煤化学复习专题

第五章习题1.煤质分析中常用的基准和符号。煤质分析中常用的基准：收到基ar、空气干燥基ad、干燥基d、干燥无灰基daf、干燥无矿物质基dmmf。煤质分析中常用的符号2.什么是煤的工业分析和元素分析？答：煤的工业分析：M、A、V和FC。煤的元素分析：C、H、O、N、S。3.什么是Mf、Minh、MHC、Mt？Minh随煤化程度有何变化规律，为什么？煤中的水分对煤炭加工利用有何影响？答：外在水分Mf：指附着在煤的颗粒表面的水膜或存在于直径10-5cm的毛细孔中的水分。内在水分Minh：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10-5cm的毛细孔中的水分。最高内在水分MHC：指煤样在30℃，相对湿度达到96%的条件下吸附水分达到饱和时测得的水分。全水分Mt：指刚开采出来、或使用单位刚收到或即将投入使用状态下煤中的全部水分（游离水）。内在水分与煤化程度的关系：MHC与煤化程度的关系从褐煤开始，Minh随着煤化程度的增加而降低，到中等煤化程度的肥煤和焦煤阶段，Minh最低，此后，Minh随着煤化程度增加而增大。这是因为：Minh吸附于煤的孔隙内表面上，内表面积越大，吸附水分的能力就越强，Minh就越高。此外，煤分子结构上极性的含氧官能团的数量越多，煤吸附水分的能力也越强。低煤化程度的煤内表面发达，分子结构上含氧官能团的数量也多，因此Minh就较高。随着煤化程度的增加，内表面积和含氧官能团减少，因此Minh降低，到无烟煤阶段，煤的内表面积有所增大，因而Minh也有所提高。煤中的水分对煤炭的加工利用过程通常是有害的或者是无利的。⑴运力浪费煤是大宗商品，水分高，则浪费运力。特别是在寒冷地区，水分容易冻结，造成装卸困难，解冻又需要消耗额外的能耗。在煤炭贸易中，水分成为一项重要的计价依据，煤价随着水分含量的增加而降低。⑵贮存负担煤中水分随空气温度而变化，易氧化变质，煤中水分含量越高，要求相应的煤场，煤仓容积越大，输煤设备的选型也随之增加，势必造成投资和管理的负担。⑶增加机械加工的困难煤中水分过多，会引起粉碎，筛分困难，既容易损坏设备，降低生产效率。⑷延长炼焦周期炼焦时，煤中水分的蒸发需消耗热量，增加焦炉能耗，延长结焦时间，降低焦炉生产效率。水分过大，还会损坏焦炉，缩短焦炉使用年限。此外，炼焦煤中的各种水分（包括热解水）全部转入焦化剩余氨水中，增加焦化废水处理负荷。一般规定炼焦精煤的Mt12%。⑸降低发热量煤作为燃料，气化和燃烧时，煤中水分的蒸发需消耗热量，每增加1%的水分，煤的发热量降低0.1%，例如粉煤悬浮床气化炉K-T炉要求煤粉的Mt在1%～5%。但煤中适量的水分有利于减少运输和贮存过程中煤粉尘的产生，可以减少煤的损失，降低煤粉对环境的污染。在现代煤炭加工利用中，水分也有有利的一面，如煤中水分可作为加氢液化和加氢气化的供氢体。燃烧粉煤时，若煤中含有一定水分，可适当改善炉膛辐射，有效减少粉煤的损失。4.煤中矿物质按成因分为哪几类？什么是煤的灰分？煤的灰分应该用什么基准表示？煤灰成分主要有哪些？煤中矿物质和煤灰对煤炭利用有何影响？答：煤中矿物质按成因分为原生矿物质、同生矿物质、后生矿物质和外来矿物质。灰分是煤在规定条件下完全燃烧后的残留物，用干燥基表示。煤灰成分主要有SiO2、Al2O3、CaO、MgO、Fe2O3等。煤中矿物质和煤的灰分的不利影响：⑴贮存和运输煤是大宗商品，煤中矿物质含量越高，在煤炭运输和贮存中造成的浪费就越大。⑵炼焦和炼铁炼焦是煤炭利用的重要途径，在炼焦过程中，煤中的矿物质转化为灰分几乎全部进入焦炭，降低焦炭质量。由于灰分的主要成分是SiO2、Al2O3等熔点较高的氧化物，在炼铁时，只能靠加入石灰石等助熔剂与它们生成低熔点化合物才能以熔渣形式由高炉排出，原料消耗增加，高炉生产能力下降，影响生铁质量，炉渣量增加。炼焦用煤的灰分≯10%。⑶气化和燃烧煤作为气化原料和动力燃料，矿物质含量增加，降低热效率，增加原料消耗。煤灰的熔融温度低，易引起锅炉和干法排灰的移动床气化炉结渣和堵塞，阻碍了燃烧和气化过程中气流的流通，使反应过程无法进行，同时浸蚀炉内的耐火材料及金属设备。但煤灰熔融温度低，流动性好，对液体排渣的气化炉有利。因此气化和燃烧对灰的熔融性都有一定的要求。⑷液化煤中碱金属和碱土金属的化合物降低加氢液化过程中使用的钴钼催化剂的活性，但硫化铁对加氢液化有催化作用。直接液化时原料煤的灰分＜25%。⑸环境锅炉和气化炉产生的灰渣和粉煤灰需占用大量的荒地甚至良田，会造成大气和水体污染；煤中含硫化合物在燃烧时生成SOx、COS、H2S等有毒气体，严重时会形成酸雨，也造成环境污染。煤中矿物质和煤的灰分的利用：⑴煤转化过程中的催化剂煤中的某些矿物质，如碱金属和碱土金属的化合物（NaCl、KCl、Na2CO3、K2CO3、CaO等）是煤气化反应的催化剂；Mo、FeS2、TiO2、Al2O3等是加氢液化的催化剂。⑵建筑材料和环保制剂煤灰渣已广泛用作建筑材料的原料，如砖、瓦、沥青、PVC板材等；灰渣制成不同标号的水泥、铸石和耐火材料等；气化煤灰可用作煤气脱硫剂；粉煤灰可制成废水处理剂、除草醚载体等。⑶化肥和土壤改良剂在煤的液态渣中喷入磷矿石，制成复合磷肥。⑷提取有用成分煤中常见的伴生元素如铀、锗、镓、钒、钍、钛等元素，可用来制造半导体、超导体、催化剂、优质合金钢等材料；回收煤灰中的SiO2制成白炭黑和水玻璃；提取煤灰中的Al2O3可生产聚合氯化铝。5.什么是煤的挥发分？挥发分应该用什么基准表示？简述其影响因素。答：挥发分是指煤隔绝空气加热时，从逸出的挥发性物质中扣除煤样中吸附水分后的所有物质。挥发分用干燥无灰基表示。影响挥发分的因素：⑴测定条件：加热温度，加热时间，加热速度，加热炉的大小，试样容器的材质、形状、重量、尺寸以及容器的支架等。因此，挥发分的测定是一个规范性很强的试验项目。⑵煤化程度：挥发分随着煤化程度的增加而降低。煤的挥发分主要来自于煤分子中不稳定的脂肪侧链、含氧官能团断裂后形成的小分子化合物和煤有机质高分子缩聚时生成的氢气。随着煤化程度的增加，煤分子上的脂肪侧链和含氧官能团减少；高煤化程度煤分子的缩聚度高，热解时进一步缩聚的反应也少，由此产生的氢气量也少，因此，随着煤化程度的增加，挥发分降低。⑶成因类型：腐植煤腐泥煤这是由于成煤原始植物的化学组成和结构的差异引起的。腐植煤以稠环芳香物质为主，受热不易分解，而腐泥煤则脂肪族成分含量高，受热易裂解为小分子化合物成为挥发分。⑷煤岩组分：壳质组镜质组惰质组这是因为壳质组化学组成中抗热分解能力低的链状化合物占有较大比例，而惰质组的分子主要以缩合芳香结构为主，镜质组则介于二者之间。由于各个显微组分有不同的挥发分，所以煤的挥发分将随显微组成的变化而变化，而且非常敏感。6.简述影响C、H和O的因素。答：影响C的因素：⑴煤化程度：随着煤化程度的增加，Cdaf逐渐增加，Cdaf作为表征煤化程度的分类指标。⑵成因类型：腐植煤腐泥煤。⑶煤岩组分：惰质组镜质组壳质组。影响H的因素：⑴煤化程度：从低煤化程度到中等煤化程度阶段，Hdaf变化不十分明显；但在高变质的无烟煤阶段，Hdaf降低较为明显而且均匀。因此，我国无烟煤分类中采用Hdaf作为分类指标。⑵成因类型：腐泥煤腐植煤。这是由于形成腐泥煤的低等生物富含氢所致。⑶煤岩组分：壳质组镜质组惰质组。影响O的因素：⑴煤化程度：随着煤化程度的增加，Odaf迅速下降，从褐煤的23%左右下降到中等变质程度肥煤的6%左右，此后Odaf下降速度趋缓，到无烟煤时大约只有2%左右。⑵成因类型：腐植煤腐泥煤。⑶煤岩组分：中等变质程度的烟煤，镜质组惰质组壳质组；高变质程度的烟煤和无烟煤，镜质组壳质组惰质组。7.煤中硫的存在形态有哪些？硫对煤的应用有何影响？答：煤中硫的存在形态有无机硫和有机硫，无机硫又分为硫酸盐硫、元素硫和硫化铁硫。硫的危害：⑴贮存：硫化铁硫含量高的煤，在堆放时易于氧化和自燃，同时使煤碎裂、灰分增加、热值降低。⑵焦化：煤在炼焦时，约60%的硫进入焦炭，煤中硫分高，焦炭中的硫分势必增高，直接影响钢铁质量，钢铁中含硫量0.07%，会使钢铁产生热脆性而无法轧制成材，为了除去硫，必须在高炉中加入较多的石灰石和焦炭，减少高炉的有效容量，增加出渣量，降低高炉生产能力，增加焦比。⑶燃烧：高硫煤作燃料，燃烧后产生的SO2，严重腐蚀金属设备和设施，严重污染环境。⑷气化：用高硫煤制备的煤气中硫化氢等气体较多且不易脱净，会使合成氨催化剂中毒失效，影响操作和产品质量。硫的利用：硫是一种重要的化工原料。可用来生产硫酸、杀虫剂及硫化橡胶等。工业生产中，硫大多数变成SO2进入大气，严重污染环境，为了减少污染，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。回收硫的方法：可在洗选煤时，回收煤中黄铁矿；在燃烧和气化的烟道气和煤气中，回收含硫的各种化合物；也可在燃烧时向炉内加入固硫剂；还可从焦炉煤气中回收硫以制取硫酸和化肥硫酸铵。8.某原煤全水分Mt=10.00%，制成分析煤样后测得Mad=2.10%，Aad=11.00%，测定挥发分的原始数据为：坩埚质量20.5006g，加分析煤样后共21.5006g，在900℃下隔绝空气加热7min，冷却后称量，坩埚加残渣共21.2006g。试求：⑴Vad，Vd及Vdaf。⑵如果完全燃烧1000kg这样的原煤，将会产生多少灰渣？⑶燃烧1000kg这样的原煤，如果燃烧不完全，灰渣（认为灰渣完全干燥）中有10%的可燃物，灰渣的实际产量是多少？解：⑴(%)90.2710.200.301005006.205006.212006.215006.21adadMV(%)50.2810.210010090.27100100adaddMVV(%)11.3200.1110.210010090.27100100adadaddafAMVV⑵(%)11.1010.210000.1010000.11100100adaradarMMAA)(10.101%11.1010001000kgAar⑶(%)24.1110.210010000.11100100adaddMAA(%)24.1110000.10100%10124.11100100''arMAAdar)(4.112%24.1110001000'kgAar答：⑴Vad=27.90%，Vd=28.50%，Vdaf=32.11%。⑵完全燃烧1000kg原煤，将会产生101.10kg的灰渣。⑶不完全燃烧1000kg原煤，灰渣的实际产量是112.40kg。9.已知某煤样的Vad=27.20%，Mad=1.60%，Vdaf=29.58%。求Ad和FCd。解：adadaddafAMVV100100(%)45.610058.2920.2760.1100100100dafadadadVVMA(%)55.660.110010045.6100100adaddMAA(%)75.64)20.2745.660.1(100)(100adadadadVAMFC(%)80.6560.110010075.64100100adaddMFCFC答：该煤样的Ad=6.55%，FCd=65.80%。10.试比较下面两个煤样挥发分的高低。煤样ⅠAad=9.55%，Mad=1.53%，Vd=24.15%煤样ⅡAad=17.20%，Mad=2.50%，Vd=22.80%解：(%)78.2310053.110015.24100100111addadMVV(%)74.2655.953.110010078.231001001111adadaddafAMVV(%)23.2210050.210080.22100100222addadMVV(%)68.2720.1750.210010023.221001002222