洁净煤技术（上篇共上下2篇）346

第1章绪论1.1能源概况世界能源中国能源一二三煤炭开发利用与环境一、世界能源能源：亦称能量资源或能源资源，是指可产生各种能量或可作功的物质的统称。按能源的产生方式，可分为一次能源和二次能源。一次能源指天然能源，二次能源指由一次能源加工转换而成的能源产品。能源是人类生存与经济发展的物质基础。据BP公司统计，2011年世界一次能源消耗总计12274.6百万吨油当量。虽然在一次能源消费结构中占的比例大于煤炭（表1-1），但由于石油分布的不均匀性和消费比重高于储量的状态，储量占绝对优势的煤炭仍然受到重视。二、中国能源据IEA报告分析，2010年到2035年全球能源需求将增长1/3，中国将继续巩固其全球最大能源消费国位置；到2035年，其能源消费将比美国高出将近70%。我国是一个缺油，少气的国家，目前我国煤炭资源占一次能源消费总量70%左右。煤炭提供了80%的电力能源，70%的工业燃料，60%化工原料和80%的民用燃料。尽管随着我国能源结构的调整，煤炭的比重会逐渐下降，但因其资源的丰富和价格的相对稳定，仍将是动力生产的首选燃料，其主导地位不会变。三、煤炭开发利用与环境煤炭在能源结构中占有相当高的比例，煤炭也是制造污染最多的能源资源。煤炭的组成分为有机组分和无机组分。其中，有机组分主要是由C、H、O、N、S等元素组成的高分子有机化合物；无机组分则主要是矿物质和水分。煤炭的燃烧过程中形成TSP、SO2、NOx、CO2和微量重金属等。这也是造成我国煤烟型大气污染的最根本原因。中国科学院专家曾测算：预计到2020年，中国的SO2排放量将达4056万-5738万t，NOx排放量将达3521万-4982万t，污染气体减排压力十分巨大，形成对我国可持续发展的重大威胁。从社会发展和客观需要出发，如何在煤炭加工、燃烧、转化和污染控制等新技术上减少污染并提高效率，已经成为世界各国亟待解决的重要问题。1.2洁净煤技术洁净煤技术的概念与分类中国洁净煤一二三世界主要经济体洁净煤发展战略四发展洁净煤技术的意义一、洁净煤技术的概念与分类洁净煤技术（CCT）：指煤炭从开发到利用的全过程中，旨在减少污染排放和提高利用效率的加工、转化、燃烧和污染控制等高新技术的总称；它是使煤炭作为一种能源应达到最大限度潜能的利用，而释放出的污染控制在最低水平，达到煤炭的清洁利用的技术。洁净煤技术由洁净开采技术、燃前加工与转化技术、燃中处理及集成技术和燃后处理技术构成（表1-3）。二、中国洁净煤“中国洁净煤”的构想是以实现煤作为燃料的洁净化为最终目的，在煤炭燃烧或利用之前对可能排放的所有污染物（CO2除外）进行有效控制，即“中国洁净煤”的核心是煤的燃烧或利用前的加工与转化。选煤、水煤浆、型煤与动力配煤都属于煤炭加工技术的范畴。选煤是指煤炭经过加工方法去除成煤和开采时混入的无机矿物杂质，脱除大部分灰分和硫分，对不同质量的产品分别利用，对脱除的尾矿集中治理。水煤浆是由煤、水和添加剂按一定比例制成的一种低污染、高效率的代油煤基流体燃料，可以像油一样泵送、雾化、贮存和稳定燃烧。该技术在中国已经步入商业化阶段。型煤加工是用粉煤或低品质煤制成具有一定强度和形状的煤制品的煤炭加工技术。在加工过程中，由于煤的物理和化学特性同时发生变化，克服了原煤存在的一些缺陷，而使煤的性质得到改善。动力配煤技术是根据用户燃煤设备所需的煤质指标，将不同类别、不同性质的煤经过筛选、破碎和按比例配合等过程（必要时加入添加剂），实现煤质互补，优化产品结构，满足用户所需煤质指标的技术。煤炭转化是煤炭经过热加工或化学加工转变成新的物质（或热能）的各种工艺过程。我国从20世纪90年代初提出发展洁净煤技术，国家陆续出台了一系列促进洁净煤技术发展的法规和政策，已有不少技术得到产业化应用，同时一些技术也正处于工业示范或研究开发阶段。三、世界主要经济体洁净煤发展战略1、美国的洁净煤战略与对华合作自奥巴马总统上台以来，美国制定了一系列应对气候变化和清洁能源方面的政策。美国的碳捕集与封存技术（CCS）对碳捕集在煤炭燃烧前和燃烧后都有进行，然后利用管道运输系统把捕集到的CO2运往储存地。美国Flour公司对燃煤电厂进行的CCS技术具有典型的代表性，迄今为止，该公司在全球拥有35个重量级生产许可证和多项专利技术。中美两国合作共建了中美清洁能源研究中心，双方各拿出1500万美元启动资金，在各自国内建立总部。2、欧盟的洁净煤战略与中欧合作欧盟计划在2020年完成单位GDP降低20%的能源消耗。长期来看，欧盟计划在2020年以后，对所有化石能源发电厂使用和推广CCS技术。欧盟与中国在研究和发展欧盟框架计划项目（FP7）以及气态燃料制氢技术方面一直进行着卓有成效的合作。3、日本的新洁净煤政策日本把能源利用的3E作为能源政策的基础，即经济性（Economy）、供应稳定性（EnergySecurity）和环境适宜性（Environment）。日本推行的CoolGen计划，通过IGCC和CCS技术实现燃煤发电的零排放。日本将立足于实现环保清洁的燃煤发电技术，面向亚洲乃至世界，进行技术的推广和普及。4、俄罗斯煤炭产业的发展自1954年起，前苏联就开始了煤制液体燃料的研究，主要是Kansk-Achinsk盆地生产合成液体燃料。煤制液体燃料技术在1960-1980年间发展迅速，以固体加热转化为基础的煤液化技术成为世界最先进的技术之一。俄罗斯科学院西伯利亚分院建有煤炭及煤炭燃料化工研究所，他们探索的合成液体燃料和发电联合的基本模式为：煤气化生产合成气+合成气催化合成液体燃料+合成液体燃料发电。5、印度的煤炭可持续发展战略印度经济的快速增长对能源的需求缺口越来越大，在印度“十一五”规划（2007-2012年）期间，印度新增电力装机容量的68%用煤作为燃料，长远预计要求印度最低产煤能力达到16亿t/a。印度对煤炭的洁净利用主要体现在煤层气的开发和煤炭的气化。印度与美国政府合作，为中央矿山规划设计研究院有限公司建立矿井瓦斯和煤层气数据库，用以促进洁净煤技术的发展。四、发展洁净煤技术的意义我国能源资源条件和现有经济条件还不足以支撑大规模用油、气作为一次能源，如何能高效、节能和清洁的把煤炭利用好是我国能源史上的大问题。由煤炭而引发的环境问题、资源问题和能源问题三者交互影响，已成为限制我国经济和社会发展的关键因素，出路之一即是实施中国洁净煤战略。发展洁净煤技术对于改善终端能源结构，形成循环经济的产业链，实现能源、经济、环境协调发展将起到积极的促进作用。发展洁净煤技术，可以在充分利用我国丰富煤炭资源的前提下，解决环境污染问题；还可将煤炭转化为清洁的油、气，在相当程度上可以缓和我国石油、天然气供应的不足，保障能源安全。大力发展洁净煤技术，对于保障高效、清洁的能源供应将起到相当重要的作用，是现实经济条件下实现可持续发展的必然选择。第2章煤及煤的特性本章重点：①煤的宏观及微观煤岩类型的分类及物理特征；②煤的工业分析、元素分析、物理性质、化学性质、物理化学性质、工艺性质等及其相互关系；③煤的分子结构理论，煤质分析方法；④中国煤炭的分类方案。

第一节煤的结构

一、煤的大分子构成煤具有分子聚合物的结构，但又不同于一般的聚合物，它没有统一的聚合单体。煤的大分子是由多个结构相似的“基本结构单元”通过桥键连接而成。这种基本结构单元类似于聚合物的聚合单体，它可分为规则部分和不规则部分。1、煤大分子规则部分煤大分子规则部分由几个或十几个苯环、脂环、氢化芳香环及杂环（含氮、氧、硫等元素）缩聚而成，称为基本结构单元的核或芳香核。2、基本结构单元的不规则部分

基本结构单元的缩合环上连接有数量不等的烷基侧链、官能团和桥键，这些基团和官能团是煤分子结构单元的不规则部分。2、基本结构单元的不规则部分连接在缩合环上的烷基侧链是指甲基、乙基、丙基等基团。烷基侧链的平均长度随煤化程度提高而迅速缩短。煤分子上的官能团主要是含氧官能团，有羟基、羧基、羰基、甲氧基等。煤中含氧官能团随煤化程度提高而减少，其中甲氧基消失得最快，在年老褐煤中就几乎不存在了；其次是羧基，到中等煤化程度的烟煤时，羧基已基本消失；羟基和羰基在整个烟煤阶段都存在，甚至在无烟煤阶段还有发现。2、基本结构单元的不规则部分

煤中除含氧官能团外，还有少量的含氮官能团和含硫官能团。含氮官能团主要是吡啶和喹啉的衍生物和胺基等；含硫官能团多以硫醇、硫醚和二硫化物等形式存在。3.煤中的低分子化合物对煤的分子结构有了一个较为准确的认识，将其总结如下几点：(1)煤分子是由多个基本结构单元构成的高分子，其核心是缩合芳香核；(2)基本结构单元有不规则部分，即侧链和官能团；(3)连接基本结构单元的是桥键；(4)氧、氮、硫以官能团形式存在；(5)分子中有低分子化合物的存在；(6)不同煤化程度的煤的结构存在差异

本田模型Wiser化学结构模型Hirsch物理结构模型

第二节煤的基本特征

一、煤的岩石类型1、镜煤

2、亮煤3、暗煤4、丝炭1、镜煤

镜煤特点是均一、光亮化，具有内生裂隙，在成煤过程中，由植物的木质纤维组织经凝胶化作用形成。镜煤呈黑色、光泽强、结构均匀、性脆、具有贝壳状断口。镜煤内生裂隙发育，裂隙面呈眼球状，随煤化程度加深，颜色由深变浅，光泽变强，内生裂隙增多。2、亮煤

光泽次于镜煤、具有微细层理，呈黑色，其光泽、脆性、密度、结构均匀性和内生裂隙发育程度都次于镜煤。

3、暗煤

光泽暗淡、坚硬、表面粗糙。呈灰黑色、内生裂隙不发育、密度大、坚硬且具有韧性，层理不清晰，呈粒状结构，断口粗糙。4、丝炭

有丝绢关泽、纤维状结构、性脆。外观像木炭，灰黑色，质疏松多孔，性脆、易碎、在煤粉中含量较多。二、煤的光泽岩石类型1、光亮煤

2、半亮煤3、半暗煤4、暗淡煤1、光亮煤

光亮煤是煤层中总体相对光泽最强的类型，其含有大于75%的镜煤和亮煤，含少量暗煤和丝炭。光亮煤具有贝壳状断口，内生裂隙发育，较脆，易破碎。2、半亮煤

半亮煤是煤层中总体相对光泽较强的类型，其中镜煤和亮煤含量大于50%-75%，其余为暗煤，也可能夹杂丝炭。半亮煤内生裂隙发育，有菱角状断口。3、半暗煤

半暗煤是煤种中总体相对光泽较弱类型，其中镜煤和亮煤的含量仅为25%-50%，其余为暗煤，也夹杂丝炭。半暗煤硬度、韧度、密度都较大。

4、暗淡煤

暗淡煤是煤层中总体相对光泽最弱的类型，其中镜煤和亮煤含量小于25%，其余为暗煤，也夹少量丝炭。暗淡煤呈块状构造，层理不明显，内生裂隙不发育，煤质坚硬，韧性大，密度大。三、煤的显微组分1、煤的有机显微组分2、煤的无机显微组分1、煤的有机显微组分（1）镜质组

镜质组是由成煤植物的木质纤维组织，经过腐殖化作用和凝胶化作用所形成的显微组分。在煤化程度低的烟煤中，镜质组的透光率为橙色-橙红色，随煤化程度不断加深，反射率增大，反射色变浅，由深灰色变为白色；透光色变深，由橙红色变为棕色，直至不透明。

（2）惰质组

惰质组是由成煤植物的木质纤维组织受丝炭化作用转化形成的显微组分。油浸反射光下呈灰白色-亮白色，反射力强，中高突起，透射光下呈棕黑色，为透明或不透明。一般不发荧光。（3）壳质组

壳质组主要来源于高等植物的繁殖器官、保护组织、分泌物和菌藻类，以及这些相关的降解物。从低煤级的烟煤到中煤级烟煤，壳质组在透射光下呈柠檬黄色-黄色-橘黄色-红色，轮廓清晰，外形特征明显，在油浸反射光下呈灰黑色到深灰色，反射率比其他显微组分都低，突起由中高突起降到微突起。2、煤的无机显微组分（1）粘土类矿物粘土类矿物包括：高岭土、水云母等矿物，它是矿物质的主要成分。其镜下特征：呈灰色、棕黑色、暗灰色或灰黄色，轮廓清晰，表面不光滑，呈颗粒状或团块状结构。反光油浸镜下呈带灰的深绿色，轮廓及结构不清楚；在煤中呈薄层状、透镜状、浸染状和不规则形态出现。（2）硫化物类矿物

硫化物类矿物包括：黄铁矿、白铁矿等矿物。其镜下特征：反光油浸镜下为强亮黄白色，突起很高，轮廓清楚，表面不太平整。填充于裂隙及孔洞中。（3）碳酸盐类矿物

碳酸盐类矿物包括：方解石及菱铁矿等矿物。其镜下特征：在反光干物镜下为灰色，中突起或低突起。表面平整光滑，有内反射现象；多填充于有机组分的细胞腔或小裂隙中；菱铁矿常呈结核状，球粒状集合体。（4）氧化物类矿物氧化物类矿物包括：石英、蛋白石等矿物。其镜下特征：石英多为单个颗粒或较大的块体出现，反光干物镜下为深灰色或灰色，轮廓清晰，表面光滑，突起很高且出现黑色边缘。四、煤岩学的应用1、煤的成因研究2、煤的可选性研究3、评价煤质、指导煤炭加工利用

第三节煤的化学组成一、煤的工业分析

1、煤中的水分2、煤的灰分

3、挥发分和固定碳4、焦渣特征1、煤中的水分（1）煤中水分的特点：水分是煤中的重要组成部分，是煤炭质量的重要指标。煤中的水分一般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。因此，煤的颗粒越细、内部孔隙越发达，煤中吸附的水分就越高。（2）煤中水分的来源煤中的水分有三种来源，即在成煤过程中，环境中的水随着成煤过程进入煤中；在煤层形成后，地下水进入煤层的裂隙、孔隙中；开采、洗选、运输、储存过程中进入煤中。

（3）外在水分、内在水分

煤中的水分可分为两类，即在常温的大气中易于失去的水分和不易失去的水分，前者称为外在水分，后者称为内在水分。内在水分和外在水分之和称为全水分。严格地说，外在水分是指煤放置在大气中使水分不断蒸发，当煤中水的蒸气压与大气中水蒸气分压达到平衡时，煤中水分不再变化。这时所失去的水分占煤样质量的百分数就是外在水分，用表示。而残留在煤内部孔隙中没有蒸发出来的水分称为内在水分，用表示。（4）收到煤样和收到基水分按照一定的采样标准从商品煤堆、商品煤运输工具或用户煤场等处所采煤样，称为应用煤样，将应用煤样送到化验室后称为收到煤样，它含有的水分占收到煤样质量的百分数称为收到基水分，也称全水分，用或表示。外在水分和内在水分构成了收到基水分。(5)煤的最高内在水分煤的最高内在水分是指煤样在30℃，相对湿度达到96%的条件下吸附水分达到饱和时测得的水分，用符号表示。这一指标反映了年青煤的煤化程度，用于煤质研究和年青煤的分类。2、煤的灰分

煤样在规定条件下完全燃烧后得到残渣，该残渣的质量占测定煤样质量的百分数称为灰分产率，简称为灰分灰分产率用Ａ表示。煤的灰分不是煤中的固有组成，而是由煤中的矿物质转化而来的。煤的灰分与矿物质有很大的区别，首先是灰分的产率比相应的矿物质含量要低，其次是在成分上有很大的变化。矿物质在高温下经分解、氧化、化合等化学反应之后才转化为灰分。

3、挥发分和固定碳

在高温条件下，将煤隔绝空气加热一定时间，煤的有机质发生热解反应，形成部分小分子的化合物，在测定条件下呈气态析出，其余有机质则以固体形式残留下来。呈气态析出的小分子化合物称为挥发分，以固体形式残留下来的称为固定碳。实际上，固定碳不能单独存在，它与煤中的灰分一起形成焦渣，从焦渣中扣除灰分就是固定碳了。挥发分用表示，固定碳用表示。

影响挥发分的因素：煤的挥发分主要决定于其煤化程度，但成因类型和煤岩组分也有影响。腐植煤的挥发分低于腐泥煤。这是因为成煤原始植物和结构的差异引起的。腐植煤以稠环芳香族物质为主，受热不易分解，而腐泥煤则以脂肪族为主，受热易裂解为小分子化合物成为挥发分。壳质组的挥发分最高，镜质组次之，惰质组最低。二、元素分析二、元素分析１、煤中的碳元素2、氢元素在煤分子上的位置3、煤中的氧元素4、煤中的氮元素5、煤中的硫元素6、煤中的有害元素7、煤中的伴生元素１、煤中的碳元素

影响碳含量的因素与煤化程度、煤岩组成及成因类型有关。（1）煤化程度：煤化程度提高，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％。（2）煤岩组成：在煤化程度相同的煤中，煤岩组成的碳含量：惰质组＞镜质组＞壳质组。（3）成因类型：腐植煤的碳含量＞腐泥煤的碳含量。2、氢元素在煤分子上的位置影响氢含量的因素有以下几方面：（1）煤化程度：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，氢元素的降低较为明显而且均匀，从年轻无烟煤的4％下降到年老无烟煤的2%左右。（2）煤岩组成：在煤化程度相同的煤中，煤岩组成中的氢含量：壳质组＞镜质组＞惰质组。（3）成因类型：腐泥煤＞腐植煤的氢含量。3、煤中的氧元素影响氧含量的因素主要有以下几方面：（1）煤化程度：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。

（2）风化：风化后煤的氧含量急剧增大。（3）煤岩组成：在煤化程度相同的煤中，煤岩组成中的氧含量：镜质组＞惰质组＞壳质组。（4）成因类型：腐植煤的氧含量＞腐泥煤的氧含量。4、煤中的氮元素氮也是组成煤有机质的元素之一，主要存在于煤分子的杂环和氨基上。煤中的氮元素含量较少，一般为0.5％～1.8％。

5、煤中的硫元素（1）煤中硫的分类煤中硫以无机硫和有机硫的形态存在，两者合称为全硫。有机硫主要来自成煤植物和微生物的蛋白质，均匀地分布在煤的有机质结构之中，通常以噻吩、硫茚、硫醚、硫蒽、二硫蒽和硫醌等结构存在。无机硫又可分为硫化物硫和硫酸盐硫两类，主要来自矿物质中的各种含硫化合物。硫化物硫绝大多数以黄铁矿形态存在。此外还有少量的白铁矿。硫酸盐硫主要以石膏形态存在，少数以绿矾以及其它硫酸盐形式存在。

（2）煤中硫的危害

高硫煤用作燃料时，燃烧后产生的二氧化硫气体，严重污染环境，造成公害。用高硫煤制半水煤气时，由于煤气中硫化氢等含硫气体较多且不易脱净，会使合成氨催化剂毒化而失效，影响操作和产品质量。煤中的硫化铁硫能促进煤的氧化和自燃，对于煤的贮存是不利的，同时也造成煤的灰分增加和热值下降等。煤在炼焦时，约60%的硫进入焦炭，如果煤的硫分高，将会影响钢铁质量，因为钢铁中如果含硫量超过0.07%，会使其产生热脆性而无法轧制成材。

6、煤中的有害元素煤中的有害元素主要有硫、磷、氯、砷、氟等，它们的危害主要表现在煤炭应用过程中会产生有害的物质，对人体造成损害、对环境造成污染，或是对产品质量造成危害。7、煤中的伴生元素

煤中常见的伴生元素有铀、锗、镓、钒、钍、铼、钛、铍、锶、锂等。

表1-1煤中主要元素随煤化程度变化规律表

第四节煤的一般性质一、煤的物理性质和物理化学性质二、煤的化学性质一、煤的物理性质和物理化学性质1、煤的密度（1）真(相对)密度

20℃时煤的质量与同体积(不包括煤的所有孔隙)水的质量之比为煤的真（相对）密度。真密度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。①成因类型②矿物质的影响③煤化程度的影响（2）煤的视(相对)密度

20℃时煤的质量与同体积（仅包括煤粒的内部孔隙）水的质量之比为煤的视相对密度。视相对密度是表示煤物理特征的一项指标，用于煤矿及煤田地质勘探部门计算煤的储量，另外，在储煤仓的设计、煤的运输、磨碎、燃烧等过程的有关计算中也都需要该项指标。（3）煤的堆积密度

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，用表示。堆积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。2、煤的机械性质（1）煤的硬度①刻划硬度②显微硬度（2）煤的可磨性

煤的可磨性是指煤磨碎成粉的难易程度。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。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。（3）煤的热性质煤的热性质包括比热容和导热性。煤的比热容是在一定的温度范围内，单位质量的煤温度升高1℃所需的热量。室温下，煤的比热容为1.0-1.266KJ/(kg·K)。煤的导热性包括煤的导热系数和导温系数两个基本常数。煤的导热系数与其水分、灰分、温度及煤种有关。煤中的水分增大，煤的导热系数将变大；煤的导热系数与温度成正比关系，随温度的上升而增大；腐植煤中泥炭的导热系数最低，烟煤的导热系数明显高于泥炭，烟煤中的焦炭和肥煤的导热系数最小，无烟煤具有更高的导热系数。

（4）煤的电性质①煤的导电性②煤的介电常数（5）煤的光性质

煤的透光率是指煤样在100℃的稀硝酸溶液中处理90，所得有色溶液对一定波长（475）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，用表示。（6）煤的磁性质

煤的有机质一般具有抗磁性，即在外磁场的作用下产生的附加磁场与外磁场的方向相反。磁化率是指磁化强度（抗磁性物质是附加磁场强度）与外磁场强度之比.（7）煤的润湿性煤的润湿性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。当液体和固体接触时，如果固体分子与液体润湿。图1-1煤的润湿现象（8）煤的润湿热①润湿热的本质：年轻煤的润湿热较高，但随着煤化程度的提高而急剧下降，在碳含量为90％左右达到最低值，以后又有所上升。润湿热的产生实际上是液体在煤的孔隙内表面上发生吸附作用的结果。吸附作用越强，比表面积越大，润湿热就越高。②润湿热的影响因素介质的种类、矿物质的含量等均对润湿热有影响，但主要与比表面积有关。试验表明，煤的润湿热大致为0.39-0.42J/m2。利用润湿热可以大致估计煤的比表面积，但不准确。（9）煤的孔隙率和比表面积①煤的孔隙率②煤的比表面积①煤的孔隙率表1-2煤中孔径的划分二、煤的化学性质1、煤的氧化（1）煤氧化的程度（2）煤的自燃表1-3煤的氧化程度（1）煤氧化的程度（2）煤的自燃防止煤自燃的措施是隔离空气或增强通风，不使热量积聚。具体可采取下列措施：（1）隔断空气。在水中或惰性气体中贮存；储煤槽密闭，煤堆尽量压紧，上面可选择盖一层没分、煤泥、黏土或重油；（2）通风散热。不能隔断空气时可使用换气筒等，对煤堆通风散热；（3）通过分选减少黄铁矿含量；（4）短时间贮存。二、其他的化学反应1、煤的加氢反应2、煤的氯化反应3、煤的水解反应第五节煤的利用特性一、煤的发热量二、煤的热解和粘结成焦性质一、煤的发热量

1、煤发热量的测定要点（1）称量1g煤样置于氧弹中，并将氧弹充入纯氧2.6～3.0MPa，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，用表示。2、煤的发热量影响因素（1）成因类型的影响（2）煤岩组成的影响（3）矿物质的影响（４）风化的影响（５）煤化程度的影响二、煤的热解和粘结成焦性质1、煤的热解（1）第一阶段（室温到350～400℃）：干燥脱气阶段（从室温到活泼热分解温度）。褐煤在200℃以上发生脱羧基反应，约300℃开始热解反应。烟煤和无烟煤的原始分子结构仅发生有限的热解作用。（2）第二阶段（活泼热分解温度到550℃）：

生成和排出大量挥发物（煤气和焦油），在450～550℃气体析出量最多。烟煤约350℃开始软化，随后是熔融、粘结，到550℃时结成半焦。这一阶段的特征是活泼分解，以解聚和分解反应为主。烟煤在这一阶段经历了软化、熔融、流动和膨胀直到再固化，形成气、液、固三相共存的胶质体。胶质体的数量决定了煤的粘结性和结焦性。（3）第三阶段（550～1000℃）：

二次脱气阶段。半焦变成焦炭，以缩聚反应为主。析出的焦油量极少，挥发分主要是煤气。煤气的主要成分是，少量和的氧化物。从半焦到焦炭，一方面析出大量煤气，另一方面焦炭本身的密度增加，体积收缩，导致生成许多裂纹，形成碎块。焦炭的块度和强度与收缩情况有直接关系。2、煤在热解过程的化学反应（1）煤热解中的裂解反应①桥键断裂生成自由基②脂肪侧链裂解③煤中的低分子化合物的裂解④含氧官能团裂解（2）煤热解中的缩聚反应①胶质体固化过程的缩聚反应②从半焦到焦炭的缩聚反应图1-2煤的芳香结构脱氢缩聚反应

③半焦和焦炭的物理化学性质变化表1-3芳香晶核尺寸的变化

2、煤的粘结与成焦图1-3胶质体形成过程

测定煤粘结性和结焦性的方法可以分为以下三类：（1）根据胶质体的数量和性质进行测定，如胶质层厚度、基氏流动度、奥亚膨胀度等。（2）根据煤的粘结惰性物料能力的强弱进行测定，如罗加指数呵粘结指数等。（3）根据所得焦块的外形测定，如坩埚膨胀序数和葛金指数等。

第七节中国煤的分类一、煤分类的指标

反映煤化程度的指标：反映煤化程度的指标主要有干燥无灰基挥发分、干燥无灰基氢元素含量、目视比色透光率、恒湿无灰基高位发热量等。此外，在研究煤质时，还经常用到碳元素含量、镜质组最大反射率等。反映粘结性的指标：煤的分类中反映煤的粘结性指标，主要有粘结指数GRI、胶质层最大厚度Y、奥亚膨胀度b。二、我国原有煤的分类方案表1-4我国原有煤的分类方案表表1-4我国原有煤的分类方案表三、中国煤炭现行分类方案1、分类指标

现行的煤炭分类方案中，作为分类指标的有：燥无灰基挥发分、干燥无灰基氢元素含量、目视比色透光率、恒湿无灰基高位发热量、粘结指数、胶质层最大厚度Y、奥亚膨胀度b。2、分类表示方法

现行的煤炭分类方案中，用汉字、符号、数码三种表示法对煤进行分类。①汉字：如褐煤、长焰煤、气煤等；②符号：汉语拼音字头，如，，等；③数码：根据分类指标数值的大小给定两位数码。３、中煤煤炭分类图课后习题一、名词解释（1）凝胶化作用（2）外在水分（3）固定碳（4）黏结性（5）显微煤岩组分（6）Mar(7)目视比色透光率（8）煤分子基本结构单元（9）结焦性二、简答题1、简述煤分子结构的构成。2、简述煤的真密度随煤化程度变化的规律并分析原因。3、如何防止煤的风化和自燃？4、中国煤炭新分类方案中有哪些分类指标，各指标反映了煤的什么性质？5、影响煤的密度的因素有哪些？第3章煤炭分选第一节概述煤炭分选（即选煤）：根据煤中各种组分的密度、表面物理化学性质以及其他性质的差异而将煤分选成不同质量产品的加工过程。随着煤炭采掘机械化程度的提高，加之煤炭资源的日趋“贫、细、杂”化，原煤质量趋向恶化。在此形势下，选煤已经成为煤炭企业不可缺少的生产环节。二无论是动力用煤，还是化工用煤或民用煤，煤中的硫分和灰分都是十分有害的。硫分在燃烧过程中产生SO2、SO3、H2S等酸性气体严重污染大气，煤炭的含硫量越高，SO2生成量也越高；就动力煤而言，灰分每增加1%，大约就得多消耗2%~2.5%的煤炭；国家标准规定炼焦精煤的灰分一般不应超过11.5%。选煤是一项经济有效的清洁煤生产技术，是洁净煤技术的源头技术，具有重大的经济和社会意义，它已成为煤炭工业现代化水平的重要标志之一。第二节煤炭分选与方法二跳汰选煤对不同煤质的煤具有广泛的适应性，长期以来一直被作为主要的选煤方法。目前在我国的各种选煤方法中约占1/3的比例。重介质选煤的重介质旋流器分选技术取得了重大进展。这主要归功于耐磨材料的应用，它延长了设备和管道的使用寿命，以及密度自动控制水平的提高，它使生产操作更加简单。浮选主要是依据煤和矸石表面物理化学性质的差异对小于0.5mm细粒煤进行分选的选煤方法，近几年在我国发展很快，但在应用中，只有炼焦煤选煤厂和用于高炉喷吹的无烟煤选煤厂选用浮选工艺。干法选煤在西部寒冷、水资源短缺地区以及易泥化煤种的分选过程中得到应用。但数量较少，且主要为风力选煤。摇床分选、螺旋分选、滚筒分选、水介质旋流器分选在我国小型易选煤矿也有应用，但应用的较少。目前我国选煤厂使用的选煤方法的具体情况如下：跳汰分选大约占26%，重介质分选大约占54%，浮选大约占14%，风选约占5%，其它方法约占1%。第三节煤炭重选跳汰选煤一二重介质选煤一、跳汰选煤跳汰选煤是指煤粒在垂直交变介质流中按密度分选的重选作业。所用的介质可以是水（水力跳汰），也可以是空气（风力跳汰）。跳汰选煤的适应性较强，除非极难选煤，均可优先考虑采用跳汰的方法处理。在一个跳汰周期内，床层经历了从紧密到松散分层再紧密的过程，颗粒受到了分选作用。分层最终结果是：密度低的矿粒集中在床层的上层（此即精煤）；密度高的矿粒集中在床层的最底层（此即矸石）。煤用跳汰机主要有空气脉动跳汰机和动筛跳汰机。空气脉动跳汰机按其结构可分为：筛侧空气室跳汰机（鲍姆跳汰机）和筛下空气室跳汰机（高桑跳汰机）。这两类跳汰机还可根据其用途、入选粒度和机械结构进行分类（1）筛侧空气室跳汰机（2）筛下空气室跳汰机（3）动筛跳汰机跳汰机的分选效果取决于操作工艺制度，与入料性质及质量要求有关。风、水、给、排是跳汰机最主要的操作参数，各操作参数间互相联系，决定了跳汰机分选床层的状态。床层运动状态决定了矿粒按密度分层的效果。实际操作中跳汰机入料性质波动要尽量小，给料速度要均匀，宽度方向要均匀，原煤要润湿。要根据所要求的松散度调风量，各风室的风量由入料到排料依次减少。风量、风压比筛下水更能影响松散度，增加风量可以提高吸啜作用，而增加水量却减弱吸啜作用，应用时要灵活。分层结束，应及时、连续、合理地排出产物。二、重介质选煤重介质选煤是一种采用密度介于煤与矸石之间的液体作为分选介质的高效率的重力选煤方法。依所用的分选介质不同分为重液选煤和重悬浮液选煤。重介质选煤按分选力的不同可分为重力重介质选煤（重介质分选机）和离心力重介质选煤（重介质旋流器）两种。重液主要包括有机溶液和无机盐水溶液。重悬浮液是指高密度的固体微粒与水配制成悬浮状态的两相流体。重介质选煤一般都分级入选，分选块煤常采用重介质分选机，分选末煤常采用重介质旋流器。重介质选煤的基本原理是阿基米德浮力定律，其分选效率高于其他选煤方法，入选粒度范围宽（重介质分选机的入料粒度为6~1000mm，重介质旋流器的入料粒度为0.15~80mm），生产控制易于自动化，因而得到了十分广泛的应用。（1）重介质分选机分选原理在静止的悬浮液中，作用在颗粒上的力有重力G和浮力G0。因此，悬浮液中颗粒所受的合力F为：当δ<ρ时，颗粒上浮；δ>ρ时，颗粒下沉；δ=ρ时，颗粒处于悬浮状态。重介质分选机通过悬浮液流和刮板或提升轮分别把浮物和沉物排出，完成分选。（2）重介质旋流器分选原理在重介质旋流器中，颗粒所受离心力Fc为：则当δ<ρ时，F为负值，颗粒移向内螺旋流；当δ>ρ时，F为正值，颗粒被甩向外螺旋流。由此密度大于介质的颗粒和密度小于介质的颗粒得以分开。在旋流器中，由于离心力可比重力大几倍到几十倍，因而末煤的分选速度大大加快并实现分选效果的改善。第四节煤炭浮选浮选原理浮选药剂一二三浮选机四浮选调浆一、浮选原理图中矿物的上方是空气中水滴在矿物表面的铺展形态，从左至右，随着矿物亲水程度的减弱，水滴越来越难于铺开而成为球形；图中矿物下方是水中气泡在矿物表面附着的形态，气泡的形状正好同水滴的形状相反，从右向左，随着矿物表面亲水性的增强，气泡变为球形。显然，在水中亲水性矿物难以与气泡附着，可浮性差；而疏水性矿物易与气泡附着，可浮性好。煤泥在调浆设备内配制成一定浓度的煤浆，加入浮选药剂后充分搅拌以促进煤浆与浮选药剂作用，调浆完成后的煤浆进入浮选设备，在浮选设备内的流场与充气作用下，煤粒与气泡相互碰撞。由于煤粒的表面润湿性差，碰撞时易粘附到气泡上，并随着气泡的升浮被气泡带到水面的矿化泡沫层形成浮选精煤；而矸石的润湿性好，碰撞时不易与气泡附着，仍留在矿浆中成为浮选尾煤。二、浮选药剂浮选过程加入的能够帮助浮选过程顺利进行的药剂称为浮选药剂。选煤用浮选药剂既有有机化合物又有无机化合物，既有酸有碱又有不同的盐类，按药剂的用途可分为三类。①捕收剂能选择性地作用于矿物表面并使其疏水的有机物质称为捕收剂。捕收剂作用于矿物-水界面，通过提高矿物的疏水性，使矿粒能更牢固地附着于气泡上而升浮。煤油和轻柴油是选煤使用最多的捕收剂。②起泡剂起泡剂为表面活性物质，主要富集在水、气界面，促使空气在矿浆中弥散成小气泡，防止气泡兼并，并提高气泡在矿化和上浮过程中的稳定性，保证矿化气泡上浮后形成泡沫层刮出。在煤泥浮选过程中，多数起泡剂也在煤粒表面发生吸附并显示捕收作用，醇类（如仲辛醇）是得到广泛应用的起泡剂。③调整剂是改善捕收剂和起泡剂的作用效应的添加剂，具有增溶、分散和乳化作用。它在气-液、液-液和固-液界面显示作用，调整矿浆的性质，提高浮选过程的选择性。调整剂多为表面活性物质，具有杂极性分子结构，如胺类链烷醇胺-妥尔油脂肪酸缩合物等。三、浮选机浮选机的种类繁多，差别主要表现在充气方式、充气搅拌装置结构等方面。目前应用最多的分类法是按充气和搅拌方式的不同将浮选机分为两大类，即机械搅拌式和无机械搅拌式。

（一）机械搅拌式浮选机利用转子-定子系统作为机械搅拌器实现充气和搅拌的统称为机械搅拌式浮选机；根据供气方式的不同又细分为自吸机械搅拌式浮选机和充气机械搅拌式浮选机两种类型。自吸机械搅拌式浮选机具有如下特点：①搅拌力强，可保证密度和粒度较大的矿粒悬浮，并可以促进难溶药剂的分散与乳化；②可依靠叶轮的吸浆作用实现中矿返回，省去大量砂泵；③对难选和复杂的矿石或希望得到高品位的精矿时，可保证得到较好的稳定指标；④运动部件转速高、能耗大、磨损严重、维修量大。充气机械搅拌式浮选机具有以下的特点：①充气量大，便于调节，对提高产量和调整工艺有利；②搅拌不起充气作用，故转速低、磨损小、能耗低、维修量小；③液面稳定、矿物泥化少、分选指标好，但需压力系统和管路。

（二）无机械搅拌式浮选机无机械搅拌式浮选机又称为充（压）气式浮选机，最典型的即是浮选柱设备。与机械搅拌式浮选机比较，浮选柱具有结构简单、占地面积小、耗电量低、易损件少等优点；存在空气管和尾矿管易堵塞、工作稳定性差等缺点。

（1）传统浮选柱

传统浮选柱为高6~7m的圆柱体，低部装有一组微孔材料制成的充气器，上部设有给矿分配器，给入的矿浆均匀的分布在柱体的横断面上，缓缓下降，在颗粒下降的过程中与上升的气泡碰撞，实现气泡的矿化。（2）新型浮选柱

四、浮选调浆浮选是一个复杂的过程，调浆、矿化、分离等过程都会对浮选效果产生影响。调浆意味着为浮选药剂和矿物间的反应提供足够的混合和接触时间，其主要任务是实现矿物的充分分散以及与药剂的作用完全。近年来，研究人员在煤泥浮选前的矿浆分散、表面改性及混合动力学方面做了许多研究工作，并在药剂乳化、颗粒分散等调浆技术方面取得了一些进展。（一）矿浆预处理器

（二）乳化器

提高浮选药剂分散度的有效途径之一是浮选药剂的乳化。在相同的浮选药剂添加量的条件下，其分散度越高，则油滴数越多，其直径也越小，比表面积就越大，和煤粒接触粘附的概率也就越高，从而节省浮选药剂用量，提高浮选速度，改善分选效果。一般常用的乳化器有机械搅拌器、水喷射式乳化器、超声波乳化器、胶体磨乳化器等。（三）表面改质机

第五节煤炭干法分选及其他选煤方法煤炭干法分选煤炭电磁选一二一、煤炭干法分选（一）空气重介质流化床干法选煤物料在分选机中的分选过程是：经筛分后的6~50mm块状物料与加重质分别加入分选机中，来自风包的具有一定速度的有压气体通过气体分布器均匀作用于加重质而发生流化作用，在一定的工艺条件下形成具有一定密度的均匀稳定的气固两相流化床。物料在流化床中按密度分层。小于床层密度的物料上浮，称为浮物；大于床层密度的物料下沉，称为沉物。分层后的物料分别由低速运行的无极链刮板输送装置逆向输送，浮物如精煤从左端排料口排出，沉物如矸石或尾煤从右端排料口排出。（二）FX型风力摇床分选和FGX型干法选煤在我国得到比较广泛应用的干法分选设备是FX型风力摇床和FGX型干选机；这两种型号的干选机都是以空气做分选介质的重力分选方法，在气流和机械振动的共同作用下，使原煤在床面上按不同密度分为轻、重产品。二、煤炭的电磁选（一）煤粉摩擦电选技术微粉煤摩擦电选的原理：煤和矿物质颗粒在气流夹带作用下通过摩擦器，颗粒与摩擦器壁及颗粒与颗粒之间相互碰撞摩擦使得煤中的有机质和矿物质颗粒分别带上极性相反的电荷；然后带电颗粒群被引入高压电场中，在电场力下，有机质和矿物质颗粒因带电极性不同分别被吸引、吸附到极性相反的极板上，从而实现两者的分离。（二）煤炭磁选脱硫技术得到良好的磁选脱硫效果，必须做到以下两点：①将煤细粉碎使得其中的硫化矿物质等充分解离；②磁选前采用煤系矿物磁性强化技术以增大硫化矿物的比磁化率。第六节选煤工艺流程一典型选煤工艺二空气重介质选煤工艺系统一、典型选煤工艺选煤厂对原煤的加工处理大致可分为原煤准备、分选和产品处理三个作业。准备作业是对原煤进行筛分、破碎、拣矸等环节，为分选作业准备好粒度适当的原煤；分选作业是使用各种分选设备将煤和矸石等矿物质杂物分离；产品处理作业主要是对选后的各类产物进行脱水、浓缩、过滤、压滤和干燥等。目前中国的选煤工艺流程基本上是两段（粗粒用重选，细粒用浮选）或两段半（粗粒用重选，粗煤泥只回收，细粒用浮选）选煤模式，国内大型选煤设计企业和国外则大多数采用三段选煤模式，即增加粗煤泥分选。而中国的煤层赋存条件差，断层多，顶底板比较破碎，原煤性质差异大，随着采煤机械化程度及原煤人选比例的提高，煤泥的产量将会大量增加。因此，在中国发展三段分选更加合理，最佳工艺为大直径重介旋流器+粗煤泥分选+浮选。二、空气重介质选煤工艺系统根据流化床选煤工艺的要求，空气重介质流化床干法选煤工艺系统主要包括：原煤准备、筛分、分选、产品脱介及介质净化回收、供风及除尘等。谢谢！第4章水煤浆本章重点煤炭成浆性的评定方法煤炭颗粒的堆积理论水煤浆常用分散剂及作用机理水煤浆的流变性水煤浆制备常用工艺本章难点煤炭颗粒的堆积理论水煤浆的流变性概论一、水煤浆的介绍

水煤浆是20世纪70年代发展起来的一种低污染、高效率、流动性强的代油新型煤基流体燃料，它是由一定级配粒度的煤粉、水和添加剂通过物理加工而成的浆体状燃料，具有象油一样的易于装卸储存及运输的特点。

根据浆体浓度和制浆原料的不同，水煤浆可分为高浓度水煤浆、中浓度水煤浆、低浓度水煤浆、超纯水煤浆、煤泥水煤浆、原煤水煤浆以及脱硫水煤浆等。不同种类水煤浆，其用途差别也较大。概论二、发展水煤浆的意义经济性水煤浆属于煤基清洁燃料，锅炉燃用水煤浆将会取得十分巨大的经济效益，如果以一台4T/h的工业蒸汽炉为例，燃用水煤浆与燃用其它清洁燃料相比每月即可节约燃料成本5到17万元。环保性

燃用含硫量低于1%的原煤制成的水煤浆，无须任何脱硫设备即可达到一类地区的环保标准。另外，可以炉前制浆，利用企业污水，如：造纸黑液、浆泊废水、印染废水等，制成水煤浆，达到以废治废的环保效果。安全性

水煤浆属于非易燃流体，运输、储存和泵送过程在常温下封闭进行，相对于油、气、煤粉的易燃、易爆来说，其安全性大大提高。广泛性

水煤浆适用于各种工业锅炉，电站锅炉，采暖锅炉及冶金行业的加热炉、均热炉、炼铁高炉，建材行业的隧道窑、干燥窑、烧结窑，化学行业的回转炉、玻璃窑等。概论三、国内外水煤浆技术发展简况我国水煤浆的研究晚于发达国家。

自1981年起我国水煤浆技术的开发，连续被列为国家“六五”、“七五”重大科技攻关项目。在“六五”实验室阶段开发研究的基础上，“七五”、“八五”水煤浆技术开发的重点转移到建立相当规模的水煤浆制备、燃烧、气化等工业应用示范工程体系上，已开始步入工业化实用阶段，可以大面积推广应用。

我国的水煤浆制备技术已达到国际水平，产品具有良好的稳定性和流动性，能满足燃烧雾化的需求，到目前为止，建立了多个具有相当规模的制浆厂，如衮州厂(中日合资)、北京厂(中瑞合作建设)、枣庄八一厂，年生产能力均为250000t，还建立了质优价廉的添加剂厂。概论三、国内外水煤浆技术发展简况

美国是最早研究水煤浆的国家。从1979年起水煤浆技术的开发应用就已经列入政府发展计划，其水煤浆燃烧技术居世界领先水平。

瑞典是目前向国外输出成套水煤浆制备和燃烧技术最多的，同时也是开发此技术最早、技术相对发达的国家。除进行一般的水煤浆技术研究外，瑞典还从事超低灰、洁净煤浆的研究与开发，于1984年首次投产了250000t的商业性水煤浆厂。

日本水煤浆技术的应用主要针对大型电站锅炉，80年代中、后期开始，日本就在常磐共同火

力公司的勿来电厂260t/h、1940t/h锅炉进行水煤浆长期燃烧试验，取得成功。其中194t/h

锅炉上使用的燃烧能力为11t/h的大型燃烧器，是迄今为止世界上最大的燃烧器。

前苏联水煤浆技术起步较晚，但发展迅速，80年代中期采用意大利先进的水煤浆制备、长距

离管道输送技术，与1989年在别洛沃建成了年产5Mt的水煤浆制备厂，通过长达260km的管道

输送线路，供新西伯利亚6×200MW锅炉燃用。概论

北京燕山石化燃用脱硫型水煤浆系统工程第一节煤的成浆性煤的成浆性一、成浆性的评定

煤的成浆性是指将煤制备成水煤浆的难易程度。煤的成浆性一般可以用所制煤浆在常温下，剪切速率为l00s-1表观黏度达l000mPa•s时煤浆浓度来衡量，即在此条件下，煤浆的浓度越高，该煤成浆性越好。

影响煤炭成浆性的因素有：空气干燥基水分Mad，干燥基灰分Ad，干燥无灰基挥发分Vdaf，哈氏可磨性指数HGI，空气干燥基C、H、O、N等。张荣增教授采用逐步回归分析方法，对煤炭成浆性的影响因素进行了研究，剔除了其中不显著因素，建立了制浆浓度C%与煤的Mad、HGI、O（有氧数据时）的最优回归方程，以及制浆浓度C%与煤的Mad、HGI的最优回归方程，提出了评定烟煤成浆性难易指标D（D值越大，成浆性越差）和可制浆浓度C，并建立了成浆性难易指标D和可制浆浓度C的经验模型。成浆性易中等难很难指标D＜44-77-10＞10可制浆浓度C/%＞7272-6868-65＜65表3-1煤炭成浆性分类煤的成浆性二、影响煤炭成浆性的因素从煤炭成浆性评定的角度看，Mad、HGI和氧是影响煤炭成浆性主要。而实际上煤炭成浆性的影响因素是多方面的，煤质是影响成浆性的内因，即主要因素，如：含氧极性官能团、孔隙率及比表面积、内在水分、哈氏可磨性(HGI)、煤岩组分、矿物质、煤化程度等；粒度级配、添加剂的类型和用量也是影响成浆性的重要因素；另外，温度、水质、制浆工艺等对煤炭成浆性也有影响。煤质粒度级配添加剂煤浆温度水质制浆工艺煤的成浆性煤质对煤炭成浆性的影响（主要因素）含氧极性官能团含氧极性官能团主要影响煤炭颗粒煤表面的润湿性，即亲水性。制备水煤浆所用分散剂都是一些两亲的表面活性剂，其分子结构中一端是是非极性的亲油基，另一端是极性的亲水基，亲油基吸附煤表面，亲水基朝向水，使煤表面形成一层水化膜，提高煤的分散性以降低颗粒粘度。孔隙率及比表面积孔隙率越发达，煤的比表面积就越大，吸附能力就越强，吸附的空气量也就越大，在成浆后从煤浆析出，会造成煤浆"鼓包"、"发干"，给水煤浆的制备、存储、运输等带来困难。另外，高孔隙率的煤在空气中会机会吸附较多的水，使其内在水分增大；在制浆过程中会吸附大量添加剂，增大药剂消耗。内在水分在水煤浆中，起到流动介质作用的水是水煤浆的外在水分。在全水分不变的情况下，水煤浆内在水分越高，相对外在水分就越低，那么煤浆的流动性就越差，表观黏度就越大，即内在水分越高，就越难制的高浓度的水煤浆。煤的成浆性哈氏可磨性(HGI)煤的可磨性是指煤被磨碎成煤粉的难易程度。煤的可磨性指数HGI越大则容易粉碎，反之则较难粉碎。可磨性好的煤可以制得更多的微细颗粒，使煤炭颗粒合理级配成为可能，进而提高颗粒的堆积效率，制得高浓度的水煤浆。煤岩组分煤岩显微组分有镜质组、丝质组和稳定组。镜质组分中含有大量极性官能团，因此，镜质组分高的煤成浆性差；丝质组分多孔结构，孔隙大，含碳高，最高内在水分含量高，哈氏可磨性指数减小，不易成浆；稳定组成浆性较好。矿物质煤中不溶或难溶矿物质对煤浆的流动性几乎无影响，而可溶性矿物质对水煤浆的流动性影响较大，主要原因是金属阳离子与颗粒表面阴离子发生电中和作用，降低了颗粒的分散性，提高了水煤浆的黏度。煤中矿物质含量高，意味着煤灰分高。灰分高的煤在制取相同浓度的水煤浆时，所用煤的体积数量小，因此水煤浆黏度低，流动性越好，所制得水煤浆热值低，以及会对其应用有影响。煤的成浆性煤化程度煤化程度不同的煤，其各方面性质差别比较大，如：含氧极性官能团数量、煤孔隙率及比表面积越大、内在水分、可磨性指数HGI、煤岩组分等。总体规律为：随着煤化程度的增加，煤的成浆性逐渐提高，到达中等变质程度煤时理论成浆性最好，随着煤化程度继续增加，煤的成浆性开始变差。这是因为：低变质程度的煤疏松多孔，含氧极性官能团多，内在水分高，制浆性就差；而中等变质程度的煤含氧极性官能团少，结构致密，内在水分低，故成浆性好；而高变质程度的煤内部裂隙增加，导致内在水分增加，成浆性变差。煤的成浆性三、提高煤炭成浆性的途径煤炭颗粒改性提高煤炭的成浆性可以从提高煤炭质量来着手，如：低阶煤的干燥脱水、热解干馏提质等。另外，也可以通过改变煤炭颗粒表面性质的方法，来提高煤炭的成浆性，如：添加疏水性的表面活性剂来改变低阶煤的表面疏水性，以遏制低阶煤在制浆过程中的反吸附现象，进而提高添加剂的分散效能，增强煤浆的抗剪切、抗温升和抗老化的能力等，从而提高低阶煤的成浆性。配煤制浆煤种成浆性能与煤质特征密切相关，变质程度较低的煤种成浆性差，而变质程度较深的煤种成浆性好。因此，对于成浆性差的煤种，改善其成浆性能的途径之一，可通过配入一定比例的易成浆煤种，达到改善其成浆性能的目的。另外，配煤技术的实施，还可扩大原料煤种的适用范围，实现原料多样化及资源的合理利用。煤的成浆性超声波强化在制浆过程中，利用超声波辐照的分散作用，可以使煤浆中的煤粒团聚状态由大粒子簇向小粒子簇转变；利用超声波辐照的空化作用能够破碎煤浆中的煤粒,使其由大粒子向小粒子转变；利用超声波辐照的扩孔作用,可以使煤的真密度的减小。因此，通过超声波处理，煤炭的成浆性能得到很大程度的强化改善。磁化强化在制浆过程中，煤浆经适当的磁场强度和磁化时间处理后，可使其制浆浓度提高，即提高其成浆性。主要是因为：水煤浆经磁化处理后，一方面其黏度显著降低,另一方面改善了颗粒与添加剂的吸附，使药剂吸附量增加。煤的成浆性第二节水煤浆粒度水煤浆粒度一、粒度的表征颗粒粒度在制浆过程中，为了所制得水煤浆能充分燃烧，要求水煤浆中煤炭颗粒磨到很细的粒度。因此，水煤浆颗粒其实是一种严格意义上的粉体颗粒。粉体颗粒是指在物质的本质结构不发生改变的情况下，分散或细化而得到的固态基本颗粒。基本颗粒是指没有堆积、絮联等结构的最小单元，即一次颗粒。水煤浆的煤粉是在一定程度上团聚了的二次颗粒。这是因为水煤浆煤粉由于比较微细，表面活性比较大，而导致的团聚。由于粉体是具有粒度分布的大量固体颗粒的分散相，因此不能用单一的颗粒大小来描述。因此，粉体的粒度是构成粉体的颗粒群的平均粒径大小。实际粉体的颗粒形状有球状、条状、多边形状、片状或各种形状兼有的不规则体。表征颗粒群粒度的方法有：等面积球相当径、等体积球相当径、筛分直径、等沉降速度相当径、显微镜下测得的颗粒径等。粒度分布水煤浆中的固体粒度堆积时，希望不同大小的煤粒能够互相充填，颗粒间尽可能地减少空隙，提高堆积效率，减少水的消耗，制成高浓度浆。因此，水煤浆中煤粉是一组颗粒大小不一致，但有一定分布范围的粉体粒群组成的多分散体系。多分散体系中颗粒大小不均一程度都采用粒度分布进行表征。粒度分布范围越窄，表明分散的程度越小，其集中度越高。水煤浆粒度粒度分布曲线（1）频率分布图1和2为颗粒粒度分布的频率图。横坐标表示各粒级的起止粒度,纵坐标表示该粒级的颗粒所占百分数ε。图1表示所取粒级的粒度间隔相等的情况，图2表示所取粒级的粒度间隔不相等的情况。很明显,ε值就等于直方图中所对应矩形面积占所有矩形总面积的百分数。粒度间隔相等的矩形图粒度间隔不相等的矩形图水煤浆粒度（2）累计分布曲线图3是粉体粒度分布的另一种表现形式,即累积分布曲线。横坐标表示颗粒径,纵坐标表示在某d以下的颗粒占总颗粒的个数或质量百分比。图中ε=50%时所对应的d50值,表示颗粒个数或质量百分比为50%时，颗粒的分界粒度。在实际中，质量百分比累计分布曲线较为广泛应用。图3累计分布曲线水煤浆粒度二、粒度的测定水煤浆颗粒粒度分布的测定方法很多，常用有筛分法、沉降法、激光光散射法、观察计数法、流体力学色谱法、电感应法等。筛分法沉降法激光光散射法观察计数法流体力学色谱法电感应法水煤浆粒度水煤浆粒度水煤浆粒度激光粒度分布仪水煤浆粒度三、颗粒堆积理论基本概念堆积效率即颗粒堆积的紧密程度，一般用固体物料在堆积空间中占有的容积浓度来表征，以λ符号表示。空隙率是指堆积颗粒空隙所占有的容积浓度，以符号ε表示。显然有λ十ε=1成立。粒孔比指颗粒直径与颗粒堆积时的孔隙直径之比，用符号B表示。堆积理论单一粒径颗粒堆积多种离散粒径颗粒的堆积连续分布颗粒的堆积隔层堆积理论水煤浆粒度单一粒径颗粒堆积单一粒径球体颗粒堆积即等径球体颗粒堆积，是一种为研究需要而理想化的最简单的颗粒堆积方式，同时也是研究实际颗粒堆积的基础。单一球体颗粒堆积在空间上可以形成多种不同的形态，其堆积的紧密度相差也较大。空间正六面体堆积和空间正四面体堆积是两种最典型的堆积形态，前者堆积最松散，而后者堆积最紧密。正六面体堆积效率为λ＝0.5236，粒孔比B＝2.44；正四面体堆积堆积效率λ=0.74，粒孔比为B＝4.66。水煤浆粒度水煤浆粒度单一粒径不规则颗粒的堆积效率比球体低。颗粒形状的不规则程度一般用球形系数χ来表征，χ为体积与颗粒相同的球体表面积与颗粒表面积之比。Brown研究了堆积效率与颗粒形状间的关系，研究结果表明颗粒的χ值越大即形状越不规则，堆积孔隙越小，堆积效率越高。实际堆积中，颗粒的粒径往往都不是等粒径的，但可以把窄级别的一组颗粒近似看做是一组等粒径的不规则颗粒的堆积。张荣曾教授对四种窄级别煤粒随机堆积状态在实验室进行了研究，得出颗粒的堆积效率近似等于颗粒的视密度与堆密度之比的结论。多种离散粒径颗粒的堆积小颗粒粒径小于大颗粒间的孔隙，小颗粒能够完全充填到大颗粒堆积形成的孔隙中去。Fayed研究指出发生这种堆积的条件是颗粒粒孔比大于3:l；而Hudson研究指出要使小颗粒能完全充填在大颗粒孔隙中，所需要的粒孔比应高达5。小颗粒粒径小于大颗粒间的孔隙，小颗粒充填到大颗粒堆积形成的孔隙中去，将本来呈紧密堆积的大颗粒间的间隙撑开，影响堆积效率。这是因为大颗粒间的孔隙不够大，由于小颗粒比表面积大而重量轻不易克服周围阻力，充填到大颗粒孔隙中后小颗粒堆积的孔隙增大所致。小颗粒粒径不小于大颗粒间的孔隙，小颗粒不能够充填到大颗粒堆积形成的孔隙中去。显然，多种离散粒径颗粒堆积时应尽量创造条件以发生第一种堆积形态，才能得到最大的堆积效率。水煤浆粒度

水煤浆粒度隔层堆积理论张荣增教授研究连续分布颗粒堆积模型的计算机处理时，采用了对连续分布先作离散处理，再按粒径与孔径比划分成若干窄级别，进行隔层随机模拟堆积，从而可求出任一粒度分布堆积效率的计算值。该处理方法既可用于多粒径离散颗粒体系，亦可用于单峰与多峰的连续分布颗粒体系的堆积效率计算。这种方法的前提假设是颗粒按隔层方式堆积，即张荣增教授提出的“隔层堆积理论”。所谓隔层堆积是按粒孔比B的等比级数划分为许多窄粒级，第三层的颗粒(层数越大，垃径越小)充填到第一层的颗粒孔隙中，第四层的颗粒充填到第二层的颗粒孔隙中，以此类推。因为相邻两层间上层的最小粒度与下层的最大粒度相差无几，无法保证下层粒级都能充填到上层的孔隙中去，所以要进行隔层充填。此外，采用隔层充填，可使相邻两层的粒孔比达到前述所要求的B＝5，使小颗粒能完全充填在大颗粒的孔隙中去。张荣增教授所建立的计算机离散化隔层模拟堆积算法，可用于计算任意粒度分布的堆积效率、预测可制浆浓度、优化制浆工艺、分析改进制浆效果的途径，并成功地用于指导制浆试验研究与工业生产。因此，该理论是对最优粒度分布理论的进一步更为实用的发展。水煤浆粒度四、颗粒紧密堆积的经验关于颗粒如何达到最紧密堆积的问题一直受到国内外研究者的关注和重视。经长期生产实践，对颗粒产生紧密堆积有如下经验：采用多组份颗粒可以产生紧密堆积，并且要求组份颗粒尺寸相差在5倍以上；当有两个组份堆积时，粗细粒群数量比要求为7:3，而有三种组份时为7:1:2，此时细颗粒的数量才能满足充填粗颗粒间孔隙的需要，才能使堆积率最高；适当增加粗粒组份的数目，可提高堆积密度，使它接近最紧密堆积，但当组份大于3时，实际意义不大；适当增大临界颗粒尺寸，可使各组份颗粒尺寸相差大些，提高堆积效率。第三节水煤浆添加剂水煤浆添加剂一、水煤浆添加剂的作用机理水煤浆添加剂实际上是一些表面活性剂，在水煤浆制备过程中，它可以改变煤粒的表面性质，使煤粒能够在水中分散，使煤浆体具有良好的流动性和稳定性。水煤浆添加剂是一种两亲分子，由疏水基和亲水基两部分构成。提高煤颗粒表面亲水性增加煤颗粒表面电性空间位阻效应水煤浆添加剂提高煤颗粒表面亲水性煤炭是一种非极性的碳氢化合物组成的混合物，属于疏水性物质。煤炭的疏水性大小可用水在其表面的润湿接触角大小分来表征，接触角越大，其疏水性越强。不同煤种表面的接触角如下表。煤种润湿接触角/(0)煤种润湿接触角/(0)

长焰煤60~63焦煤86~90气煤65~72瘦煤79~92肥煤83~85贫煤71~75水煤浆添加剂水是一种典型的极性物质，表面张力大；而煤炭是疏水性物质，表面张力小。因此，只有降低水的表面张力，增大煤炭表面张力，才能使煤达到充分湿润。水煤浆用分散剂都是—些两亲的表面活性剂，一端是由碳氢化合物构成非极性的亲油基，另一端是亲水的极性基。分散剂分子通过其疏水基和煤表面结合，以亲水基朝水的定向排列方式把水分子吸附在煤粒表面，变疏水性为亲水性，借水化膜将煤粒隔离开，减少煤粒间的阻力，从而达到降粘的作用。增加煤颗粒表面电性根据DLVO理论，胶体颗粒稳定存在的前提条件是颗粒间的静电斥力大于颗粒间的范德华引力。当增加了煤粒电位以后，煤粒之间因静电斥力增大，呈现稳定悬浮不易接近，难以形成聚集状态。但是，这并不是煤粒分散的充分条件。如非离子表面活性剂不能使煤粒表面荷电，却分散性很好的事实也证明了，除了静电斥力外,还有空间隔离位阻效应的存在。水煤浆添加剂空间位阻效应颗粒表面水化膜因受到表面电场的吸引而呈定向排列，当颗粒相互靠近时，水化膜受挤压变形，引力则力图恢复原来的定向，这样就使水化膜表现出一定的弹性。煤粒表面吸附添大加剂分子时，颗粒间就增加了一层障碍，煤粒、添加剂分子的亲水链及水分子就构成了三维立体结构，当颗粒相互靠近时，可机械地阻挡聚结，这就是立体障碍的作用。其中稳定剂的作用机理主要体现在使煤粒与水之间形成一种较弱，但又有一定强度的三维空间结构，从而对颗粒的沉淀起到阻碍作用。水煤浆添加剂

水煤浆添加剂三、水煤浆稳定剂水煤浆的稳定性：煤浆在储存与运输期间保持性态均匀的特性。水煤浆是一种高浓度固液两相粗分散体系，无论是分子热运动的布朗运动作用力、颗粒间的范德华引力，还是颗粒间的静电吸引力，都不足以阻止水煤浆中颗粒的沉淀。因此，固体颗粒的沉降是造成水煤浆不稳定的根源。而触变性流体具有高的剪切应力，应用时一经外力作用，粘度能迅速降低，有良好的流动性；再静止时义能恢复原来的结构状态。那么使水煤浆流体变为触变性流体就是解决其不稳定的主要手段，所添加的药剂即稳定剂。稳定剂具有使煤浆中巳分散的煤粒能与周围其它煤粒及水结合成一种较弱但又有一定强度的三维空间结构，使已分散的固体颗粒相互交联形成空间结构的作用。稳定剂的用量随煤种、稳定剂类型、要求的稳定期而异，在干煤量的0.006-0.1%之间变化。水煤浆常用稳定剂主要有无机盐和高分子有机化合物两类，如常见的聚丙烯酣胺望凝剂、羧甲基纤维素以及一些微细胶体粒子等。水煤浆添加剂四、水煤浆其它辅助添加剂消泡剂：在制备水煤浆过程中，所用原料煤为浮选精煤时，其表面会残留很多气泡剂；再者，当所用分散剂为非离子型分散剂时，由于非离子型分散剂往往也具有很好的起泡功能，故也会产生大量气泡。当水煤浆中含过多气泡，特别是微泡时，其流动性会大受影响。因此，需要补加消泡剂。调整剂：添加剂在水中的离解度、添加剂与煤炭表面及溶液中其他物质的作用，均与溶液的酸碱度有关。实践表明，制浆时往往以弱碱性的溶液环境较好，因此为了取得较好的制浆效果，存制浆时住住要加入pH调整剂以调整煤浆的pH值。防毒剂：添加剂都是一些有机物质，有的在长期贮存中易受细菌的分解而失效．这时往往要使用防霉剂进行杀菌。不过这种情况较少见。表面处理剂：表面改性剂是改变煤粒表面特性以增强其成浆性，特别是对难制浆煤种。水煤浆添加剂NNO-分散剂水煤浆添加剂水煤浆添加剂第四节水煤浆流变性水煤浆流变性一、流体的流变性牛顿型流体基本概念：流体的流变性是指受外力作用发生流动与变形的特性。剪切应力是指当流体相邻层间发生相对运动时，流体质点间的内摩擦力，用符号τ表示。剪切速率是指层间相对速度或流动平面法向的速度梯度dv／dy。牛顿内摩擦定律：牛顿内摩擦定律即粘性定律的表达式为：。式中μ表示粘度。剪切速率与剪切应力成正比，剪切速率为零时，剪切应力也为零，二者间的关系与流体性质（粘度）有关。牛顿流体的粘度随温度升高而减小，气体的粘度随温度的升高而增加。符合此定律的流体成为牛顿型流体。水煤浆流变性非牛顿型流体不服从牛顿粘性定律的流体，通称为非牛顿流体。如下图几种典型流体剪切应力与剪切速率间的关系图(即流变图)。（1）假塑性流体：假塑性流体在不同剪切速率下，有不同的斜率，即存在不同的粘度。因此对假塑性流体定义一个表观粘度，用符号μα来表示。它也是剪切应力与剪切速率dv／dy的比值，但不是固定值，它随剪切速率而变，所以在应用表现粘度时，必须注明相应的剪切速率。假塑性流体随剪切速率增高，曲线斜率减小，即表观粘度变小。剪切速率为零