煤炭的基础知识

煤炭的基础知识煤的形成煤是远古死亡植物残骸没入水中经过缺氧及厌氧细菌生物化学作用，然后在地表升降运动中被地层覆盖经过温度和压力的地质化学作用而形成的有机生物岩，是由许多高分子碳氢化合物和少量无机矿物质组成的可燃有机矿产煤作为一种主要的能源，在国民经济中起着举足轻重的作用；作为一种商品和工业原料，其性质，质量与煤的价格，煤的利用关系密切，这就需要对煤进行了解和研究煤的分类无烟煤，又称白煤，因燃烧无烟而得名，是矿物化程度最高的煤，也是年龄最老的煤。它的特点是密度大，含碳量高，挥发分极低，燃点高，组织致密而坚硬，吸水性小，适于长途运输和长期储存。无烟煤的主要缺点是受热时容易破裂成碎片，可燃性差，不易着火，但由于其发热量高，灰分少，含硫量低，因此受到重视我国的无烟煤目前已探到的储量约1044亿吨，主要集中在山西省和贵州省煤的分类烟煤，是一种炭化程度较高的煤，与褐煤相比，它的挥发分较少，密度较大，吸水性较小，含碳量增加，氢和氧的含量减少。烟煤在自然界中分布最广，储量最多，品种也最多，是冶金工业和动力工业不可缺少的燃料，也是化学工业的重要原料烟煤最大的特点是具有粘结性，这是其他固体燃料所没有的，因此它是炼焦的主要原料，但需要指出的是，不是所有的烟煤都具有同样的粘结性，也不是所有的具有粘结性的烟煤都适合炼焦煤的分类褐煤，是泥煤经过进一步变化所生成的，由于它能将热碱水染成褐色而得名褐煤水分含量较高，容易因风化而破碎，呈褐色或黑褐色煤的分类泥煤，是最年轻的煤，也就是由植物刚刚变来的煤，结构上它尚保留着植物遗体的痕迹，是棕褐色或黑褐色的不均匀物质，质地疏松，吸水性强。实际上，泥煤属于植物成煤过程中的过渡产物中国煤分类（以炼焦煤为主）方案大类别小类别分类指标名称名称Vr(%)Y(mm)无烟煤≤10—贫煤＞10-200（粉状）瘦煤1号瘦煤＞14-200（成块）-82号瘦煤＞14-20＞8-12焦煤瘦焦煤＞14-18＞12-25主焦煤＞18-26＞12-25焦瘦煤＞20-26＞8-121号肥焦煤＞26-30＞9-142号肥焦煤＞26-30＞14-25肥煤1号肥煤＞26-37＞25-302号肥煤＞26-37＞301号焦肥煤≤26＞25-302号焦肥煤≤26＞30汽肥煤＞37＞25中国煤分类（以炼焦煤为主）方案气煤1号肥气煤＞30-37＞9-142号肥气煤＞30-37＞14-251号气煤＞37＞5-92号气煤＞37＞9-143号气煤＞37＞14-25弱粘煤1号弱粘煤＞20-260(成块)-82号弱粘煤＞26-370(成块)-9不粘煤—＞20-370（粉状）长焰煤—＞370-5褐煤—＞40—煤的组成•煤主要是由碳、氢、氧3种元素组成，并含有少量的氮、硫、磷和一些稀有元素•根据这些元素分析值，煤的主要可燃元素是碳，其次是氢，并含有少量的氧、氮、硫，它们与碳和氢一起构成可燃化合物，成为煤的可燃质•除此之外，在煤中还含有一些不可燃的矿物质灰分和水分，它们称为煤的惰性质煤的分析煤的化学成分，是通过元素分析和工业分析来测定的元素分析：碳、氢、氧、氮、硫、磷工业分析：水分、灰分、挥发分、固定碳、发热量、焦渣特征，灰融点煤的元素分析煤是复杂多种高分子物质的混合物，元素分析就是测定这些元素的组分，它与煤的工业分析同是煤质的基本分析，通过它们可以对煤的化学成分有个最基本的了解，元素组成可以用来估算煤的发热量、理论燃烧温度及燃烧产品的组成等，一般元素分析采用干燥无灰基（可燃基）为基准。煤的工业分析煤的工业分析也叫技术分析或实用分析，包括煤中的水分、灰分、挥发分的测定及固定碳的计算。此外还单独列出煤中硫分测定和发热量的测定结果。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以初步判断煤的性质、种类和各种煤的加工利用效果、工业用途及贸易定价依据等等煤的元素分析碳是煤的主要可燃元素，它在燃烧时放出大量的热，煤碳化程度越高，含碳量就越多氢也是煤的主要可燃元素，它的发热量约为碳的3倍，但它的含量比碳少的多氮在煤中的含量很少，煤燃烧时大部分氮呈游离N2状态而分解逸出煤的元素分析氧氧不能燃烧，所以是煤中的一种不利元素，因为它和碳、氢等可燃元素构成氧化物而使它们失去了进行燃烧的可能性，从而降低煤的发热量，但氧高的煤往往挥发分高，容易燃烧，煤中的氧一般不直接测定，是根据其他成分的测定值进行差减法求得磷磷在煤中含量也极少，并且对于冶金是有害的物质煤的元素分析硫在煤中有3种存在形态：有机硫（S机）来自母体植物，与煤成化合状态，均匀分布黄铁矿硫（S矿）与铁结合在一起，形成FeS2，也叫硫化物硫。硫酸盐硫（S盐）以各种硫酸盐的形式（主要是CaSO4·2H2O和FeSO4·7H2O）存在于煤的矿物杂质中其中有机硫和黄铁硫都能参与燃烧反应，因而总称为可燃硫或挥发硫；而硫酸盐硫则不能进行燃烧反应，把黄铁矿硫和硫酸盐硫叫做无机硫，即煤中硫分为有机硫和无机硫煤的元素分析硫在煤中是一种极为有害的物质，在燃烧、运输、气化和炼焦时都会带来很大的危害；且硫燃烧后生成SO2和SO3能危害人体健康和造成大气污染，会形成酸雨。在加热炉中造成金属的氧化和脱碳，在炼焦过程中硫化物侵蚀设备等等，所以对于煤中硫的控制，一般都比较严。但另一方面，硫又是一种重要的化工原料，寻求高效经济的脱硫方法和硫的回收利用途径，具有重大意义。煤的工业分析水分煤是多孔性固体，含有一定的水分。水分是煤中的无机成分，其含量和存在状态与煤的内部结构及外界条件有关。按照煤中水分存在的形态及物理化学性质，可分为外在水分、内在水分和化合水三种类型。水分是煤的杂质，煤的水分不仅是煤在储运过程中容易碎裂，增加运输费用，而且水分还会降低煤的发热量，这是因为水分在蒸发时要消耗一定的汽化热煤的工业分析（1）外在水分（Mf)，又称自由水分或表面水分，是在开采、运输等过程中吸附在煤粒表面和煤粒裂隙中及非毛细孔的孔穴中的水分，外在水分以机械方式和煤结合，可以自然风干，其蒸气压与纯水蒸汽压相同，在常温下较易失去含有外在水分的煤称为收到煤，仅失去外在水分的煤则称为空气干燥基。空气干燥煤样是煤质化验中通常采用的分析煤样。实验室为制取分析煤样，一般将收到煤在45-50℃下放置数小时，使外在水分不断蒸发，至到煤表面的蒸汽压与大气湿度相平衡煤的工业分析（2）内在水分（Minh），是指在一定条件下达到空气干燥状态时所保留的水分，即存在于煤粒内部直径小于0.000005cm的毛细孔中的水分。该水分以物理化学方式与煤结合，其含量除与煤的表面大小和吸附能力有关外，还与煤的煤化程度有关，一般煤化程度在焦煤、肥煤阶段的水分最低，年轻的褐煤内在水分最高，而年老的无烟煤的内水又明显增高内水在室温下不易失去，将空气干燥煤样加热至105-110℃时失去水分即内在水分。失去内在水分的煤为干燥煤煤的工业分析以上两种水分是以机械方式及物理化学方式与煤结合，通常称为游离水，煤中的游离水在常压下105-110℃时经短时间干燥即可全部蒸发。把煤的外在水分与内在水分的总合称为煤的全水分，简记符号为Mt煤的工业分析化合水煤中的化合水是指以化学方式与矿物质结合，有严格的分子比，在全水分测定后仍保留下来的水分，即通常所说的结晶水化合水。由于其含量不大，在煤的工业分析中一般不考虑化合水煤的工业分析灰分（A）灰分是煤中不能燃烧的矿物质，是煤在规定的条件下完全燃烧后的残留物。由于灰分是不可燃烧的物质，含灰量多时必然导致可燃成份降低，就会降低煤的发热量。同时在燃烧中部分灰分包围了可燃成份，影响了可燃质的正常燃烧，所以灰分是煤的有害成分，灰分大致呈以下方式：二氧化硅（SiO2）、氧化铝（Al2O3）、氧化铁(Fe2O3)、氧化钙（CaO）、氧化镁（MgO）等煤的工业分析煤中的矿物质大部分都不能燃烧，任何一种煤都会含有灰分，按其成因不同分为外在灰分和内在灰分两种外在灰分是在煤炭开采和加工处理中混入的矿物质（多为在开采时由于顶板与底板的岩石混入煤中即矸石），经过洗选后大部分都能除掉内在灰分又分为原生灰分和次生灰分。成煤原始植物（即成煤的原始物质）中本身所含的灰分称为原生灰分；而自成煤过程中由风和水流带来的矿物质杂质形成的灰分叫次生灰分。要除掉内在灰分是相当难的煤的工业分析挥发分煤样中水分蒸发后，继续升温，某些物质会挥发成气体，煤样由于这种挥发所失去的重量占原煤样的百分比，称为这种煤的挥发分。挥发分的组成，除了有少量不可燃气体如氧气、二氧化碳和氮气等外，主要为可燃气体，如一氧化碳、氢气、硫化氢及一些碳氢化合物等煤的工业分析挥发分不是以现成的状态存在于煤中，而是在煤被加热时才形成的，因此所谓的煤的挥发分含量，实质上并非指煤中含有挥发物质多少，而是指在一定加热条件下能够分解生成的挥发物的数量煤的挥发分随煤的煤化程度的加深而逐渐降低。腐泥煤的挥发分产率要比腐植煤高。煤化程度低的泥炭挥发分高达70%；褐煤一般为40-60%；煤化程度稍高的烟煤一般为10-50%；煤化程度高的无烟煤则小于10%。因此根据煤的挥发分产率可初步判断煤的煤化程度，估计煤的种类煤的工业分析固定碳(FC)煤样除掉水分和挥发分后，剩余下来的煤的固体部分，成为焦炭，焦炭是由固定碳和灰分组成的，将焦炭在空气中加热到800±25℃的温度下灼燃，到重量不再变化时（约两个小时后）取出来冷却，这时焦炭失去的重量就是固定碳的重量，剩余部分则是灰分的重量，这两个重量各占煤样原重量的百分比，就是固定碳和灰分在煤中的成份含量煤的工业分析发热量（Q）是指单位质量的煤完全燃烧时所发出的热量。煤炭发热量是动力用煤最重要的一项指标，发热量的高低，直接影响煤的经济价值。煤的发热量种类很多，通常分为弹筒发热量、高位发热量和低位发热量3种煤的工业分析我们经常使用的热量单位有2种：焦耳（J）和卡(cal)焦耳（J）：是法定计量单位，煤的发热量测定方法规定的用焦耳/克（J/g），千焦/千克（kj/kg）和兆焦/千克（Mj/kg）来表示。卡（cal）:1卡等于将1克纯水温度升高1℃所需要的热量，一般用换算的等式为:1cal(20℃)=4.1816J煤的工业分析煤的发热量主要取决于煤的水分、灰分和煤化程度，煤的发热量随着碳化程度的提高而不断增大，在含碳量为87%左右时，发热量达到最大值，以后则开始下降，因为纯煤的发热量主要与煤的元素（碳、氢、氧等）成份有关。在烟煤向无烟煤过渡时，发热量有所降低，而氢含量大大降低，由于氢在燃烧时发出的热量约等于碳的3倍，所以某些烟煤（焦煤、肥煤）的发热量高于无烟煤就是这个道理煤的工业分析煤的弹筒发热量指在实验室内，把单位质量的煤样在热量计的弹筒中用过量的高压氧气约燃烧后产生的热量在这种特定条件下燃烧时，煤中原有的水分和氢元素燃烧后生成的水冷凝在弹筒中，氮在空气中燃烧时多以游离状态逸出，几乎不产生热量，但在弹筒中燃烧时却成为NO2或N2O5等氮的高价氧化物，这些氮的氧化物溶于弹筒内的水中后生成硝酸而产生热量煤中可燃硫化物在空气中燃烧时只生成SO2气体，但在弹筒中燃烧时却氧化成SO3，以及SO3遇H2O成H2SO4，硫酸溶于水生成硫酸水化合物（H2SO4·nH2O）等都是发热反应。所以煤在弹筒中燃烧时产生的热量高于在空气中燃烧时生成的热量煤的工业分析高位发热量(Qgr，v，ad)：在实用上常把弹筒发热量中减去硝酸和硫酸的生成热后的热量称为高位发热量煤的工业分析低位发热量(Qnet，v，ar)：由于煤的高位发热量仍把水作为液态存在，而煤在各种炉窑燃烧时呈气态蒸发出去，当由水变成水蒸汽时要吸收一定的热量，称为汽化热或潜热，因此煤在实际燃烧时可利用的热量，比煤的高位发热量要低得多，也就是必须从煤的高位发热量中减去其中的汽化热后的热量，才是煤的有效热量，即低位发热量“基”的解释•“基”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：收到基、空气干燥基、干燥基、干燥无灰基、干燥无矿物质基“基”的解释•收到基，即