第5章-煤化学基础-2

1、2020/9/16,1,第五章 煤化学基础2,煤的化学组成与结构 煤的工艺性质 煤的分类 煤的工业利用,2020/9/16,2,“基”的概念 “基”：表示化验结果是以什么状态下的煤样为基础而得出的，煤质分析中常用的 “基”有空气干燥基、干燥基、收到基、干燥无灰基、干煤无矿物质基。,一、煤的工业分析,空气干燥基以与空气湿度达到平衡状态的煤为基准。符号为ad(air dry basis)。又称分析基。 干燥基以假想无水状态的煤为基准。符号为d (dry basis) 收到基以收到状态的煤为基准。符号为ar(as received)。 干燥无灰基以假想无水、无灰状态的煤为基准。符号为daf (dry

2、 ash free)。,第三节 煤的分类,2020/9/16,3,一、煤的工业分析,新旧标准中各种基采用的符号对照表,2020/9/16,4,煤的工业分析：是水分、灰分、挥发分和固定碳四个项目煤质分析的总称。 其中，水分（W）、挥发分（V）、灰分（A）可以测定，固定碳（FC）=100-W-V-A。 W、A 无机质 V、FC 有机质,一、煤的工业分析,2020/9/16,5,（一）水分,1、煤中水分的存在状态 根据水在煤中的存在状态，将煤中水分称为：外在水分、内在水分以及同煤中矿物质结合的结晶水、化合水。 （1）外在水分：指煤炭开采、运输、储存及洗选过程中，附着在煤颗粒表面和裂隙中的水分。将煤放

3、在空气中风干，外在水分即不断蒸发，直到与空气的相对湿度达到平衡为止，此时失去的水分，即外在水分。 影响因素：与煤所处的外界条件有关。水采原煤、洗选后的外在水分大于旱采原煤和洗选前的；矿井地下水越丰富，外在水分也越大；与测试时的空气湿度有关。,2020/9/16,6,（一）水分,（2）内在水分：吸附或凝聚在煤颗粒内部的毛细孔内表面的水分。 由于孔隙特别是微孔吸附力的作用，内在水分比外在水分难以蒸发，温度达到100C以上时，才能把内在水分全蒸发去。 当煤样在温度0 C 、相对湿度96%以下，煤颗粒吸附的水分达到饱和时，内在水分达到最高值，即最高内在水分。 由于煤的孔隙度同煤化程度建有一定的规律关系

4、，所以最高内在水分能在一定程度上反映煤化程度。 内在水分与外在水分，属于游离水，两者之和称为全水分。,2020/9/16,7,（3） 结晶水和化合水：煤中矿物质里以分子形式或离子形式参加矿物晶格构造的水分。如石膏CaSO42H2O（结晶水的失水温度163C）、高岭土Al2O32SiO22H2O（化合水的失水温度163C）分子结构中的水分。 结晶水和化合水在煤的工业分析中，一般不作测定。,（一）水分,2020/9/16,8,2、水分对煤的工业利用的影响 储存时，水分随空气湿度改变，使煤容易破裂氧化； 运输时，高寒地带由于水分的冻结，造成装卸困难； 炼焦时，水分消耗能量，延长炼焦时间，降低焦炉生产

5、率； 作燃料时，水分的蒸发要消耗部分热量，降低有效发热量。 现代煤炭加工利用中，煤中水分可作为加氢液化和加氢气化的供氢体，以及在压制煤砖时也需适量的水分使煤能够成型。,（一）水分,2020/9/16,9,煤中全水分含量的高低是评价煤质的一个重要指标，它对煤的加工利用等均有重要影响。在有关工业用煤质量标准中对煤中全水分含量均有一定的要求。,全水分分级标准,（一）水分,2020/9/16,10,（二）灰分,1、灰分的含义 指煤完全燃烧后剩下的残渣。几乎全部来自于矿物质。 由于残渣是煤中可燃物完全燃烧，煤中矿物质（除水分外所有的无机质）在煤完全燃烧过程中经过一系列分解、化合反应后的产物。灰分应称为灰

6、分产率。 2、测定方法 将1g分析煤样在81510C条件下完全燃烧，剩下残渣即为试样的灰分。空气干燥煤样的灰分按下式计算：,m1灼烧后残留物的质量,g; m称取的一般分析试验煤样的质量，g。,2020/9/16,11,3、灰分对煤质的影响： 某些地方煤的结焦性较好，但因矿物质含量高，且不易选，因而不能用于炼焦； 高灰煤作工业燃料和原料时，因排灰量的增大，增加堆灰场地面积和城市垃圾运量，同时增加三废污染； 低灰熔点的煤燃烧时容易结渣，会引起排渣困难和通气不良，强烈结渣会降低煤气产量和质量； 煤的灰分越高，其发热量越低，经济价值也越低； 另外，矿物质越多，煤的吸附气体能力下降。,（二）灰分,202

7、0/9/16,12,灰分分级标准,煤中矿物质不利于煤的加工利用，含量愈低愈好。所以煤的灰分是评价煤质的重要指标。在工业利用上，煤的灰分分级如下：,（二）灰分,2020/9/16,13,1、挥发分概念： 把煤放在与空气隔绝的容器中，在一定高温（900C）条件下加热到一定时间（7分钟）以后，从煤中分解出的液体（蒸汽状态）和气体产物，减去煤中所含的水分，即为挥发分。,（三）挥发分,Vad空气干燥基挥发分质量分数，%； m1煤样加热后减少的质量，g; m一般分析试验煤样的质量，g; Mad一般分析试验煤样水分的质量分数，%。,2020/9/16,14,2、挥发分产率的影响因素 与煤化程度、煤岩成分、矿

8、物质含量有关：一般来说，随着煤化程度增加，挥发分含量减小；煤化程度相同的煤中，壳质组的挥发分最高，镜质组次之，而丝质组最低，但随着煤化程度增加，挥发分受煤岩组成的影响变小。,挥发分分级标准,（三）挥发分,2020/9/16,15,随着变质程度增加，挥发分产率减小,2020/9/16,16,固定碳：固定碳的高低是评价动力用煤和气化用煤质量的一个重要指标。 煤中固定碳是指从煤中除去水分、灰分和挥发分后的残留物，即: FCad100一(Mad十Aad十Vad) 说明： 固定碳和挥发分一样不是煤中的固有成分，而是热分解产物。 固定碳与煤中碳元素含量是不同的概念，决不可混淆。 煤中FCad随煤化程度增加

9、而增加，褐煤60，烟煤5090，无烟煤90，因此，有些国家以FCad作为煤分类指标。,（四）固定碳,2020/9/16,17,固定碳分级标准,（四）固定碳,2020/9/16,18,二、煤的分类,(一) 分类依据 1、科学分类法：分类依据是煤的元素组成（碳、氢、氧等含量）。 2、成因分类法：分类依据是煤的形成条件（分为腐植酸、腐泥煤和残植煤等）。适用于地质和煤质研究工作。 3、技术分类法：分类依据是煤化程度和煤在热加工过程中所表现的特性（煤化程度以挥发分产率或镜质组最大反射率为分类指标，工艺性质则以煤的粘结性为指标）。具有科学和实用意义。中国、美国、前苏联、波兰、英国、法国和德国等国家煤炭分类

10、法和国际煤分类均属这种分类方法。,2020/9/16,19,(二) 中国煤的分类,中国煤炭分类的研究始于20世纪30年代。翁金氏分类法：用煤的工业分析结果对中国煤进行分类，它只能将煤的大类大体划分，不能适应工业生产和科学研究对煤炭分类的要求。 1952-1953年，在前苏联煤炭分类的基础上，根据挥发分和胶质层最大厚度制定了我国东北区和华北区两个地区性的煤炭分类方案。由于两个分类方案之间存在不少矛盾和缺陷，给使用上带来不少的困难，也难以在全国推广使用。 1956年由煤炭部、冶金部、中国科学院共同提出了“中国煤（以炼焦煤为主）分类方案”，该分类方案于1958年在全国试行，直到1986年。,2020

11、/9/16,20,从1960年开始，煤炭科学研究总院北京煤化学研究所就着手研究煤炭分类的修订工作，1973年起又与煤炭科学研究总院西安煤田地质勘探分院、冶金部热能研究所及鞍山钢铁公司等单位共同起草，于1985年完成了“中国煤炭分类 (GB575l1986) ”国家标准的报批工作。 1986年1月经国务院批准，由原国家标准局发布，并从1986年10月1日起试行3年，1989年10月1日正式实施。 2009年，我国又颁布了第三个煤炭分类标准中国煤炭分类（GB/T5751-2009)，对86版进行了修订。,(三) 中国煤的分类,2020/9/16,21,1、中国煤炭分类国家标准，所采用的分类指标，主

12、要有干燥无灰基挥发分（Vdaf）、粘结性指数（GRI）、此外还有胶质层最大厚度（Y）、奥亚膨胀度（b）、透光率（PM）、干燥无灰基氢含量（Hdaf）及恒湿无灰基高位发热量（Qgr,maf）。 2、分类总体方案： “中国煤炭分类”(GB/T 57512009)首先根据干燥无灰基挥发分（煤化程度）等指标，将所有煤总的分为无烟煤、烟煤和褐煤3大类；再根据挥发分和粘结指数等指标，将烟煤划分十二类。,中国煤炭分类方案的说明,2020/9/16,22,中国煤炭分类方案的说明,3、分类类别代号： 每一类煤均采用该类别名称中两个汉语拼音的第一个大写字母组合，如气肥煤的代号为QF，瘦煤的代号为SM等。采用汉语拼

13、音代号的优点是既有利于数据库中贮存，又可用简单的符号来表示不同的煤种。,2020/9/16,23,4、分类类别编码： 不同的煤类采用两位数编码，如气煤有34、43、44和45，共4个，瘦煤的编码有13、14，共2个，而贫煤的编码只有11。数码越多的煤类，表示其分类指标的变化范围越宽。 十位数代表挥发分大小，如无烟煤的挥发分最小，十位数字为0，褐煤的挥发分最大，十位数字为5，烟煤类的十位数字介于14之间。 个位数对不同的大类有不同的含义 褐煤和无烟煤 代表煤化程度。如0103分别代表13号无烟煤，51号及52号各代表1号及2号褐煤。 烟煤类 表征其粘结性或结焦性好坏，而不是代表一个小类煤。个位数

14、字越大，表示其粘结性越强；个位数字为1的烟煤类，都是一些没有粘结性的煤，如贫煤、不粘煤和长焰煤，个位数字26的烟煤，它们的粘结性随着数码的增大而增强。,中国煤炭分类方案的说明,2020/9/16,24,“中国煤炭分类”(GB 5751一1986)，首先根据煤化程度，将煤分为总的分为无烟煤、烟煤和褐煤3大类,1）凡Vdaf37.%、G37.0%，在不压饼的条件下测定的焦渣特征为12号的煤，再用PM区分烟煤和褐煤）。 2）凡Vdaf37.0%、PM 50%者，为烟煤，30%PM50%的煤，如恒湿无灰基高位发热量Qgr,m,af大于24MJ/kg （5700cal/g），则划为长焰煤。,中国煤炭分类

15、总表,2020/9/16,25,在已确定无烟煤小类的矿区，可只按Vdaf分类；地质勘探工作中，为新区确定小类或需要重新核定小类时，应同时测定Vdaf和Hdaf，按上表分小类。如两种结果有矛盾，以按Hdaf划小类的结果为准。,中国无烟煤分类,2020/9/16,26,1)当烟煤的G85时，用Vdaf和G来划分煤类。当G85时，则用Vdaf和胶质层最大厚度Y，或用Vdaf和奥亚膨胀度b来划分煤类。 2)当G85时，用Y和b并列作为分类指标。当Vdaf28.0%时，b暂定为220%。当b值和Y值有矛盾时，以Y值为准来划分煤类。 分类用的煤样，如原煤灰分小于或等于10%者，不需灰分。灰分大于10%的煤

16、样需按GB474-83煤样的制备方法，用氯化锌重液减灰后再分类。,中国烟煤分类,2020/9/16,27,中国褐煤的分类,凡Vdaf37.0%，PM3050%的煤，如恒湿无灰基高位发热量Qgr.m,af大于24MJ/Kg(5700cal/g)则划为长焰煤。,2020/9/16,28,中国煤炭分类简表,2020/9/16,29,联合国欧洲经济委员会于1956年颁布了“硬煤国际分类方案”，所谓硬煤是指烟煤和无烟煤，即Qgr,maf 24MJkg的煤。该分类方案首先用干燥无灰基挥发分(Vdaf)和含水无灰基高位发热量（Qgr,maf）把煤划分为十大类，每一大类中又以煤的粘结性（坩蜗膨胀序数和罗加指数

17、）把煤分为4个组别，每一组别中又以结焦性（奥亚膨胀度和葛金焦型）把煤分为6个亚组别，共划分出62个煤种，其中无烟煤3个、烟煤59个。每个煤种用三位数字表示(类、组、亚组的代码)。由于煤种划分过细，使用不便，且采用了可相互取代的指标，造成分类混乱，故各国没有认真执行这个分类方案。,(三) 国际煤炭分类,2020/9/16,30,现行国际煤分类标准（ISO 11760:2005),2020/9/16,31,2020/9/16,32,（四）各类煤的基本特征与用途,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1.351.90，无粘结性，燃点高，一般达360420左右。燃烧时

18、不冒烟。 无烟煤主要供民用和做合成氨的原料；低灰、低硫且质软易磨的无烟煤不仅是理想的高炉喷吹和烧结铁矿石用的还原剂与燃料，而且还可作为制造各种碳素材料如碳电极、炭块、阳极糊和活性炭、滤料等原料；某些无烟煤制成的航空用型煤还可用于飞机发动机和车辆马达的保温。 北京、晋城和阳泉三矿区的无烟煤为01号、02号和03号无烟煤的代表。,2020/9/16,33,2、贫煤（PM） 是烟煤中变质程度最高的一小类煤，不粘结或呈微弱的粘结，在层状炼焦炉中不结焦。发热量比无烟煤高，燃烧时火焰短，耐烧，但燃点也较高，仅次于无烟煤，一般350 360左右。主要作为电厂燃料，尤其是与高挥发分煤配合燃烧更能充分发挥其热值

19、高而又耐烧的优点。 一般可作民用及工业锅炉的燃料。 潞安矿区有典型贫煤。低灰、低硫的贫煤也可作为高炉喷吹燃料。,（四）各类煤的基本特征与用途,2020/9/16,34,3 、贫瘦煤（PS） 是炼焦煤中变质程度最高的一种，其特点是挥发分较低，但其粘结性仅次于典型瘦煤。单独炼焦时，生成的粉焦多；在配煤炼焦时配入较少比例时也能起到瘦煤的瘦化作用，对提高焦炭的块度起到良好的作用；这类煤也是发电、机车、民用及其他工业炉窑的燃料， 山西西山矿区是以典型的贫瘦煤为主。,（四）各类煤的基本特征与用途,2020/9/16,35,4、瘦煤(SM) 是具有中等粘结性的低挥发分炼焦煤。炼焦过程中能产生相当数量的胶质体

20、。Y值一般在6mm10mm左右。单独炼焦时能得到块度大、裂纹少、抗碎强度较好的焦炭，但其耐磨强度较差。 以作为配煤炼焦使用较好。高硫、高灰的瘦煤一般只作为电厂及锅炉燃料。 峰峰四矿是典型的瘦煤资源。,（四）各类煤的基本特征与用途,2020/9/16,36,5、焦煤（JM） 是一种结焦性较强的炼焦煤，挥发分(Vdaf)一般在1628之间。加热时能产生热稳定性很高的胶质体。单独炼焦时能得到块度大、裂纹少、抗碎强度和耐磨强度都很高的焦炭。但单独炼焦时膨胀压力大，有时易产生推焦困难。 一般作为配煤炼焦使用。 汾西高阳、淮北石台及西山马兰等矿井是我国典型焦煤代表。,（四）各类煤的基本特征与用途,2020

21、/9/16,37,6、肥煤（FM） 是中等挥发分及中高挥发分的强粘结性炼焦煤，其挥发分的质量分数多在2535左右。加热时能产生大量的胶质体。单独炼焦时能生成熔融性好、强度高的焦炭，耐磨强度比相同挥发分的焦煤炼出的焦炭还好。 是配煤炼焦中的基础煤。但单独炼焦时焦炭有较多的横裂纹，焦根部分常有蜂焦。 我国的开滦、盘江是生产肥煤的主要矿区。,（四）各类煤的基本特征与用途,2020/9/16,38,7、13焦煤（13JM） 是中等偏高挥发分的较强粘结性炼焦煤，相当于原“中国煤（以炼焦煤为主）分类方案”中的2号肥气煤及部分2号肥焦煤，也有少量粘结性较好的l号肥气煤和1号肥焦煤。所以它实质上是一种介于焦煤

22、、肥煤和气煤之间的过渡煤。在单煤炼焦时能生成熔融性良好，强度较高的焦炭。焦炭的抗碎强度接近肥煤，耐磨强度则又明显地高于气肥煤和气煤。 既能单煤炼焦供中型高炉使用，也是良好的配煤炼焦的基础煤。在炼焦时其配人量可在较宽范围内波动而能获得高强度的焦炭。 淮南、永荣等矿区以产13焦煤为主。,（四）各类煤的基本特征与用途,2020/9/16,39,8、气肥煤(QF) 是一种挥发分和胶质体厚度都很高的强粘结性炼焦煤。有人称之为液肥煤。结焦性高于气煤而低于肥煤，胶质体虽多但较稀薄(即胶质体的粘稠度小)。单独炼焦时能产生大量的煤气和液体化学产品。它最适合于高温干馏制造城市煤气，也可用于配煤炼焦以增加化学产品的

23、收率。这类煤的成因特殊，煤岩成分中以树皮质等壳质组分较多，且多形成于晚二叠世乐平统煤系。 江西乐平和浙江长广煤田是我国产典型气肥煤的矿区。,（四）各类煤的基本特征与用途,2020/9/16,40,9、气煤（QM） 是一种变质程度较低，挥发分较高的炼焦煤，结焦性较强，加热时能产生较高的煤气和较多的焦油。胶质体的热稳定性较差，也能单独结焦。但焦炭的抗碎强度和耐磨强度多低于其他炼焦用煤牌号。焦炭多呈细长条而易碎，并有较多的纵裂纹。一般在配煤炼焦时多配入气煤后可增多煤气和化学产品的收率。有的气煤也可单独高温干馏来制造城市煤气。 抚顺老虎台、山西平朔等矿是典型的气煤。,（四）各类煤的基本特征与用途,20

24、20/9/16,41,10、 12中粘煤（12ZN ） 相当于原分类中的一部分1号肥焦煤和1号肥气煤以及粘结性较好的一些弱粘煤，因而它也是一种过渡煤。但这类煤的储量和产量都不多。它是一类挥发分变化范围较宽、中等结焦性的炼焦煤。其中有一部分煤在单煤炼焦时能结成一定强度的焦炭，故可作为配煤炼焦的原料。但单独炼焦时的焦炭强度差，粉焦率高。 主要可作为气化或动力用煤，可作配焦煤。 我国目前尚未发现单独生产12中粘煤的矿井。,（四）各类煤的基本特征与用途,2020/9/16,42,11、弱粘煤（RN） 是一种粘结性较弱的从低变质到中等变质程度的非炼焦用烟煤。隔绝空气加热时产生的胶质体少。炼焦时有的能结成

25、强度差的小块焦，有的只有少部分能凝结成碎屑焦，粉焦率很高。这种煤的成因也较特殊，在煤岩组分中有较高的丝质体及半丝质体成分，且多形成于中生代的早、中侏罗纪时期。 适用于气化及动力燃料。 山西大同是典型的弱粘煤矿区。,（四）各类煤的基本特征与用途,2020/9/16,43,12、不粘煤（BN） 是一种在成煤初期已经受到相当程度氧化作用的从低变质到中等变质程度的非炼焦用烟煤。焦化时不产生胶质体。煤的水分大，纯煤发热量仅高于一般褐煤而低于所有烟煤，有的还含有一定数量的再生腐值酸。煤中含氧量多在1015左右。 主要可作为发电和气化用煤，也可作为动力及民用燃料，但由于这类煤的灰熔融性低，最好与其他煤类配合

26、燃烧，可充分利用其低灰、低硫、收到基低位发热量较高的优点。 东胜、神府矿区和靖远、哈密等矿区都是典型的不粘煤产地。,（四）各类煤的基本特征与用途,2020/9/16,44,13、长焰煤（CY） 是变质程度最低的高挥发分非炼焦烟煤，其煤化程度仅稍高于褐煤而低于其他各类烟煤。煤的燃点低，纯煤热值也不高。从无粘结性到弱粘结性的均有，有的还含有一定数量的腐植酸。贮存时易风化碎裂。有的长焰煤加热时能产生一定数量的胶质体，也能结成细小的长条形焦炭，但焦炭强度差，粉焦率高。 长焰煤一般不用于炼焦，多作为电厂、机车燃料以及工业炉窑燃料，也可作气化用煤。 辽宁省的阜新、铁法和内蒙古的准格尔等矿区是我国最大的长焰

27、煤基地。,（四）各类煤的基本特征与用途,2020/9/16,45,14、 褐煤（HM） 是煤化度最低的矿产煤，其特点是水分大，孔隙度大，挥发分高，不粘结，热值低，含有不同数量的腐植酸。氧含量高到1530左右，化学反应性强，热稳定性差。块煤加热时破碎严重，存放在空气中很易风化变质，碎裂成小块甚至呈粉末状，使热值更加降低。 褐煤主要用作发电燃料，粒度6mm50mm的混块煤可用于加压气化，制造燃料气和合成气。晚第三纪褐煤中有不少可作为提取褐煤蜡的原料，但侏罗纪褐煤的褐煤蜡低而只可作为燃料或加氢液化原料。年轻褐煤也适于作腐植酸铵等有机肥料，用于农田和果园，能起增产作用。 内蒙古的平庄、霍林河以及云南小

28、龙潭等矿区是我国的典型褐煤产区。,（四）各类煤的基本特征与用途,第四节 煤的工业利用,一、煤的工业利用,我国能源以煤为主，约占70，煤炭的消费构成大体如下： 火力发电31%， 各种工业锅炉31%， 民用20%， 炼焦8%， 蒸汽机车4%， 化工 3%， 出口3%。 不同部门对煤质的要求不同。,1炼焦用煤 焦炭用于炼铁、铸造、生产电石、气化以及金属的冶炼等。炼焦是在炼焦炉的炭化室内进行的。有较强的结焦性和粘结性；煤的灰分要低；煤的硫分要低； 配煤的挥发分要合适 ；其他指标要求：如要求配煤总水分Mt在7%10%之间。,48,一、煤的工业利用,2气化用煤 煤直接燃烧效率低，热能利用率仅15%18%，

29、且污染大气。我国每年燃烧煤炭，排入大气的烟尘量达1200万t，S02达1800万t，占排入大气污染物总量的60%80%。 煤的气化是使煤与氧气、空气、水蒸气等反应，生成含有CO、H2等可燃气体的工艺过程，即把固态的煤变成可燃气体的过程。,49,一、煤的工业利用,3液化用煤 煤的液化就是将煤中的有机质转化成液态产物的加工过程。 液化方法：即煤直接加氢液化；煤间接液化；煤的部分液化。 1）直接加氢液化 实质就是煤在溶剂、催化剂和高压氢存在的条件下，切断煤的化学键，在键的断裂处用氢来补充，使煤变成低分子量，含氢高的油和气。,50,一、煤的工业利用,2）煤间接液化 原理是先将煤气化得原料气(CO+H2

30、)，然后在一定温度和压力下经催化合成，得到液态烃和液化石油气。 对煤质的要求与气化炉有关。如移动床加压气化炉，要求用块状无烟煤或焦炭，粒度均匀，灰分低，灰熔点要高，抗碎强度高，热稳定性好，硫分低，水分低，挥发分要低。,51,一、煤的工业利用,3）煤的部分液化 即低温干馏法。要用含油率高的褐煤或高挥发分烟煤，如长焰煤、气煤等 。 煤炭液化的主要产物 获得液体燃料，如汽油、柴油、煤油等，也可将液态产物加工成无灰焦炭，用以制造电极、炭纤维、粘结剂、生产有机化工产品，煤液化的副产品煤气可作为气体燃料。,52,一、煤的工业利用,4火力发电用煤 我国约有30%的煤用于火力发电，是用煤大户。 影响电厂用煤指标主要有挥发分(Vdaf)、灰分(Ad)、水分(Mar)、硫分(St,d)、发热量(Qnet,ar)、灰熔点(DT，ST，FT)等。,53,一、煤的工业利用,5.其他 铁路机车用煤 ；船舶用煤 ；高炉喷吹用煤 ；烧结矿用煤 ；