煤炭及煤化工基础知识(学习材料)

煤炭及煤化工基础知识一、煤炭基础知识人们通常把开发煤炭资源的企业称作煤矿，把开采出来的煤矿产品称为煤炭。

我国古代曾称煤炭为石涅，或称石炭。

它是植物遗体埋藏在地下经过漫长复杂的生物化学、地球化学和物理化学作用转化而成的一种固体可燃矿产。

它不仅是工农业和人民生活不可缺少的主要燃料，而且还是冶金、化工、医药等部门的重要原料。

据统计，在我国能源生产和消费构成中，煤炭一直居于主导地位，1995年，生产占75.5%，消费占75.0%。

在国民经济中，工业、农业、交通运输的发展都离不开煤炭。

随着近代科学技术的发展和新工艺、新方法的应用，煤炭的用途和综合利用价值将会越来越大。

可以预计，在未来相当长的时期内，煤炭在我国国民经济中都将占有相当重要的地位。

（一）、煤的形成煤是由植物残骸经过复杂的生物化学作用和物理化学作用转变而成的。

这个转变过程叫做植物的成煤作用。

一般认为，成煤过程分为两个阶段泥炭化阶段和煤化阶段。

前者主要是生物化学过程，后者是物理化学过程。

在泥炭化阶段，植物残骸既分解又化合，最后形成泥炭或腐泥。

泥炭和腐泥都含有大量的腐植酸，其组成和植物的组成已经有很大的不同。

煤化阶段包含两个连续的过程：第一个过程，在地热和压力的作用下，泥炭层发生压实、失水、肢体老化、硬结等各种变化而成为褐煤。

褐煤的密度比泥炭大，在组成上也发生了显著的变化，碳含量相对增加，腐植酸含量减少，氧含量也减少。

因为煤是一种有机岩，所以这个过程又叫做成岩作用。

第二个过程，是褐煤转变为烟煤和无烟煤的过程。

在这个过程中煤的性质发生变化，所以这个过程又叫做变质作用。

地壳继续下沉，褐煤的覆盖层也随之加厚。

在地热和静压力的作用下，褐煤继续经受着物理化学变化而被压实、失水。

其内部组成、结构和性质都进一步发生变化。

这个过程就是褐煤变成烟煤的变质作用。

烟煤比褐煤碳含量增高，氧含量减少，腐植酸在烟煤中已经不存在了。

烟煤继续进行着变质作用。

由低变质程度向高变质程度变化。

从而出现了低变质程度的长焰烟、气煤，中等变质程度的肥煤、焦煤和高变质程度的瘦煤、贫煤。

它们之间的碳含量也随着变质程度的加深而增大。

温度对于在成煤过程中的化学反应有决定性的作用。

随着地层加深，地温升高，煤的变质程度就逐渐加深。

高温作用的时间愈长，煤的变质程度愈高，反之亦然。

在温度和时间的同时作用下，煤的变质过程基本上是化学变化过程。

在其变化过程中所进行的化学反应是多种多样的，包括脱水、脱羧、脱甲烷、脱氧和缩聚等。

压力也是煤形成过程中的一个重要因素。

随着煤化过程中气体的析出和压力的增高，反应速度会愈来愈馒，但却能促成煤化过程中煤质物理结构的变化，能够减少低变质程度煤的孔隙率、水分和增加密度。

当地球处于不同地质年代，随着气候和地理环境的改变，生物也在不断地发展和演化。

就植物而言，从无生命一直发展到被子植物。

这些植物在相应的地质年代中造成了大量的煤。

在整个地质年代中，全球范围内有三个大的成煤期：(1)古生代的石炭纪和二迭纪，成煤植物主要是袍子植物。

主要煤种为烟煤和无烟煤。

(2)中生代的株罗纪和白垩纪，成煤植物主要是裸子植物。

主要煤种为褐煤和烟煤。

(3)新生代的第三纪，成煤植物主要是被子植物。

主要煤种为褐煤，其次为泥炭，也有部分年轻烟煤。

（二）、煤炭矿物原料特点1、煤的物理性质煤的物理性质是煤的一定化学组成和分子结构的外部表现。

它是由成煤的原始物质及其聚积条件、转化过程、煤化程度和风、氧化程度等因素所决定。

包括颜色、光泽、粉色、比重和容重、硬度、脆度、断口及导电性等。

其中，除了比重和导电性需要在实验室测定外，其他根据肉眼观察就可以确定。

煤的物理性质可以作为初步评价煤质的依据，并用以研究煤的成因、变质机理和解决煤层对比等地质问题。

（1）颜色是指新鲜煤表面的自然色彩，是煤对不同波长的光波吸收的结果。

呈褐色—黑色，一般随煤化程度的提高而逐渐加深。

（2）光泽是指煤的表面在普通光下的反光能力。

一般呈沥青、玻璃和金刚光泽。

煤化程度越高，光泽越强；矿物质含量越多，光泽越暗；风、氧化程度越深，光泽越暗，直到完全消失。

（3）粉色指将煤研成粉末的颜色或煤在抹上釉的瓷板上刻划时留下的痕迹，所以又称为条痕色。

呈浅棕色—黑色。

一般是煤化程度越高，粉色越深。

（4）比重和容重煤的比重又称煤的密度，它是不包括孔隙在内的一定体积的煤的重量与同温度、同体积的水的重量之比。

煤的容重又称煤的体重或假比重，它是包括孔隙在内的一定体积的煤的重量与同温度、同体积的水的重量之比。

煤的容重是计算煤层储量的重要指标。

褐煤的容重一般为1.05～1.2，烟煤为1.2～1.4，无烟煤变化范围较大，可由1.35～1.8。

煤岩组成、煤化程度、煤中矿物质的成分和含量是影响比重和容重的主要因素。

在矿物质含量相同的情况下，煤的比重随煤化程度的加深而增大。

（5）硬度是指煤抵抗外来机械作用的能力。

根据外来机械力作用方式的不同，可进一步将煤的硬度分为刻划硬度、压痕硬度和抗磨硬度三类。

煤的硬度与煤化程度有关，褐煤和焦煤的硬度最小，约2～2.5；无烟煤的硬度最大，接近4。

（6）脆度是煤受外力作用而破碎的程度。

成煤的原始物质、煤岩成分、煤化程度等都对煤的脆度有影响。

在不同变质程度的煤中，长焰煤和气煤的脆度较小，肥煤、焦煤和瘦煤的脆度最大，无烟煤的脆度最小。

（7）断口是指煤受外力打击后形成的断面的形状。

在煤中常见的断口有贝壳状断口、参差状断口等。

煤的原始物质组成和煤化程度不同，断口形状各异。

（8）导电性是指煤传导电流的能力，通常用电阻率来表示。

褐煤电阻率低。

褐煤向烟煤过渡时，电阻率剧增。

烟煤是不良导体，随着煤化程度增高，电阻率减小，至无烟煤时急剧下降，而具良好的导电性。

2、煤的化学组成煤的化学组成很复杂，但归纳起来可分为有机质和无机质两大类，以有机质为主体。

煤中的有机质主要由碳、氢、氧、氮和有机硫等五种元素组成。

其中，碳、氢、氧占有机质的95%以上。

此外，还有极少量的磷和其他元素。

煤中有机质的元素组成，随煤化程度的变化而有规律地变化。

一般来讲，煤化程度越深，碳的含量越高，氢和氧的含量越低，氮的含量也稍有降低。

唯硫的含量则与煤的成因类型有关。

碳和氢是煤炭燃烧过程中产生热量的重要元素，氧是助燃元素，三者构成了有机质的主体。

煤炭燃烧时，氮不产生热量，常以游离状态析出，但在高温条件下，一部分氮转变成氨及其他含氮化合物，可以回收制造硫酸氨、尿素及氮肥。

硫、磷、氟、氯、砷等是煤中的有害元素。

含硫多的煤在燃烧时生成硫化物气体，不仅腐蚀金属设备，与空气中的水反应形成酸雨，污染环境，危害植物生产，而且将含有硫和磷的煤用作冶金炼焦时，煤中的硫和磷大部分转入焦炭中，冶炼时又转入钢铁中，严重影响焦炭和钢铁质量，不利于钢铁的铸造和机械加工。

用含有氟和氯的煤燃烧或炼焦时，各种管道和炉壁会遭到强烈腐蚀。

将含有砷的煤用于酿造和食品工业作燃料，砷含量过高，会增加产品毒性，危及人民身体健康。

煤中的无机质主要是水分和矿物质，它们的存在降低了煤的质量和利用价值，其中绝大多数是煤中的有害成分。

另外，还有一些稀有、分散和放射性元素，例如，锗、镓、铟、钍、钒、钛、铀……等，它们分别以有机或无机化合物的形态存在于煤中。

其中某些元素的含量，一旦达到工业品位或可综合利用时，就是重要的矿产资源。

（1）煤中的碳一般认为，煤是由带脂肪侧链的大芳环和稠环所组成的。

这些稠环的骨架是由碳元素构成的。

因此，碳元素是组成煤的有机高分子的最主要元素。

同时，煤中还存在着少量的无机碳，主要来自碳酸盐类矿物，如石灰岩和方解石等。

碳含量随煤化度的升高而增加。

在我国泥炭中干燥无灰基碳含量为55～62％；成为褐煤以后碳含量就增加到60～76.5％；烟煤的碳含量为77～92.7％；一直到高变质的无烟煤，碳含量为88.98％。

个别煤化度更高的无烟煤，其碳含量多在90％以上，如北京、四望峰等地的无烟煤，碳含量高达95～98％。

因此，整个成煤过程，也可以说是增碳过程。

（2）煤中的氢氢是煤中第二个重要的组成元素。

除有机氢外，在煤的矿物质中也含有少量的无机氢。

它主要存在于矿物质的结晶水中，如高岭土(Al203•2Si02•2H2O)、石膏(CaS04•2H20 )等都含有结晶水。

在煤的整个变质过程中，随着煤化度的加深，氢含量逐渐减少，煤化度低的煤，氢含量大；煤化度高的煤，氢含量小。

总的规律是氢含量随碳含量的增加而降低。

尤其在无烟煤阶段就尤为明显。

当碳含量由92%增至98％时，氢含量则由2.1%降到1%以下。

通常是碳含量在80～86％之间时，氢含量最高。

即在烟煤的气煤、气肥煤段，氢含量能高达6.5％。

在碳含量为65～80％的褐煤和长焰煤段，氢含量多数小于6％。

但变化趋势仍是随着碳含量的增大而氢含量减小。

（3）煤中的氧氧是煤中第三个重要的组成元素。

它以有机和无机两种状态存在。

有机氧主要存在于含氧官能团，如羧基(--COOH)，羟基(--OH)和甲氧基（--OCH3)等中；无机氧主要存在于煤中水分、硅酸盐、碳酸盐、硫酸盐和氧化物中等。

煤中有机氧随煤化度的加深而减少，甚至趋于消失。

褐煤在干燥无灰基碳含量小于70％时，其氧含量可高达20％以上。

烟煤碳含量在85％附近时，氧含量几乎都小于10％。

当无烟煤碳含量在92％以上时，其氧含量都降至5%以下。

（4）煤中的氮煤中的氮含量比较少，一般约为0.5～3.0％。

氮是煤中唯一的完全以有机状态存在的元素。

煤中有机氮化物被认为是比较稳定的杂环和复杂的非环结构的化合物，其原生物可能是动、植物脂肪。

植物中的植物碱、叶绿素和其他组织的环状结构中都含有氮，而且相当稳定，在煤化过程中不发生变化，成为煤中保留的氮化物。

以蛋白质形态存在的氮，仅在泥炭和褐煤中发现，在烟煤很少，几乎没有发现。

煤中氮含量随煤的变质程度的加深而减少。

它与氢含量的关系是，随氢含量的增高而增大。

（5）煤中的硫煤中的硫分是有害杂质，它能使钢铁热脆、设备腐蚀、燃烧时生成的二氧化硫(SO2)污染大气，危害动、植物生长及人类健康。

所以，硫分含量是评价煤质的重要指标之一。

煤中含硫量的多少，似与煤化度的深浅没有明显的关系，无论是变质程度高的煤或变质程度低的煤，都存在着有机硫或多或少的煤。

煤中硫分的多少与成煤时的古地理环境有密切的关系。

在内陆环境或滨海三角训平原环境下形成的和在海陆相交替沉积的煤层或浅海相沉积的煤层，煤中的硫含量就比较高，且大部分为有机硫。

根据煤中硫的赋存形态，一般分为有机硫和无机硫两大类。

各种形态的硫分的总和称为全硫分。

所谓有机硫，是指与煤的有机结构相结合的硫。

有机硫主要来自成煤植物中的蛋白质和微生物的蛋白质。

煤中无机硫主要来自矿物质中各种含硫化合物，一般又分为硫化物硫和硫酸盐硫两种，有时也有微量的单质硫。

硫化物硫主要以黄铁矿为主，其次为白铁矿、磁铁矿((Fe7S8)、闪锌矿(ZnS)、方铅矿(PbS)等。