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煤的(de)水分、灰(hui)分、揮(hui)發分和(he)發熱量(liang)對(dui)燃燒性(xing)能(neng)的影響

2018-09-03 01:34:28


   人(ren)們通(tong)常把(ba)開(kai)發煤炭資(zi)源(yuan)的企業(ye)稱(cheng)作(zuo)煤礦,把開采出(chu)來的煤(mei)礦產品(pin)稱為煤炭(tan)。我(wo)國古(gu)代曾(ceng)稱煤炭為(wei)石涅(nie),或(huo)稱石(shi)炭。它是(shi)

植(zhi)物(wu)遺(yi)體埋藏(cang)在地下經(jing)過(guo)漫(man)長複(fu)雜(za)的生物化(hua)學(xue)、地(di)球化學(xue)和物理化學(xue)作用轉(zhuan)化而成的一(yi)種(zhong)固體(ti)可燃(ran)礦(kuang)產(chan)。它不僅(jin)是工農業和人

民生(sheng)活(huo)不可缺(que)少的主要(yao)燃料(liao),而(er)且(qie)還(hai)是冶(ye)金(jin)、化工(gong)、醫藥(yao)等(deng)部門的重(zhong)要原(yuan)料。據統計(ji),在(zai)我國(guo)能源生產和消(xiao)費構(gou)成(cheng)中(zhong),煤炭一

直(zhi)居(ju)於(yu)主(zhu)導(dao)地位(wei),1995年(nian),生產占75.5%,消費占75.0%。在國民(min)經濟中,工業、農(nong)業、交通運輸(shu)的發(fa)展都(dou)離不開煤炭。隨(sui)著(zhu)近

代(dai)科學技(ji)術的發展(zhan)和新(xin)工藝、新方法(fa)的應(ying)用,煤炭的用途和綜(zong)合(he)利用價(jia)值(zhi)將(jiang)會越(yue)來(lai)越大(da)。可(ke)以(yi)預(yu)計,在未(wei)來相當(dang)長的時(shi)期內,

煤炭在我國國民經濟(ji)中都將占(zhan)有相(xiang)當重要的地位。



一、礦物原料特點
 
(一) 煤的物理性質
 
煤的物理性質是煤的一定化學組成和分子結構的外部表現。它是由成煤的原始物質及其聚積條件、轉化過程、煤化程度和風、

氧化程度等因素所決定。包括顏色、光澤、粉色、比重和容重、硬度、脆度、斷口及導電性等。其中,除了比重和導電性需要

在實驗室測定外,其他根據肉眼觀察就可以確定。煤的物理性質可以作為初步評價煤質的依據,並用以研究煤的成因、變質機

理和解決煤層對比等地質問題。

1.顏色
 
是指新鮮煤表麵的自然色彩,是煤對不同波長的光波吸收的結果。呈褐色—黑色,一般隨煤化程度的提高而逐漸加深。
 
2.光澤
 
是指煤的表麵在普通光下的反光能力。一般呈瀝青、玻璃和金剛光澤。煤化程度越高,光澤越強;礦物質含量越多,光澤越暗;

風、氧化程度越深,光澤越暗,直到完全消失。
 
3.粉色
 
指將煤研成粉末的顏色或煤在抹上釉的瓷板上刻劃時留下的痕跡,所以又稱為條痕色。呈淺棕色—黑色。一般是煤化程度越高,粉

色越深。
 
4.比重和容重
 
煤的比重又稱煤的密度,它是不包括孔隙在內的一定體積的煤的重量與同溫度、同體積的水的重量之比。煤的容重又稱煤的體重或

假比重,它是包括孔隙在內的一定體積的煤的重量與同溫度、同體積的水的重量之比。煤的容重是計算煤層儲量的重要指標。褐煤

的容重一般為1.05~1.2,煙煤為1.2~1.4,無煙煤變化範圍較大,可由1.35~1.8。煤岩組成、煤化程度、煤中礦物質的成分和含

量是影響比重和容重的主要因素。在礦物質含量相同的情況下,煤的比重隨煤化程度的加深而增大。
 
5.硬度
 
是指煤抵抗外來機械作用的能力。根據外來機械力作用方式的不同,可進一步將煤的硬度分為刻劃硬度、壓痕硬度和抗磨硬度三類。

煤的硬度與煤化程度有關,褐煤和焦煤的硬度最小,約2~2.5;無煙煤的硬度最大,接近4。

6.脆度
 
是煤受外力作用而破碎的程度。成煤的原始物質、煤岩成分、煤化程度等都對煤的脆度有影響。在不同變質程度的煤中,長焰煤和氣

煤的脆度較小,肥煤、焦煤和瘦煤的脆度最大,無煙煤的脆度最小。
 
7.斷口
 
是指煤受外力打擊後形成的斷麵的形狀。在煤中常見的斷口有貝殼狀斷口、參差狀斷口等。煤的原始物質組成和煤化程度不同,斷口

形狀各異。
 
8.導電性
 
是指煤傳導電流的能力,通常用電阻率來表示。褐煤電阻率低。褐煤向煙煤過渡時,電阻率劇增。煙煤是不良導體,隨著煤化程度增高,

電阻率減小,至無煙煤時急劇下降,而具良好的導電性。


(二) 煤的化學組成
 
煤的化學組成很複雜,但歸納起來可分為有機質和無機質兩大類,以有機質為主體。
 
煤中的有機質主要由碳、氫、氧、氮和有機硫等五種元素組成。其中,碳、氫、氧占有機質的95%以上。此外,還有極少量的磷和其他元素。

煤中有機質的元素組成,隨煤化程度的變化而有規律地變化。一般來講,煤化程度越深,碳的含量越高,氫和氧的含量越低,氮的含量也稍

有降低。唯硫的含量則與煤的成因類型有關。碳和氫是煤炭燃燒過程中產生熱量的重要元素,氧是助燃元素,三者構成了有機質的主體。煤

炭燃燒時,氮不產生熱量,常以遊離狀態析出,但在高溫條件下,一部分氮轉變成氨及其他含氮化合物,可以回收製造硫酸氨、尿素及氮肥。

硫、磷、氟、氯、砷等是煤中的有害元素。含硫多的煤在燃燒時生成硫化物氣體,不僅腐蝕金屬設備,與空氣中的水反應形成酸雨,汙染環

境,危害植物生產,而且將含有硫和磷的煤用作冶金煉焦時,煤中的硫和磷大部分轉入焦炭中,冶煉時又轉入鋼鐵中,嚴重影響焦炭和鋼鐵

質量,不利於鋼鐵的鑄造和機械加工。用含有氟和氯的煤燃燒或煉焦時,各種管道和爐壁會遭到強烈腐蝕。將含有砷的煤用於釀造和食品工

業作燃料,砷含量過高,會增加產品毒性,危及人民身體健康。
 
煤中的無機質主要是水分和礦物質,它們的存在降低了煤的質量和利用價值,其中絕大多數是煤中的有害成分。
 
另外,還有一些稀有、分散和放射性元素,例如,鍺、镓、銦、釷、釩、鈦、鈾……等,它們分別以有機或無機化合物的形態存在於煤中。其

中某些元素的含量,一旦達到工業品位或可綜合利用時,就是重要的礦產資源。
 
通過元素分析可以了解煤的化學組成及其含量,通過工業分析可以初步了解煤的性質,大致判斷煤的種類和用途。煤的工業分析包括對水分、灰

分、揮發分的測定和固定碳的計算四項內容。
 
1.水分
 
指單位重量的煤中水的含量。煤中的水分有外在水分、內在水分和結晶水三種存在狀態。一般以煤的內在水分作為評定煤質的指標。煤化程度越

低,煤的內部表麵積越大,水分含量越高。水分對煤的加工利用是有害物質。在煤的貯存過程中,它能加速風化、破裂,甚至自燃;在運輸時,

會增加運量,浪費運力,增加運費;煉焦時,消耗熱量,降低爐溫,延長煉焦時間,降低生產效率;燃燒時,降低有效發熱量;在高寒地區的冬

季,還會使煤凍結,造成裝卸困難。隻有在壓製煤磚和煤球時,需要適量的水分才能成型。
 
2.灰分
 
是指煤在規定條件下完全燃燒後剩下的固體殘渣。它是煤中的礦物質經過氧化、分解而來。灰分對煤的加工利用極為不利。灰分越高,熱效率越

低;燃燒時,熔化的灰分還會在爐內結成爐渣,影響煤的氣化和燃燒,同時造成排渣困難;煉焦時,全部轉入焦炭,降低了焦炭的強度,嚴重影

響焦炭質量。煤灰成分十分複雜,成分不同直接影響到灰分的熔點。灰熔點低的煤,燃燒和氣化時,會給生產操作帶來許多困難。為此,在評價

煤的工業用途時,必須分析灰成分,測定灰熔點。
 
3.揮發分
 
指煤中的有機物質受熱分解產生的可燃性氣體。它是對煤進行分類的主要指標,並被用來初步確定煤的加工利用性質。煤的揮發分產率與煤化程度

有密切關係,煤化程度越低,揮發分越高,隨著煤化程度加深,揮發分逐漸降低。
 
4.固定碳
 
測定煤的揮發分時,剩下的不揮發物稱為焦渣。焦渣減去灰分稱為固定碳。它是煤中不揮發的固體可燃物,可以用計算方法算出。焦渣的外觀與煤

中有機質的性質有密切關係,因此,根據焦渣的外觀特征,可以定性地判斷煤的粘結性和工業用途。

 
(三)煤的工藝性質
 
為了提高煤的綜合利用價值,必須了解、研究煤的工藝性質,以滿足各方麵對煤質的要求。煤的工藝性質主要包括:粘結性和結焦性、發熱量、化

學反應性、熱穩定性、透光率、機械強度和可選性等。
 
1.粘結性和結焦性
 
粘結性是指煤在幹餾過程中,由於煤中有機質分解,熔融而使煤粒能夠相互粘結成塊的性能。結焦性是指煤在幹餾時能夠結成焦炭的性能。煤的粘

結性是結焦性的必要條件,結焦性好的煤必須具有良好的粘結性,但粘結性好的煤不一定能單獨煉出質量好的焦炭。這就是為什麽要進行配煤煉焦

的道理。粘結性是進行煤的工業分類的主要指標,一般用煤中有機質受熱分解、軟化形成的膠質體的厚度來表示,常稱膠質層厚度。膠質層越厚,粘

結性越好。測定粘結性和結焦性的方法很多,除膠質層測定法外,還有羅加指數法、奧亞膨脹度試驗等等。粘結性受煤化程度、煤岩成分、氧化程度

和礦物質含量等多種因素的影響。煤化程度最高和最低的煤,一般都沒有粘結性,膠質層厚度也很小。
 
2.發熱量
 
是指單位重量的煤在完全燃燒時所產生的熱量,亦稱熱值,常用106J/kg表示。它是評價煤炭質量,尤其是評價動力用煤的重要指標。國際市場上動力

用煤以熱值計價。我國自1985年6月起,改革沿用了幾十年的以灰分計價為以熱值計價。發熱量主要與煤中的可燃元素含量和煤化程度有關。為便於比

較耗煤量,在工業生產中,常常將實際消耗的煤量折合成發熱量為2.930368×107J/kg的標準煤來進行計算。
 
3.化學反應性
 
又稱活性。是指煤在一定溫度下與二氧化碳、氧和水蒸汽相互作用的反應能力。它是評價氣化用煤和動力用煤的一項重要指標。反應性強弱直接影響到

耗煤量和煤氣的有效成分。煤的活性一般隨煤化程度加深而減弱。
 
4.熱穩定性
 
又稱耐熱性。是指煤在高溫作用下保持原來粒度的性能。它是評價氣化用煤和動力用煤的又一項重要指標。熱穩定性的好壞,直接影響爐內能否正常生

產以及煤的氣化和燃燒效率。
 
5.透光率
 
指低煤化程度的煤(褐煤、長焰煤等),在規定條件下用硝酸與磷酸的混合液處理後,所得溶液對光的透過率稱為透光率。隨著煤化程度加深,透光率逐

漸加大。因此,它是區別褐煤、長焰煤和氣煤的重要指標。
6.機械強度
是指塊煤受外力作用而破碎的難易程度。機械強度低的煤投入氣化爐時,容易碎成小塊和粉末,影響氣化爐正常操作。因此,氣化用煤必須具備較高的

機械強度。
 
7.可選性
 
是指煤通過洗選,除去其中的夾矸和礦物質的難易程度。我國現行的選煤方法,詳見第四節。

 
二、用途與技術經濟指標
 
(一) 煤的工業分類
 
1958年,國家頒布了以煉焦用煤為主的分類方案,為工業部門合理使用煤炭資源創造了有利條件,但在實踐中也出現了一些問題。在認真分析研究和吸

收國外先進分類方法的基礎上,為了使各項分類的技術經濟指標最能反映煤的質量特點,達到更加合理地利用煤炭資源的目的,1986年,國家重新頒布

了從褐煤到無煙煤的全麵技術分類標準,將自然界中的煤劃分為14大類,其中,褐煤和無煙煤又分別劃分為2個和3個小類(表2.2.1)。這就是我國現行

的煤炭分類國家標準。中國煤炭分類國家標準 (GB5751-86)
 
(1) 分類指標及其符號Vr為幹燥無灰基揮發分(%);Hr為幹燥無灰基氫含量(%);GR.I(簡記G)為煙煤的粘結指數;Y為煙煤的膠質層最大厚度;PM為煤樣

的透光率(%);b為煙煤的奧亞膨脹度(%);Q-A.GNGW為煤的恒濕無灰基高位發熱量(MJ/kg)。
 
(2) 煤類的編碼各類煤用兩位阿拉伯數碼表示。10位表示煤的揮發分,個位數在無煙煤及褐煤表示煤化程度,在煙煤表示結粘性。
 
(二) 各煤類的主要特征和用途
 
1.褐煤
 
它是煤化程度最低的煤。其特點是水分高、比重小、揮發分高、不粘結、化學反應性強、熱穩定性差、發熱量低,含有不同數量的腐殖酸。多被用作燃

料、氣化或低溫幹餾的原料,也可用來提取褐煤蠟、腐殖酸,製造磺化煤或活性炭。一號褐煤還可以作農田、果園的有機肥料。
 
2.長焰煤
 
它的揮發分含量很高,沒有或隻有很小的粘結性,膠質層厚度不超過5mm,易燃燒,燃燒時有很長的火焰,故得名長焰煤。可作為氣化和低溫幹餾的原料,

也可作民用和動力燃料。
 
3.不粘煤
 
它水分大,沒有粘結性,加熱時基本上不產生膠質體,燃燒時發熱量較小,含有一定的次生腐殖酸。主要用作製造煤氣和民用或動力燃料。
 
4.弱粘煤
 
水分大,粘結性較弱,揮發分較高,加熱時能產生較少的膠質體,能單獨結焦,但結成的焦塊小而易碎,粉焦率高。這種煤主要用作氣化原料和動力燃料。
 
5. 1/2中粘煤
 
它具有中等粘結性和中高揮發分。可以作為配煤煉焦的原料,也可以作為氣化用煤和動力燃料。
 
6.氣煤
 
揮發分高,膠質層較厚,熱穩定性差。能單獨結焦,但煉出的焦炭細長易碎,收縮率大,且縱裂紋多,抗碎和耐磨性較差。故隻能用作配煤煉焦,還可

用來煉油、製造煤氣、生產氮肥或作動力燃料。
 
7.氣肥煤
 
它的揮發分和粘結性都很高,結焦性介於氣煤和肥煤之間,單獨煉焦時能產生大量的氣體和液體化學物質。最適合高溫幹餾製造煤氣,更是配煤煉焦的

好原料。
8.肥煤
 
具有很好的粘結性和中等及中高等揮發分,加熱時能產生大量的膠質體,形成大於25mm的膠質層,結焦性最強。用這種煤來煉焦,可以煉出熔融性和耐

磨性都很好的焦炭,但這種焦炭橫裂紋多,且焦根部分常有蜂焦,易碎成小塊。由於粘結性強,因此,它是配煤煉焦中的主要成分。

9. 1/3焦煤

它是介於焦煤、肥煤和氣煤之間的過渡煤,具有很強的粘結性和中高等揮發分,單獨用來煉焦時,可以形成熔融性良好、強度較大的焦炭。因此,它是

良好的配煤煉焦的基礎煤。

10.焦煤

具有中低等揮發分和中高等粘結性,加熱時可形成穩定性很好的膠質體,單獨用來煉焦,能形成結構致密、塊度大、強度高、耐磨性好、裂紋少、不易

破碎的焦炭。但因其膨脹壓力大,易造成推焦困難,損壞爐體,故一般都作為煉焦配煤使用。

11.瘦煤

具有較低揮發分和中等粘結性。單獨煉焦時,能形成塊度大、裂紋少、抗碎強度較好,但耐磨性較差的焦炭。因此,用它加入配煤煉焦,可以增加焦炭

的塊度和強度。

12.貧瘦煤

揮發分低,粘結性較弱,結焦性較差。單獨煉焦時,生成的焦粉很多。但它能起到瘦化劑的作用。故可作煉焦配煤使用,同時,也是民用和動力的好燃料。

13.貧煤

具有一定的揮發分,加熱時不產生膠質體,沒有粘結性或隻有微弱的粘結性,燃燒火焰短,煉焦時不結焦。主要用於動力和民用燃料。在缺乏瘦料的地區,

也可充當配煤煉焦的瘦化劑。

14.無煙煤

它是煤化程度最高的煤。揮發分低、比重大、硬度高、燃燒時煙少火苗短、火力強。通常作民用和動力燃料。質量好的無煙煤可作氣化原料、高爐噴吹和燒

結鐵礦石的燃料,以及製造電石、電極和炭素材料等。

 

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