章煤的工艺性质

1、第五部分 煤的性质 第七章 煤的物理性质和物理化学性质 第八章 煤的化学性质 第九章 煤的工艺性质 第一节 煤的发热量第二节 煤的热解和粘结成焦性质第三节 煤炭气化与燃烧的工艺性质第九章 煤的工艺性质煤的工艺性质的概念 是指煤在一定的加工利用过程中所呈现出的性质，如发热量、粘结性、反应性、煤灰熔融性、可磨性等。研究煤的工艺性质的重要意义 煤的主要工艺性质 煤加工粒度组成、密度组成、可选性等 煤作为燃料发热量、灰熔融性、可磨性等 煤作为原料粘结性、结焦性、反应性, 工艺性质概述第一节 煤的发热量一、煤的发热量的定义 单位质量的煤完全燃烧后释放出的热量，单位：kJ/g或MJ/kg。二、煤发热量的测

2、定要点 （1） 称量1g煤样置于氧弹中，并将氧弹充入纯氧2.63.0MPa，然后放入有水的内桶中； （2）点燃煤样，煤样燃烧释放的热量传给内桶中的水； （3）测定内桶水温，校正热损失，即可计算弹筒发热量，用Qb, ad表示。测定装置示意图。第一节 煤的发热量三、煤在氧弹中燃烧与在大气中燃烧的区别（1）燃烧条件的区别：温度、气氛、压力、恒容、恒压（2）燃烧结果的区别：反应、产物（3）对发热量的影响：弹筒发热量大于煤的真实热值四、发热量的校正 （1）弹筒发热量：弹筒直接测得的发热量。（2）高位发热量：由弹筒发热量扣除氮、硫特殊反应热。（3）低位发热量：由高位发热量扣除水蒸汽冷凝热。第一节 煤的发热

3、量（一）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，用符号Qgr, v, ad表示：式中：Sb, ad由弹筒洗液测得的硫含量，满足下列条件之一时，即可用全硫代替： Qb, ad 14.6kJ/g，或St, ad 4%。硝酸生成热校正系数。试验证明，与Qb, ad 有关，取值如下： Qb, ad 16.7kJ/g时，=0.0010 16.7kJ/g 25.10 kJ/g时，=0.0016第一节 煤的发热量（二）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

4、位发热量，简称低位发热量，用符号Qnet, v, ad表示，计算公式如下：Qnet, v, ad = Qgr, v, ad206Had23Mad 式中：Qnet, v, ad空气干燥基的恒容低位发热量，J/g；Mad煤样的空气干燥基水分，%；2060.01g氢生成的水的汽化热，J；230.01g吸附水的汽化热，J。第一节 煤的发热量五、恒湿无灰基高位发热量 恒湿无灰基是指煤样含有最高内在水分但不含灰分的一种假想状态，这时煤样中只含有可燃质和最高内在水分。煤的恒湿无灰基高位发热量不能直接测定，需用空气干燥基的高位发热量进行换算，公式如下：式中： Qgr, maf 恒湿无灰基高位发热量，kJ/g；

5、 MHC煤样的最高内在水分，%。第一节 煤的发热量六、发热量基准换算发热量基准换算的目的换算公式（1）弹筒发热量和高位发热量的基准换算公式第一节 煤的发热量六、发热量基准换算换算公式（2）低位发热量的基准换算公式 第一节 煤的发热量成因类型的影响 ：腐泥煤、残植煤 和腐植煤 煤岩组成的影响 ：镜质组、稳定组、丝质组 矿物质的影响：矿物质分解吸热、矿物质不发热 风化的影响 ：氧含量增加、灰分增加 煤化程度的影响：元素组成的变化 第一节 煤的发热量七、影响煤发热量的因素 煤的发热量是煤质特性的综合指标，许多因素对煤的发热量有不同程度的影响。 第二节 煤的热解和粘结成焦性质一 、煤的热解概念煤在隔绝

6、空气的条件下进行加热，发生一系列的物理变化和化学反应，生成气体(煤气)、液体(焦油)、固体(半焦或焦炭)的过程，称为煤的热解(pyrolysis)、干馏或炭化(carbonization)。热解分类 按热解终温 低温干馏(500-600)以液体产物为目标 中温干馏(700-800)制取燃料煤气 高温干馏(950-1050)炼焦第二节 煤的热解和粘结成焦性质二 、煤热解过程主要的反应类型 煤的热解中的裂解反应 一次热解产物的二次热解反应 煤热解中的缩聚反应 第二节 煤的热解和粘结成焦性质二 、煤热解过程主要的反应类型 煤的热解中的裂解反应 结构单元之间的桥键断裂生成自由基碎片； 脂肪侧链受热易裂

7、解，生成气态烃，如：CH4C2H6 等； 含氧官能团的裂解，含氧官能团的热稳定性顺序为： OH C=O COOH OCH3。 煤中低分子化合物的裂解，是以脂肪化合物为主的 低分子化合物，其受热后，可分解成挥发性产物。 第二节 煤的热解和粘结成焦性质二 、煤热解过程主要的反应类型一次热解产物的二次热解反应 C2H6 C2H4H2 裂解反应，如 脱氢反应 ，如 加氢反应 ，如 缩合反应 ，如第二节 煤的热解和粘结成焦性质二 、煤热解过程主要的反应类型煤热解中的缩聚反应 胶质体固化过程的缩聚反应，主要是在热解生成的自由基之间的缩聚，其结果生成半焦。 半焦分解，残留物之间缩聚，生成焦炭。缩聚反应是芳香

8、结构脱氢。第二节 煤的热解和粘结成焦性质三、粘结性烟煤热解过程（1）干燥脱吸阶段（室温300）（2）胶质体的生成和固化阶段（300550） （3）半焦转化为焦炭的阶段第二节 煤的热解和粘结成焦性质三、粘结性烟煤热解过程（1）干燥脱吸阶段（室温300） 120：煤炭脱水、干燥 120200：解吸，脱除吸附的CH4、CO、CO2等气体。 300：低变质程度的煤开始热解，生成CO2、CO等，生成放出热解水和微量的焦油。第二节 煤的热解和粘结成焦性质三、粘结性烟煤热解过程（2）胶质体的生成和固化阶段（300550） 300480：煤分解、解聚，析出大量焦油和气体 其中：在450左右的温度区间，焦油的析

9、出量最大。在该阶段由于热解，生成了气(煤气和呈气态的焦油)、液、固(未分解的煤)三相共存的物质，称为胶质体。 450550(600)胶质体固化成为半焦：胶质体分解加速，开始缩聚，生成分子量很大的物质，胶质体固化为半焦。 第二节 煤的热解和粘结成焦性质三、烟煤热解过程（3）半焦转化为焦炭的阶段 （550 1000 ） 该阶段以缩聚反应为主，由半焦转化为焦炭。550750，半焦分解析出大量的气体，主要是H2和少量的CH4，称为热解的二次气体。半焦分解释放出大量气体后，体积收缩产生裂纹。在此阶段基本上不产生焦油。 7501000，半焦进一步分解，继续析出少量气体，主要是H2，同时半焦发生缩聚，使芳香

10、碳网不大增大，结构单元的排列有序化进一步增强，最后半焦转化成为焦炭。第二节 煤的热解和粘结成焦性质四、非粘结性煤热解过程 煤化程度低的非粘结性煤如褐煤、长焰煤等，其热解过程与烟煤大体类似，同样有分解、裂解和缩聚等反应发生，生成大量气体和焦油，只是在热解过程中没有胶质体生成，不会产生熔融、膨胀等现象，热解前后煤粒仍然呈分离状态，不会粘结成块。煤化程度高的非粘结性煤，如贫煤、无烟煤，其热解过程较为简单，以裂解为主，释放出少量的热解气体，其中热值高的烃类如甲烷含量较低，氢含量则较高，煤气热值相对较低。第二节 煤的热解和粘结成焦性质五、煤热解产生胶质体的性质 胶质体的概念胶质体的热稳定性（温度间隔 ）

11、胶质体的透气性胶质体的流动性胶质体的膨胀性第二节 煤的热解和粘结成焦性质六、煤的粘结成焦机理 （一）煤的粘结机理煤粒借胶质体粘结固化成半焦（1）胶质体的生成及来源 煤热解过程中芳香族化合物热解后，煤分子结构单元之间的桥键断裂，形成自由基碎片，其中分子量不太大的、含氢较多的成为液体产物。脂肪族化合物分解后也会生成少量的液体产物。胶质体是煤热解反应过程中生成的瞬时性存在的物质，是不可逆过程。 该液相物质具有胶一样的粘性，可以粘合粉状煤料。第二节 煤的热解和粘结成焦性质（2）胶质体在煤粒之间迁移表面迁移 煤粒之间的粘结主要发生在煤粒的表面上。表面的粘结不仅发生在熔融颗粒与不熔颗粒之间，也发生在相邻颗

12、粒产生的胶质体交界面上。研究表明，煤粒间的粘结只发生在煤粒间的表面分子层上，就是流动性最大的肥煤胶质体的液相在塑性阶段的平均移动距离只有1.9微米，这与煤粒的大小相比是可以忽略的。 因此，煤热解后不同煤粒生成的液相之间的相互渗透只限于煤粒的表面。这就是说，煤粒间的粘结过程，只在煤粒的接触表面之间进行，煤的粘结是煤粒间的表面粘结。第二节 煤的热解和粘结成焦性质（3）熔融煤粒的融合 煤粒熔融形成胶质体，其液相物质具有一定的流动性，在液相物质中气体压力的作用下，液相就会相互渗透、融并成为一体。 胶质体渗透、融并的程度取决于胶质体的数量和颗粒的性质。若颗粒都可熔融，且产生的胶质体的数量多、流动性好，胶

13、质体相互渗透、融并得就好，形成的熔融体均质性也好，固化后焦炭的强度就高；若相邻颗粒中有不融或弱熔融颗粒，则胶质体渗透就不不好，难以形成均质性的熔融体。这导致不同要融合方式： 第二节 煤的热解和粘结成焦性质 煤粒的融合方式 包裹型：熔融颗粒与临近的不融颗粒只是接触点的粘连，如果胶质体足够多，胶质体也可以部分或整体包裹不融颗粒，或与临近的其他熔融颗粒共同包裹不融颗粒。这种颗粒的均质性差，固化后形成的焦炭的强度也差。 渗透型：如果两个或多个颗粒均是熔融颗粒，则会相互渗透，形成均质性较好的熔融体，固化后形成的焦炭的强度高。第二节 煤的热解和粘结成焦性质（4）熔融体的固化 煤热解生成的胶质体是逐渐增加的

14、，当液相的生成速度与热解固化速度相等时，胶质体的流动性达到最大，颗粒间熔融、渗透、粘结达到高潮，此后，胶质体的分解固化速度超过了生成速度，胶质体的流动性逐渐下降，直到全部固化成为半焦。 胶质体的固化是液相分解产生的游离基缩聚的结果。胶质体的固化过程是胶质体中的化合物因脱氢、脱烷基和其它热解反应而引起的芳构化的过程。 第二节 煤的热解和粘结成焦性质七、煤的成焦机理半焦转化为焦炭（1）成焦的化学反应 胶质体固化形成半焦后继续升高温度，半焦发生裂解，析出以氢气为主的气体，几乎没有焦油产生。这时的裂解反应主要是芳香化合物脱氢，同时产生带电的自由基，自由基相互缩聚而稳定化，温度进一步升高，缩聚反应进一步

15、发展，自由基的缩聚使芳香碳网不断增大，碳网间的排列也趋于规则化。 第二节 煤的热解和粘结成焦性质七、煤的成焦机理半焦转化为焦炭（2）成焦的宏观变化 由于缩聚反应，分子有序化成都提高，使半焦的体积发生收缩，由于半焦组成的不均匀性，造成半焦内部产生应力而导致裂纹的形成；温度继续升高到1000，半焦的裂解和缩聚反应趋缓，析出的气体量减少，半焦也变成了具有一定块度和强度的银灰色的并具有金属光泽的焦炭。 粘结时形成的熔融体的均质性好坏对于成焦过程中的收缩的均匀性和裂纹的产生至关重要。包裹型的裂纹多，渗透型的裂纹少。第二节 煤的热解和粘结成焦性质八、中间相理论 （一）煤熔融形成中间相的概念 粘结性烟煤在炭

16、化过程中，镜质组变为胶质体时开始形成很微小的球体，这些小球体逐渐接触、融并、长大，最后聚结在一起，形成了类似于液晶的具有各向异性的流动相态，这就是中间相。中间相是由聚合的芳香层片的扭曲结构组成的，再继续加热，聚合物发生裂解、缩聚而固化，最终形成各向异性炭。如果没有中间相的转变过程，只能形成各向同性炭。焦炭生产过程中，各向异性炭是追求的目标。 第二节 煤的热解和粘结成焦性质第二节 煤的热解和粘结成焦性质八、中间相理论 （二）中间相的特点 （1）中间相的形成是不可逆的；（2）中间相的形成是化学过程。中间相形成以后，内部发生连续的裂解、缩聚等化学变化；（3）中间相在形成过程中C/H比逐渐增大；（4）

17、中间相在形成过程中，分子量是逐渐增大的。第二节 煤的热解和粘结成焦性质八、中间相理论 （三）中间相的形成过程 中间相从小球体产生到胶质体固化、形成半焦这一阶段为中间相阶段，发展过程如图所示 。第二节 煤的热解和粘结成焦性质六、煤粘结性的评定方法（一）粘结性和结焦性的概念定义：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。研究煤的粘结性和结焦性的意义： 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

18、的重要依据。第二节 煤的热解和粘结成焦性质六、煤粘结性的评定方法（二）罗加指数R.I. 测定：称取1g煤样与5g标准无烟煤放入特制坩埚内搅拌均匀并铺平，放上钢质砝码，在6kg负荷下压实30秒，加盖，连同砝码一起放入已预热至850的马弗炉灼烧15min，取出，冷却后称量焦渣总质量为m0，用孔径为1mm的圆孔筛筛分，称量筛上物质量为m，然后进行每次5分钟的转鼓转磨（转鼓转速为502rpm），共3次，每次转磨结束后将焦渣用1mm圆孔筛筛分，并称量筛上物质量，分别得到m1、m2和m3。 计算：罗加指数RI用下式进行计算：第二节 煤的热解和粘结成焦性质第二节 煤的热解和粘结成焦性质第二节 煤的热解和粘结

19、成焦性质六、煤粘结性的评定方法（二）罗加指数R.I. 优缺点优点：罗加指数法具有明显的优点，表现在设备简单快速、所需试验煤样少、它不但能反映煤的粘结能力还能在一定程度上反映焦炭的强度。 缺点：但罗加指数也有缺点，如加热速度远远高于工业炼焦的加热速度，使粘结性测值偏高，对强粘结性煤区分能力差，对弱粘结性煤的重现性差，不同的标准无烟煤导致测定结果的不一致，使得各国间的测值不具可比性。适用性：中等粘结性的煤六、煤粘结性的评定方法（三）粘结指数GR.I. 1、来历：针对罗加指数的缺点改进而来的。 2、测定要点：原理和仪器与罗加指数法完全相同。标准无烟煤、配比、测定步骤等有不少变化和改进。第二节 煤的热

20、解和粘结成焦性质六、煤粘结性的评定方法（三）粘结指数GR.I. 3、改进点及优点：（1）将标准无烟煤的粒度降为0.10.2mm，一方面与试验煤样粒度接近，可防止发生煤样粒度偏析，影响测定结果，另一方面，降低无烟煤粒度，可增加其吸纳胶质体的能力，有利于提高对强粘结性煤的区分能力；（2）根据煤样的粘结性强弱灵活改变配比，粘结性较强的煤用1:5的比例，粘结性较弱的煤用3:3的比例，可以提高强粘结性煤的区分能力和弱粘结性煤的测定准确性和重现性；（3）转鼓试验由3次改为2次，提高了测定效率。结果计算公式：第二节 煤的热解和粘结成焦性质式中：G粘结指数； m0焦化后焦渣总质量，g； m1第一次转磨后大于1

21、mm焦渣的质量，g； m2第二次转磨后大于1mm焦渣的质量，g。 如果结果G 18，煤样的配比改为3:3，G按下式计算：煤的配比为1:5时，粘结指数G按下式计算：第二节 煤的热解和粘结成焦性质六、煤粘结性的评定方法（四）胶质层指数Y 1、测定要点是：将煤样装入特制的煤杯中，并在上面加一可移动压盘，压盘通过杠杆和重锤相连，使压盘对煤样产生0.1MPa的压力。然后模拟煤样在焦炉中的受热过程，以3/min的升温速度从煤杯底部单侧加热，使煤杯中的煤样形成一系列温度不同的等温层。等温层的温度从上到下依次递增。当温度升到煤的软化点时，煤开始软化形成具有塑性的胶质体，当温度升到固化温度时，胶质体开始固化形成

22、半焦。这样，煤杯中的煤样就逐层软化、熔融再固化。在试验过程中要用特制的探针定时测量胶质层的厚度，以胶质层最大厚度作为Y值。 第二节 煤的热解和粘结成焦性质第二节 煤的热解和粘结成焦性质第二节 煤的热解和粘结成焦性质六、煤粘结性的评定方法（四）胶质层指数Y 2、胶质层指数测定得到的体积曲线。 优点：其优点是Y值具有可加性。 缺点：（1）胶质层厚度只能反映胶质体的数量，不能反映胶质体的质量；（2）测定过程的规范性强，影响测定结果的因素多；（3）测定时所需煤样量大； （4）对弱粘煤(Y7 mm)和胶质体流动性大的煤(Y25 mm)测定的精度差、重现性差。适用性：胶质层指数法较适合于中等粘结性的煤，第

23、二节 煤的热解和粘结成焦性质六、煤粘结性的评定方法（四）胶质层指数Y 3、胶质层指数之优缺点 测定要点：将煤样按规定方法制成形状和大小类似于粉笔的煤笔，放入专用膨胀管内，煤笔上部放置一根能自由滑动的膨胀杆。将上述装置放入专用电炉后，在膨胀杆上端连接一枝记录笔，记录笔与卷在匀速转动的转筒上的记录纸相接触，以3/min的升温速度加热，在记录纸上就记录下膨胀杆上下移动的位移曲线。测量并计算位移的最大距离占煤笔原始长度的百分数，作为煤样的膨胀度，即奥亚膨胀度指标（b） 。第二节 煤的热解和粘结成焦性质六、煤粘结性的评定方法（五）奥亚膨胀度b第二节 煤的热解和粘结成焦性质六、煤粘结性的评定方法（五）奥亚

24、膨胀度b仪器第二节 煤的热解和粘结成焦性质六、煤粘结性的评定方法（五）奥亚膨胀度b 仪器第二节 煤的热解和粘结成焦性质六、煤粘结性的评定方法（五）奥亚膨胀度b 膨胀管第二节 煤的热解和粘结成焦性质六、煤粘结性的评定方法（五）奥亚膨胀度b 体积曲线第二节 煤的热解和粘结成焦性质六、煤粘结性的评定方法（五）奥亚膨胀度b 优缺点 优点：奥亚膨胀度对中、强粘结性煤的区分能力强，对强粘结性煤，区分能力好于Y值，测定时人为误差小，结果重现性好。 缺点：对弱粘结性煤区分能力差，以及实验仪器加工精度要求高，规范性太强。 适用性：强粘结性煤第三节 煤炭气化与燃烧的工艺性质 与煤炭气化、燃烧有关的工艺性质，主要包

25、括煤的发热量、煤与气化介质的反应活性、煤的着火点、煤的机械强度、煤灰性质（灰熔点，结渣性和灰粘度）、煤的热稳定性等。一、概述第三节 煤炭气化与燃烧的工艺性质 煤的机械强度的意义测定要点：煤的机械强度测定方法是取粒度为60100mm的煤块25kg，放在带有活动底板的铁箱中。在地面上放置一块厚度20mm的钢板，在其上方将装有煤块的铁箱升高到2m的高度，然后打开活门使煤块跌落到钢板上。用2525的筛子过筛，然后将筛上物重新按上法作跌落试验并筛分，再将筛上物依上法跌落并筛分。将大于25mm的块煤称重，计算它占原始煤块重量的百分数，这就是煤炭的机械强度。二、煤的机械强度 1、煤的反应性的定义：是指在一定

26、温度条件下，煤炭与不同气体介质（CO2、O2、H2O等）相互作用的反应能力。 2、测定要点：煤炭反应性的表示方法很多，如用活化能、反应速度、反应物分解率等。比较简便准确的方法是CO2还原率（分解率）。CO2还原率测定方法要点是：先将煤进行干馏，取一定粒级的焦渣装入特制的刚玉反应管中，通入CO2气在一定温度下反应，取反应后气体分析其中的CO2浓度，根据公式计算出CO2还原率。第三节 煤炭气化与燃烧的工艺性质 三、煤的反应性 式中：二氧化碳还原率， a通入炉内二氧化碳中杂质含量， 反应后气体中剩余的二氧化碳含量，第三节 煤炭气化与燃烧的工艺性质 第三节 煤炭气化与燃烧的工艺性质 三、煤的反应性 3

27、、煤的反应性的影响因素 煤炭反应性与煤化程度、煤中的矿物质等因素有关。煤化程度高，煤的反应性低，煤灰中钾、钠、钙等含量高，由于它们对反应过程有催化作用，使煤的反应性就高。 煤炭反应性与煤化程度关系褐煤烟煤无烟煤,%温度，煤化程度对反应性的影响第三节 煤炭气化与燃烧的工艺性质 4 煤灰成分4.1 煤灰中的元素 煤灰中的元素有几十种，地球上所有天然存在的元素几乎在煤灰中均可发现，但常见的只有硅、铝、铁、钙、镁、钛、钾、钠、硫、磷等，在一般的灰成分测定中也只分析这几种。第三节 煤炭气化与燃烧的工艺性质4.2 煤灰成分的表示方法 煤灰化学组成十分复杂，很难测定其中的化合物，一般用主要元素的氧化物形式表

28、示，如SiO2、Al2O3、CaO、MgO、Fe2O3、TiO2、K2O、Na2O、SO3、P2O5。其中，最主要的是SiO2、Al2O3、CaO、MgO、Fe2O3几种。灰分中各成分的含量取决于原始的矿物组成。 第三节 煤炭气化与燃烧的工艺性质5、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，依此确定煤灰熔融性。如下图所示。第三节 煤炭气化与燃烧的工艺性质测定煤灰熔融性的仪器第三节 煤炭气化与燃烧的工艺性质5.1 煤灰熔融性的表示： 变形温度(Deformation temperature, DT)煤灰锥体尖端开始弯曲或变圆时的温度。 软化温度(Softening temperature, ST)煤灰锥体弯曲至锥尖触及底板变成球形或半球形时的温度。 半球温度(Half ball temperature, HT)试样形变至近似半球形，即高等于底长的一半时的温度。 流动温度(Flow temperature, FT)煤灰锥体完全熔化展开成高度小于1.5 mm薄层时的温度。 一般以煤灰软化的温度ST作为衡量煤灰熔融性的主要指标，即灰熔点。第三节 煤炭气化与燃烧的工艺性质5.2 影响煤灰熔融性的因素5、煤灰熔融性灰分化学组成灰渣部