煤的化学成分与分子结构分析

第九篇
煤质分析与检验技术
第二章
煤的化学成分与分子结构分析
煤的种类很多， 各有不同的性质和用途， 这是与它的化学组成和分子结构密切相关 的。从化学的观点出发， 煤可分为有机组成和无机组成两部分。有机组成主要是由碳、 氢、 氧、 氮、 硫等元素组成的高分子有机化合物， 这是煤的主要组成部分， 也是煤炭加工利 用的主要对象； 无机组成包括矿物质和水， 在多数情况下， 它们是对煤的加工利用起不良 影响的有害成分。煤的分子结构是指煤中有机质的分子结构。 为了研究煤的化学组成， 工业上最常用的分析方法就是煤的工业分析和元素分析。 煤的工业分析是测定煤的水分、 灰分、 挥发分和固定碳等四项指标； 元素分析是测定煤中 有机质的碳、 氢、 氧、 氮、 硫等元素的含量。
图.3%3#
煤的内在水分与煤化程度的关系
由图 . 3 % 3 # 可见， 随着煤化程度的增高， 煤中内在水分含量不断减少， 到无烟煤时 略有上升。这是由于煤的内表面积随煤化程度增高而减少， 因此， 吸附水分也逐渐减少； 另外， 由于年青煤中有较多的亲水基团， 如羧基、 酚羟基等， 随煤化程度增高， 这些煤中水分的测定和计算
煤中水分的测定采用间接测定法， 其原理是： 将已知重量的煤样放到一定温度的干 燥箱内进行干燥， 在干燥过程结束后煤样减轻的重量就是煤样的含水量， 煤样减轻的重 量占煤样原重量的百分数即为该煤样的水分。 由于煤中的外在水分和内在水分在不同的空气湿度和温度下， 不是一个定值， 除非有理论 研究上的需要外， 工业上一般不采用外在水分和内在水分这两个指标来表示煤的水分。工业 上通常测定的煤的水分指标是全水分和分析煤样水分， 有时还测定最高内在水分。 1 $ 全水分的测定 全水分是指煤的实际含水总量， 用符号 ! 2 表示。它是评价煤炭经济价值和加工工 ・ 1#33 ・
第二节
煤中的矿物质和煤的灰分
煤中的矿物质是煤中除水以外的所有无机质的总称。包括各种硅酸盐矿物、 碳酸盐 ・ &)/" ・
第二章 矿物、 硫酸盐矿物、 金属硫化物矿物等。
煤的化学成分与分子结构分析
一、 煤中矿物质的来源及分布特性
在已开采出的煤中， 根据矿物质的来源和分布特性可分原生矿物质、 次生矿物质和 外来矿物质三类。 ! " 原生矿物质 原生矿物质也称结构矿物质， 它是由成煤植物本身所含有的矿物质形成的。主要是 由碱金属和碱土金属的盐组成， 如钾、 钠、 钙、 镁盐类， 此外还含有铁、 硫、 磷以及少量的 钛、 钒、 氯等元素， 它参与煤的分子结构。其含量很少， 一般为 !# $ %# ， 不能用机械方法 选出， 如洗选纯精煤时， 总存留有少量灰分， 这就是原生矿物质造成的。 % " 次生矿物质 次生矿物质是在成煤过程中由外界进入煤中的矿物质。其来源又分以下几种情况： （如石英、 长石、 云母等） 矿物质； !被风和流水搬运到成煤沼泽中与煤层同时沉积 " 由成 煤沼泽中的胶体溶液沉淀形成的 （如高岭土、 方解石、 黄铁矿等） 矿物质； # 煤层形成后， 由于地下水在淋滤过程中浓度变化等原因沉淀下来的 （如石膏、 方解石等） 矿物质。 次生矿物质在煤中的嵌布状态多种多样， 常见的有： 有时可形成稳定的 ! 夹层状， 层； 包裹体、 结核状等， 肉眼可见； 呈脉状、 片状， 有时还 "透镜体、 # 充填在煤的裂隙中， 充填在丝炭细胞腔中； 呈细粒分散在基质中， 肉眼不易看出。 $浸染状， 次生矿物质颗粒小， 在煤中分散均匀， 很难与煤分离。将煤破碎到一定程度， 可将一 部分较大的次生矿物质颗粒从煤中解离出来， 所以选煤时只能排除次生矿物质的一部 分。 & " 外来矿物质 外来矿物质是指在采煤过程中从煤层顶板、 底板、 夹矸层等处混入煤中的矿物质。 它原来并不含于煤层中。外来矿物质以单体解离的形式混在煤中， 选煤时易被排除掉。
第一节
煤中的水
一、 煤中水的来源和存在状态
煤中水的来源是多方面的， 首先是伴随着植物遗体的整个成煤过程留在煤中的水； 其次是煤层形成后进入煤层的裂隙、 孔隙中的地下水； 三是在煤的开采、 洗选、 贮存、 运输 过程中使用和接触的水。 由于煤具有很多细小的孔隙 （毛细管） ， 因而水分在煤中有不同的存在状态。通常将 煤中的水分分为外在水分和内在水分。 ! " 外在水分 ・ !%$# ・
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随之减少， 因此水分含量不断降低； 到无烟煤时水分含量又略有增高， 是由于煤分子排列 整齐， 内表面增大， 所以水分含量略有提高。 但是， 煤的内在水分含量的多少还与外界条件有关， 尤其随温度和湿度的变化有显 著改变， 特别是湿度的影响更大。因此， 使用内在水分研究煤的有机质特性和研究与煤 化程度的关系时， 必须是在固定的温度和湿度条件下才有意义。有的国家规定， 在实验 。 室将煤风干时， 湿度应控制在一定范围内 （如相对湿度 !"# $ %"# ） 煤的内在水分随着煤化程度的变化而有规律性的变化， 因而在煤的国际分类中， 对 煤化程度较低的煤， 就采用最高内在水分作为一个分类指标。 煤经风化后， 煤的内在水分增加。所以， 煤的内在水分的大小， 也是衡量煤风化程度 的标志之一。
第二章
煤的化学成分与分子结构分析
外在水分是指将煤长时间暴露在空气中， 使其自然风干后因蒸发作用而失去的水 分。它包括附着在煤粒表面的水分和煤的较大孔隙中的水分， 用符号 ! " 表示。 # $ 内在水分 内在水分是指煤经自然风干后仍保留在煤中的水分。它包括存在于煤的较小孔隙 中的水分以及少量以单分子层的形态吸附在大小孔隙管壁上的水分， 用符号 ! %&’ 表示。 用自然风干的方法可将煤中的水分分为外在水分和内在水分， 其原因是煤的毛细管 中的水分具有不同的蒸气压。较大毛细管中的水分具有正常的蒸气压， 而较小毛细管中 水的蒸气压小于正常蒸气压， 且具有随毛细管直径的减小而减小的规律。我们知道， 只 有当水的蒸气压大于空气中水蒸气的分压时， 水才会蒸发。将煤暴露在空气中时， 附着 在煤粒表面和存在于煤粒较大孔隙中的水分因其蒸气压大于空气中水蒸气的分压， 所以 就蒸发逸出， 形成外在水分； 而煤中较小毛细管中水分的蒸气压低于空气中水蒸气的分 压， 因而不能蒸发逸出， 仍留在煤中形成内在水分。 对于同一种煤来说， 外在水分与内在水分并没有固定的分界线， 这是因为它们的分 界线取决于空气中的水蒸气分压。当空气湿度不同时， 空气中的水蒸气分压就不相同。 所以当空湿度不同时， 即使是同一种煤， 其外在水分与内在水分的值也是不同的。空气 湿度大时， 蒸发量小， 外在水分减小， 内在水分增大； 空气湿度变小时， 蒸发量增大， 使外 在水分值随之增大， 而内在水分值减小。 ( $ 结晶水 煤中的水分除了外在水分和内在水分之外， 还有少量以化学方式结合的水， 即结晶 水或叫化合水。它是煤牛的某些矿物质所含的 结 晶 水， 如 石 膏 )*+,-・#.# ,、 高岭土 而且目前煤的工业分析方法又 /0# ,(・#+%,#・#.# , 中的结晶水等。因结晶水含量很少， 不能测定这部分水分， 所以在煤的工业分析中不考虑这部分水分。
第二章 式中 — —分析煤样的重量， !— "； — —分析煤样干燥后的重量， !# — "。
煤的化学成分与分子结构分析
分析煤样水分测定的具体方法、 步骤和要求详见国家标准 !$ %#%—&&。 ’ ( 最高内在水分的测定。 最高内在水分是指煤中小毛细管吸附和凝聚的水达到饱和时的水分， 用 )*+ 表示。 最高内在水分值可用于计算煤的恒湿无灰基发热量， 而恒湿无灰基发热量是在煤的分类 中区分褐煤与烟煤的一个分类指标。 最高内在水分的测定方法是： 将在温度为 ’,- 、 相对湿度为 ./0 的条件下达到湿度 平衡的煤样置于 #,1 2 ##,- 的烘箱内烘干， 然后按下式 （ % 3 ’） 计算测定结果： )*+ 4 式中 ! 3 !# 5 #,,0 ! （% 3 ’）
四、 煤中水分对煤的工业利用的影响
一般来讲， 煤中水分是有害的无机杂质， 它的存在对煤的工业利用是不利的， 其表现 有以下几个方面： （&） 对运输能力的浪费： 煤是大宗商品， 煤的水分高必然浪费大量的运输能力。假如 有 % 亿 ’ 煤需要调运， 若煤的水分为 &"# ， 也就是说煤中含有 " ( % 亿 ’ 水， 以每节车箱装 就需 &)" 万节车箱才能装完。另外， 在严寒地区， 由于水分高， 冬季会使煤发生 !"’ 计算， 冻结， 造成运输、 装卸的困难。 对炼焦的影响： 煤中的水分在炼焦蒸发时要消耗热量、 延长炼焦时间。煤中水分 （)） 每增加 &# ， 结焦时间约延长 *"+,-， 这样就降低了焦炉的生产能力。水分过大时， 还会 损坏焦炉， 缩短焦炉的使用年限。 对气化和燃烧的影响： 在气化和燃烧时， 水分蒸发需消耗热量。据研究， 煤的水 （*） 其发热量约降低 " ( &# 。 分每增加 &# ， （.） 对煤的机械加工的影响： 煤中水分高会给破碎、 筛分造成很大困难， 降低生产效 率， 损坏设备。 但是在燃烧粉煤时， 煤中含有一定量的水分， 可以减少粉煤损失， 适当改善炉膛的辐 射效能， 这是水分对煤的利用有利的一面。
— —煤样达到湿度平衡后的重量， !— "； — —煤样干燥后的重量， !# — "。
三、 煤中水分与煤质的关系
煤中水分的含量变化范围很大， 其中内在水分是吸附在煤的小毛细管中的水分， 因 此它的变化规律与煤的内部表面积有关。煤的内在水分含量反映了煤的内部结构， 所以 煤的内在水分在固定的温度和湿度下与煤化程度有一定关系， 其变化规律如图 . 3 % 3 #。
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艺性质的最基本的质量指标之一； 也是煤炭供需双方计量、 计价的依据之一； 在工业上还 用来计算热平衡、 物料平衡和煤的发热量等。 测定全水分所需的煤样， 必须按规定的方法 （煤质分析中所需各种煤样的制备方法 见国家标准 !" #$#—%&） 采制、 装封， 尽量避免水分损失， 粒度要求破碎到 ’(( 以下或 破碎到 ’(( 以下； 水分大时， 为了顺利地进行破碎和缩分， 可破 )&(( 以下。水分小时， 碎到 )&(( 以下。 全水分的测定方法： 称取一定重量的全水分煤样， 置于干燥箱中， 在一定温度下干燥 至恒重。煤样减轻的重量占煤样重量的百分数即为该煤样的全水分。测定结果按下式 计算： （* + )） ,- . 式中 — —煤样的重量， !— 2； — —煤样干燥后的重量， !) — 2。 全水分测定的具体方法、 步骤和要求详见国家标准 !" *))—%#。 * 3 分析煤样水分的测定 所谓分析煤样是指用来进行煤的工业分析和元素分析等煤质分析用的煤样。该煤 样也需按国家标准规定的方法、 步骤制备， 粒度要求磨碎到 0 3 *(( 以下， 并使其达到空 气干燥状态。分析煤样中所含的水分称为分析煤样水分， 亦称空气干燥基水分， 用符号 , 45 表示。它主要用于煤质分析中各项指标的计算和换算。分析煤样水分的测定方法分 以下几种： （)） 烟煤和无烟煤分析煤样水分的测定 称取一定重量的分析煤样， 置于干燥箱中， 在 )06 7 ))08 温度下干 43 常规测定法： 燥至恒重， 煤样减轻的重量占煤样重量的百分数即为该煤样的空气干燥基水分。 称取一定重量的分析煤样。置于干燥箱中， 在 )#6 : 68 温度下干燥 9 3 快速测定法： 取出称重， 煤样减轻的重量占煤样重量的百分数即为该煤样的空气干燥基水分。 )0(;<， （*） 褐煤分析煤样水分的测定 称取一定重量的分析煤样， 置于干燥箱中， 在 )#6 : 68 温度下干燥 )=， 取出称重， 煤 样减轻的重量占煤样重量的百分数即为该褐煤的空气干燥基水分。 另外， 褐煤分析煤样水分的测定方法还有一种蒸馏法， 这里不再介绍。需要时可查 阅国家标准。 分析煤样水分的测定结果按下式 （ * + *） 计算： , 45 . ・ )*$% ・ ! + !) / )001 ! （* + *） ! + !) / )001 ! （* + )）