煤化學(xué)與煤階

1、煤化學(xué)是研究煤的成因、組成、性質(zhì)、結(jié)構(gòu)、分類和反應(yīng)，以及它們之間相互關(guān)系的一門學(xué)科。煤中有機(jī)質(zhì)元素主要是碳，其次是氫，還有氧、氮和硫等元素。它們以結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜的大分子形式存在，這些煤的有機(jī)質(zhì)大分子是由許多結(jié)構(gòu)相似的單元所組成；單元的核心是縮合程度不同的芳環(huán)，還有一些脂肪環(huán)和雜環(huán)，環(huán)間由氧橋或次甲基橋連接而形成大分子；環(huán)上側(cè)鏈有烷基、羥基、羧基或甲氧基等。,第二節(jié) 煤化學(xué)與煤階,第二節(jié) 煤化學(xué)與煤階,表2-1 煤的元素組成,煤的分子結(jié)構(gòu)隨

2、煤化程度的加深而愈來愈復(fù)雜。但都以芳核結(jié)構(gòu)為主，還具有烷基側(cè)鏈和含氧、含氮、含硫基團(tuán)，近似組成為（C135Ｈ97Ｏ9NＳ）n。,問題3：不同煤的元素組成是怎樣變化的？,第二節(jié) 煤化學(xué)與煤階,圖2-5 不同類型煤的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)單元示意圖,根據(jù)肉眼觀察煤炭帶的光澤亮度或暗度來描述煤組成的分類，可分為四種煤巖類型：鏡煤、亮煤、暗煤和絲炭。 鏡煤主要由鏡質(zhì)體組成，也存在少量的惰質(zhì)組和殼質(zhì)組顯微組分，顯亮黑色條帶狀。鏡煤易碎且脆，因此在割理形成起

3、著重要作用。 亮煤是煤炭中較亮的煤巖類型，但是亮煤不如鏡煤明亮。它含有較少的鏡質(zhì)組和較多的惰質(zhì)組和殼質(zhì)組。惰質(zhì)組的存在，阻礙裂縫的形成；惰質(zhì)組堅(jiān)硬，不易粉碎。 暗煤是一個(gè)光澤暗淡煤巖類型。它比鏡煤或亮煤含有更多的礦物質(zhì)和惰質(zhì)組。暗煤堅(jiān)硬，難以破碎。因此，它以塊狀而不是細(xì)粒形式存在。暗煤不利于煤層的滲透性。 絲炭類似木炭，纖維狀、柔軟、易破碎。在煤層氣形成過程絲炭是最不重要的煤巖類型。,第二節(jié) 煤化學(xué)與煤階,

4、煤的工業(yè)分析屬于煤的化學(xué)組成的研究內(nèi)容之一，是水分、灰分、揮發(fā)分和固定碳四個(gè)項(xiàng)目煤質(zhì)分析的總稱。通常煤的水分、灰分、揮發(fā)分是直接測出的，而固定碳是用差減法計(jì)算出來的。工業(yè)分析中灰分、固定碳、揮發(fā)物和水分的百分比，有以下幾個(gè)基準(zhǔn)： 收到基準(zhǔn)——基于煤由水分、固定碳、揮發(fā)物質(zhì)和灰分四個(gè)部分組成所測得百分?jǐn)?shù)，煤在實(shí)驗(yàn)室儲(chǔ)存的環(huán)境，接近煤在煤層中儲(chǔ)存的條件。 無灰分基準(zhǔn)（af）——基于煤由水分、揮發(fā)物質(zhì)和固定碳組成，

5、所測得各組分的百分比。 干燥基準(zhǔn)（d）——基于煤由揮發(fā)物質(zhì)、固定碳和灰分三部分組成，所測得組分的百分比。 干燥無灰基準(zhǔn)（daf）——基于煤由固定碳和揮發(fā)物質(zhì)兩部分組成，所測得組分的百分比。,第二節(jié) 煤化學(xué)與煤階,通過元素分析可以了解煤的化學(xué)組成及其含量，通過工業(yè)分析可以初步了解煤的性質(zhì)，大致判斷煤的種類和用途。煤的工業(yè)分析包括對(duì)水分、灰分、揮發(fā)分的測定和固定碳的計(jì)算四項(xiàng)內(nèi)容。（1）水分 水分是指單位

6、重量的煤中水的含量。煤中的水分有外在水分、內(nèi)在水分和結(jié)晶水三種存在狀態(tài)。一般以煤的內(nèi)在水分作為評(píng)定煤質(zhì)的指標(biāo)。煤化程度越低，煤的內(nèi)部表面積越大，水分含量越高。（2）灰分 灰分是指煤在規(guī)定條件下完全燃燒后剩下的固體殘?jiān)?。它是煤中的礦物質(zhì)經(jīng)過氧化、分解而來。可將煤層灰分含量分為高灰份（＞40％）、較高灰分（40～25％）、中灰分（25～15％）、低灰分（＜15％）。,第二節(jié) 煤化學(xué)與煤階,（3）揮發(fā)分 揮發(fā)分是指煤中的有機(jī)

7、物質(zhì)受熱分解產(chǎn)生的可燃性氣體。它是對(duì)煤進(jìn)行分類的主要指標(biāo)。煤的揮發(fā)分產(chǎn)率與煤化程度有密切關(guān)系，煤化程度越低，揮發(fā)分越高，隨著煤化程度加深，揮發(fā)分逐漸降低。（4）固定碳 測定煤的揮發(fā)分時(shí)，剩下的不揮發(fā)物稱為焦渣。焦渣減去灰分稱為固定碳。它是煤中不揮發(fā)的固體可燃物，可以用計(jì)算方法算出。,灰分越高，熱效率越低；燃燒時(shí)，熔化的灰分還會(huì)在爐內(nèi)結(jié)成爐渣，影響煤的氣化和燃燒，同時(shí)造成排渣困難；煉焦時(shí)，全部轉(zhuǎn)入焦炭，降低了焦炭的強(qiáng)度，嚴(yán)重影響

8、焦炭質(zhì)量。煤灰成分十分復(fù)雜，成分不同直接影響到灰分的熔點(diǎn)。灰熔點(diǎn)低的煤，燃燒和氣化時(shí)，會(huì)給生產(chǎn)操作帶來許多困難。,第二節(jié) 煤化學(xué)與煤階,用數(shù)量表示的煤化過程程度或成熟度稱為煤階，即煤的“化學(xué)”變化階段，或是煤變質(zhì)系列中的階段。煤階的劃分與煤的微觀組成有關(guān)。 煤的顯微組分中主要包括鏡質(zhì)組、殼質(zhì)組和惰質(zhì)組。鏡質(zhì)組化學(xué)結(jié)構(gòu)主要由具短脂肪鏈與含氧官能聯(lián)結(jié)的芳香結(jié)構(gòu)所組成，因主要來源于木質(zhì)-纖維素組織而具有低氫、高氧的特征。高氫鏡質(zhì)

9、組可能具有氫化芳香結(jié)構(gòu)，比較富含烴基團(tuán)。鏡質(zhì)組（尤其是均質(zhì)鏡質(zhì)體）致密、均勻、塊體大，有利于割理順利延伸和發(fā)展；含量介于46.45%~93.75%之間，平均為77.30%以基質(zhì)鏡質(zhì)體為主，結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體和均質(zhì)鏡質(zhì)體含量不高。,第二節(jié) 煤化學(xué)與煤階,問題4：什么是煤階？確定煤階的參數(shù)有哪些？,研究表明，鏡質(zhì)組對(duì)煤的生氣量及儲(chǔ)層物性的貢獻(xiàn)最大。鏡質(zhì)組發(fā)育的煤層，一般內(nèi)生裂隙較發(fā)育，滲透率越高。通常用于確定煤階的參數(shù)為“鏡質(zhì)體反射率”。鏡質(zhì)組分是

10、煤中最常見、最重要的組分，含氧量高，碳和氫的含量居中，在中國大多數(shù)晚古生代煤中，鏡質(zhì)組含量在55%~80%以上。鏡質(zhì)體反射率指在顯微鏡下，于油浸及546nm波長條件下鏡質(zhì)組的反射光強(qiáng)度與垂直入射光強(qiáng)度的百分比，以Ro(％)表示，其值隨煤階的增高而增加。 當(dāng)Ro>4.0％時(shí)為高煤階，如無煙煤； 當(dāng)Ro<0.35％時(shí)為低煤階，如褐煤； 當(dāng)0.35％<Ro< 4.0％時(shí)為中煤階，如肥煤、焦煤等

11、。,第二節(jié) 煤化學(xué)與煤階,第二節(jié) 煤化學(xué)與煤階,表2-3 美國確定煤階的參數(shù),表1-2 煤級(jí)、煤的工業(yè)牌號(hào)與鏡質(zhì)體反射率對(duì)比表,中國根據(jù)鏡質(zhì)體最大反射率，將煤劃分為 9個(gè)煤級(jí)（即1個(gè)成巖階段和8個(gè)變質(zhì)階段）。9個(gè)煤級(jí)與煤的9個(gè)工業(yè)牌號(hào)大致相當(dāng)。,第二節(jié) 煤化學(xué)與煤階,長焰煤是在中國煤炭分類國家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)煤化度最低的煙煤的稱謂。它的揮發(fā)分特別高，燃燒時(shí)火焰長，因此而得名。長焰煤的粘結(jié)性很弱，一般不結(jié)焦，是非煉焦煤，主要作為動(dòng)力和化工用煤。

12、氣煤是煤化程度較低的一種煙煤，不粘結(jié)或微具粘結(jié)性。在層狀煉焦?fàn)t中不結(jié)焦。燃燒時(shí)火焰短，耐燒。 氣煤由兩部分組成：第一類是干燥無灰基揮發(fā)分Vdaf>37%，黏結(jié)指數(shù)G>35，膠質(zhì)層最大厚度y≤25mm的煤。這類煤的特點(diǎn)是，揮發(fā)分特別高、黏結(jié)性強(qiáng)弱不等。第二類是Vdaf>28%～37%，G>50～65的煤。其特點(diǎn)是：揮發(fā)分高、黏結(jié)性中等。,第二節(jié) 煤化學(xué)與煤階,肥煤是變質(zhì)程度中等的煙煤。單獨(dú)煉焦時(shí)，能生成熔融性良好的

13、焦炭，但有較多的橫裂紋，焦根部分有蜂焦。肥煤揮發(fā)物一般較高。膠質(zhì)層較厚。粘結(jié)性強(qiáng)，加熱時(shí)產(chǎn)生大量膠質(zhì)體，單獨(dú)煉焦時(shí)生成的焦炭，熔融性好，耐磨性大，故為煉焦煤。 焦煤（coking coal）也稱冶金煤，是中等及低揮發(fā)分的中等粘結(jié)性及強(qiáng)粘結(jié)性的一種煙煤。在中國煤炭分類國家標(biāo)準(zhǔn)中，是對(duì)煤化度較高，結(jié)焦性好的煙煤的稱謂。又稱主焦煤。,第二節(jié) 煤化學(xué)與煤階,瘦煤是煙煤的一類。對(duì)煤化度較高的煙煤的稱謂。低揮發(fā)分的中等粘結(jié)性的煉焦用煤。單獨(dú)煉焦時(shí)

14、，大部分能結(jié)焦。焦炭的塊度大、裂紋少，但熔融較差，耐磨強(qiáng)度低。 貧煤是變質(zhì)程度高、揮發(fā)分最低的煙煤，不結(jié)焦。貧煤燃燒時(shí)火焰短，耐燒，通常作為工業(yè)和民用燃料。,第二節(jié) 煤化學(xué)與煤階,,問 題,問題1：成煤作用包括哪兩個(gè)階段？問題2：煤層氣是怎樣形成的？問題3：不同煤的元素組成是怎樣變化的？問題4：什么是煤階？確定煤階的參數(shù)有哪些？問題5： Langmuir方程及其意義是什么？問題6： 煤儲(chǔ)層特征參數(shù)有哪些？問題7： 煤層