较为致密，孔隙率低，故煤的物化性质和工艺性质在此处发生转折，出现极大值或极小值。年老煤缩合环显著增大，大分子排列的有序化增强，形成大量的类似石墨结构的芳香层片，同时由于有序化增强，使得芳香层片排列得更加紧密，产生了收缩应力，以致形成了新的裂隙。这是无烟煤阶段孔隙率和比表面积增大的主要原因。(7)煤化程度对煤结构的影响四、煤的元素组成•煤是由有机物质和无机物质混合组成的。煤中有机物质主要由碳（C，82%~93%）、氢（H，3.6%~5%）、氧（O，1.3%~10%）、氮（N，1%~2%）四种元素构成，还有一些元素则组成煤中的无机物质，主要有硫（S）、磷（P）以及稀有元素等。•世界上所有的元素均可在煤中找到；•煤是黑色黄金。碳：碳是煤中有机质的主要组成元素。C含量随煤化程度增高而增大。褐煤含C量70%；无烟煤含C＞92%，氧含量则从20%左右降到2%左右，氢含量由8%左右降到4%左右。氢：氢含量与煤的煤化度也密切相关，随着煤化度增高，氢含量逐渐下降。氧：氧是煤中第二个重要的组成元素。煤中有机氧含量随煤化度增高而明显减少。泥炭中无水无灰基氧含量Odaf，高达27%-34%，褐煤中Odaf为15%-30%，到烟煤阶段为2%-15%，无烟煤为1%-3%。氮：煤中的氮含量较少，一般约为0.5%3.0%氮是煤中惟一的完全以有机状态存在的元素。煤中氮含量随煤化度的加深而趋向减少，但规律性到高变质烟煤阶段以后才比较明显。硫：煤中的硫通常以有机硫和无机硫的状态存在。煤中的硫按可燃性可分为：可燃硫和不可燃硫（或称固定硫)煤的显微组分煤的显微组分，是指煤在显微镜下能能够区别和辨识的基本组成成分。分为：有机显微组分：在显微镜下能观察到的煤中成煤原始植物组织转变而成的显微组分。无机显微组分：在显微镜下能观察到的无机矿物质。腐植煤的有机显微组分包括：镜质组、惰质组和壳质组。在显微镜下的特征是：(1)镜质组：透射光下呈透明到半透明，呈黄色或橙红色，较均一，不含或少含矿物质，见垂直裂纹。普通反射光下呈灰色，油浸反射光下呈深灰色，无突起。(2)惰质组：透射光下呈黑色，不透明。反射光下突起高，呈白色，油浸反射光时呈亮白色。(3)壳质组：透射光下透明到半透明，呈黄色或橙红色，轮廓清晰，外形特殊。普通反射光下大多有突起，呈深灰色，油浸反射光下－灰黑色或黑灰色。煤的水分水分是煤中的重要组成部分，是煤炭质量的重要指标。煤中的水分一般是指与煤呈物理态结合的水，它吸附在煤的外表面（外在水分）和内部孔隙中（内在水分）。因此，煤的颗粒越细、内部孔隙越发达，煤中吸附的水分就越高。五、煤的燃烧•煤的燃烧过程大致可分为5步：–干燥：100℃左右，析出水分；–热解：约300℃以后，燃料热分解析出挥发分，为气态的碳氢化合物，同时生成焦和半焦；–着火：约500℃，挥发分首先着火，然后焦开始着火；–燃烧：挥发分燃烧，焦炭燃烧。挥发分燃烧速度快，从析出到基本燃尽所用时间约占煤全部燃烧时间的10%；挥发分的燃烧过程为气-气同相化学反应，焦炭的燃烧为气-固异相化学反应；–燃尽：焦炭继续燃烧，直到燃尽。这一过程燃烧速度慢，燃尽时间长。研究表明，碳与氧相遇后首先发生初次反应：初次反应生成的CO和CO2通过周围的介质扩散出去，能够重新被碳表面从气体介质中吸附，在一定条件下发生二次反应。初次反应和二次反应同时交叉平行进行着，构成碳燃烧过程的基本化学反应。KJgCOgOsC15.409)()()(22KJgCOgOsC52.110)()()(2KJgCOgCOsC53.162)(2)()(2KJgCOgOgCO68.571)(2)()(222)()()()(22gnCOgmCOgyOsxC总反应煤中的硫分别以黄铁矿硫（FeS2）、硫酸盐硫（MSO4）、元素硫和有机硫（CxHyS2）四种形态存在。除了硫酸盐外，其他硫成分在600oC以上都能分解，放出SO2、SO3、H2S等有害气体。3222)(43SOgSOOS322222)(8114OFegSOOFeS