煤化学考试要点

绪论 煤化学：研究煤的成因、组成、结构、性质、分类和反应及其相互关系，并阐明煤作为燃料和原料利用中的有关化学问题的学科。 1.3 煤化学化工的范畴 (1) 煤的气化 煤气---合成气---合成氨，甲醇，乙酐，乙酸乙酯，燃料气，其它化学品。 (2) 煤的液化 液化油---液体燃料（替代天然石油），化学产品 (3) 煤的高温炼焦 冶金焦炭（炼铁），城市煤气，化学品（苯、甲苯、二甲苯、酚、萘、蒽、吡啶等），沥青，碳素制品。 (4) 煤的低温干馏 燃料气，液体燃料，酚，芳烃，酮、酯和杂环，碳质还原剂。 (5) 煤的其它加工 电极炭，活性炭，碳分子筛，碳素纤维，煤蜡。 第二章 煤的种类、外表特征和形成 1.1 煤形成于植物 煤是由植物腐体经过生物化学作用和物理化学作用演变而成的沉积有机岩。 1.2 煤炭的种类（成因类型） 根据形成煤炭的物质基础划分煤炭的类型—成因类型。主要是：腐殖煤、腐泥煤、残殖煤、腐殖腐泥煤。 腐殖煤： 由高等植物经过成煤过程中复杂的生化和地质变化作用生成。自然界中分布最广，蕴藏量最大。煤化学的主要研究对象。 腐泥煤： 主要由湖沼或浅水海湾中藻类等低等植物形成。储量大大低于腐殖煤，工业意义不大。 残殖煤： 由高等植物残骸中对生物化学作用最稳定的组分(孢子、角质层、树皮、树脂)富集而成。残殖煤在自然界中的储量很少，常呈薄层或透镜体夹在腐殖煤中。 腐殖腐泥煤：由高等植物、低等植物共同形成的煤。 2. 煤的形成 2.1 成煤的条件和环境 煤炭的形成，必须有气候、生物、地理、地质等条件的相互综合，才能生成具有工业利用价值的煤炭矿藏。这些条件包括： （1）大量植物的持续繁殖（生物、气候的影响） （2）植物腐体不能完全氧化－合适的堆积场所（沼泽、湖泊等） （3）地质作用（地壳的沉降运动－形成上覆岩层和顶底板－多煤层） 2.2 成煤作用过程 由高等植物转化为腐殖煤要经历复杂而漫长的过程，一般需要几千万年到几亿年的时间。整个成煤作用可划分为两个阶段：即泥炭化作用过程和煤化作用。

煤化程度的概念：在褐煤向烟煤、无烟煤转化的进程中，由于地

质条件和成煤年代的差异，使煤处于不同的转化阶段，这种转化阶段称为煤化程度，有时称为变质程度，或煤级(Rank)。 按煤化程度由低到高依次是：褐煤、烟煤（长焰煤、气煤、肥煤、焦煤、瘦煤、贫煤）、无烟煤。 （1）泥炭化作用 泥炭化作用的概念：高等植物凋谢后，在生物化学作用下，变成泥炭的过程称为泥炭化作用。 在这一阶段，植物首先在微生物作用下，分解和水解为相对分子质量较小的性质活泼的化合物，然后小分子化合物之间相互作用，进一步合成新的较稳定的有机化合物，如腐殖酸、沥青质等。 植物经泥炭化作用成为泥炭，在两方面发生巨大变化： a.组织器官（皮、叶、茎、根）基本消失，细胞结构遭到不同程度的破坏，变成颗粒细小、含水量极大、呈胶泥状的膏状体－泥炭。 b.组成成分发生很大的变化，植物中大量存在的纤维素和木质素在泥炭中显著减少，蛋白质消失，而植物中不存在的腐殖酸却大量增加，并成为泥炭的最主要的成分之一，通常达到40%以上。 （2） 煤化作用 煤化作用包括成岩作用和变质作用两个连续的过程。 成岩作用 泥炭在沼泽中层层堆积，越积越厚，当地壳下降速度较大时，泥炭将被泥沙等沉积物覆盖。 在上覆沉积物的压力作用下，泥炭发生了压紧、失水、胶体老化、固结等一系列变化，微生物的作用逐渐消失，取而代之的是缓慢的物理化学作用。这样，泥炭逐渐变成了较为致密的岩石状的褐煤。 变质作用 当褐煤层继续沉降到地壳较深处时，上覆岩层压力不断增大，地温不断增高，褐煤中的物理化学作用速度加快，煤的分子结构和组成产生了较大的变化。 碳含量明显增加，氧含量迅速减少，腐殖酸也迅速减少并很快消失，褐煤逐渐转化成为烟煤。 随着煤层沉降深度的加大，压力和温度提高，煤的分子结构继续变化，煤的性质也发生不断的变化，最终变成无烟煤。 变质作用的主要因素： 促成煤变质作用的主要因素是温度。 温度过低（<50℃），褐煤的变质就不明显了，如莫斯科煤田早石炭世煤至今已有3亿年以上，但仍处于褐煤阶段。通常认为，煤化程度是煤受热温度和持续时间的函数。温度越高，变质作用的速度越快。因为变质作用的实质是煤分子的化学变化，温度高促进了化学反应速度的提高。 影响煤性质因素： 堆积方式(原地生成、异地生成)，形成泥炭的植物群落，沉积环境(浅沼，湖沼，微咸水-咸水，富含钙质)，养分供给(富养分，贫养分)，pH值，细菌活动性，硫的供给，氧化还原电位(需氧，厌氧)等。 第三章 煤的工业分析和元素分析 2 煤样的制备 煤样制备的程序 (1) 煤样的制备包括破碎、筛分、混合、缩分和干燥等程序。 (2) 煤样的缩分实际上是按粒度不同分级进行的，通常分为25 mm、13 mm、6 mm、3 mm、1 mm五组，最后制备成小于0.2 mm的分析煤样。 (3)各种基准的表示符号 基准是指煤样所处的状态。用不同状态的煤样分析试验，将得出不同的结果，所以基准又是用以计算和表达测定值的主要依据之一。 1).收到基（ar） 就其含义而言，是从收到的一批煤样中取出具有代表性的煤样，以此种状态的煤样测定的结果为基准，称为收到基。 2).空气干燥基（ad） 是指煤样所处环境与水蒸气压达到平衡时的煤样。在新标准中规定：煤样若在空气中连续干燥1h后质量变化不超过0.10%，则认为达到空气干燥状态。 3).干基（d） 以无水状态的煤样为标准的分析结果表示方法。 4).干燥无灰基（daf） 它是以假想的无水无灰状态的煤为基准的分析结果表示方法 5).干燥无矿物质基（dmmf) 以假想无水和无矿物质的煤为基准的分析结果的表示方法。 4.3 灰分的测定 煤的灰分是煤中所有可燃物完全燃烧以及矿物质（除水分外所有无机质的总称）在一定温度下，经一系列复杂化学反应后所剩下的残渣，用符号A表示。灰分全部来自矿物质，但其组成和数量又不同于煤中原有矿物质，因此煤的灰分应称为“灰分产率” 煤灰分主要成分：SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3、 TiO2、MgO、CaSO4 — 95%, K2O、Na2O、SO3、P2O5 — 少量 Ge、Ga、U、V — 微量 4.4 固定炭 固定炭— 指除去水分、灰分和挥发分后的残留物，用符号FCad表示。

固定炭的化学组分，主要是C元素，另外还有一定量的H、O、N、S等元素。 5 煤的元素分析 5.1 煤的元素组成 碳、氢、氧、氮、硫 碳是组成煤大分子的骨架，在各元素中最高，一般大于70%。随着煤化程度的不断增高，煤中碳元素的含量也越高，如某些超无烟煤，碳含量可超过97%。 氢是煤中第二个重要的组成元素，占煤的质量分数1% ~ 6%，越是年轻的煤，其含量也越高。 氧元素是组成煤有机质的十分重要的元素，越是年轻的煤，氧元素的比例也越大，发热量常随氧元素含量的增高而降低，含量1% ~ 30%。 氮元素在煤中的比例较少，一般为0.5% ~ 3%，氮是煤中唯一的完全以有机状态存在的元素。 硫元素也是组成煤的有机质的一种常见元素，在煤中含量的多少，与煤化程度的高低无明显关系，其含量从最低的0.1到最高的10%均有。 注意： 煤的元素组分的不同，不仅能反映出煤化程度，而且也直接表征出煤性质的不同。 （1）碳含量低、氧含量高的煤，多是黏结性很差或是没有黏结性的年轻煤。 （2）碳含量高、氧含量低的煤则常是一些无黏结性的年老煤。 （3）只有碳含量在84% ~ 88%，氢含量在5%以上的中等变质程度的煤，才是结焦性较好的炼焦用煤。 Eschka质量法测全硫， a. 应用Eschka试剂，m(Na2CO3 ) : m(MgO) = 1 : 2，为熔剂。 方法包括煤样的半熔反应、水浸取、硫酸钡的沉淀、过滤、洗涤、干燥、灰化和灼烧等过程。 b. 基本原理 熔样： 煤样和Eschka试剂均匀混合后在高温下进行半熔反应，使各种形态的硫都转化成可溶于水的硫酸盐(Na2SO4, MgSO4)。煤样在空气中燃烧时，可燃硫首先转化为SO2，继而在有空气存在下，和Eschka试剂作用形成可溶于水的硫酸盐： 煤 + 空气 = CO2  + H2O + SO2 + SO3 + N2  2SO2 + O2 + 2Na2CO3 = 2Na2SO4 + 2CO2  SO3 + Na2CO3 = Na2SO4 + CO2  2SO2 + SO3 + 3MgO + O2 = MgSO4 MgO 作用 Eschka试剂中的MgO能疏松反应物，使空气能进入煤样，同时也能与SO2和SO3发生反应形成MgSO4 。 不可燃烧又难溶于水的CaSO4，能同时与Eschka试剂作用，难溶于水的硫酸盐MSO4和Eschka试剂中的Na2CO3反应如下： MSO4 + Na2CO3 = Na2SO4 + MCO3 6 煤发热量的测定 煤的发热量或热值是指单位质量的煤完全燃烧，当燃烧产物冷却到燃烧前的温度时（室温）所放出的热量，用Q表示。 煤的发热量分类： 弹筒发热量， 高位发热量，低位发热量 发热量的单位: J/g、kJ/kg、MJ/kg。 (1) 弹筒发热量(Qb) 是指单位质量的煤样在量热计和不锈钢制的耐压氧弹筒内，在过量的高压氧气条件下（初始压力为2.6~2.8 MPa）燃烧后产生的热量，是用弹筒量热计实测出的热量。 注：煤中原有的水和氢元素燃烧生成的水冷凝在弹筒中，氮被氧化为NO2或N2O5，硫被氧化为SO3，它们溶于水也会产生热量。因此煤在弹筒中燃烧要比在空气中燃烧时产生的热量多，所以又称为“最高发热量”。 (2) 高位发热量(Qgr)是指煤在大气中燃烧时产生的热量。此时煤中的硫只生成SO2，氮是游离状态N2，水呈液态冷凝（常温约25℃）。 (3) 低位发热量（Qnet）是指煤在工业窑炉中燃烧所产生的热量。