中文版 | English |

首页 >

产业与产品 >

专业知识

返回

煤的基础知识

来源:
编辑: 马亮亮
发布时间: 2011-11-03
访问量: 7997

    一、煤的组成

煤是古代植物遗体经成煤作用后转变成的固体可燃矿产。煤的组成以有机质为主体，构成有机高分子的主要是碳、氢、氧、氮等元素。煤中存在的元素有数十种之多，但通常所指的煤的元素组成主要是五种元素、即碳、氢、氧、氮和硫。在煤中含量很少，种类繁多的其他元素，一般不作为煤的元素组成，而只当作煤中伴生元素或微量元素。
（一）煤中的碳
一般认为，煤是由带脂肪侧链的大芳环和稠环所组成的。这些稠环的骨架是由碳元素构成的。因此，碳元素是组成煤的有机高分子的最主要元素。同时，煤中还存在着少量的无机碳，主要来自碳酸盐类矿物，如石灰岩和方解石等。碳含量随煤化度的升高而增加。在我国泥炭中干燥无灰基碳含量为55～62%；成为褐煤以后碳含量就增加到60～76.5%；烟煤的碳含量为77～92.7%；一直到高变质的无烟煤，碳含量为88.98%。个别煤化度更高的无烟煤，其碳含量多在90%以上，如北京、四望峰等地的无烟煤，碳含量高达95～98%。因此，整个成煤过程，也可以说是增碳过程。
（二）煤中的氢
    氢是煤中第二个重要的组成元素。除有机氢外，在煤的矿物质中也含有少量的无机氢。它主要存在于矿物质的结晶水中，如高岭土（Al203•2Si02•2H2O）、石膏（CaS04•2H20 ）等都含有结晶水。在煤的整个变质过程中，随着煤化度的加深，氢含量逐渐减少，煤化度低的煤，氢含量大；煤化度高的煤，氢含量小。总的规律是氢含量随碳含量的增加而降低。尤其在无烟煤阶段就尤为明显。当碳含量由92%增至98%时，氢含量则由2.1%降到1%以下。通常是碳含量在80～86%之间时，氢含量最高。即在烟煤的气煤、气肥煤段，氢含量能高达6.5%。在碳含量为65～80%的褐煤和长焰煤段，氢含量多数小于6%。但变化趋势仍是随着碳含量的增大而氢含量减小。
    （三）煤中的氧　
    氧是煤中第三个重要的组成元素。它以有机和无机两种状态存在。有机氧主要存在于含氧官能团，如羧基（--COOH），羟基（--OH）和甲氧基（--OCH3）等中；无机氧主要存在于煤中水分、硅酸盐、碳酸盐、硫酸盐和氧化物中等。煤中有机氧随煤化度的加深而减少，甚至趋于消失。褐煤在干燥无灰基碳含量小于70%时，其氧含量可高达20%以上。烟煤碳含量在85%附近时，氧含量几乎都小于10%。当无烟煤碳含量在92%以上时，其氧含量都降至5%以下。　
    （四）煤中的氮　
    煤中的氮含量比较少，一般约为0.5～3.0%。氮是煤中唯一的完全以有机状态存在的元素。煤中有机氮化物被认为是比较稳定的杂环和复杂的非环结构的化合物，其原生物可能是动、植物脂肪。植物中的植物碱、叶绿素和其他组织的环状结构中都含有氮，而且相当稳定，在煤化过程中不发生变化，成为煤中保留的氮化物。以蛋白质形态存在的氮，仅在泥炭和褐煤中发现，在烟煤很少，几乎没有发现。煤中氮含量随煤的变质程度的加深而减少。它与氢含量的关系是，随氢含量的增高而增大。　
    （五）煤中的硫　
    煤中的硫分是有害杂质，它能使钢铁热脆、设备腐蚀、燃烧时生成的二氧化硫（SO2）污染大气，危害动、植物生长及人类健康。所以，硫分含量是评价煤质的重要指标之一。煤中含硫量的多少，似与煤化度的深浅没有明显的关系，无论是变质程度高的煤或变质程度低的煤，都存在着有机硫或多或少的煤。 煤中硫分的多少与成煤时的古地理环境有密切的关系。在内陆环境或滨海三角平原环境下形成的和在海陆相交替沉积的煤层或浅海相沉积的煤层，煤中的硫含量就比较高，且大部分为有机硫。 根据煤中硫的赋存形态，一般分为有机硫和无机硫两大类。各种形态的硫分的总和称为全硫分。所谓有机硫，是指与煤的有机结构相结合的硫。有机硫主要来自成煤植物中的蛋白质和微生物的蛋白质。煤中无机硫主要来自矿物质中各种含硫化合物，一般又分为硫化物硫和硫酸盐硫两种，有时也有微量的单质硫。硫化物硫主要以黄铁矿为主，其次为白铁矿、磁铁矿（（Fe7S8）、闪锌矿（ZnS）、方铅矿（PbS）等。硫酸盐硫主要以石膏（CaSO4•2H20）为主，也有少量的绿矾 （FeSO4•7H 20 ）等。
　　二、煤的形成
　　煤是由植物残骸经过复杂的生物化学作用和物理化学作用转变而成的。这个转变过程叫做植物的成煤作用。一般认为，成煤过程分为两个阶段泥炭化阶段和煤化阶段。前者主要是生物化学过程，后者是物理化学过程。
    在泥炭化阶段，植物残骸既分解又化合，最后形成泥炭或腐泥。泥炭和腐泥都含有大量的腐植酸，其组成和植物的组成已经有很大的不同。
　　煤化阶段包含两个连续的过程：
    第一个过程，在地热和压力的作用下，泥炭层发生压实、失水、肢体老化、硬结等各种变化而成为褐煤。褐煤的密度比泥炭大，在组成上也发生了显著的变化，碳含量相对增加，腐植酸含量减少，氧含量也减少。因为煤是一种有机岩，所以这个过程又叫做成岩作用。
    第二个过程，是褐煤转变为烟煤和无烟煤的过程。在这个过程中煤的性质发生变化，所以这个过程又叫做变质作用。地壳继续下沉，褐煤的覆盖层也随之加厚。在地热和静压力的作用下，褐煤继续经受着物理化学变化而被压实、失水。其内部组成、结构和性质都进一步发生变化。这个过程就是褐煤变成烟煤的变质作用。烟煤比褐煤碳含量增高，氧含量减少，腐植酸在烟煤中已经不存在了。烟煤继续进行着变质作用。由低变质程度向高变质程度变化。从而出现了低变质程度的长焰烟、气煤，中等变质程度的肥煤、焦煤和高变质程度的瘦煤、贫煤。它们之间的碳含量也随着变质程度的加深而增大。
    温度对于在成煤过程中的化学反应有决定性的作用。随着地层加深，地温升高，煤的变质程度就逐渐加深。高温作用的时间愈长，煤的变质程度愈高，反之亦然。在温度和时间的同时作用下，煤的变质过程基本上是化学变化过程。在其变化过程中所进行的化学反应是多种多样的，包括脱水、脱羧、脱甲烷、脱氧和缩聚等。
    压力也是煤形成过程中的一个重要因素。随着煤化过程中气体的析出和压力的增高，反应速度会愈来愈馒，但却能促成煤化过程中煤质物理结构的变化，能够减少低变质程度煤的孔隙率、水分和增加密度。
    当地球处于不同地质年代，随着气候和地理环境的改变，生物也在不断地发展和演化。就植物而言，从无生命一直发展到被子植物。这些植物在相应的地质年代中造成了大量的煤。在整个地质年代中，全球范围内有三个大的成煤期：
     （1）古生代的石炭纪和二迭纪，成煤植物主要是袍子植物。主要煤种为烟煤和无烟煤。
     （2）中生代的株罗纪和白垩纪，成煤植物主要是裸子植物。主要煤种为褐煤和烟煤。
     （3）新生代的第三纪，成煤植物主要是被子植物。主要煤种为褐煤，其次为泥炭，也有部分年轻烟煤。
三、煤的工业分析
　　煤的工业分析也叫技术分析或实用分析，包括煤中水分、灰分和挥发分的测定及固定碳的计算。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初步判断煤的性质、种类和各种煤的加工利用效果及其工业用途。
     煤的工业分析中各项指标如下：
  　1、水分。水分一项重要的煤质指标、它在煤的基础理论研究和加工利用中都具有重要的作用。根据煤中水分随煤的变质程度加深而呈规律性变化：从泥炭、褐煤、烟煤、年轻无烟煤，水分逐渐减少，而从年轻无烟煤到年老无烟煤，水分又增加。煤的水分对其加工利用、贸易和储存运输都有很大影响。锅炉燃烧中，水分高会影响燃烧稳定性和热传导；在炼焦工业中，水分高会降低焦炭产率，而且由于水分大量蒸发带走热量而延长焦化周期；在煤炭贸易上，煤的水分是一个重要的计质和计量指标。在现代煤炭加工利用中，有时水分高反是一件好事，如煤中水分可作为加氢液化和加氢气化的供氢体。在煤质分析中，煤的水分是进行不同基的煤质分析结果换算的基础数据。
     2、灰分。煤中灰分是另一项在煤质特性和利用研究中起重要作用的指标。在煤质研究中由于灰分与其他特性，如含碳量、发热量、结渣性、活性及可磨性等有程度不同的依赖关系，因此可以通过它来研究上述特性。由于煤灰是煤中矿物质的衍生物，因此可以用它来算媒中矿物质含量。此外，由于煤中灰分测定简单，而它在煤中的分布又不易均匀，因此在煤炭采样和制样方法研究中，一般都用它来评定方法的准确度和精密度。在煤炭洗选工艺研究中，一般也以煤的灰分作为一项洗选效率指标。在煤的燃烧和气化中，根据煤灰含量以及它的诸如熔点、粘度、导电性和化学组成等特性来预测燃烧和气化中可能出现的腐蚀、沾污、结渣问题，并据此进行炉型选择和煤灰渣利用研究。
     3、挥发分。煤的挥发分产率与煤的变质程度有密切的关系。随着变质程度的提高，煤的挥发分逐渐降低。如煤化程度低的褐煤，挥发分产率为65%～＞37%；变质阶段进人烟煤时，挥发分为55%～＞10%；到达无烟煤阶段，挥发分就降到10%甚至3%以下。因此，根据煤的挥发分产率可以大致判断煤的煤化程度。在我国煤炭分类方案以及苏（原）、美、英、法、波和国际煤炭分类方案中都以挥发分作为第一分类指标。根据挥发分产率和测定挥发分后的焦渣特征可以初步确定煤的加工利用途径。如高挥发分煤，干馏时化学副产品产率高，适于作低温干馏或加氢液化的原料，也可作气化原料；挥发分适中的烟煤，粘结性较好，适于炼焦。在配煤炼焦中，要用挥发分来确定配煤比，以将配煤的挥发分控制到适宜范围25%～31%。此外，根据挥发分可以估算炼焦时焦炭、煤气和焦油等产率。在动力用煤中，可根据挥发分来选择特定的燃烧设备或特定设备的煤源。在气化和液化工艺的条件选择上，挥发分也有重要的参考作用。在环境保护中，挥发分还作为一个制定烟雾法令的依据。此外、挥发分与其它媒质特性指标如发热量、碳和氢含量都有较好的相关关系。利用挥发分可以计算煤的发热量和碳、氢、氯含量及焦油产率。
     4、固定碳。固定碳是煤炭分类、燃烧和焦化中的一项重要指标，煤的固定碳随变质程度的加深而增加。在煤的燃烧中，利用固定碳来计算燃烧设备的效率；在炼焦工业中，根据它来预计焦炭的产率。
     四、煤的分类
　　随着社会的发展，科学的进步，煤的用途愈来愈广泛。人们对煤的性质、组成结构和应用等方面的认识也越来越深入，逐渐发现各种煤炭既有相同的地方，又有不同的特性。根据各种不同的需要，把各种不同的煤归纳和划分成性质相似的若干类别。这样，就形成煤分类的概念。针对不同的侧重点，煤的分类方法有：
    1．煤的成因分类：成煤的原始物料和堆积环境分类，称为煤的成因分类
    2．煤的科学分类：煤的元素组成等基本性质分类，称为科学分类。
    3．煤的实用分类：煤的实用分类又称煤的工业分类。按煤的工艺性质和用途分类，称为实用分类。
　　中国煤分类和各主要工业国的煤炭分类均属于实用分类，以下详细介绍我国煤实用分类的情况。
     根据煤的煤化度，将我国所有的煤分为褐煤、烟煤和无烟煤三大煤类。又根据煤化度和工业利用的特点，将褐煤分成2个小类，无烟煤分成3个小类。烟煤比较复杂，按挥发分分为4个档次，即Vdaf＞10～20%、＞20～28%、＞28～37%和＞37%，分为低、中、中高和高四种挥发分烟煤。按粘结性可以分为5个或6个档次，即GR．I．为0～5，称不粘结或弱粘结煤；GR．I．＞5～20，称弱粘结煤；GR．I．＞20～50，称为中等偏弱粘结煤；GR．I．＞50～65，称中等偏强粘结煤；GR．I． ＞65，称强粘结煤。在强粘结煤中，若y＞25mm或b＞150%（对于Vdaf＞28%，的肥煤，b＞220%）的煤，则称为特强粘结煤。参见GB5751-1986。
　　各类煤的基本特征如下：
     （1）无烟煤（WY）。无烟煤固定碳含量高，挥发分产率低，密度大，硬度大，燃点高，燃烧时不冒烟。01号无烟煤为年老无烟煤；02号无烟煤为典型无烟煤；03号无烟煤为年轻无烟煤。如北京、晋城、阳泉分别为01、02、03号无烟煤。
    （2）贫煤（PM）。贫煤是煤化度最高的一种烟煤，不粘结或微具粘结性。在层状炼焦炉中不结焦。燃烧时火焰短，耐烧。
    （3）贫瘦煤（PS）。贫瘦煤是高变质、低挥发分、弱粘结性的一种烟煤。结焦较典型瘦煤差，单独炼焦时，生成的焦粉较多。
    （4）瘦煤（SM）。瘦煤是低挥发分的中等粘结性的炼焦用煤。在炼焦时能产生一定量的胶质体。单独炼焦时，能得到块度大、裂纹少、抗碎性较好的焦炭，但焦炭的耐磨性较差。
    （5）焦煤（JM）。焦煤是中等及低挥发分的中等粘结性及强粘结性的一种烟煤。加热时能产生热稳定性很高的胶质体。单独炼焦时能得到块度大、裂纹少、抗碎强度高的焦炭，其耐磨性也好。但单独炼焦时，产生的膨胀压力大，使推焦困难。
    （6）肥煤（FM）。肥煤是低、中、高挥发分的强粘结性烟煤。加热时能产生大量的胶质体。单独炼焦时能生成熔融性好、强度较高的焦炭，其耐磨性有的也较焦煤焦炭为优。缺点是单独炼出的焦炭，横裂纹较多，焦根部分常有蜂焦。
    （7）1／3焦煤（1／3JM）。1／3焦煤是新煤种，它是中高挥发分、强粘结性的一种烟煤，又是介于焦煤、肥煤、气煤三者之间的过渡煤。单独炼焦能生成熔融性较好、强度较高的焦炭。
    （8）气肥煤（QF）。气肥煤是一种挥发分和胶质层都很高的强粘结性肥煤类，有的称为液肥煤。炼焦性能介于肥煤和气煤之间，单独炼焦时能产生大量的气体和液体化学产品。
   （9）气煤（QM）。气煤是一种煤化度较浅的炼焦用煤。加热时能产生较高的挥发分和较多的焦油。胶质体的热稳定性低于肥煤，能够单独炼焦。但焦炭多呈细长条而易碎，有较多的纵裂纹，因而焦炭的抗碎强度和耐磨强度均较其他炼焦煤差。
    （10）1／2中粘煤（1／2ZN）。1／2中粘煤是一种中等粘结性的中高挥发分烟煤。其中有一部分在单独炼焦时能形成一定强度的焦炭，可作为炼焦配煤的原料。粘结性较差的一部分煤在单独炼焦时，形成的焦炭强度差，粉焦率高。
    （11）弱粘煤（RN）。弱粘煤是一种粘结性较弱的从低变质到中等变质程度的烟煤。加热时，产生较少的胶质体。单独炼焦时，有的能结成强度很差的小焦块，有的则只有少部分凝结成碎焦屑，粉焦率很高。
    （12）不粘煤（BN）。不粘煤是一种在成煤初期已经受到相当氧化作用的低变质程度到中等变质程度的烟煤。加热时，基本上不产生胶质体。煤的水分大，有的还含有一定的次生腐植酸，含氧量较多，有的高达10%以上。
    （13）长焰煤（CY）。长焰煤是变质程度最低的一种烟煤，从无粘结性到弱粘结性的都有。其中最年轻的还含有一定数量的腐植酸。贮存时易风化碎裂。煤化度较高的年老煤，加热时能产生一定量的胶质体。单独炼焦时也能结成细小的长条形焦炭，但强度极差，粉焦率很高。
（14）褐煤（HM）。褐煤分为透光率Pm＜30%的年轻褐煤和Pm＞30～50%的年老褐煤两小类。褐煤的特点为：含水分大，密度较小，无粘结性，并含有不同数量的腐植酸，煤中氧含量高。常达15～30%左右。化学反应性强，热稳定性差，块煤加热时破碎严重。存放空气中易风化变质、破碎成效块甚至粉末状。发热量低，煤灰熔点也低，其灰中含有较多的CaO，而有较少的Al2O3。
五、动力用煤的应用范围及其对煤质的要求
    （一）发电用煤
     发电用煤量占全国首位，约1／3以上的煤用来发电，1996～1997年的发电耗煤量均在5亿吨以上。 目前平均发电耗煤为标准煤370g／（kW•h）左右。电厂利用煤的热值，把热能转变为电能。发热量是影响电厂技术经济指标的主要因素。电厂设计建厂时，要求有固定的供煤基地，根据不同煤质进行电厂的锅炉设计。一旦建成投产，煤质符合锅炉设计的要求，锅炉效率才能充分发挥。电力部门一般要求煤的发热量（Qnet，ar）大于20.9lMJ／kg（不包括褐煤），可波动5%，粒度为小于25mm末煤或小于50mm混煤，挥发分（Vdaf，大于20%，硫分（St，d）小于1.0%，外在水分（Mt）小于10%，干式除渣灰熔融性软化温度（ST）大于1250℃。煤的发热量的高低，影响到电厂原料煤系统、制粉系统、炉膛容积、烟道、通风量、集尘及排渣等各个环节，直接影响电厂建设投资和生产成本。
    （二）机车用煤
    机车用煤占动力用煤2%左右，年用煤量约2000万吨。蒸汽机车锅炉平均耗煤指标为100kg／（万吨•km）左右，其锅炉构造和燃烧条件要求用块煤，且要求煤易燃和耐燃。锅炉蒸发面积一般为240m2。蒸发量为75kg／（m2•h），平均为50kg／（m2•h），满足此要求机车才能正点运行，当线路不好需要迅速调节火力增加蒸发量。因此对煤的发热量和挥发分要求较高，发热量（Qnet,ar）＞23.00MJ／kg，挥发分（Vdaf）大于30%，因炉膛温度较高，故熔融性软化温度（ST）要求大于1350℃。粒度不超过50mm，以50~25mm或25~13mm为最好，含粉（＜6mm）越少越好。粉煤易随烟道飞扬或在炉蓖漏掉。据试验，含粉增加1%，损失增加0.4%。硫分应小于1%，否则机车通过长隧道时易引起人员SO2中毒。
    （三）建材用煤
    建材用煤约占动力用煤的l0%以上，年用煤量约1亿吨以上。以水泥用量最大，其次为玻璃、砖、瓦等。砖、瓦，对煤质要求不严，有较低发热量即可。玻璃生产用煤造气作燃料，对煤质要求与化肥用煤类同。在水泥生产过程中，煤不仅作为燃料，而且成为水泥中的一种成分，因此对煤的质量要求严格。回转窑耗煤指标240kg标煤/吨泥左右，多用烟煤，要求灰分稳定在18%～22%、挥发分大于25%的小于25mm级末煤。而立窑耗煤指标220kg／吨水泥，要求用无烟煤块，灰分小于20%，挥发分小于10%。且希望水分小，含硫低，发热量大于20.90MJ／kg。
    （四）一般工业锅炉用煤
    除热电厂及大型供热锅炉外，一般企业及取暖用的工业锅炉型号繁多，数量大且分散。用煤量约占动力煤的30%，年耗煤3亿吨左右。这些锅炉多数为层床燃烧，效率较低，链条炉为75%左右，往复炉及振动炉为65%～70%。工业锅炉根据不同的煤种、灰分、发热量及挥发分进行设计，以层床燃烧为主，煤粉 炉较少。对煤的质量要求较宽，一般灰分小于40%，发热量为14.63～20.90MJ／kg。层床炉有固定炉排和移动炉排，要求粒度小于50mm，以13～50mm块煤最好，小于6mm要求低于35%。小于13mm末煤多用于往复炉及固定炉排的炉子。不同粒度适应不同炉型的锅炉，粒度过大产生不完成燃烧，粒度小易产生漏煤损失。因此烧原煤是很不经济的。含歼多，对锅炉、运行和热效率影响也很大。工业锅炉用煤量大，节能潜力也大，更应做到供需适应，有效利用和节约煤炭。
    （五）生活用煤 　
    生活用煤的数量也较大，约占燃料用煤的20%，年耗煤约2亿多吨。大多数为直接供民用。城市煤气用煤量也逐年上升。民用煤的质量要求因地而宜。一般民用燃料应使用挥发分低的无烟煤。城市煤气用煤，为获得煤气较高的产量，一般采用挥发分为30%～40%以上的气煤、l／3焦煤、气肥煤或其它挥发分较高的烟煤制气。要求灰分要低，最好用洗后煤。炉型不同对煤的质量和品种的具体要求也不同。另外，采用鲁奇加压气化炉，对煤的质量要求低。外部水分为6%～8%，DT大于l200℃，粒度为50～6mm。使用煤气可长距离输送，避免煤炭和灰碴的往返运输，改善环境卫生，节约煤炭，应不断推广发展。
     六、冶金用动力煤
    冶金用动力煤主要为烧结和高炉喷吹用无烟煤。其用量不到动力用煤量的1%。年用量小于1000万吨。其中大部分供烧结用，喷吹占20%左右。高炉喷吹是以煤代焦。据计算，喷吹1吨无烟煤粉可代替0.8吨焦炭，折合洗精煤1.2吨。可见以煤代焦是合理利用煤炭资源的发展方向。我国高炉半数以上有喷吹设施，喷吹耗煤量可逐步提高到100kg／t生铁以上。每吨烧结矿石配入无烟煤粉80kg左右。烧结和高炉喷吹用无烟煤，要求灰分小于13%，硫分小于0.80%，磷小于0.02%，水分小于8%，粒度小于25mm。从用户对商品煤的质量要求来看，生产的原煤必需经过加工方可使用，对要求煤质不严的用户，可以筛分分级，对煤质和品种要求严格的用户，必需供应洗选加工的商品煤。
 
上一条: 洁净煤技术知识介绍 下一条: 煤气化技术基本知识