洁净煤技术

什么是煤？煤的结构、煤的作用（用途）及主要应用领域煤的成因包括下列过程：①泥炭化作用。

当高等植物遗体在沼泽中堆积，在有水存在和微生物参与下，经过分解、化合等复杂的生物化学变化，形成泥炭(泥煤)。

泥炭化阶段主要是植物残骸的菌解过程。

当原始物质为低等植物和浮游生物时则形成腐泥，称为腐泥化作用。

②成岩作用。

当地壳下沉时，泥炭和腐泥的上部为沉积物所覆盖，在温度、压力的影响下，经过压密、脱水、胶结和其他化学变化，分别变为褐煤和腐泥煤。

③变质作用。

由于地壳的运动，褐煤层上部顶板逐渐加厚，受地压、地温增高的影响，经过复杂的物理化学作用，促使煤质变化，由褐煤变成烟煤、无烟煤。

成岩和变质是煤化作用的两个阶段。

按成煤的原始物质不同可将煤分为腐植煤、腐泥煤、腐植腐泥煤和残植煤。

腐植煤由高等植物所形成，包括泥炭（泥煤）、褐煤、烟煤、无烟煤，其探明储量和产量均占各类煤的主要地位。

腐植煤中以角质层、树脂、孢子、花粉等稳定组分为主的称残植煤。

腐泥煤主要由藻类和浮游生物等形成，如藻煤、胶泥煤。

油页岩则是一种含矿物质高的腐泥煤。

腐植腐泥煤的原始物质，既有高等植物，也有低等植物，如烛煤。

煤的成煤过程煤的结构煤是由多种结构形式的有机物（或称煤素质），与少量种类不同的无机物（或称矿物质）组成的混合物。

煤的组成通常指煤的岩相组成和化学组成。

岩相组成宏观结构：煤由各种类型的煤岩组成。

每种类型的煤岩又由各种煤素质所构成。

用肉眼或放大镜观察，可以区分煤中的宏观煤岩成分，一般分为镜煤、亮煤、暗煤和丝炭。

镜煤：光亮、黑色、易碎、常具有裂纹；亮煤：半亮、黑色、很细的层状；暗煤：暗淡、黑色或灰黑色、坚硬、表面粗糙；丝炭：似绢光泽，黑色，纤维状，软，很脆。

微观结构：将煤制成薄片或光片，用显微镜在透射光或反射光下观察显微煤岩组分，有机显微煤岩组分（煤素质）可分为: ①镜质组分，或称凝胶化组分，它来源于植物的木质部分，同其他组分相比，它是均质的，是构成煤有机质的主要部分; ②丝炭化组分，又称惰性组分，是植物埋没过程中木质纤维组织受到氧化和炭化后保留下的部分，对化学作用和热具有惰性;③稳定组分，包括植物残存的花粉、孢子、角质层、木栓、树皮、树脂质较多的部分，是化学稳定性较强的组分。

煤中还有少量无机显微组分。

对于成煤年代不同的石炭纪、二叠纪和三叠纪，三种有机组分的关系为：对于惰质组：石炭纪>二叠纪>三叠纪；对于镜质组：三叠纪>二叠纪>石炭纪；对于壳质组：二叠纪>三叠纪>石炭纪。

化学组成煤的组成以有机质为主体，构成有机高分子的主要是碳、氢、氧、氮等元素。

煤中存在的元素有数十种之多，但通常所指的煤的元素组成主要是五种元素、即碳、氢、氧、氮和硫。

在煤中含量很少，种类繁多的其他元素，一般不作为煤的元素组成，而只当作煤中伴生元素或微量元素。

一、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。

二、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(Al2O3·2Si02·2H2O)、石膏(CaSO4·2H2O)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。

三、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。

四、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。

煤中有机氯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。

五、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((Fe3O4)、闪锌矿(ZnS)、方铅矿(PbS)等。

硫酸盐硫主要以石膏(CaSO4·2H2O)为主，也有少量的绿矾(FeSO4·7H 2O)等。

煤化学结构的近代概念是：（1）煤结构的主体是三维空间高度交联的非晶质的高分子聚合物，煤的每个大分子由许多接都相似而又不完全相同的皆不能结构单元聚合而成；（2）基本机构单元的核心部分主要是缩合芳香环，也有少量氢化芳香环、脂环和杂环。

基本结构单元的外围连接有烷基侧链和各种官能团。

烷基侧链主要有-CH2-,-CH2-CH2-等。

官能团以含氧挂能团为主，包括酚羟基、羧基、甲氧基和羰基等。

此外还有少量硫官能团和含氮官能团。

基本结构单元之间通过瞧见连接为煤分子。

桥键的形式有不同长度的次甲基键、醚键、次甲基醚键和芳香碳键等。

（3）煤分子通过交联及分子间缠绕在空间以一定方式定型，形成不同的立体结构。

（4）在煤的高分子聚合物结构中还均匀地分散嵌布着少量低分子化合物，其相对分子质量在500左右及500以下。

它们的存在对煤的性质有不可忽视的影响。

（5）镜质组是煤主体的代表性显微煤岩组分，煤的化学结构实质上主要是镜质组的结构。

（6）低煤化度煤的芳香环缩合度较小，但桥键、侧链和官能团较多，低分子化合物较多，其结构无方向性，空隙率和比表面积较大。

煤的主要用途煤炭被人们誉为黑色的金子，工业的食粮，它是十八世纪以来人类世界使用的主要能源之一。

虽然它的重要位置已被石油所代替，但在今后相当长的一段时间内，由于石油的日渐枯竭，必然走向衰败，而煤炭因为储量巨大，加之科学技术的飞速发展，煤炭汽化等新技术日趋成熟，并得到广泛应用，煤炭必将成为人类生产生活中的无法替代的能源之一。

煤炭的用途十分广泛，可以根据其使用目的总结为两大主要用途：(1)动力煤，(2)炼焦煤。

我国动力煤的主要用途有：1)发电用煤：我国约1/3以上的煤用来发电，目前平均发电耗煤为标准煤370g/(kW·h)左右。

电厂利用煤的热值，把热能转变为电能。

2)蒸汽机车用煤：占动力用煤2%左右，蒸汽机车锅炉平均耗煤指标为100kg/(万吨·km)左右。

3)建材用煤：约占动力用煤的l0%以上，以水泥用煤量最大，其次为玻璃、砖、瓦等。

4)一般工业锅炉用煤：除热电厂及大型供热锅炉外，一般企业及取暖用的工业锅炉型号繁多，数量大且分散，用煤量约占动力煤的30%。

5)生活用煤：生活用煤的数量也较大，约占燃料用煤的20%。

6)冶金用动力煤：冶金用动力煤主要为烧结和高炉喷吹用无烟煤，其用量不到动力用煤量的1%。

(2)炼焦煤我国虽然煤炭资源比较丰富，但炼焦煤资源还相对较少，炼焦煤储量仅占我国煤炭总储量27.65%。

炼焦煤类包括气煤(占13.75%)，肥煤(占3.53%)，主焦煤(占5.81%)，瘦煤(占4.01%)，其它为未分牌号的煤(占0.55%)；非炼焦煤类包括无烟煤(占10.93%)，贫煤(占5.55%)，弱碱煤(占 1.74%)，不缴煤(占13.8%)，长焰煤(占12.52%)，褐煤(占12.76%)，天然焦(占0.19%)，未分牌号的煤(占13.80%)和牌号不清的煤(占1.06%)。

炼焦煤的主要用途是炼焦炭，焦炭由焦煤或混合煤高温冶炼而成，一般1.3吨左右的焦煤才能炼一吨焦炭。

焦炭多用于炼钢，是目前钢铁等行业的主要生产原料，被喻为钢铁工业的“基本食粮”。

中国是焦炭生产大国，也是世界焦炭市场的主要出口国。

2003年，全球焦炭产量是3.9亿吨，中国焦炭产量达到1.78亿吨，约占全球总产量的46%。

在出口方面，2003年我国共出口焦煤1475万吨，其中出口欧盟458万吨，约占1/3。

2004年，中国共出口焦炭1472万吨，相当于全球焦炭贸易总量的56%，国际焦炭市场仍供不应求。

煤炭的综合利用是煤化学的基础，因为煤化学是伴随着煤炭综合利用的逐渐发展而产生的一门科学。

煤炭的综合利用有以下方面：一用作动力原料（能源）：有燃烧和发电。

燃烧——热能，灰渣作建筑材料、过滤材料等；发电——电能、灰渣作建筑材料、过滤材料等。

二各种转化过程，包括固体利用、气体利用和液体利用。

固体利用有：干馏——焦炭、型焦、炼铁、铸造、电石、合成氨、有色冶金、发电等；活化——活性炭、活化煤（各种吸附剂）；炭化、石墨化——炭、石墨制品（电极、碳纤维等）；氧化、抽提等——各种负值酸类物质（包括腐肥）；氧化——芳香羧酸、各种再生腐植酸；磺化——磺化煤（离子交换剂）；酸解、生化处理（泥炭）——饲料。