煤质知识：煤的水分、灰分、挥发分和发热量等化学成
2010-04-12 06:44阅读：
人们通常把开发煤炭资源的企业称作煤矿，把开采出来的煤矿产品称为煤炭。我国古代曾称煤炭为石涅，或称石炭。它是植物遗体埋躲在地下经过漫长庞杂的生物化学、地球化学和物理化学作用转化而成的一种固体可燃矿产。它不仅是工农业和国民生涯不可缺乏的主要燃料，而且还是冶金、化工、医药等部分的重要原料。据统计，在我国能源生产和花费构成中，煤炭一直居于主导位置，1995年，生产占75.5%，花费占75.0%。在公民经济中，工业、农业、交通运输的发展都离不开煤炭。随着近代科学技巧的发展和新工艺、新办法的利用，煤炭的用途和综合利用价值将会越来越大。可以预计，在未来相当长的时代内，煤炭在我国公民经济中都将占领相当重要的位置。
一、矿物原料特色
(一) 煤的物理性质
煤的物理性质是煤的一定化学组成和分子构造的外部表示。它是由成煤的原始物质及其聚积条件、转化过程、煤化程度和风、氧化程度等因素所决议。包括色彩、光泽、粉色、比重和容重、硬度、脆度、断口及导电性等。其中，除了比重和导电性须要在试验室测定外，其他依据肉眼察看就可以断定。煤的物理性质可以作为初步评价煤质的根据，并用以研讨煤的成因、变质机理和解决煤层对照等地质问题。
1.色彩
是指新颖煤表面的自然颜色，是煤对不同波长的光波接收的成果。呈褐色―玄色，一般随煤化程度的进步而逐渐加深。
2.光泽
是指煤的表面在普通光下的反光才能。一般呈沥青、玻璃和金刚光泽。煤化程度越高，光泽越强；矿物资含量越多，光泽越暗；风、氧化程度越深，光泽越暗，直到完整消散。
3.粉色
指将煤研成粉末的色彩或煤在抹上釉的瓷板上刻划时留下的痕迹，所以又称为条痕色。呈浅棕色―玄色。一般是煤化程度越高，粉色越深。
4.比重和容重
煤的比重又称煤的密度，它是不包括孔隙在内的一定体积的煤的重量与同温度、同体积的水的重量之比。煤的容重又称煤的体重或假比重，它是包含孔隙在内的必定体积的煤的重量与同温度、同体积的水的重量之比。煤的容重是盘算煤层储量的主要指标。褐煤的容重一般为1.05～1.2，烟煤为1.2～1.4，无烟煤变更范畴较大，可由1.35～1.8。煤岩组成、煤化水平、煤中矿物质的成分和含量是影响比重和容重的重要因素。在矿物资含量雷同的情形
下，煤的比重随煤化程度的加深而增大。
5.硬度
是指煤抵御外来机械作用的才能。依据外来机械力作用方法的不同，可进一步将煤的硬度分为刻划硬度、压痕硬度和抗磨硬度三类。煤的硬度与煤化水平有关，褐煤和焦煤的硬度最小，约2～2.5；无烟煤的硬度最大，接近4。
6.脆度
是煤受外力作用而破碎的程度。成煤的原始物质、煤岩成分、煤化程度等都对煤的脆度有影响。在不同变质程度的煤中，长焰煤和睦煤的脆度较小，肥煤、焦煤和瘦煤的脆度最大，无烟煤的脆度最小。
7.断口
是指煤受外力打击后形成的断面的外形。在煤中常见的断口有贝壳状断口、参差状断口等。煤的原始物质组成和煤化程度不同，断口外形各异。
8.导电性
是指煤传导电流的才能，通常用电阻率来表现。褐煤电阻率低。褐煤向烟煤过渡时，电阻率剧增。烟煤是不良导体，随着煤化程度增高，电阻率减小，至无烟煤时急剧降落，而具良好的导电性。
(二) 煤的化学组成
煤的化学组成很庞杂，但回纳起来可分为有机质和无机质两大类，以有机质为主体。
煤中的有机质主要由碳、氢、氧、氮和有机硫等五种元素组成。其中，碳、氢、氧占领机质的95%以上。此外，还有极少量的磷和其他元素。煤中有机质的元素组成，随煤化程度的变更而有规律地变更。一般来讲，煤化程度越深，碳的含量越高，氢和氧的含量越低，氮的含量也稍有降低。唯硫的含量则与煤的成因类型有关。碳和氢是煤炭燃烧过程中产生热量的重要元素，氧是助燃元素，三者构成了有机质的主体。煤炭燃烧时，氮不产生热量，常以游离状况析出，但在高温条件下，一部分氮改变成氨及其他含氮化合物，可以回收制造硫酸氨、尿素及氮肥。硫、磷、氟、氯、砷等是煤中的有害元素。含硫多的煤在燃烧时天生硫化物气体，不仅腐化金属装备，与空气中的水反响形成酸雨，污染环境，迫害植物生产，而且将含有硫和磷的煤用作冶金炼焦时，煤中的硫和磷大部分转入焦炭中，冶炼时又转进钢铁中，严重影响焦炭和钢铁质量，不利于钢铁的铸造和机械加工。用含有氟和氯的煤燃烧或炼焦时，各种管道和炉壁会遭到强烈腐化。将含有砷的煤用于酿造和食品工业作燃料，砷含量过高，会增添产品毒性，危及国民身材健康。
煤中的无机质主要是水分和矿物质，它们的存在下降了煤的质量和利用价值，其中尽大多数是煤中的有害成分。
另外，还有一些稀有、疏散和放射性元素，例如，锗、镓、铟、钍、钒、钛、铀……等，它们分辨以有机或无机化合物的形态存在于煤中。其中某些元素的含量，一旦到达工业品位或可综合利用时，就是重要的矿产资源。
通过元素分析可以懂得煤的化学组成及其含量，通过工业剖析可以初步懂得煤的性质，大致断定煤的种类和用途。煤的工业剖析包含对水分、灰分、挥发分的测定和固定碳的盘算四项内容。
1.水分
指单位重量的煤中水的含量。煤中的水分有外在水分、内在水分和结晶水三种存在状况。一般以煤的内在水分作为评定煤质的指标。煤化程度越低，煤的内部表面积越大，水分含量越高。水分对煤的加工利用是有害物质。在煤的贮存进程中，它能加速风化、决裂，甚至自燃；在运输时，会增添运量，挥霍运力，增长运费；炼焦时，耗费热量，降低炉温，延伸炼焦时光，降低生产效力；燃烧时，下降有效发热量；在高冷地域的冬季，还会使煤冻结，造成装卸艰苦。只有在压抑煤砖和煤球时，须要适量的水分才干成型。
2.灰分
是指煤在规定条件下完整燃烧后剩下的固体残渣。它是煤中的矿物质经过氧化、分解而来。灰分对煤的加工利用极为不利。灰分越高，热效率越低；燃烧时，融化的灰分还会在炉内结成炉渣，影响煤的气化和燃烧，同时造成排渣艰苦；炼焦时，全体转进焦炭，降低了焦炭的强度，严重影响焦炭质量。煤灰成分十分庞杂，成分不同直接影响到灰分的熔点。灰熔点低的煤，燃烧和睦化时，会给生产操作带来很多困难。为此，在评价煤的工业用途时，必须剖析灰成分，测定灰熔点。
3.挥发分
指煤中的有机物质受热分解发生的可燃性气体。它是对煤进行分类的重要指标，并被用来初步断定煤的加工应用性质。煤的挥发分产率与煤化程度有亲密关系，煤化程度越低，挥发分越高，随着煤化程度加深，挥发分逐渐下降。
4.固定碳
测定煤的挥发分时，剩下的不挥发物称为焦渣。焦渣减往灰分称为固定碳。它是煤中不挥发的固体可燃物，可以用盘算方式算出。焦渣的外观与煤中有机质的性质有亲密关系，因此，依据焦渣的外观特点，可以定性地断定煤的粘结性和工业用处。
(三)煤的工艺性质
为了进步煤的综合应用价值，必需懂得、研讨煤的工艺性质，以满足各方面对煤质的请求。煤的工艺性质重要包含：粘结性和结焦性、发热量、化学反映性、热稳固性、透光率、机械强度和可选性等。
1.粘结性和结焦性
粘结性是指煤在干馏进程中，由于煤中有机质分解，熔融而使煤粒能够相互粘结成块的性能。结焦性是指煤在干馏时能够结成焦炭的性能。煤的粘结性是结焦性的必要条件，结焦性好的煤必需具有良好的粘结性，但粘结性好的煤不一定能单独炼出质量好的焦炭。这就是为什么要进行配煤炼焦的道理。粘结性是进行煤的工业分类的主要指标，一般用煤中有机质受热分解、软化形成的胶质体的厚度来表现，常称胶质层厚度。胶质层越厚，粘结性越好。测定粘结性和结焦性的办法很多，除胶质层测定法外，还有罗加指数法、奥亚膨胀度实验等等。粘结性受煤化程度、煤岩成分、氧化程度和矿物质含量等多种因素的影响。煤化程度最高和最低的煤，一般都没有粘结性，胶质层厚度也很小。
2.发热量
是指单位重量的煤在完整燃烧时所产生的热量，亦称热值，常用106J/kg表现。它是评价煤炭质量，尤其是评价动力用煤的重要指标。国际市场上动力用煤以热值计价。我国自1985年6月起，改造沿用了几十年的以灰分计价为以热值计价。发热量主要与煤中的可燃元素含量和煤化程度有关。为便于比拟耗煤量，在工业生产中，经常将实际耗费的煤量折合成发热量为2.930368×107J/kg的标准煤来进行计算。
3.化学反应性
又称活性。是指煤在一定温度下与二氧化碳、氧和水蒸汽相互作用的反应能力。它是评价气化用煤和动力用煤的一项重要指标。反响性强弱直接影响到耗煤量和煤气的有效成分。煤的活性一般随煤化程度加深而削弱。
4.热稳定性
又称耐热性。是指煤在高温作用下坚持本来粒度的性能。它是评价气化用煤和动力用煤的又一项主要指标。热稳定性的好坏，直接影响炉内能否正常生产以及煤的气化和燃烧效力。
5.透光率
指低煤化程度的煤(褐煤、长焰煤等)，在规定条件下用硝酸与磷酸的混杂液处置后，所得溶液对光的透过率称为透光率。随着煤化程度加深，透光率逐渐加大。因此，它是差别褐煤、长焰煤和睦煤的重要指标。
6.机械强度
是指块煤受外力作用而破碎的难易水平。机械强度低的煤投进气化炉时，轻易碎成小块和粉末，影响气化炉正常操作。因此，气化用煤必需具备较高的机械强度。
7.可选性
是指煤通过洗选，除往其中的夹矸和矿物资的难易程度。我国现行的选煤方式，详见第四节。
二、用处与技巧经济指标
(一) 煤的产业分类
1958年，国家公布了以炼焦用煤为主的分类计划，为工业部门公道应用煤炭资源发明了有利条件，但在实践中也呈现了一些问题。在认真分析研讨和接收国外先进分类办法的基本上，为了使各项分类的技术经济指标最能反应煤的质量特色，到达更加公道地利用煤炭资源的目标，1986年，国家重新公布了从褐煤到无烟煤的全面技术分类标准，将自然界中的煤划分为14大类，其中，褐煤和无烟煤又分辨划分为2个和3个小类(表2.2.1)。这就是我国现行的煤炭分类国家标准。
表 2.2.1中国煤炭分类国度尺度 (GB5751-86)
(1)
分类指标及其符号Vr为干燥无灰基挥发分(%)；Hr为干燥无灰基氢含量(%)；GR.I(简记G)为烟煤的粘结指数；Y为烟煤的胶质层最大厚度；PM为煤样的透光率(%)；b为烟煤的奥亚膨胀度(%)；Q-A.GNGW为煤的恒湿无灰基高位发热量(MJ/kg)。
(2) 煤类的编码各类煤用两位阿拉伯数码表示。10位表示煤的挥发分，个位数在无烟煤及褐煤表示煤化程度，在烟煤表示结粘性。
(二) 各煤类的主要特点和用途
1.褐煤
它是煤化程度最低的煤。其特色是水分高、比重小、挥发分高、不粘结、化学反映性强、热稳固性差、发热量低，含有不同数目的腐殖酸。多被用作燃料、气化或低温干馏的原料，也可用来提取褐煤蜡、腐殖酸，制造磺化煤或活性炭。一号褐煤还可以作农田、果园的有机肥料。
2.长焰煤
它的挥发分含量很高，没有或只有很小的粘结性，胶质层厚度不超过5mm,易燃烧，燃烧时有很长的火焰，故得名长焰煤。可作为气化和低温干馏的原料，也可作民用和动力燃料。
3.不粘煤
它水分大，没有粘结性，加热时基础上不发生胶质体，燃烧时发热量较小，含有必定的次生腐殖酸。主要用作制作煤气和民用或动力燃料。
4.弱粘煤
水分大，粘结性较弱，挥发分较高，加热时能产生较少的胶质体，能单独结焦，但结成的焦块小而易碎，粉焦率高。这种煤主要用作气化原料和动力燃料。
5. 1/2中粘煤
它具有中等粘结性和中高挥发分。可以作为配煤炼焦的原料，也可以作为气化用煤和动力燃料。
6.气煤
挥发分高，胶质层较厚，热稳定性差。能单独结焦，但炼出的焦炭修长易碎，压缩率大，且纵裂纹多，抗碎和耐磨性较差。故只能用作配煤炼焦，还可用来炼油、制造煤气、生产氮肥或作动力燃料。
7.气肥煤
它的挥发分和粘结性都很高，结焦性介于气煤和肥煤之间，单独炼焦时能产生大批的气体和液体化学物质。最合适高温干馏制造煤气，更是配煤炼焦的好原料。
8.肥煤
具有很好的粘结性和中等及中高级挥发分，加热时能产生大批的胶质体，形成大于25mm的胶质层，结焦性最强。用这种煤来炼焦，可以炼出熔融性和耐磨性都很好的焦炭，但这种焦炭横裂纹多，且焦根部分常有蜂焦，易碎成小块。由于粘结性强，因此，它是配煤炼焦中的主要成分。
9. 1/3焦煤
它是介于焦煤、肥煤和蔼煤之间的过渡煤，具有很强的粘结性和中高级挥发分，单独用来炼焦时，可以形成熔融性良好、强度较大的焦炭。因此，它是良好的配煤炼焦的基本煤。
10.焦煤
具有中低等挥发分和中高级粘结性，加热时可形成稳定性很好的胶质体，单独用来炼焦，能形成构造致密、块度大、强度高、耐磨性好、裂纹少、不易破碎的焦炭。但因其膨胀压力大，易造成推焦艰苦，破坏炉体，故一般都作为炼焦配煤使用。
11.瘦煤
具有较低挥发分和中等粘结性。单独炼焦时，能形成块度大、裂纹少、抗碎强度较好，但耐磨性较差的焦炭。因此，用它参加配煤炼焦，可以增添焦炭的块度和强度。
12.贫瘦煤
挥发分低，粘结性较弱，结焦性较差。单独炼焦时，天生的焦粉很多。但它能起到瘦化剂的作用。故可作炼焦配煤使用，同时，也是民用和动力的好燃料。
13.贫煤
具有必定的挥发分，加热时不发生胶质体，没有粘结性或只有微弱的粘结性，燃烧火焰短，炼焦时不结焦。主要用于动力和民用燃料。在缺少瘦料的地域，也可充任配煤炼焦的瘦化剂。
14.无烟煤
它是煤化程度最高的煤。挥发分低、比重大、硬度高、燃烧时烟少火苗短、火力强。通常作民用和动力燃料。质量好的无烟煤可作气化原料、高炉喷吹和烧结铁矿石的燃料，以及制作电石、电极和炭素资料等。
(三) 产业用煤的质量请求
煤的工业用途非常普遍，回纳起来主要是冶金、化工和动力三个方面。同时，在炼油、医药、精密铸造和航空航天工业等范畴也有辽阔的利用远景。各工业部门对所用的煤都有特定的质量要求和技术标准。扼要先容如下：
1.炼焦用煤
炼焦是将煤放在干馏炉中加热，随着温度的升高(终极到达1 000℃左右)，煤中有机质逐渐分解，其中,
狩魔手记全集，挥发性物质呈气态或蒸汽状况逸出，成为煤气和煤焦油，残留下的不挥发性产物就是焦炭。焦炭在炼铁炉中起着还原、融化矿石，供给热能和支持炉料，坚持炉料透气性能良好的作用。因此，炼焦用煤的质量要求，是以能得到机械强度高、块度均匀、灰分和硫分低的优质冶金焦为目标。国度对冶金焦用煤有专门的质量尺度，见表2.2.2。
表 2.2.2冶金焦用煤质量尺度 (GB397-65)见上图
2气化用煤
煤的气化是以氧、水、二氧化碳、氢等为气体介质，经过热化学处置进程，把煤改变为各种用途的煤气。煤气化所得的气体产物可作工业和民用燃料以及化工合成原料。常用的制气方式有两种：①固定床气化法。目前国内主要用无烟煤和焦炭作气化原料，制造合成氨原料气。要求作为原料煤的固定碳＞80%，灰分(Ag)＜25%，硫分(SgQ)≤2%，要求粒度要均匀，25～75mm,或19～50mm,或13～25mm，机械强度＞65%，热稳固性S+13＞60%，灰熔点(T2)＞1
250℃，挥发分不高于9%，化学反映性愈强愈好。②沸腾层气化法。对原料煤的质量要求是：化学反响性要大于60%，不粘结或弱粘结，灰分(Ag)＜25%，硫分(SgQ)＜2%，水分(WQ)＜10%，灰熔点(T2)＞1
200℃，粒度＜10mm，主要应用褐煤、长焰煤和弱粘煤等。
3.炼油用煤
一般以褐煤、长焰煤为主，弱粘煤和蔼煤也可以使用，其要求取决于炼油方法。①低温干馏法，是将煤置于550℃左右的温度下进行干馏，以制取低温焦油，同时还可以得到半焦和低温焦炉煤气。煤种为褐煤、长焰煤、不粘煤或弱粘煤、气煤。对原料煤的质量要求是：焦油产率(Tf)＞7%，胶质层厚度＜9mm，热稳定性S+13＞40%，粒度6～13mm,最好为20～80mm
。②加氢液化法，是将煤、催化剂和重油混杂在一起，在高温高压下使煤中有机质损坏，与氢作用转化成低分子液态或气态产物，进一步加工可得到汽油、柴油等燃料。原料煤主要为褐煤、长焰煤及气煤。要求煤的碳氢化(C/H)＜16，挥发分＞35%，灰分(Ag)＜5%，煤岩的丝炭含量＜2%。
4.燃料用煤
任何一种煤都可以作为工业和民用的燃料。不同工业部分对燃料用煤的质量请求不一样。蒸汽机车用煤要求较高，国度规定是：挥发分(Vr)≥20%，灰分(Ag)≤24%，灰熔点(T2)≥1
200℃，硫分(SgQ)长隧道及隧道群区段≤1%，低位发热量2.09312×107～2.51174×107J/kg以上。发电厂一般应尽量用灰分(Ag)＞30%的劣质煤，少数大型锅炉可用灰分(Ag)20%左右的煤。为了将优质煤用于发展冶金和化学产业，近年来，我国在开展低热值煤的利用方面取得了较快的进展，不少发热量仅有8
372.5J/ kg左右的劣质煤和煤矸石也能用于一般工厂，有的发电厂已掺烧煤矸石达30%。
煤的其他用处还很多。如，褐煤和氧化煤可以生产腐殖酸类肥料；从褐煤中可以提取褐煤蜡供电气、印刷、精密铸造、化工等部分应用；用优质无烟煤可以制作碳化硅、碳粒砂、人造刚玉、人造石墨、电极、电石和供高炉喷吹或作铸造燃料；用煤沥青制成的碳素纤维，其抗拉强度比钢材大千倍，且重量轻、耐高温，是发展太空技术的主要资料；用煤沥青还可以制成针状焦，生产新型的电炉电极，可进步电炉炼钢的生产效力等等。总之，随着现代科学技巧的不断提高，煤炭的综合应用技术也在敏捷发展，煤炭的综合利用范畴必将持续扩展。
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