煤化学与煤阶

第二节 煤化学与煤阶
研究表明，镜质组对煤的生气量及储层物性的贡献最大。
镜质组发育的煤层，一般内生裂隙较发育，渗透率越高。通常 用于确定煤阶的参数为“镜质体反射率”。镜质组分是煤中最 常见、最重要的组分，含氧量高，碳和氢的含量居中，在中国 大多数晚古生代煤中，镜质组含量在55%~80%以上。镜质体反 射率指在显微镜下，于油浸及546nm波长条件下镜质组的反射 光强度与垂直入射光强度的百分比，以Ro(％)表示，其值随煤 阶的增高而增加。 当Ro>4.0％时为高煤阶，如无烟煤； 当Ro<0.35％时为低煤阶，如褐煤； 当0.35％<Ro< 4.0％时为中煤阶，如肥煤、焦煤等。
焦煤。
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• 瘦煤是烟煤的一类。对煤化度较高的烟煤的称谓 。低挥发分的中等粘结性的炼焦用煤。单独炼焦
时，大部分能结焦。焦炭的块度大、裂纹少，但
熔融较差，耐磨强度低。 • 贫煤是变质程度高、挥发分最低的烟煤，不结焦 。贫煤燃烧时火焰短，耐烧，通常作为工业和民 用燃料。
问
题
• 问题1：成煤作用包括哪两个阶段？ • 问题2：煤层气是怎样形成的？ • 问题3：不同煤的元素组成是怎样变化的？ • 问题4：什么是煤阶？确定煤阶的参数有哪些？ • 问题5： Langmuir方程及其意义是什么？ • 问题6： 煤储层特征参数有哪些？ • 问题7： 煤层气的赋存状态是怎样转化的？ • 问题8： 煤层气的赋存条件有哪些？ • 问题9： 煤层气藏的概念是什么？ • 问题10： 煤层气藏的边界可分为哪几类？ • 讨论：高低 煤层气藏的差异有哪些？
1.50-2.05 1.10-1.50 0.71-1.10 0.57-0.71 0.47-0.57 <0.47
8-14
14-22 22-31 31-39 39-42 42-47 >47
86-92
78-86 69-78 <69
91-92
89-91 86-89 81-86 76-81 66-76 <66
有烷基、羟基、羧基或甲氧基等。
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问题3：不同煤的元素组成是怎样变 化的？ຫໍສະໝຸດ 表2-1 煤的元素组成组成
C% H% O%
泥炭
60～70 5～6 25～35
褐煤
70～80 5～6 15～25
烟煤
80～90 4～5 5～15
无烟煤
90～98 1～3 1～3
煤的分子结构随煤化程度的加深而愈来愈复杂。但都以芳 核结构为主，还具有烷基侧链和含氧、含氮、含硫基团， 近似组成为（C135Ｈ97Ｏ9NＳ）n。
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图2-5 不同类型煤的基础结构单元示意图
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根据肉眼观察煤炭带的光泽亮度或暗度来描述煤组成的分类，可分为四种 煤岩类型：镜煤、亮煤、暗煤和丝炭。 镜煤主要由镜质体组成，也存在少量的惰质组和壳质组显微组分，显亮黑 色条带状。镜煤易碎且脆，因此在割理形成起着重要作用。 亮煤是煤炭中较亮的煤岩类型，但是亮煤不如镜煤明亮。它含有较少的镜 质组和较多的惰质组和壳质组。惰质组的存在，阻碍裂缝的形成；惰质组 坚硬，不易粉碎。 暗煤是一个光泽暗淡煤岩类型。它比镜煤或亮煤含有更多的矿物质和惰 质组。暗煤坚硬，难以破碎。因此，它以块状而不是细粒形式存在。暗煤 不利于煤层的渗透性。 丝炭类似木炭，纤维状、柔软、易破碎。在煤层气形成过程丝炭是最不 重要的煤岩类型。
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• 肥煤是变质程度中等的烟煤。单独炼焦时，能生成熔融性 良好的焦炭，但有较多的横裂纹，焦根部分有蜂焦。肥煤 挥发物一般较高。胶质层较厚。粘结性强，加热时产生大 量胶质体，单独炼焦时生成的焦炭，熔融性好，耐磨性大 ，故为炼焦煤。 • 焦煤（coking coal）也称冶金煤，是中等及低挥发分的中 等粘结性及强粘结性的一种烟煤。在中国煤炭分类国家标 准中，是对煤化度较高，结焦性好的烟煤的称谓。又称主
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表2-3 美国确定煤阶的参数 煤阶 无烟煤 最大镜质组反射 挥发物质（%） 固定碳（无水、 碳含量（无水、 率（%） 无灰，%） 无灰，%） >3 2-8 >92 >92
半无烟煤
低挥发性的烟煤 中挥发性的烟煤 高挥发性的烟煤 A 高挥发性的烟煤 B 高挥发性的烟煤 C 亚烟煤
2.05-3.00
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通过元素分析可以了解煤的化学组成及其含量，通过工业分析可以初 步了解煤的性质，大致判断煤的种类和用途。煤的工业分析包括对水分、 灰分、挥发分的测定和固定碳的计算四项内容。 （1）水分 水分是指单位重量的煤中水的含量。煤中的水分有外在水分、内在水 分和结晶水三种存在状态。一般以煤的内在水分作为评定煤质的指标。煤 化程度越低，煤的内部表面积越大，水分含量越高。 （2）灰分 灰分是指煤在规定条件下完全燃烧后剩下的固体残渣。它是煤中的矿 物质经过氧化、分解而来。可将煤层灰分含量分为高灰份（＞40％）、较 高灰分（40～25％）、中灰分（25～15％）、低灰分（＜15％）。
烟 煤
IV 阶段
V阶段
VI阶段 VII 阶段 VIII 阶段
瘦 煤
贫 煤 无烟煤 超无烟煤
1.70～1.89
1.90～2.49 2.50～3.99 ≧4.00
无烟煤 超无烟煤
表1-2 煤级、煤的工业牌号与镜质体反射率对比表
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• 长焰煤是在中国煤炭分类国家标准中对煤化度最低的烟煤的 称谓。它的挥发分特别高，燃烧时火焰长，因此而得名。长 焰煤的粘结性很弱，一般不结焦，是非炼焦煤，主要作为动 力和化工用煤。 • 气煤是煤化程度较低的一种烟煤，不粘结或微具粘结性。在 层状炼焦炉中不结焦。燃烧时火焰短，耐烧。 气煤由两部分 组成：第一类是干燥无灰基挥发分Vdaf>37%，黏结指数G>35 ，胶质层最大厚度y≤25mm的煤。这类煤的特点是，挥发分特 别高、黏结性强弱不等。第二类是Vdaf>28%～37%，G>50～ 65的煤。其特点是：挥发分高、黏结性中等。
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灰分越高，热效率越低；燃烧时，熔化的灰分还会在炉内结成炉渣， 影响煤的气化和燃烧，同时造成排渣困难；炼焦时，全部转入焦炭，降低 了焦炭的强度，严重影响焦炭质量。煤灰成分十分复杂，成分不同直接影 响到灰分的熔点。灰熔点低的煤，燃烧和气化时，会给生产操作带来许多 困难。
（3）挥发分 挥发分是指煤中的有机物质受热分解产生的可燃性气体。它是对煤 进行分类的主要指标。煤的挥发分产率与煤化程度有密切关系，煤化程 度越低，挥发分越高，随着煤化程度加深，挥发分逐渐降低。 （4）固定碳 测定煤的挥发分时，剩下的不挥发物称为焦渣。焦渣减去灰分称为 固定碳。它是煤中不挥发的固体可燃物，可以用计算方法算出。
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问题4：什么是煤阶？确定煤阶的参数有哪些？
用数量表示的煤化过程程度或成熟度称为煤阶，即煤的 “化学”变化阶段，或是煤变质系列中的阶段。煤阶的划分与 煤的微观组成有关。 煤的显微组分中主要包括镜质组、壳质组和惰质组。镜质 组化学结构主要由具短脂肪链与含氧官能联结的芳香结构所组 成，因主要来源于木质-纤维素组织而具有低氢、高氧的特征。 高氢镜质组可能具有氢化芳香结构，比较富含烃基团。镜质组 （尤其是均质镜质体）致密、均匀、块体大，有利于割理顺利 延伸和发展；含量介于46.45%~93.75%之间，平均为77.30% 以基质镜质体为主，结构镜质体和均质镜质体含量不高。
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中国根据镜质体最大反射率，将煤划分为 9个煤级（即1个成岩阶段和8 个变质阶段）。9个煤级与煤的9个工业牌号大致相当。
煤级 褐煤 0 阶段 I 阶段 II 阶段 III 阶段 煤的工业牌号 褐 煤 长焰煤 气 煤 肥 煤 焦 煤 镜质体最大反射率 Romax（%） ≦0.49 0.5～0.64 0.65～0.79 0.80～1.19 1.20～1.69
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煤的工业分析属于煤的化学组成的研究内容之一，是水分、灰分、挥 发分和固定碳四个项目煤质分析的总称。通常煤的水分、灰分、挥发分是 直接测出的，而固定碳是用差减法计算出来的。工业分析中灰分、固定碳、 挥发物和水分的百分比，有以下几个基准： 收到基准——基于煤由水分、固定碳、挥发物质和灰分四个部分组成 所测得百分数，煤在实验室储存的环境，接近煤在煤层中储存的条件。 无灰分基准（af）——基于煤由水分、挥发物质和固定碳组成，所测得 各组分的百分比。 干燥基准（d）——基于煤由挥发物质、固定碳和灰分三部分组成，所 测得组分的百分比。 干燥无灰基准（daf）——基于煤由固定碳和挥发物质两部分组成，所 测得组分的百分比。
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煤化学是研究煤的成因、组成、性质、结构、分类和 反应，以及它们之间相互关系的一门学科。煤中有机
质元素主要是碳，其次是氢，还有氧、氮和硫等元素。
它们以结构十分复杂的大分子形式存在，这些煤的有 机质大分子是由许多结构相似的单元所组成；单元的 核心是缩合程度不同的芳环，还有一些脂肪环和杂环， 环间由氧桥或次甲基桥连接而形成大分子；环上侧链