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第一节煤的成分及性质

煤是由有机化合物和无机矿物质等组成的一种复杂物质，属有机原料，来源于古代植物。由于地壳变迁，地面上的植物残骸被长期埋在地层深处，在合适温度与高压及缺氧条件下，原始有机物不断分解化合，最终边形成了煤。煤既然由植物形成，组成植物的有机质元素，主要是碳、氢、氧和少量的氮、硫，便是煤的主要元素。另外，在煤的形成、开采和运输过程中，加入的水分和矿物质（燃烧后成为灰分），也成为煤的组成成分。

煤是复杂的高分子碳氢化合物，煤的化学组成和结构十分复杂，但作为能源使用，只要了解它与燃烧有关的组成，例如元素分析成分组成工业分析成分组成，就能满足电厂锅炉燃烧技术和有关热力计算等方面的要求。

一、煤的元素分析成分及其性质

煤中的化学元素可达30多种。一般把燃料中不可燃烧矿物质成分综合在一起统称为灰分。这样用元素分析法测定煤的组成成分时包括七项：碳（C）、氢（H）、氧（O）、氮（N）、硫（S）五种元素和水分（M）、灰分（A）两种成分。其中碳、氢和部分硫是可燃成分，其余都是不可燃成分。这些成分呈复杂的化合物存在于煤中。煤的各种成分的性质如下。

1.碳(C)

碳是煤中的主要可燃元素，其含量一般为50%~60%（指收到基含量，下同），1kg的碳完全燃烧生成二氧化碳CO2，能放出32700KJ的热量，其反应式为

C+O2→CO2+32700，KJ/kgC （2—1）如果1kg的碳不完全燃烧生成一氧化碳CO，只能放出9270KJ的热量，即

2C+O2→2CO+9270，KJ/kgC (2—2) 煤中的碳以两种状态存在。其主体形成晶格，也就是苯核。晶格中也有一些硫、氮原子。另一部分碳与氢、硫、氮、氧形成侧链。侧链靠键链接在晶格的边缘上。当在缺氧环境下受热时，键断裂，侧链呈气态逸出，这就是挥发分。煤的挥发分是由各种碳氢化合物、一氧化碳、硫化氢等可燃气体，二氧化碳和氮等不可燃气体及少量的氧气所组成。煤的挥发分与煤的地质年代有密切的关系。地质年代愈短，它受地热而热解的愈少，侧链保存的很多，所以挥发分愈高。挥发分是煤受热裂解的产物，而不是煤中固有的成分，所以不应该挥发分含量。以晶格状态存在的碳被称为固体碳。固体碳的燃烧特点是不易着火，燃烧缓慢，火苗短。所以，一般含固体碳越多的煤，其着火和燃烧就越困难。

2.氢（H）

氢是煤中可燃元素之一，其含量约为1%-6%，但发热量比碳高得多。1kg氢完全燃烧生成水H2O，能放出120000KJ的热量（扣除水的汽化潜热后剩余的热量），其化学反应式为

2H2+O2→2H2O+12*104，kj/kgH2 (2—3) 氢的燃烧特点是极易着火，燃烧迅速，火苗也长。因此，含氢越多的煤月容易着火燃烧。

3.硫（S）

煤中硫的含量一般不超过2%，但个别煤种高达8%--10%。煤中

的硫以三种形态存在：）有机硫（与C、H、O）等元素组成的复杂化合物黄铁硫矿（FeS2）及硫酸盐硫（与Ca、Mg、Fe等元素组成的盐类）。前两种硫可以燃烧放热统称为可燃硫（Sr）。硫酸盐硫（S ly）不能燃烧而并入灰分中。硫酸盐硫的含量很少，常以全硫代替可燃硫作燃烧计算。1kg硫完全燃烧生成二氧化硫SO2，能放出9040KJ的热量,其化学反应式为S+O2→SO2+9040，kj/kgS （2—4）

4.氧(O)和氮(N)

氧和氮都是煤中的不可燃元素，不能燃烧。

煤中氧的含量变化很大，碳化程度深的煤中氧含量很少，如无烟煤氧含量仅有1%--2%；碳化程度浅的煤可达40%左右。煤中的氧由两部分组成：一部分为游离态存在的氧，它能助燃；另一部分为化合物（如CO2、H2O等）中存在的氧,当这部分氧多时，表述与它化合而不能燃烧的C、H也多，这将使煤的发热量降低。

氮的含量较少，仅为0.5%--2.5%，但它是有害元素。在氧气供应充分、高温和含氮量高的燃烧过程中易生成氮氧化物（NOx）,污染大气,对人体和职务都十分有害。

5.水分（M）

水分是煤中主要不可燃成分,也是一种有害杂质。各种煤的水分含量差别很大，少的仅有2%左右，多的可达50%--60%。煤中水分由表面（外在）水分Mf和内在水分M ad组成. 表面水分是在开采、储运过程中受雨露冰雪影响而进入煤中的，在温度（20±1）℃、相对湿度为（65±1）%的空气中自然风干后失去的水分；固有水分也叫内在水分，靠自然干燥不能除去，必须把煤加热到105—110℃左右，并保持一定的时间才能除去。外在水分和内在水分的总和成为全水分。

6.灰分（A）

煤中的各种矿物杂质，在燃烧后形成灰分。但燃烧后的灰分与燃烧前煤中的矿物质在性质上和数量上都不相同。

灰分既是煤中主要不可燃成分，又是很有害的杂质。各种煤中灰分含量变化很大，多在10%--50%之间。煤中灰分由内在灰分和外在灰分组成。内在灰分来自古代植物自身所含的矿物质；外在灰分来自煤形成期间从外界带入的矿物质以及在开采、运输中混入的矿物杂质。

以上为煤的元素分析成分及其性质，各成分含量是指质量百分含量。煤的元素分析是锅炉燃烧等计算的依据，同时也是煤的分类和研究煤的特性的依据。但煤的元素分析相当繁杂，需要复杂的设备、较高的技术和较长的分析时间，所以，发电厂从运行角度出发一般采用简单的工业分析法。

二、煤的工业分析成分及其性质

在煤的着火、燃烧过程中，煤中各种成分的变化情况是：将煤加热到一定温度时，首先水分被蒸发出来；再加热，煤中的氢、氧、氮、硫及部分碳所组成的有机化合物分解，年成气体挥发出来，这些气体成为挥发分；挥发分析出后，剩下的是焦炭，焦炭就是固定碳和灰分的组合。

煤的工业分析成分就是测定煤中的水分（M）、挥发分（V）、固定碳（FC）和灰分（A）的质量百分含量。根据工业分析数据，可以了解煤在燃烧方面的某些特性，以便正确的进行燃烧调整，改善燃烧工况，提高运行经济性。

煤的工业分析成分就是按煤的燃烧过程来分析煤的成分。工业分析成分的测定是在实验室中进行的。按照国家标准GB/T211---1996《煤中全水分的测定方法》及GB/T212---2001《煤的工业分析方法》的规定，测定方法有多种，这里介绍最常用的方法。

1.煤中全水分的测定

用已知质量的干燥、清洁的浅盘称取颗粒度为13mm的试样

500g(称准到0.5g)，并均匀地摊平，然后放入预先鼓风并加热到105—110的干燥箱中。在鼓风的条件下，烟煤干燥2h，无烟煤干燥3h，从干燥箱中取出浅盘，趁热称重，然后每30min 进行一次检查性恒重试验，直到煤样的减重不超过0.5g为止。计算公式为

(2—5) 式中Mt——煤样的全水分，%；

M——煤样的质量，g;

m1_干燥后煤样减少的质量，g。