煤的化学组成和工艺性质

1、第六章第六章 Goal of studyGoal of studyv煤的化学组成元素及其所反映的成煤环境特点；煤的化学组成元素及其所反映的成煤环境特点；v煤的工艺性质中的关键指标有哪些。煤的工艺性质中的关键指标有哪些。第六章第六章 煤的化学组成和工艺性质煤的化学组成和工艺性质一、煤的化学组成一、煤的化学组成 煤的化学组成很复杂，但归纳起来可分为煤的化学组成很复杂，但归纳起来可分为两大类：两大类：即有机质和无机质即有机质和无机质。前者是煤的主要。前者是煤的主要组成部分，也是加工利用的对象；后者包括组成部分，也是加工利用的对象；后者包括无无机矿物质和水分机矿物质和水分，它们绝大多数是煤中有害成，它

2、们绝大多数是煤中有害成分，对煤的加工利用起着不良的影响。分，对煤的加工利用起着不良的影响。( (一一) )煤中有机质及其元素组成煤中有机质及其元素组成 有机质是煤中最重要的组成部分有机质是煤中最重要的组成部分，也是工业，也是工业上目前对煤加工利用的主要成分，因此煤的加上目前对煤加工利用的主要成分，因此煤的加工利用方式主要是由煤中有机质的组成和性质工利用方式主要是由煤中有机质的组成和性质决定的。决定的。 煤中有机质是由各种复杂的高分子有机化合煤中有机质是由各种复杂的高分子有机化合物所组成的混合物。它们主要是由物所组成的混合物。它们主要是由碳、氢、氧、碳、氢、氧、氮和有机硫等氮和有机硫等元素构成的

3、，此外还有极少量的元素构成的，此外还有极少量的磷和其它元素。磷和其它元素。 煤中有机质的特性之一是难以分离提纯成单煤中有机质的特性之一是难以分离提纯成单一的化合物往往只能把性质上相似的化合物归并一的化合物往往只能把性质上相似的化合物归并成一类，分成不同的族组分，然后加以研究。成一类，分成不同的族组分，然后加以研究。易易于受热分解是煤中有机质的另一特性于受热分解是煤中有机质的另一特性，分解温度，分解温度随着煤化程度加深而提高。在有机化合物中同分随着煤化程度加深而提高。在有机化合物中同分异构现象是相当普遍的，煤中有机质也不例外，异构现象是相当普遍的，煤中有机质也不例外，有时两种煤的元素分析结果基本

4、相同，而它们的有时两种煤的元素分析结果基本相同，而它们的工艺性质却有很大的差别。工艺性质却有很大的差别。 关于煤中有机质的元素组成和煤质之间的关于煤中有机质的元素组成和煤质之间的关系，分述如下：关系，分述如下： 1 1碳碳 碳是煤中有机质的主要成分，也是煤燃烧过程中产生碳是煤中有机质的主要成分，也是煤燃烧过程中产生效能的重要元素。从化学结构上看，碳大都集中在稠核上，效能的重要元素。从化学结构上看，碳大都集中在稠核上，构成稠核芳香系统的骨架。随着煤化程度加深，稠核不断构成稠核芳香系统的骨架。随着煤化程度加深，稠核不断扩大，碳含量逐渐增加。在同一种煤中，不同煤岩成分的扩大，碳含量逐渐增加。在同一种

5、煤中，不同煤岩成分的碳含量也有很大的差别，丝质组的碳含量比镜质组高。碳含量也有很大的差别，丝质组的碳含量比镜质组高。 2 2氢氢 氢和碳一样也是煤中有机质的重要元素。煤中氢含量氢和碳一样也是煤中有机质的重要元素。煤中氢含量( (Hdaf) )随着煤化程度加深而降低。就同一种煤来说，在不随着煤化程度加深而降低。就同一种煤来说，在不同的煤岩成分中，以稳定组的氢含量为最高，丝质组为最同的煤岩成分中，以稳定组的氢含量为最高，丝质组为最低。低。 煤中氢含量煤中氢含量( (Hdaf) )增加，能使煤的热加工化学产增加，能使煤的热加工化学产品的数量和质量有所提高。品的数量和质量有所提高。 煤中氢含量与煤的挥

6、发分和焦油产率之间有着一煤中氢含量与煤的挥发分和焦油产率之间有着一定的关系。定的关系。 综上所述，煤的碳、氢含量在一定程度上综上所述，煤的碳、氢含量在一定程度上反映了煤质及其变化特性，并影响到煤的加工反映了煤质及其变化特性，并影响到煤的加工和利用。有人曾提出应用和利用。有人曾提出应用C CH H值作为煤的分类值作为煤的分类指标；在工业上指标；在工业上C CH H值也是评价加氢液化用煤值也是评价加氢液化用煤的质量指标。的质量指标。 3 3氧氧 氧在煤的有机质中以各种官能团的形式存在，氧在煤的有机质中以各种官能团的形式存在，分布在支链上或在稠核中构成杂环。在煤化作分布在支链上或在稠核中构成杂环。在

7、煤化作用过程中，由于温度的影响煤中氧含量用过程中，由于温度的影响煤中氧含量( (Odaf) )随着煤化程度加深而减少，其波动范围很大。随着煤化程度加深而减少，其波动范围很大。在同一种煤的不同煤岩成分中，以镜质组和稳在同一种煤的不同煤岩成分中，以镜质组和稳定组的氧含量为最高，丝质组的氧含量最低。定组的氧含量为最高，丝质组的氧含量最低。 4 4氮氮 氮是煤中唯一完全以有机状态存在的元素。氮是煤中唯一完全以有机状态存在的元素。虽然煤中氮存在的形态至今还不完全了解，但虽然煤中氮存在的形态至今还不完全了解，但可以肯定煤中氮主要由成煤植物中的蛋白质转可以肯定煤中氮主要由成煤植物中的蛋白质转化而来，有一部分

8、可能是或煤过程中细菌活动化而来，有一部分可能是或煤过程中细菌活动的产物。研究资料表明：氮主要以杂环的形态的产物。研究资料表明：氮主要以杂环的形态存在于有机质的稠核中，存在于有机质的稠核中，与碳结合得很牢固，与碳结合得很牢固，煤化作用对其影响不大煤化作用对其影响不大。 5 5硫硫 煤中硫的存在形式很多，在有机质中所含的煤中硫的存在形式很多，在有机质中所含的硫称为有机硫硫称为有机硫( (Sorg) )，它来自成煤植物本身或，它来自成煤植物本身或成煤过程中硫酸盐类与植物分解产物作用而成。成煤过程中硫酸盐类与植物分解产物作用而成。有机硫在煤中分布均匀，难以分离。在低硫煤有机硫在煤中分布均匀，难以分离。

9、在低硫煤中，有机硫占全量的绝大部分。中，有机硫占全量的绝大部分。 存在于矿物质中的硫称为无机硫存在于矿物质中的硫称为无机硫(S)(S)，它，它又可分为硫化物硫又可分为硫化物硫(S(SP P) )和硫酸盐硫和硫酸盐硫(S(SS S) )两类。两类。煤中无机硫分离的难易程度与矿物质颗粒的大煤中无机硫分离的难易程度与矿物质颗粒的大小及其分布状态有关。颗粒大而分布较为集中小及其分布状态有关。颗粒大而分布较为集中的易于分离，颗粒小而分布均匀的则难以分离。的易于分离，颗粒小而分布均匀的则难以分离。硫的有害性硫的有害性1 1）高硫煤用作燃料时，燃烧后产生的二氧化硫）高硫煤用作燃料时，燃烧后产生的二氧化硫气体

10、，不仅严重腐蚀锅炉的管道，而且还严重气体，不仅严重腐蚀锅炉的管道，而且还严重污染大气；污染大气；2 2）用高硫煤制半水煤气时，由于煤气中硫化氢）用高硫煤制半水煤气时，由于煤气中硫化氢等气体较多且不易脱净，会使合成氨催化剂毒等气体较多且不易脱净，会使合成氨催化剂毒化而失效；化而失效；3 3）在炼焦工业中，硫分的影响更大。）在炼焦工业中，硫分的影响更大。 6 6磷磷 煤中的磷是有害元素之一，大都存在于无机矿煤中的磷是有害元素之一，大都存在于无机矿物质中物质中。我国煤中磷的含量不高，一般为。我国煤中磷的含量不高，一般为0.001-0.001-0.10.1，最高不超过，最高不超过1 1。虽然煤中磷的含

11、量较少，。虽然煤中磷的含量较少，但是它的危害性却很大。在煤炼焦时，煤中的磷但是它的危害性却很大。在煤炼焦时，煤中的磷转入焦炭，焦炭用于炼铁时又进入生铁中，使生转入焦炭，焦炭用于炼铁时又进入生铁中，使生铁发脆而影响其质量。因此磷是煤中有害成分，铁发脆而影响其质量。因此磷是煤中有害成分，炼焦用煤要求磷含量在炼焦用煤要求磷含量在0.02-0.030.02-0.03以下。以下。 ( (二二) )煤中无机质煤中无机质 煤中无机质主要是指水分和矿物质而言。煤中无机质主要是指水分和矿物质而言。煤中水分和矿物质的含量直接影响煤的质量和煤中水分和矿物质的含量直接影响煤的质量和煤的加工利用。同时，矿物质的组成和赋

12、存状煤的加工利用。同时，矿物质的组成和赋存状态又与成煤条件密切相关。态又与成煤条件密切相关。 1 1水分水分 所有的煤都含有水分它以各种结合形式存在，所有的煤都含有水分它以各种结合形式存在，并与外界条件和内部结构有关。并与外界条件和内部结构有关。在煤开采、储在煤开采、储运以及洗选时，润湿在煤的表面和大毛细孔中运以及洗选时，润湿在煤的表面和大毛细孔中的水分称为的水分称为外在水分外在水分，它主要与外界条件有关，它主要与外界条件有关，而与煤质本身无直接关系。而与煤质本身无直接关系。 将除去外在水分以后的风干煤样，加热到将除去外在水分以后的风干煤样，加热到102-105102-105时所失去的水分称为

13、时所失去的水分称为内在水分内在水分，内，内在水分含量与煤质有关，它与变质程度之间的在水分含量与煤质有关，它与变质程度之间的关系如图关系如图6-76-7所示，特别是在低变质阶段其规所示，特别是在低变质阶段其规律性尤为明显。在煤质评价中常用的水分指标律性尤为明显。在煤质评价中常用的水分指标有分析煤样水分（有分析煤样水分（Wad）和应用煤样全水分）和应用煤样全水分（Wt,ar）两项。）两项。 2 2矿物质和煤灰矿物质和煤灰 煤中矿物质含量的变化很大而且成分也十分煤中矿物质含量的变化很大而且成分也十分复杂。就矿物质的元素组成而言，有数十种之复杂。就矿物质的元素组成而言，有数十种之多，多，其中主要是硅、

14、铝、铁、钙、镁、钠、钾、其中主要是硅、铝、铁、钙、镁、钠、钾、硫和磷等，硫和磷等，它们分别以碳酸盐它们分别以碳酸盐(Ca(Ca，MgMg，Fe)Fe)、硅酸盐硅酸盐(AI(AI，CaCa，MgMg，NaNa，K)K)、硫酸盐以及硫、硫酸盐以及硫化物等盐类的形态存在。矿物质中绝大部分是化物等盐类的形态存在。矿物质中绝大部分是铝硅酸盐，占总量的铝硅酸盐，占总量的9595以上。以上。 按照煤中矿物质的来源，可把它分为原生按照煤中矿物质的来源，可把它分为原生的和外来的两大类。的和外来的两大类。这两类矿物质的成分、在这两类矿物质的成分、在煤中分布的特点和选除的难易程度都不相同。煤中分布的特点和选除的难易

15、程度都不相同。煤中矿物杂质的分布可以是分散的或集中成层。煤中矿物杂质的分布可以是分散的或集中成层。 当煤在一定的温度之下当煤在一定的温度之下(815)(815)经过完全经过完全燃烧，矿物质完成了所有的变化以后，所剩余燃烧，矿物质完成了所有的变化以后，所剩余的残渣叫做灰分的残渣叫做灰分( (即煤灰即煤灰) )。 由上可知，矿物质和灰分是两个不同的概由上可知，矿物质和灰分是两个不同的概念，它们在成分上或数量上并不相等。灰分是念，它们在成分上或数量上并不相等。灰分是矿物质经灼烧后不燃的固体残渣，煤灰本身并矿物质经灼烧后不燃的固体残渣，煤灰本身并不存在于煤中，而是煤燃烧后的产物，测定的不存在于煤中，而

16、是煤燃烧后的产物，测定的结果应称为结果应称为“灰分产率灰分产率” 。 同一煤的不同煤岩类型的灰分产率和组成同一煤的不同煤岩类型的灰分产率和组成的差别也很大。丝炭中常常有矿物充填，一般的差别也很大。丝炭中常常有矿物充填，一般说来丝炭的灰分较高，其主要成分是氧化钙；说来丝炭的灰分较高，其主要成分是氧化钙；镜煤的灰分较低，而且大都是可溶性碱金属。镜煤的灰分较低，而且大都是可溶性碱金属。 煤灰的主要成分是煤灰的主要成分是铝硅酸盐铝硅酸盐，研究煤灰成分可，研究煤灰成分可以推断煤中矿物质的组成，有助于阐明煤的成因。以推断煤中矿物质的组成，有助于阐明煤的成因。 煤灰的成分不同还直接影响到灰熔点，煤灰的成分不

17、同还直接影响到灰熔点，煤灰煤灰中铝硅酸盐的比例越大，则灰熔点越高；氧化铁、中铝硅酸盐的比例越大，则灰熔点越高；氧化铁、氧化钙和氧化镁的含量越多，则灰熔点越低。氧化钙和氧化镁的含量越多，则灰熔点越低。在在工业上，往往根据煤的灰分产率和灰熔点的高低工业上，往往根据煤的灰分产率和灰熔点的高低不同而划分成各种级别，这有助于对煤质的研究不同而划分成各种级别，这有助于对煤质的研究和评价。和评价。 灰分过高影响煤质。灰分过高影响煤质。 煤的矿物质中还含有氯、氟和砷，不过它煤的矿物质中还含有氯、氟和砷，不过它们的含量都很低，但是危害却很大。煤中的氯们的含量都很低，但是危害却很大。煤中的氯多以碱金属氯化物多以碱

18、金属氯化物( (主要是氯化钠主要是氯化钠) )的形式存在。的形式存在。煤中氯含量高低、反应出煤中钾、钠等元素含煤中氯含量高低、反应出煤中钾、钠等元素含量的高低，而后者是锅炉污染的重要因素。当量的高低，而后者是锅炉污染的重要因素。当煤用于炼焦或燃烧时，煤用于炼焦或燃烧时，氯化物会严重地腐蚀管氯化物会严重地腐蚀管道和设备道和设备。煤中氯还是计算煤中矿物质及精确。煤中氯还是计算煤中矿物质及精确计算煤中氧的主要依据之一。计算煤中氧的主要依据之一。3 3煤中稀有分散元素煤中稀有分散元素 煤中存在许多稀有、分散以及放射性元素煤中存在许多稀有、分散以及放射性元素以有机或无机化合物的形态存在于煤中。从煤以有机

19、或无机化合物的形态存在于煤中。从煤中提炼富集程度较高的稀有分散元素具有很大中提炼富集程度较高的稀有分散元素具有很大的经济价值，如钒（的经济价值，如钒（V V）、锗（）、锗（GeGe）和镓（）和镓（GaGa）等。等。二、煤中有机质的化学结构二、煤中有机质的化学结构 不同煤化程度的煤，或同一煤中不同的煤岩成不同煤化程度的煤，或同一煤中不同的煤岩成分，它们的有机质的特性各不相同，这主要是由分，它们的有机质的特性各不相同，这主要是由于它们的化学组成和结构上的差异造成的。于它们的化学组成和结构上的差异造成的。从成从成煤的全过程来看，成煤的原始物质煤的全过程来看，成煤的原始物质植物遗体植物遗体、所形成的中

20、间产物所形成的中间产物腐植酸腐植酸都是高分子化合物。都是高分子化合物。因此可以推断：煤中有机质一定是分子更大、更因此可以推断：煤中有机质一定是分子更大、更复杂的高分子化合物。复杂的高分子化合物。第六章第六章 煤的化学组成和工艺性质煤的化学组成和工艺性质煤的工艺性质煤的工艺性质 煤不仅是重要的燃料，更是冶金、化学工煤不仅是重要的燃料，更是冶金、化学工业的重要原料。煤的工艺性质主要包括：业的重要原料。煤的工艺性质主要包括：粘结粘结性、发热量、化学反应性、热稳定性、焦油产性、发热量、化学反应性、热稳定性、焦油产率和可选性等。率和可选性等。一、煤的粘结性和结焦性一、煤的粘结性和结焦性 煤的粘结性是指煤

21、粒（直径小于煤的粘结性是指煤粒（直径小于0.2mm0.2mm）在）在隔绝空气受热后能否粘结其本身或惰性物质形隔绝空气受热后能否粘结其本身或惰性物质形成焦块的能力。成焦块的能力。 煤的结焦性是指煤粒隔绝空气受热后能否生煤的结焦性是指煤粒隔绝空气受热后能否生成优质焦炭成优质焦炭( (焦炭强度和块度符合冶金焦的要焦炭强度和块度符合冶金焦的要求求) )的性质。的性质。 煤的粘结性是结焦的必要条件。煤的粘结性是结焦的必要条件。煤的工艺性质煤的工艺性质 测定煤粘结性和结焦性的方法很多，国内测定煤粘结性和结焦性的方法很多，国内外常用的方法有外常用的方法有胶质层指数测定法、罗加指数胶质层指数测定法、罗加指数法

22、、奥亚膨胀法、葛金干馏试验、自由膨胀序法、奥亚膨胀法、葛金干馏试验、自由膨胀序数测定法、基氏塑性计法等方法数测定法、基氏塑性计法等方法。各种方法的。各种方法的适用范围和精度各不相同。适用范围和精度各不相同。煤的工艺性质煤的工艺性质二、煤的发热量二、煤的发热量 定义：定义：煤的发热量就是每单位重量的煤在完煤的发热量就是每单位重量的煤在完全燃烧时所产生的热量，常用卡全燃烧时所产生的热量，常用卡/ /克或千卡克或千卡/ /公公斤表示。斤表示。 发热量是动力用煤的主要质量指标，煤的燃发热量是动力用煤的主要质量指标，煤的燃烧和气化要用发热量计算热平衡、热效率和耗烧和气化要用发热量计算热平衡、热效率和耗煤

23、量，它是燃烧和气化设备的设计依据之一。煤量，它是燃烧和气化设备的设计依据之一。煤的工艺性质煤的工艺性质影响煤发热量的因素：影响煤发热量的因素：煤的发热量与煤岩成分、煤化程度煤的发热量与煤岩成分、煤化程度( (煤级煤级) )、煤中矿物杂质的含量、煤的风氧化程度有关。煤中矿物杂质的含量、煤的风氧化程度有关。 1 1）煤岩成分：同一煤级中，壳质组的发热）煤岩成分：同一煤级中，壳质组的发热量最高，其次为镜质组和惰质组。量最高，其次为镜质组和惰质组。煤的工艺性质煤的工艺性质 图图6-18 6-18 煤的挥发分产率与发热量关系煤的挥发分产率与发热量关系 （据（据中国煤田地质学中国煤田地质学（上册），（上册

24、），19791979） 01020304050V /%daf6500700080009000Q 卡/克b,daf2 2）煤化程度：当煤）煤化程度：当煤以镜质组为主时，随以镜质组为主时，随煤级升高，煤的发热煤级升高，煤的发热量逐渐增高，至中煤量逐渐增高，至中煤级的焦煤、瘦煤时达级的焦煤、瘦煤时达到高峰，以后又稍有到高峰，以后又稍有下降下降。煤的工艺性质煤的工艺性质三、煤的气化指标三、煤的气化指标 煤经过气化可产生做燃料用的动力煤气和煤经过气化可产生做燃料用的动力煤气和供化学合成煤气。通常把煤的供化学合成煤气。通常把煤的反应性、机械强反应性、机械强度、热稳定性、灰熔点、灰粘度和结渣性度、热稳定性、

25、灰熔点、灰粘度和结渣性作为作为气化用煤的质量指标。气化用煤的质量指标。煤的工艺性质煤的工艺性质（一）煤的反应性（一）煤的反应性 煤的反应性，又称活性，指在一定温度条煤的反应性，又称活性，指在一定温度条件下，煤与不同气化介质，如二氧化碳、氧、件下，煤与不同气化介质，如二氧化碳、氧、水蒸气相互作用的反应能力。反应能力强的煤，水蒸气相互作用的反应能力。反应能力强的煤，在气化和燃烧过程中，反应速度快、效率高。在气化和燃烧过程中，反应速度快、效率高。反应性强弱更直接影响到煤在炉中反应的情况、反应性强弱更直接影响到煤在炉中反应的情况、耗煤量、耗氧量及煤气中有效成分等。耗煤量、耗氧量及煤气中有效成分等。煤的

26、工艺性质煤的工艺性质 图图6-22 6-22 褐煤、烟煤、无烟煤的活性曲线示意图褐煤、烟煤、无烟煤的活性曲线示意图 （据（据中国煤田地质学中国煤田地质学（上册），（上册），19791979） 80090010001100T C0102030405060708090100110a%褐 煤烟 煤无 烟 煤煤的工艺性质煤的工艺性质（二）煤的机械强度（二）煤的机械强度 煤的机械强度应包括煤的抗碎、耐磨和抗煤的机械强度应包括煤的抗碎、耐磨和抗压等物理机械性质及其综合性质。压等物理机械性质及其综合性质。气化用煤和气化用煤和燃烧用煤多数情况下要求用粒度均匀的块煤。燃烧用煤多数情况下要求用粒度均匀的块煤。机械

27、强度低的煤投入气化炉时，容易碎成小块机械强度低的煤投入气化炉时，容易碎成小块和粉末，从而破坏了块煤粒度的均匀性，影响和粉末，从而破坏了块煤粒度的均匀性，影响气化炉的正常操作，因此，要求煤有一定的机气化炉的正常操作，因此，要求煤有一定的机械强度。械强度。 无烟煤的机械强度较好。无烟煤的机械强度较好。煤的工艺性质煤的工艺性质（三）煤的热稳定性（三）煤的热稳定性 煤的热稳定性是指煤在高温燃烧或气化过煤的热稳定性是指煤在高温燃烧或气化过程中保持原来粒度的性能。程中保持原来粒度的性能。热稳定好的煤，在热稳定好的煤，在燃烧或气化过程中能以其原来的粒度烧掉或气燃烧或气化过程中能以其原来的粒度烧掉或气化而不碎

28、成小块，或破碎较少；热稳定性差的化而不碎成小块，或破碎较少；热稳定性差的煤在燃烧或气化过程中则迅速裂成小块或煤粉，煤在燃烧或气化过程中则迅速裂成小块或煤粉，轻则增加炉内阻力和带出物，降低气化和燃烧轻则增加炉内阻力和带出物，降低气化和燃烧效率，重则破坏整个气化过程，甚至造成停炉效率，重则破坏整个气化过程，甚至造成停炉事故。因此，要求煤有足够的热稳定性。事故。因此，要求煤有足够的热稳定性。煤的工艺性质煤的工艺性质( (四四) )煤的结渣性煤的结渣性 在气化中，煤灰结渣会给正常操作带来不利在气化中，煤灰结渣会给正常操作带来不利的影响，结渣严重时将会导致停产。由于煤灰的影响，结渣严重时将会导致停产。由于煤灰熔点熔点(T(T2 2) )并不