《煤矿总工技术手册》第一章.doc

第10篇 煤炭洗选加工1 煤质与煤炭产品质量要求1.1 煤的组成与性质1.1.1 煤的岩相组成在由植物转化为的过程中，由于植物种类、积聚环境的氧化还原性、覆水深度、水流状况、水介质的酸碱性、微生物活动情况、埋藏深度、成煤年代等因素的差异巨大，形成的煤炭均匀性极差。从岩石学的观点来看，煤是一种特殊的沉积岩可燃有机岩，其物质组成较为复杂。当用肉眼仔细观察时，就可以看到它的物质组成常显示明显的不均一性。其主要表现为煤是有机物和无机物 (矿物质)的混合物。有机物本身也因成煤原始物质的和聚积条件的不同，呈现出复杂性和多样性。利用岩石学的方法和手段研究自然状态下煤的组成、成分、类型及性质等，就形成了煤岩学。利用煤岩学方法得到的煤的组成称为煤的岩相组成或煤岩组成。 煤岩学研究煤的方法可分为两种，一是利用肉眼观察的宏观方法，另一个是借助于显微镜的微观方法。宏观法较为粗略，但方法简单，微观法虽精细，但测定过程却复杂得多。1.1.1.1煤的有机显微组分显微组分是指煤在显微镜下能够区别和辨识的最基本的组成单位，是显微镜下能观察到的煤中成煤原始植物残体转变而成的组分。目前国际煤岩学术委员会的显微组分分类方案是侧重于化学工艺性质的分类。按组分成因和工艺性质的不同，煤的有机显微组分大致可分为镜质组、壳质组（稳定组或类脂组）和惰质组三大类。划分依据是组分的颜色、形态、结构和突起等特征。（1）镜质组及其成因镜质组是由植物的木质纤维组织受凝胶化作用转化形成的，是煤中最常见和最重要的显微组分组。凝胶化作用是指泥炭化作用阶段成煤植物的组织在气流闭塞、积水较深的沼泽环境下，产生极其复杂的变化。一方面，构成植物组织的化学成分在微生物参与下，发生分解、水解、化合等化学反应，破坏植物的细胞结构；另一方面植物组织在沼泽水的浸泡下吸水膨胀，使植物细胞结构变形、破坏乃至消失，或进一步再分解为凝胶。凝胶再进一步经过煤化作用转化为煤中的镜质组分。从低煤级到高煤级煤，镜质组在油浸反射光下呈深灰至浅灰色，无突起到微突起。反射率介于壳质组和惰质组之间，并随煤级增高而增加，各向异性增强。在透射光下呈橙红色棕红色棕黑色黑色。部分低煤级烟煤中镜质组在蓝光激发下发暗褐色到褐色荧光，被称为富氢镜质体或荧光镜质体。与其他两个组分组相比，镜质组氧的含量较高，碳、氢含量介于二者之间，根据其结构和形状的不同，又可区分下列三种显微组分：结构镜质体、无结构镜质体和碎屑镜质体。（2）壳质组及其成因壳质组包括孢子体、角质体、树脂体、木栓质体、藻类体和碎屑壳质体等显微组分，来源于植物的孢子、角质层、木栓、树脂、蜡、脂肪和油。壳质组是成煤植物中化学稳定性强的组成部分，在泥炭化和成岩阶段保存在煤中的组分几乎没有发生什么质的变化。从低煤级烟煤到中煤级烟煤，它们在透射光下透明到半透明，颜色呈柠檬黄色黄色桔黄色至红色，轮廓清楚，外形特殊。反射光下呈现深灰色，大多数有突起；油浸反射光下呈现深灰色、灰黑色、黑灰色到浅灰色，低突起，反射率较镜质组低。蓝光激发下发绿黄色亮黄色橙黄色褐色荧光。中高级煤中壳质组与镜质组颜色不能区分。它与镜质组和惰质组相比，具有较高氢含量和挥发分产率。多数壳质组组分具有粘结性。（3）惰质组及其成因惰质组主要是通过丝炭化作用，由植物的组织或已经经过凝胶化作用的组分转化而来的。丝炭化作用是指成煤植物的组织在积水较少、湿度不足的条件下，木质纤维组织经脱水作用和缓慢的氧化作用的复杂过程。丝炭化作用也可以作用于已经受不同程度凝胶化作用的组分上，形成结构上与镜质组类似的惰质组分，但经丝炭化作用后的组分不能再发生凝胶化作用成为凝胶化组分。惰质组的另一个成因是植物的木质组织遭到火灾，被烧焦炭化，再经煤化作用而形成惰质组分。惰质组包括丝质体、半丝质体、微粒体、粗粒体、菌类体和碎屑惰质体等显微组分。反射光下呈白色至亮白色，具有较高突起和较高反射率。油浸反光下呈灰白色、亮白色、亮黄白色，大多具中高突起；透射光下呈棕黑色到黑色、微透明或不透明；蓝光激发下一般不发荧光。与其他两个显微组分组相比，其碳含量最高，氢含量最低，挥发分产率最少，没有粘结性（微粒体除外）。1.1.1.2煤的无机显微组分煤是由有机成分和无机成分组成的。煤的有机成分是煤炭利用的主体，也是人们关注的中心。煤的无机成分是指在显微镜下能观察到的煤中矿物，以及与有机质相结合的各种金属、非金属元素和化合物（无机质）。 运用煤岩学方法研究煤的无机成分，大多是镜下可观察的具有晶质的矿物。而镜下看不见的分散的极细矿物、隐晶矿物和无机质的研究则是元素地球化学、无机地球化学等学科研究的范畴。 按矿物成分和性质，可将煤中矿物质分为以下几类。（1）粘土类矿物粘土类矿物是煤中最常见、最重要的矿物质。它在煤中所占比例很大，分布极广。常见的粘土矿物有高岭石、水云母、伊利石等。在煤中粘土矿物常呈透镜状、薄层状，也有的呈细分散的微粒状，散布于基质中或充填在植物细胞腔中，这种浸染状的细分散的粘土类矿物，很难通过分选加以清除。（2）硫化物类矿物 硫化物类矿物多为不透明矿物，在反射光下具有耀眼的金属光泽。此类矿物包括黄铁矿、白铁矿等。其中黄铁矿是煤中大量存在的矿物之一，常呈晶粒、透镜体、鲕状和球状结核在煤中出现，有时也见到充填于植物细胞腔中或交代孢子体（被黄铁矿完全替代）、角质体等。 （3）碳酸盐类矿物 碳酸盐类矿物主要包括方解石和菱铁矿。方解石常呈薄膜充填于煤的裂隙和层面内，镜下观察多呈脉状。菱铁矿多呈球状或粒状分布在基质中。 （4）氧化物类矿物氧化物类矿物主要是石英、蛋白石等。最常见的是陆源碎屑沉积的石英，多呈粉砂状，棱角状半棱角状存在于煤中。其次是化学成因的自生石英颗粒多为不规则的细粒或微粒分布于基质中。（5）硫酸盐类矿物硫酸盐类矿物主要是石膏，往往沿裂隙或层面，呈微小晶粒出现，常在煤层近地表处可见到。 1.1.1.3煤的宏观煤岩成分由于煤生成过程的复杂多样性，在宏观或微观上也表现出许多特征，人们可以用肉眼或借助放大镜，可以区分它们在组成、结构和物理性质方面的特点和差异，从而把煤划分出许多宏观煤岩成分。宏观煤岩成分是指煤层中肉眼可以识别的不同条带，是用肉眼区分煤的岩石组成的基本单位。表10-1-1列出了腐植煤和腐泥煤的煤岩类型及其最重要的特征。腐植煤煤层通常由镜煤（光亮条带）、亮煤（半光亮条带）、暗煤（暗淡条带）和丝炭（矿物木炭）组成。其中镜煤和丝炭是简单的煤岩成分，亮煤和暗煤是复杂的煤岩成分。在光泽强度上丝炭和暗煤是暗淡的，镜煤和亮煤则是光亮的。表10-1-1 煤的类型和煤岩成分煤的类型煤岩成分肉眼可识别的特征腐植煤镜煤亮煤暗煤丝炭 光亮，黑色，一般很脆，常具裂隙 半亮，黑色，极薄层状 暗淡，黑色或灰黑色，坚硬，表面粗糙 丝绢光泽，黑色，纤维状，软，极易碎腐泥煤烛煤藻煤 暗淡或弱油脂光泽，黑色，均一状，非层状，很坚硬，贝壳状断口，黑色条痕 象烛煤，但外观略带褐色，褐色条痕（1）镜煤镜煤呈黑色、深黑色，光泽强，明亮如镜，因而得名。是煤中颜色最深、光泽最强的类型，其质地纯净而均匀，以贝壳状或眼球状断口和垂直的内生裂隙发育为特征，性脆，但脆度次于丝炭，易破碎成棱角状小块，在煤中常呈透镜状或条带状，有时呈线理状夹在亮煤和暗煤中。镜煤的颜色、光泽和内生裂隙数目均随煤化程度作有规律的变化。（2）亮煤亮煤是煤中最常见的煤岩类型。其光泽仅次于镜煤，性较脆，内生裂隙较发育，比重较小，有时有贝壳状断口。其均一程度不如镜煤，往往可见微细纹理，在煤层中常呈较厚的分层或透镜状出现。（3）暗煤暗煤的颜色为灰黑、暗黑，光泽暗淡，致密坚硬，韧性较大，比重大，内生裂隙不发育，层理不清晰，断面粗糙，断口呈不规则状或平坦状。在煤中形成较厚的分层，甚至单独成层。（4）丝炭丝炭外观像木炭，颜色灰黑或暗黑，具有明显的纤维状结构和丝绢光泽，疏松多孔，性脆易碎染指，其空腔常被矿物质充填，称为矿化丝炭，其致密坚硬、比重大。丝炭在煤层中，一般数量不多，常呈透镜状沿煤的层面分布，多数厚12mm至数mm，有时形成不连续的薄层。1.1.2 煤的元素组成煤的元素组成指的是煤有机质的元素组成，煤的有机质主要是由碳、氢、氧、氮和硫等五种元素组成的。1.1.2.1煤中的碳元素碳是构成煤分子骨架最重要的元素之一，也是煤燃烧过程中放出热能最主要的元素之一。随煤化程度的提高，煤中的碳元素逐渐增加，从褐煤的60%左右一直增加到年老无烟煤的98%。腐植煤的碳含量高于腐泥煤，在不同煤岩组分中，碳含量的顺序是：惰质组镜质组壳质组。1.1.2.2煤中的氢元素氢元素是煤中第二重要的元素，主要存在于煤分子的侧链和官能团上，在有机质中的含量约为2.0%6.5%左右，随煤化程度的提高而呈下降趋势。从低煤化度到中等煤化程度阶段，氢元素的含量变化不十分明显，但在高变质的无烟煤阶段，氢元素的下降较为明显而且均匀，从年轻无烟煤的4%下降到年老无烟煤的2%左右。因此，我国无烟煤分类中采用氢元素含量作为分类指标。氢元素的发热量约为碳元素的4倍，虽然含量远低于碳含量，但氢元素的变化对煤的发热量影响很大。 1.1.2.3煤中的氧元素氧也是组成煤有机质的重要元素，主要存在于煤分子的含氧官能团上，如OCH3、COOH、OH、C=O等基团上均含有氧原子。氧主要存在于年轻煤中，随煤化程度的提高，煤中的氧元素迅速下降，从褐煤的23%左右下降到中等变质程度肥煤的6%左右，此后氧含量下降速度趋缓，到无烟煤时大约只有2%左右。氧元素在煤燃烧时不产生热量，在煤液化时要无谓地消耗氢气，对于煤的利用不利。腐泥煤的氧含量低于腐植煤。腐植煤中不同煤岩组分氧含量的顺序是：镜质组惰质组壳质组。1.1.2.4 煤中的氮元素煤中的氮元素含量较少，一般为0.5%1.8%，随煤化程度提高而呈下降趋势。氮在煤中主要以胺基、亚胺基、五员杂环（吡咯、咔唑等）和六员杂环（吡啶、喹啉等）等形式存在。煤中的氮在煤燃烧时也不放热，主要以N2的形式进入废气，少量形成NOx。当煤在炼焦时，煤中的氮部分形成NH3，HCN及其它有机含氮化合物，其余的则留在焦炭中。1.1.2.5煤中的硫元素硫是煤中主要的有害元素，在煤的焦化、气化和燃烧中均产生对工艺和环境有害的H2S、SO2等物质。煤中的硫分为有机硫和无机硫。一般煤中的有机硫含量较低，但组成很复杂，主要由硫醚或硫化物、二硫化物、硫醇、巯基化合物、噻吩类杂环化合物及硫醌化合物等组分或官能团所构成。煤中的有机硫一般低于0.2%0.5%，但也有有机硫高于1%2%甚至更高的煤。煤中的无机硫主要以硫铁矿、硫酸盐等形式存在，其中尤以硫铁矿硫居多。脱除硫铁矿硫的难易程度取决于硫铁矿的颗粒大小及分布状态，颗粒大则较易去除，极细颗粒的硫铁矿硫也难以采用常规方法脱除。一般情况下，煤中的硫酸盐硫是黄铁矿氧化所致，因而未经氧化的煤中的硫酸盐硫很少。煤中硫含量的高低与成煤的原始环境有密切关系，与煤化程度没有明显的关系。根据最近的研究结果，对有机硫而言，在泥炭化和早期成岩阶段形成的有机硫多以硫醇、硫醚及饱和环状含硫化合物为主；晚期成岩阶段和变质阶段形成的有机硫以噻吩硫为主。许多学者认为高硫煤中的硫经历了一个逐渐积聚的过程，在这一过程中，沉积环境起决定性作用。一般来说，陆相煤的硫含量较低，而海相煤则含硫较高。这是因为在海相的还原环境下，海水中的硫酸根被还原形成硫铁矿进入煤层，此外，海相植物本身的含硫量较高。煤中元素含量随煤化程度的变化规律见表10-1-2。表10-1-2 煤中元素随煤化程度的变化规律煤 种Cdaf，%Hdaf，%Odaf, %Ndaf，%泥 炭55625.36.5273413.5年轻褐煤60705.56.620231.52.5年老褐煤7076.54.56.0152012.5长 焰 煤77814.56.010150.72.2气 煤79855.46.881211.2肥 煤82894.86.04912焦 煤86.5914.55.53.56.512瘦 煤8892.54.35.0350.92贫 煤8892.74.04.7250.71.8年轻无烟煤89933.34.0240.81.5典型无烟煤93952.03.2230.61.0年老无烟煤95980.82.0120.31.0腐 泥 煤75806.57.01.1.3 煤的物理性质1.1.3.1煤的密度（1）真相对密度在20时，煤的质量与同体积（不包括煤中所有孔隙）水的质量之比称为煤的真相对密度，用TRD表示。煤的真相对密度简称煤的真密度，它是煤的主要物理性质之一，在研究煤的分子结构、确定煤化程度、制定煤的分选密度时，都会用到煤的真密度。自然状态下的煤成分比较复杂，因各种因素的综合影响使其密度大体上随煤化程度的加深而提高。煤化度较低时，真密度增加较慢。接近无烟煤时，真密度增加很快。各类型煤的真密度范围大致如下：泥炭为0.72，褐煤为0.81.35，烟煤为1.251.50，无烟煤为1.31.90。煤中矿物质的含量与组成对煤的密度影响很大，煤中矿物质的密度比有机物的密度大得多。例如，常见的矿物质粘土密度为2.42.6，石英密度为2.655，黄铁矿密度为5.0。可以粗略地认为，灰分每增加1%，则煤的真密度增加0.0l。（2）煤的视相对密度20时煤的质量与同体积（仅包括煤的内部孔隙）水的质量之比，用ARD表示。煤的视相对密度简称视密度，可用于计算煤的埋藏量。 （3）煤的散密度煤的散密度又称堆密度或堆积密度，是指20下煤的质量与同体积（包括煤的内外孔隙和煤粒间的空隙）水的质量之比，用BRD表示。煤的散密度的大小除了与煤的真密度有关外，主要决定于煤的粒度组成和堆积的密实度。散密度对煤炭生产和加工利用部门在设计矿车、煤仓、估算煤堆重量、炼焦炉炭化室和气化炉的装煤量等都有很大的实用意义。1.1.3.2 煤的硬度煤的硬度是指在外来机械力的作用下煤抵抗变形或破坏的能力。由于机械力的不同，煤硬度表示的方式有：刻划硬度（莫氏硬度）、弹性回跳硬度（肖氏硬度）、压痕硬度（努普硬度、显微硬度）和耐磨硬度（突起）等。常用的是刻划硬度和显微硬度。表10-1-3 标准矿物的莫氏硬度矿 物硬度级别矿 物硬度级别滑 石1长 石6石 膏2石 英7方解石3黄 晶8氟 石4刚 玉9磷灰石5金刚石10（1）刻划硬度采用一套具有标准硬度的矿物刻划煤，得到粗略的相对硬度。标准矿物的莫氏硬度见表10-1-3。根据莫氏硬度的划分，煤的硬度一般为14。煤的硬度与煤化程度有关，中等煤化程度的焦煤，硬度较小，约为22.5，随着煤化程度的提高，硬度增加，无烟煤的硬度最大，约为4左右。同一煤化程度的煤，丝质组的硬度最大，稳定组最小，镜质组居中。刻划硬度的准确性较差，在科学研究上一般采用显微硬度的指标。（2）显微硬度显微硬度属于压入硬度的一种。一般采用特殊形状（如角锥形、圆锥形等）而又非常坚硬的压入器，施加一定的压力，使压入器压入到样品表面，形成压痕，卸除压力后用显微镜测量压痕的尺寸，如用方形棱锥形金刚石压入器时，测量压痕对角线的长度，即可计算出显微硬度值。从褐煤开始，显微硬度随煤化程度提高而上升，在碳含量为75%80%之间有一个极大值；此后，显微硬度随煤化程度提高而下降，在碳含量达到85%左右最低；煤化程度再提高，显微硬度又开始上升，到无烟煤阶段，显微硬度几乎随煤化程度提高而直线增加。1.1.3.3煤的可磨性煤的可磨性是指煤磨碎成粉的难易程度。在有关的工业实践中，测定煤的可磨性具有重要的意义。火力发电厂、煤液化厂、煤气化厂、水泥厂等，在设计与改进制粉系统并估计磨煤机的产量和耗电量时，常需测定煤的可磨性。目前，国际上普遍采用哈特葛罗夫法评定煤的可磨性。其基本依据是研磨煤粉所消耗的功与新产生的表面积成正比。测定要点是：将美国某矿区的烟煤作为标准煤，其可磨性指数定为100。测定时，先将四个一组可磨性指数各不相同的标准煤样，在哈氏可磨仪上研磨，该标准煤样在规定条件下，经过一定破碎功的研磨，以标准煤的200目筛下物质量为纵坐标，相应的可磨性指数为横坐标得一直线，此直线就是该哈氏可磨仪的校准图。被测煤样在哈氏可磨仪上研磨后，根据200目筛下物的质量在校准图上即可查出相应的可磨性指数，用HGI表示。HGI越大，表示煤的可磨性越好，煤越容易被磨碎。煤的可磨性随煤化程度呈现规律性的变化。在低煤化度阶段，随煤化程度的增加，煤的可磨性缓慢增加，在碳含量为87%90%时，可磨性迅速增大，在碳含量为90%左右达到最大值，此后随煤化程度的进一步提高而迅速下降。1.1.3.4 煤的透光率煤的透光率是指煤样在100的稀硝酸溶液中处理90min，所得有色溶液对一定波长（475nm）的光的透过率。有色溶液透光率的测定有分光光度计法和目视比色法两种。分光光度计法因其重现性差，一般用得不多，我国国家标准采用目视比色法测定有色溶液的透光率，用PM表示。透光率在反映年轻煤的煤化程度时非常灵敏，特别是在煤样受到轻微氧化时，其测值不受影响，而其它反映煤化程度的指标如挥发分、碳含量、发热量等则有明显的变化。因此，在我国煤炭分类中将PM列为划分长焰煤和褐煤的主要指标以及褐煤划分小类的指标。一般年轻褐煤的PM小于30%，年老褐煤在30%50%之间；长焰煤的PM通常大于50%；气煤的PM一般大于90%。1.1.3.5 煤的润湿性当液体和固体接触时，如果固体分子与液体间的作用力大于液体分子间的作用力，则固体可被液体润湿，反之，则不能润湿。所谓润湿性是指液体与固体接触时，固体被液体所润湿的程度。通常采用接触角表示煤的润湿性的大小，接触角越大，煤的润湿性越差。1.1.3.6 煤的孔隙率煤是由远古植物在沼泽中形成的，植物在沼泽中分解形成胶体状物质，其中存在大量孔隙，转化成煤后成为煤中的孔隙。孔隙体积占煤总体积的百分数就是孔隙度。煤中孔隙的孔径并不均匀，通常根据孔径大小将其划分为大孔、中孔和微孔。随煤化程度的加深，总孔容积呈下降趋势，到碳含量大于88%以后，煤的总孔容又有所提高。碳含量小于75%的褐煤，大孔占优势；碳含量为75%82%之间的煤，中孔占优势；碳含量为88%91%的煤，微孔占优势。年轻煤中的孔隙主要是由胶体孔隙转化而来的，由于成煤作用中受到的压力较小，孔径也就较大；到了中等煤化程度的煤，由于煤化作用，分子结构的变化会使分子趋于紧密，因而孔隙会减小；到了高煤化程度的无烟煤，煤分子缩聚加剧，使煤的体积收缩，由于收缩不均，产生的内应力大于煤的强度时，就会在局部形成裂隙，这些裂隙基本以微孔为主。1.1.4 煤的发热量煤的发热量也称煤的热值，是指单位质量的煤完全燃烧后所释放出的热能，用kJ/g或MJ/kg表示。发热量是煤最重要的质量指标之一，是煤作为能源的使用价值高低的体现。根据煤的发热量可以计算锅炉的热量平衡、耗煤量、热效率，还可估算锅炉燃烧时的理论空气量、烟气量以及理论燃烧温度等，是锅炉设计的重要依据。1.1.4.1 煤在氧弹中燃烧与在实际条件下燃烧的区别一般采用氧弹法测定煤的发热量，煤在氧弹中燃烧时，氧弹中的气氛是高压纯氧。在这一特殊条件下，煤的燃烧反应与大气条件下的燃烧有较大的区别。 （1）氮（包括氧弹中原有少量空气中的氮）在高压氧条件下，部分氮生成了高价氮氧化物，这些高价氮氧化物与水作用生成硝酸。这一过程是放热的。而煤在大气中燃烧时并不生成高价氮氧化物，更不会在锅炉内生成硝酸而放热。显然，煤在氧弹中燃烧时放出较多的热量。 （2）煤中的可燃硫（有机硫和硫铁矿硫）在氧弹中燃烧时，由于高压氧的存在，生成的SO2又转化为SO3，并与水作用生成了H2SO4，H2SO4溶于水形成稀硫酸。这一过程也是放热的。煤在大气中燃烧时绝大部分的可燃硫以SO2形式放出。显然，由于煤中硫的存在，使煤在氧弹中燃烧释放出的热量大于煤在大气中燃烧释放的热量。 （3）煤中的吸附水以及煤中的氢燃烧后生成的水在氧弹中均以液体水存在，而煤在大气燃烧时水是以蒸气的形式排放到大气中。由蒸汽变为液态的水要释放出大量的热。可见，由于水的存在形态不同，使得煤在氧弹中燃烧后释放出的热量大于在大气中燃烧所释放出的热量。（4）煤在氧弹中燃烧是恒容燃烧，在大气中燃烧是恒压燃烧。在恒压条件下燃烧时因气体体积增大需向环境做功，从而使释放的热量减少。在氧弹中燃烧时则不存在向环境做功的问题，释放的热量就大。煤在恒压和恒容条件下燃烧释放的热量差别不大，一般不作校正，直接使用恒容条件下测得的结果。1. 1. 4.2 弹筒发热量的校正从上面的分析可知，由弹筒测得的弹筒发热量与煤在实际条件下燃烧释放的热量有较大的差距，为了得到接近实际的发热量值，需对弹筒发热量进行校正。如无特别说明，发热量均是指恒容发热量。（1）对N、S特殊热效应的校正恒容高位发热量从弹筒发热量中扣除稀硫酸和稀硝酸生成热，称为恒容高位发热量，简称高位发热量。（2）对水不同状态热效应的校正恒容低位发热量从恒容高位发热量中扣除水（煤中的吸附水和氢燃烧生成的水）的汽化热，称为恒容低位发热量，简称低位发热量。 1.1.4.3影响煤发热量的因素煤的发热量是煤质特性的综合指标，煤质特性是决定煤的发热量的主要因素。煤的成因、煤化程度、煤岩组成、矿物质含量高低等对煤的发热量均有不同程度的影响。（1）成因类型的影响 腐泥煤和残植煤的发热量较腐植煤高，主要原因是前者氧含量低、氢含量高。（2）煤岩组成的影响 相同煤化程度的煤，煤岩组成不同时煤的发热量也有差别。这时因为各煤岩成分的发热量不同。通常，壳质组的发热量最高，镜质组次之，惰质组最低。但对于低煤化度煤，其惰质组的发热量可能高于镜质组。随着煤化程度的提高，这种差别逐步减小，到无烟煤阶段，几乎没有差别了。（3）矿物质（灰分）的影响煤在燃烧时，其中绝大部分的矿物质将发生化学反应，如碳酸钙的分解、石膏的脱水等，这些反应一般是吸热反应，造成煤燃烧时释放出的热量减少，热值降低。如果以干燥基表示煤的发热量，则煤的发热量将直线下降，水分也有类似的影响关系。（4）风化的影响 煤受风化后，产生热量的炭、氢元素含量下降，不放热的氧含量增加，因而煤风化后的热值明显降低。（5）煤化程度的影响腐植煤的发热量与煤化程度有很好的相关关系。从低煤化度的褐煤开始，随着煤化程度的提高，煤的发热量逐渐增加，到肥煤、焦煤阶段，发热量达到最大，最高可达37kJ/g。此后，随煤化程度提高，煤的发热量则呈下降趋势。这一规律与煤的元素组成的变化是吻合的。影响煤发热量的元素主要是C、H、O三种元素，其中O不产生热量。从低煤化度的褐煤开始，随煤化程度的提高，其中的氧元素含量迅速下降，碳含量则逐渐增加，氢元素含量变化不大，所以煤的发热量是增加的，到中等变质程度的肥煤和焦煤达到最高值。此后，煤中的氧含量的减少趋缓，而氢含量则明显下降，碳含量虽然明显增加，但它的发热量仅为氢的四分之一左右，因此，使煤的发热量呈下降趋势。不同煤化程度煤的发热量见表4。表4 各种煤的发热量煤种Qgr, v, daf, kJ/g泥 炭2024年青褐煤2428年老褐煤2830.6长 焰 煤3033.5气 煤32.235.6肥 煤34.336.8焦 煤35.237.1瘦 煤3536.6贫 煤34.836.4年青无烟煤34.836.2典型无烟煤34.335.2年老无烟煤32.234.31.1.5 煤的粘结性1.1.5.1煤的粘结性和结焦性煤的粘结性是指烟煤在干馏时产生的胶质体粘结自身和/或惰性物料的能力。煤的结焦性是指单种煤或配合煤在工业焦炉或模拟工业焦炉的炼焦条件下（一定的升温速度、加热终温等），粘结成块并最终形成具有一定块度和强度的焦炭的能力。粘结性是结焦性的必要条件，而胶质体的塑性、流动性、膨胀性、透气性、热稳定性等对煤的结焦性也有较大的影响。煤的粘结性是评价烟煤能否用于炼焦的主要依据，也是评价低温干馏、气化、或动力用煤的重要依据。炼焦是煤最主要的转化利用方式。炼焦就是将配合好的煤粉碎到适宜的粒度后在焦炉中进行高温干馏，生成焦炭、煤气和其它化学产物的热加工过程。炼焦用煤必须具有粘结性，即粉状的炼焦煤在高温干馏过程中能够“软化”、“熔融”，并形成粘稠的以液体为主的胶质体，固化后形成块状焦炭的能力，肥煤和气肥煤的粘结性最好。炼焦用煤也必须具有结焦性，即煤在干馏时，能形成一定块度和足够强度的焦炭的能力，焦煤的结焦性最好。1.1.5.2煤的粘结性和结焦性的评定方法煤的粘结性和结焦性的评定方法很多，如罗加指数、粘结指数、胶质层指数、奥阿膨胀度、坩埚自由膨胀序数、葛金焦型、基氏流动度等，限于篇幅，本书只简要介绍其中国内常用的几个。（1）罗加指数罗加指数是由波兰学者罗加提出的一种测定煤的粘结性的方法。方法要点是：将试验煤样粉碎到粒度小于0.2mm，称取1g该煤样与5g标准无烟煤（Ad 4%，Vdaf 80Al2O3535850Fe2O3425165CaO5400.535MgO0.13 0.15TiO20.240.16SO30.635 0.115P2O50.042.50.015K2O+Na2O0.0910 0.1101.1.7.2 煤灰熔融特性（1）煤灰熔融性煤灰熔融性是指煤灰在高温条件下软化、熔融、流动时的温度特性。通常，煤灰熔融性采用角锥法进行测定，即将煤灰中加入淀粉糊，制成三棱锥形状的灰锥，放入高温炉，在一定气氛下加热，观察在加热过程中灰锥的变形情况，测定四个特征温度，即变形温度、软化温度、半球温度和流动温度，依此确定煤灰熔融性。煤灰熔融性取决于煤灰成分的组成比例及气氛的氧化还原性。灰成分中SiO2和Al2O3含量高，灰熔点也高。而CaO、MgO、Fe2O3、K2O、Na2O等碱性成分高则灰熔点就低。高温条件下，煤灰所在部位的氧化还原性气氛对煤灰熔融性也有很大的影响。氧化、弱还原和强还原气氛下，Fe元素分别以Fe2O3、FeO和Fe的形式存在，其熔点也各不同。Fe2O3的熔点是1560，FeO是1535，Fe是1420。在弱还原性气氛下， FeO能与SiO2形成一系列低共熔混合物，如4FeOSiO2，2FeOSiO2和FeOSiO2等，它们的熔融范围均在11381180之间。在工业条件下，煤炭燃烧或气化成渣部位的气氛一般是弱还原性的，因此，在测定煤灰熔融性时，一般模拟弱还原性气氛进行。在相同的气氛条件下，煤灰熔融性由其灰成分的化学组成决定。通常，不同产地的煤，其灰成分差别很大，因此煤灰熔融性也大不相同。煤灰中不同化学成分对煤灰熔融性的影响有一定规律性。（1）SiO2的影响：SiO2是煤灰中含量最多的成分，约为30%70%。SiO2对煤灰熔融性的影响较为复杂。在SiO2含量大于40%时，煤灰熔融温度比小于40%的高约100，当SiO2含量超过45%时，SiO2增加，FT和ST 之差随之增大，但SiO2在45%60%时，SiO2含量增加，灰熔点则降低。SiO2超过60%，对灰熔点的影响没有规律性。（2）Al2O3的影响：Al2O3一般是第二多的成分，它的存在能显著增加煤灰的熔融温度。Al2O3越高，煤灰熔融温度就越高。当煤灰中Al2O3含量超过40%时，无论其他成分如何变化，煤灰的流动温度都将大于1500。（3）CaO的影响：煤灰中CaO的含量差别很大，大多数煤的灰分中CaO含量不超过10%，个别的煤灰中CaO的含量可高达30%以上。CaO是碱金属氧化物，它很容易与SiO2形成易熔的硅酸盐。通常煤灰中的SiO2含量远远超过CaO的含量，有足够的SiO2与CaO形成复合硅酸盐。因此，CaO一般均起降低灰熔点的作用。（4）MgO的影响：MgO的作用与CaO类似，也会降低灰熔点。（5）K2O、Na2O的影响：煤灰中的K2O和Na2O均能显著降低灰熔点。煤灰中的Na2O每增加1%，软化温度降低17.7，流动温度降低15.6。煤灰熔融温度是一个近似反映煤在锅炉中或气化炉中灰渣熔融特性的数据。一般固态排渣炉要求煤灰的熔融温度越高越好，以避免因为煤灰的熔融温度低而在炉内结渣影响正常操作。煤灰熔融温度低时，煤灰熔融后会包裹煤粒，造成煤燃烧不完全，更严重的是熔融煤灰渣之间融结成片，造成炉内通气不畅，严重影响正常运行，甚至会造成停车事故。而液态排渣炉则要求灰熔融温度越低越好。（2）煤灰黏度煤灰黏度是动力用煤和气化用煤的重要指标，特别是对于液态排渣炉来说，仅靠煤灰熔融温度的高低已经不能正确判断煤灰渣在液态时的流动特性，而需要测定煤灰在熔融态时的黏度特性曲线。煤灰黏度是指煤灰在熔融状态下的内摩擦系数，表征煤灰在高温熔融状态下流动时的物理特性。正常液态排渣的黏度一般为510 PaS，最多不超过25 PaS。同一煤灰的黏度随温度提高而降低，相同温度下，煤灰的黏度温度特性曲线也取决于煤灰的化学组成。SiO2和Al2O3含量高，则灰渣黏度大；CaO、MgO、Fe2O3、K2O、Na2O等碱性成分高，则可以降低灰黏度。当煤灰的碱酸比由小变大时，指定黏度下的温度会降低。所以，在生产中，可以根据工艺需要，采用添加助熔剂或配煤的方法达到改变煤灰成分及灰黏度的目的。1.2 煤的工业分析工业分析是确定煤化学组成最基本的方法，它是在规定条件下，将煤的化学组成近似区分为水分、灰分、挥发分和固定碳四种组分的分析测定方法。工业分析是一种条件实验，除了水分以外，灰分、挥发分和固定碳是煤在测定条件下的转化产物，不是煤中的固有成分，其测定结果依测定条件变化而变化。工业分析虽然简单，但分析结果对于研究煤炭性质、确定煤炭的合理用途以及在煤炭贸易中，都具有重要的作用。1.2.1 煤的水分煤中的水分可分为游离水和化合水。工业分析测定的水分只是空气干燥煤样中的游离水分的含量。煤中游离水是指与煤呈物理态结合的水，它吸附在煤的外表面和内部孔隙中。煤的颗粒越细、内部孔隙越发达，煤吸附的水分就越高。煤中的游离水分可分为两类，即在常温的大气中易于失去的水分和不易失去的水分，前者吸附在煤粒的外表面和较大的毛细孔隙中，称为外在水分；后者则存在于较小的孔隙中，称为内在水分。工业分析采用的煤样是空气干燥煤样，也就是失去外在水分的煤样。空气干燥煤样的水分也可称为空气干燥基水分。煤的内在水分与煤化程度呈现规律性的变化。从褐煤开始，随煤化程度的提高，煤的内在水分是逐渐下降的，到中等煤化程度的肥煤和焦煤阶段，内在水分最低，此后，随煤化程度提高，内在水分又有所上升。这是由于煤的内在水分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，煤的水分就越高。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大。低煤化程度的煤内表面积发达，分子结构上含氧官能团的数量也多，因此内在水分就较高。随煤化程度的提高，煤的内表面积和含氧官能团均呈下降趋势，因此，煤中的内在水分也是下降的。到无烟煤阶段，煤的内表面积有所增大，因而煤的内在水分也有所提高。煤的最高内在水分与煤化程度的关系见表7。表7 煤的最高内在水分与煤化程度的关系煤 种无烟煤贫 煤瘦 煤焦 煤肥 煤气 煤弱粘煤不粘煤长焰煤褐 煤MHC,%1.5-101-3.51-30.5-40.5-41-63-105-205-2015-351.2.2 煤的灰分将煤在815的条件下完全燃烧后所得的残渣作为煤的灰分，残渣占煤样质量的百分数，称为煤的灰分产率，也可简称煤的灰分。煤的灰分是煤中矿物质在煤燃烧时转化而成的。煤的灰分产率随产地和产品品种变化很大，与煤化程度没有规律可循。1.2.3 煤的挥发分和固定碳煤的挥发分和固定碳是煤中的有机质在高温热解时，产生的气相和固相产率的度量。煤在900隔绝空气加热7min，有机质发生热解反应，形成气相挥发物和固体产物，各自的产率分别称为挥发分和固定碳。煤的挥发分随煤化程度的提高而下降。褐煤的挥发分最高，通常大于40%，无烟煤的挥发分最低，通常小于10%。煤的挥发分主要来自于煤分子上不稳定的脂肪侧链、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。随着煤化程度的提高，煤分子上的脂肪侧链和含氧官能团均呈下降趋势，所以煤的挥发分随煤化程度的提高而下降。1.3 中国煤炭分类中各类煤的用途1958年我国颁布了煤炭分类方案，在使用过程中发现有很多问题。1974年我国有关部门开始对煤炭进行新的分类研究，经有关部委、科研机关和高等院校的专家、教授多次会议论证，并对全国主要煤矿、煤产地煤质资料进行了全面分析，基本上取得了一致意见。1985年1月19日通过了煤炭分类国家新标准，并于1986年10月1日起正式实施。该分类方案将所有煤中划分为14大类，即无烟煤、贫 煤、贫瘦煤、瘦 煤、焦 煤、1/3焦煤、肥 煤、气肥煤、气 煤、1/2中粘煤、弱粘煤、不粘煤、长焰煤、褐煤。各类煤的特性与主要用途简述如下。（1）无烟煤（WY）无烟煤的特点是固定碳高，挥发分低，纯煤真相对密度高达1.351.90g/cm3，无粘结性，燃点高，一般达360420左右，燃烧时不冒烟。无