煤

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[外文]：coal被广泛用作天然燃料的黑色或褐色层状固体可燃有机岩。是地史时期沼泽中植物遗体在覆水缺氧或少氧的环境下，经生物化学作用被部分分解，埋藏后，在温度、压力增高的条件下，经受地质作用转变而成（见煤化作用）。中国是世界上用煤最早的国家。春秋战国时期称煤为“石涅”,汉、魏、晋时称煤为“石墨”或“石炭”，使用“煤”这一名词始于明朝。李时珍的《本草纲目》中有：“石炭即乌金石，上古以书字，谓之石墨，今俗呼为煤炭,煤墨音相近也。”煤是中国最主要的能源,在能源结构中占70％以上，世界上所使用的能源也有三分之一从煤而来。中国煤的产量和储量均居世界前列，世界上煤产量和储量较多的国家还有美、苏、波、德、英、澳、南非、印度等。煤在显微镜下，可见其中石化了的植物木质纤维组织、木栓层、角质层、蜡质层、树脂、孢子、花粉以及菌类、藻类等。此外，植物本身含有少量和成煤过程中混入的矿物成分，构成煤中的矿物质。这些矿物质包括粘土矿物、碳酸盐、硫化物、氧化物、石英、磷酸盐以及少量重矿物和副矿物。因此，煤是多种有机与无机的非均质混合物，是一种有机岩石而非矿物。根据成煤物质的堆积方式,有原地堆积煤和异地堆积煤;根据成煤原料和聚积环境的不同，可分为腐殖煤、腐殖腐泥煤、腐泥煤；根据煤化程度，可分为褐煤、烟煤、无烟煤、超无烟煤。岩石组成煤是一种成层的可以燃烧的有机岩石，组成比较复杂。肉眼观察可以分出不同的煤岩组分和宏观类型。煤岩组分是肉眼可以区分的基本组成单位；宏观类型则是根据煤岩组分的数量比例，以及组分所反映的煤的平均光泽而划分的肉眼研究单元（见煤的岩石组成）。在显微镜下才能识别出的煤的有机组分称为煤的有机显微组分，简称煤的显微组分；煤的显微煤岩类型是显微镜下划分出的不同显微组分的各种组合，亦称煤的显微类型（见显微煤岩类型）。物理性质煤的物理性质主要由成煤原始物质（见成煤植物）、煤的沉积环境(见成煤沉积环境)、煤相和煤化作用等因素决定。煤的物理性质主要包括光泽、颜色和粉色、硬度、脆度、断口、比重、裂隙和导电性等。煤作为一种岩石，它的物理性质因组分的不同而异，应按组分或类型分别加以研究；但作为矿石，在开采、加工利用的一些实用环节上，则是进行平均煤样的研究。颜色和粉色煤的颜色是指新鲜煤块断面上的自然色。从褐煤、烟煤到无烟煤,颜色一般从棕褐,褐黑而黑色，最后成为带有钢灰色调的灰黑色。腐泥煤一般呈褐、褐黑、深灰或黑色。煤中水分可使煤的颜色加深，矿物质则使之变浅。在普通透射光下，煤薄片所显示的颜色称透射色。不同显微组分的透射色不同。煤的粉色是煤研成粉末的颜色，又称条痕色。煤的粉色取决于煤的颜色。通常规定以新鲜的镜煤或较纯净的亮煤的粉色为准，随煤化程度增高，由浅棕色、棕黑色、黑色到灰黑色。腐泥煤的粉色多为浅褐色或褐黑色。光泽指通常光下煤块新鲜断面上的反光强度。腐殖煤的4种煤岩组分中，镜煤光泽最强，亮煤次之,暗煤和丝煤光泽暗淡。随着煤化程度的增高，镜煤和较纯净亮煤的光泽变化明显，依次呈现为沥青、玻璃、金刚和似金属光泽。年轻褐煤有时呈蜡状光泽，腐泥煤一般光泽暗淡。此外，光泽还与煤受风化、氧化的程度，煤中矿物质的含量有关。硬度指煤抵抗外界机械作用的能力。主要有以下几种硬度：（1）刻划硬度。用标准矿物刻划煤所测定的相对硬度。暗煤比亮煤和镜煤硬。煤的硬度与煤化程度有关，年轻褐煤和中等煤化程度的焦煤硬度最小，无烟煤硬度较大。（2）抗磨硬度。指煤岩组分的抗磨强度。煤光片抛光时，硬的组分（如惰质组组分）比软的组分（如镜质组组分）磨损得慢，所以，惰质组组分比镜质组组分突起要高。突起是反射光下研究煤光片的重要标志之一。（3）显微硬度。根据在显微镜下具有静载荷的金刚石压锥压入显微组分的程度测定的。压痕越大，表示煤的显微硬度越低；压痕较小，则煤的显微硬度较高。其数值是以压锥与煤实际接触的单位面积上所承受的载荷重量表示（单位千克／平方毫米）。在无烟煤阶段随煤化程度的增高，镜质组的显微硬度急剧上升，变化幅度为30～200千克/平方毫米，因此，显微硬度可作为详细划分无烟煤的指标。脆度指煤受外力作用而破碎的性质。在4种煤岩组分中，镜煤和丝煤脆度最大，暗煤的脆度最小。壳质组组分增多时,煤的脆度降低,故残殖煤和腐泥煤的脆度小、韧性大。各煤级煤中，焦煤阶段镜质组的脆度量大。断口指煤受外力打击断开后呈现凹凸不平的表面。断口有贝壳状、参差状、阶梯状、棱角状、针状等，它们反映了煤物质组成的均一性或方向性的变化。具贝壳状断口的有腐泥煤、镜煤、较纯净的亮煤和某些块状无烟煤，表明这些煤的物质组成有较高的均一性。裂隙指在煤形成过程中，受自然界各种应力的影响造成的裂缝。分为内生裂隙和外生裂隙。（1）内生裂隙常见于镜煤和亮煤，垂直于层理面,裂隙面比较平坦,常呈眼球状。一般认为是煤中凝胶化物质在煤化过程中受温度、压力变化的影响，引起内部结构变化，因体积均匀收缩产生内张力形成的。内生裂隙的发育程度可大致反映煤化程度。（2）外生裂隙是煤层形成后受构造应力作用产生的，它以各种角度与煤层层理面相交，并以斜交者较多。外生裂隙可以出现在煤层的任何部分，裂隙面常有羽毛状、波纹状或光滑的滑动痕迹。由于主要外生裂隙组的方向常与附近的断层方向一致，因此，研究外生裂隙有助于确定断层的方向。比重它取决于煤岩组成、煤化程度、煤中矿物质的成分及其含量。纯煤比重随煤化程度的增高而增高，同一煤化程度煤中，惰质组组分比重最大，镜质组组分比重较小，壳质组组分的比重最小。随着煤化程度增高，各种显微组分的比重逐渐接近，到无烟煤阶段基本一致。煤中矿物质的比重较有机物质的大得多，煤的比重与矿物质含量密切相关。根据测定方法分为真比重和视比重（容量）。测定真比重时，体积不包括煤的内外表面孔隙。由于矿物质对比重的影响往往比煤化程度的影响更大，因此，大多采用纯煤(即去掉水分和矿物质的煤)的真比重。测定视比重时，体积包括煤的内外表面孔隙，是计算煤储量的重要参数。在矿物含量低的各煤级煤中，褐煤的视比重最小，无烟煤的视比重最大。导电性指煤传导电流的能力，通常以电阻率表示。煤的导电性与煤化程度密切相关。褐煤由于孔隙度大而电阻率低；烟煤是不良导体，由褐煤向烟煤过渡时，电阻率剧增；但瘦煤阶段电阻率又开始降低，无烟煤阶段急剧降低，因而无烟煤具有良好的导电性。一般烟煤的电阻率随灰分的增高而降低，而无烟煤则相反，随灰分增高而增高，若煤层中含有大量黄铁矿时，也会使无烟煤电阻率降低。各种煤岩组分中，镜煤的电阻率比丝煤高。氧化煤的电阻率明显下降。元素分析煤中有机质是复杂的高分子有机化合物，主要由碳、氢、氧、氮、硫等元素组成。在各种元素中，碳、氢、氧是主要成分,三者的总和占有机质的95%以上。有机质的元素组成与煤的成因类型、煤岩组分等因素有关。根据元素组成可以计算煤的发热量，估算和预测煤的炼焦化学产品、低温干馏产物和褐煤蜡的产率，为煤的加工工艺设计提供必要的数据。由于煤中的无机质也含有少量的碳、氢、氧、硫等元素，因此，在了解煤中有机质的元素组成及进行煤的分类时,应以比重为1.4的重液中洗选后的精煤测定。碳是煤中最重要的成分，其含量随煤化程度的加深而增高。一般泥炭中的碳含量为50～60%,褐煤为60～77％，烟煤为74～92％，无烟煤为90～98％。同煤级煤的不同显微组分的碳含量略有差别。氢是煤的第二个重要成分。氢含量与成煤原始物质有关，腐殖煤中壳质组的氢含量高，如气煤阶段壳质组的氢含量大于7％，镜质组次之,惰质组最低。腐泥煤的氢含量普遍比腐殖煤高,大于6～11％。随着煤化程度的加深，氢含量逐渐减少。氧煤中氧含量变化大，随着煤化程度的增高而降低。如泥炭中氧含量为30～40％，褐煤的氧含量降低为15～30％。当煤受到氧化作用时，氧含量迅速增高，而碳、氢含量明显降低。氧含量是确定煤层的风化带、氧化带深度的主要指标之一。氮主要来自成煤植物中的蛋白质，含量约0.8～1.8%,通常随煤化程度增高而稍有降低。在热加工时,一部分氮转化成为氨及吡啶类等含氮有机化合物，可用以制成硫酸铵、尿素、氨水等氮肥。硫是煤中最有害的杂质。煤燃烧时，其中硫生成SO2，腐蚀金属设备，污染环境。煤作为合成氨原料时，产生的SO2除腐蚀金属设备外，还使催化剂中毒，影响操作和产品质量。煤作为生产冶金焦原料时，煤中硫大部分转入焦炭，使钢铁产生热脆性。因此，各项工业用煤对硫含量都有严格的要求，如炼焦用煤要求硫含量低于10％。煤中硫分为有机硫和无机硫两大类，总称为全硫。有机硫主要来自成煤植物和微生物中的蛋白质。含量一般都小于0.5％，均匀分布于有机质中,很难清除。一般低硫煤是以有机硫为主,因此洗选后,精煤的全硫百分比反而会增高。无机硫分为硫化物硫和硫酸盐硫两种。硫化物硫中绝大部分是以黄铁矿硫(FeS2)形态存在,有时也有少量的白铁矿硫。颗粒大的黄铁矿可利用其与有机质比重之差，予以清除；而颗粒极细又分布均匀的，则难以去掉。当煤中含硫量大于1％时,多是以硫化物硫为主，洗选后可使硫含量不同程度地降低。煤中硫的含量可分为5级：高硫煤，大于4％；富硫煤，为2.5～4％；中硫煤，为1.5～2.5％；低硫煤，为1.0～1.5％；特低硫煤，小于或等于1％。煤中硫含量的高低与成煤时的沉积环境有关。磷及其他元素煤中磷主要是无机磷(如磷灰石)及微量有机磷。炼铁时焦炭中来自煤的磷又进入生铁，使钢铁产生冷脆性。中国煤中磷含量多低于炼焦用煤规定的工业要求（干燥基小于0.01％）。煤中还可能含有砷、氯、汞、硒、铍和氟等有害成分，其中砷含量在酿造工业和食品工业燃料中不得超过8ppm。煤中氯主要以氯化钠的形式存在,煤的氯含量如超过0.2％，用以炼焦或作燃料时,碳化室及各种管道会受到强烈的腐蚀。此外,煤中尚有锗、镓、铀、钒等有益元素，有时可达工业品位（见煤中伴生元素）。工业分析亦称技术分析，指对煤的水分、灰分、挥发分的测定和对固定碳的计算。通过工业分析可以大致了解煤的性质。水分根据煤中水分的存在状态，可分为外在水分、内在水分以及与煤中矿物质结合的结晶水、化合水。外在水分是指煤在开采、运输、储存和洗选过程中，附着在煤颗粒表面的水分。即将煤放在空气中风干时，外在水分蒸发直到与空气的相对湿度达到平衡时失去的水分。内在水分是指吸附或凝聚在煤颗粒内部毛细孔中的水，需加温达100℃时才能把煤中的内在水分完全蒸发出来。当煤颗粒中毛细孔吸附水分达到饱和时，内在水分达最高值，称最高内在水分。由于煤的孔隙度与煤化程度间有一定的关系，所以最高内在水分能在一定程度上表示煤化程度。结晶水和化合水是指煤的矿物质中分别以分子形式和离子形式参加矿物晶格构造的水分，一般要在200℃以上才能析出。煤中水分是无用物质,其含量愈低愈好。炼焦时煤中水分消耗热量，延长炼焦时间，降低焦炉产率；作燃料时水分消耗热量，降低有效发热量。灰分煤完全燃烧后的残渣量。将1克分析煤样在800±20℃条件下完全燃烧后,根据剩下的残渣重量求得灰分产率。通常以不含水分的绝对干燥煤样为基准计算灰分。煤的灰分几乎全部来自矿物质。灰分是煤的有害成分，它增加运输量，降低煤的发热量，影响焦炭质量。挥发分煤中有机质可挥发的热分解的产物量。将煤置于隔绝空气的容器中，在一定高温下加热一定时间后，煤中分解出液体（蒸气状态）和气体产物，从中减去水分，就是煤的挥发分。挥发分随煤化程度增高而降低，可用以初步估计煤级，因此，世界各国几乎都采用挥发分作为煤工业分类的第一分类指标。在煤化程度相同的煤中，壳质组的挥发分最高，镜质组次之，惰质组最低。但到高煤化阶段，显微组分的影响减小。挥发分也受矿物质的影响，如当煤中碳酸盐含量较高,分解出的CO2产率大于2％时,需要对煤的挥发分产率进行校正。固定碳测定煤的挥发分时，剩下的不挥发物称为焦渣，从焦渣中减去灰分即为固定碳。即固定碳就是煤在隔绝空气的高温加热条件下，煤中有机质分解的残余物。从100中减去水分、灰分和挥发分,就得到固定碳的含量。工艺性质煤的工艺性质是工业评价合理用煤的依据，主要包括粘结性、结焦性、发热量、化学反应性、热稳定性、焦油产率和可选性等。粘结性和结焦性煤的粘结性是指粉碎的煤粒在隔绝空气的条件下，加热到一定的温度(即干馏和热解)后，煤中有机质分解、熔融而使煤粒能相互粘结成块的性质，是评价炼焦用煤的主要指标。煤的结焦性是指在炼焦炉中能炼出适合于高炉用的有足够强度的冶金焦炭的性质。粘结性是煤结焦所必备的条件之一，其他条件还有塑性、流动性、膨胀性等。煤的粘结性还用于评价低温干馏、气化或燃烧用煤，但与炼焦用煤要求相反，粘结性越低越好。煤的粘结性和结焦性与其煤化程度、煤岩组成、遭受氧化的程度以及矿物含量有关。如中等煤化程度的肥煤和焦煤的粘结性最好，焦煤的结焦性最好；显微组分中镜质组的粘结性最好，壳质组次之，通常惰质组不具粘结性；氧化煤的粘结性减弱以至消失；矿物质含量过高使粘结性变差。发热量单位质量的煤在完全燃烧时所产生的热量，常用兆焦耳／千克表示。它是燃烧工艺过程的热平衡、耗煤量、热效率等计算的依据。将1克煤样放在高压充氧的弹筒中燃烧而测定，由量热计测得的发热量称弹筒发热量(Qb)。为了使测定的发热量更接近于工业利用的实际，必须进行换算。发热量与煤的成因类型和煤岩组成有关。残殖煤和腐泥煤的发热量比腐殖煤高，在腐殖煤中则以壳质组的发热量最高，镜质组次之，隋质组最低。腐殖煤的发热量随着煤化程度的不同而有规律地变化，以焦煤的发热量最高，向低煤化阶段或高煤化阶段煤的发热量均有所降低。随煤中矿物质含量的增高，发热量也随之下降。气化反应性和耐热性煤经过气化可产生动力煤气和供化学合成原料用的合成煤气。煤的反应性又称活性，指在一定温度下，煤与不同气化介质，如二氧化碳、氧、水蒸气相互作用的反应能力。反应能力强的煤在气化和燃烧过程中反应速度快、效率高。目前中国采用测定煤的反应性的方法是测定在高温下煤还原CO2的性能,以CO2还原率表示煤的反应性。还原率高的煤，其反应性较好。煤的反应性随温度升高而增强，并随煤化程度的加深而降低。煤的耐热性又名煤的热稳定性，指煤在高温燃烧或气化过程中保持原来粒度的性能。耐热性好的煤在燃烧或气化过程中，能以其原来的粒度烧掉或气化而不碎成小块，或破碎较少；耐热性差的煤在燃烧或气化过程中迅速碎裂成小块或煤粉，轻则增加炉内阻力，降低气化和燃烧效率，重则出现结渣现象,破坏整个气化过程,造成停炉事故。因此，要求煤有一定的耐热性。煤灰熔融性亦称煤的灰熔点。煤灰是由多种矿物组成的混合物，没有一个固定的熔点。它随着煤灰成分的变化而异，Al2O3在煤灰中起增高灰熔点的作用，SiO2含量不高，低于40％时，SiO2起着助熔的作用,SiO2含量在40～60％时，煤灰自软化到熔直至流动所需的时间短；灰分中的Fe2O3、CaO和MgO含量愈高，灰熔点愈低。各部门对煤的灰熔点的要求不同。如固态排渣的锅炉和气化用煤,要求灰熔点高,以免形成熔渣而影响生产操作；而液态排渣的锅炉或煤气发生炉则要求灰熔点低的煤，以防排渣困难。低温干馏焦油产率煤的低温干馏是以最大限度获得煤焦油的目的，并用作制取液体燃料和化工原料。煤的低温干馏焦油产率是煤在500～600℃的温度下干馏分解的焦油产率，是评价低温干馏用煤的主要指标。低温干馏用煤的焦油产率TaT一般不应小于7％，TaT>12％者称高油煤；TaT在7～12％者为富油煤；TaT≤7％者为含油煤。TaT与煤的成因类型有关。腐泥煤、残殖煤的低温干馏焦油产率相当高；腐殖煤的焦油产率与煤化程度和煤岩组成有关，褐煤和长焰煤的焦油产率较高；壳质组的焦油产率高，镜质组次之，惰质组最低。可选性指煤通过洗选，除去夹矸和矿物质的难易程度。在选煤中比重大的尾煤和比重小的精煤较易分开，而比重介于精煤和尾煤之间的中煤（对炼焦煤而言，中煤一般指浮沉试验中比重为1.4～1.8的部分，对动力用煤来说，中煤指比重为1.5～1.8的部分）在洗选时，与精煤和尾煤容易混杂，不利于分选，因此采用中煤含量来评定可选性。中煤含量越多，可选性越差。中国煤的可选性分为4级,即中煤含量小于10％者为易选煤；10～20％者为中等易选煤；20～30％者为难选煤；大于30％者为极难选煤。影响煤可选性的主要因素是煤中矿物质的成分、数量、颗粒大小、赋存状态以及有机组成、结构、煤化程度等。单体存在的矿物最容易洗选，有机质中呈浸染状的最难洗选。同一煤级有机显微组分相近的煤粒,其比重主要取决于矿物的成分和含量。在4种煤岩组分中镜煤、亮煤比重较小,多富集在精煤中;暗煤、丝煤比重较大，多集中于中煤。用途煤不仅是重要能源，也是冶金、化学工业的重要原料。煤的主要用途如下。炼焦将煤放在干馏炉中，隔绝空气在高温下加热，煤中有机质随着温度的升高逐渐分解，其中挥发性物质以气态或蒸气状态逸出，成为焦炉煤气和煤焦油，非挥发性固体残留物即为焦炭。焦炭主要用于高炉炼铁和铸造，也可制造氮肥和电石。电石又是塑料、合成纤维、合成橡胶等合成化工产品的原料。炼焦油约占焦化产品的3～4％，所含的化合物能够测定和分离的已近500种。这些有机化合物可生产化肥、农药、合成纤维、合成橡胶、塑料、油漆、染料、医药、炸药等产品。焦炉煤气除做燃料外，也是重要的化工原料。为了节约优质炼焦用煤，扩大炼焦煤资源，改善焦炭质量，将不同类别的煤或有害杂质含量不同的煤配合使用，即配煤炼焦。气化以氧、水、二氧化碳、氢等为气化介质，经过热化学处理，把煤转变为工业和民用燃料以及化工合成原料的煤气。新的气化方法广泛采用流化床技术、催化气化和加氢气化等方法以提高煤气热值到近37681200焦耳／立方米，与天然气相当。制取煤气的固定床气化法主要以无烟煤或焦炭作原料，沸腾层气化法以褐煤、长焰煤、弱粘煤和不粘煤等为原料。为了充分开发利用煤炭资源，解脱繁重的井下采煤作业，开发目前技术条件无法开采或经济效益低的深部煤层或薄煤层，正在试验煤的地下气化。低温干馏煤或油页岩在500～600℃的温度下进行干馏以制取低温焦油，同时生产半焦和低温焦炉煤气。低温干馏焦油产率高于高温干馏。成分以烷烃、环烷烃为主，可用以制取高级液体燃料和化工原料；低温干馏煤气产率较低，但热值可达29.3×106焦／立方米左右。低温干馏用煤主要是褐煤、长焰煤、气煤和油页岩等，主要的质量指标是焦油产率大于7％，弱粘结或不粘结。加氢液化将煤、催化剂和重油混合在一起，在高温高压下使煤中有机质破坏，与氢作用转化成低分子液态和气态产物，进一步加工可得汽油、柴油等液体燃料。煤的煤化程度越高，在溶剂中的溶解度越小，分解能力愈低，液体产率愈低。所以加氢液化用煤以煤化程度低的褐煤、长焰煤、气煤为主。加氢液化用煤要求氢含量大于或等于5%，挥发分大于35%。由于丝煤难以液化,故煤中丝煤含量应低于2％。燃烧任何煤都可作为工业和民用燃料。发电厂一般应使用灰分大于30％的劣质煤。车、船用煤要求火焰长，灰熔点高、挥发分大于25％的煤。在煤矿附近建立坑口电站，“煤矿-电力-化工”联合企业，是较好地综合利用煤的方式。此外，可利用泥炭、褐煤中的腐殖酸和氧化煤的次生腐殖酸制造腐殖酸类肥料。某些含沥青质的低煤化褐煤可以提取褐煤蜡。低灰、低硫、高发热量的优质无烟煤适于制造碳粒砂、碳化硅、人造刚玉、电极、电石、石墨或供高炉喷吹和作铸造燃料等；低煤化烟煤与褐煤经过硫酸处理后,是制造活性炭的原料;煤沥青可制成抗拉强度比钢大1000倍以上；耐高温的碳素纤维是发展航天技术的重要构造材料；煤灰中可提取锗、镓、铀、钒等重要原料。随着近代科学技术的发展和新工艺、新方法的应用，国际上还在研究开发煤的新用途。总趋势是向煤的综合利用、合理利用、制取液体燃料、洁净燃料方向发展。参考书目武汉地质学院煤田教研室编：《煤田地质学》(上册)，地质出版社，北京，1979。杨起、韩德馨主编：《中国煤田地质学》(上册)，煤炭工业出版社，北京，1979。