煤化學趣味知識

 

　　煤的成因 　包括下列過程：①泥炭化作用。當高等植物遺體在沼澤中堆積,在有水存在和微生物參與下,經過分解、化合等復雜的生物化學變化，形成泥炭(泥煤)。泥炭化階段主要是植物殘骸的菌解過程。當原始物質為低等植物和浮游生物時則形成腐泥，稱為腐泥化作用。②成巖作用。當地殼下沉時，泥炭和腐泥的上部為沉積物所覆蓋,在溫度、壓力的影響下,經過壓密、脫水、膠結和其他化學變化，分別變為褐煤和腐泥煤。③變質作用。由于地殼的運動，褐煤層上部頂板逐漸加厚，受地壓、地溫增高的影響，經過復雜的物理化學作用，促使煤質變化，由褐煤變成煙煤、無煙煤。成巖和變質是煤化作用的兩個階段。按成煤的原始物質不同可將煤分為腐植煤、腐泥煤、腐植腐泥煤和殘植煤。腐植煤由高等植物所形成，包括泥炭（泥煤）、褐煤、煙煤、無煙煤，其探明儲量和產量均占各類煤的主要地位。腐植煤中以角質層、樹脂、孢子、花粉等穩定組分為主的稱殘植煤。腐泥煤主要由藻類和浮游生物等形成，如藻煤、膠泥煤。油頁巖則是一種含礦物質高的腐泥煤。腐植腐泥煤的原始物質，既有高等植物，也有低等植物，如燭煤。

 

　　煤的組成 　煤是由多種結構形式的有機物（或稱煤素質），與少量種類不同的無機物（或稱礦物質）組成的混合物。煤的組成通常指煤的巖相組成和化學組成。

 

　　巖相組成 　煤由各種類型的煤巖組成。每種類型的煤巖又由各種煤素質所構成。用肉眼或放大鏡觀察，可以區分煤中的宏觀煤巖成分，一般分為鏡煤、亮煤、暗煤和絲炭。將煤制成薄片或光片，用顯微鏡在透射光或反射光下觀察顯微煤巖組分，有機顯微煤巖組分（煤素質）可分為:

 

　　①鏡質組分（圖1a），或稱凝膠化組分，它來源于植物的木質部分，同其他組分相比，它是均質的，是構成煤有機質的主要部分; ②絲炭化組分（圖1b），又稱惰性組分，是植物埋沒過程中木質纖維組織受到氧化和炭化后保留下的部分，對化學作用和熱具有惰性;③穩定組分,包括植物殘存的花粉、孢子（圖1c）、角質層、木栓、樹皮(圖1d)、樹脂質較多的部分，是化學穩定性較強的組分。煤中還有少量無機顯微組分。

 

　　化學組成 　煤的化學組成可通過化學分析來了解。煤中有機質元素主要是碳，其次是氫，還有氧、氮和硫等元素。它們以結構十分復雜的大分子形式存在，這些煤的有機質大分子是由許多結構相似的單元所組成；單元的核心是縮合程度不同的芳環，還有一些脂肪環和雜環，環間由氧橋或次甲基橋連接而形成大分子；環上側鏈有烷基、羥基、羧基或甲氧基等。很多研究者報道過不同的煤化學結構模型，但尚不能揭示煤的實質結構。比較常見的有W.H.懷澤的煙煤結構模型（圖2）。煤中無機質元素主要是硅、鋁、鐵、鈣、鎂等，它們以蒙脫石、依利石、高嶺石等粘土礦物形式存在，還有黃鐵礦、方解石、白云石、石英石等。

 

　　煤的工業分析主要包括水分、揮發分、灰分和固定碳的測定，它是評價煤的一項重要指標。

 

　　煤的性質 　通常指煤的物理性質、化學性質和工藝性質。這些性質都與成煤的原始物質、聚積環境、地質條件和煤化程度有關。

 

　　煤的物理性質 　主要包括煤的密度、表面性質（濕潤性、表面積、孔隙度）、光學性質(折射率、反射率)、電性質（電導率、介電常數）、磁性質、熱性質（比熱容、熱導率、熱穩定性）和機械性質（硬質、脆度、可磨性）。

 

　　煤的化學性質 　是指煤與各種化學試劑在一定條件下發生化學反應的性質，以及煤用不同溶劑萃取的性質。

 

　　煤的工藝性質 　包括：①粘結性。指煙煤在受熱時本體粘結或與外加惰性物質粘結的能力，它是評價工業用煤特別是煉焦煤的主要指標。實驗室測定方法有粘結指數、坩堝膨脹序數、羅加指數等。②結焦性。指在模擬工業焦爐條件下，或在半工業性試驗焦爐內，煤結成焦炭時的性能，實驗室測定方法有奧亞膨脹度、膠質層指數、葛金焦型等。③發熱量。指單位質量的煤在完全燃燒時放出的熱量。它是評價燃料煤的主要指標。根據計算時燃燒產物中水的狀態不同，有高位發熱量與低位發熱量之分，包含燃燒生成的水蒸氣冷凝潛熱的，稱為高位發熱量，不包括水蒸氣冷凝潛熱的，稱為低位發熱量。④反應性。又稱活性，是指在一定溫度下，煤與不同氣體介質如二氧化碳、水蒸氣、氧氣、氫氣作用的氣化反應能力。⑤熱穩定性。指氣化、燃燒用煤在加熱時塊度變化的性質。⑥焦油產率。是評價煤和油頁巖煉油適宜性的指標，通常采用鋁甑低溫干餾法測定。⑦可選性。是反映煤在洗選過程中，除去其中礦物質的難易程度。它是將各級粒度的煤在不同密度的液體中經浮沉試驗而確定的。⑧灰熔點和熔融灰的粘度。將煤灰制成三角錐體，放在高溫爐中，在一定氣氛下加熱，觀察灰錐形狀的變化,從而測定變形溫度T1、軟化溫度T2和流動溫度T3,其中T2表示煤灰熔點。熔融灰的粘度用高溫粘度計測量。

 

　　煤的分類方法 　是煤化學研究的重要內容。從不同角度出發有不同的分類方法。理想的煤分類方法是既有充分的科學依據，又有實際使用價值。1983年聯合國歐洲經濟委員會煤炭委員會制定的國際煤分類，將煤分為低煤化度、中等煤化度和高煤化度三類（大體上分別相當于褐煤、煙煤、無煙煤,不包括泥炭、油頁巖等）,提出以鏡質組平均隨機反射率（用偏反光顯微鏡測定煙煤和無煙煤的鏡煤質對光的平均隨機反射程度，以區分煤的煤化度）、坩堝膨脹序數（在特制的坩堝中把煤樣按規定方法加熱，將所得焦塊同一組有序號的標準焦塊比較得出相應的序數）、干燥無灰基揮發分產率、惰性組分含量、恒濕無灰基高位發熱量及反射率分布特征等六項指標進行編碼分類，并確定以恒濕無灰基高位發熱量小于24MJ/kg和鏡質組平均隨機反射率小于0.6％的煤為低煤化度煤。

 

　　中國于1958年實行了統一的以煉焦煤為主的煤分類方案，該方案以反映煤變質程度的揮發分產率和表征煤結焦特性的膠質層最大厚度兩項作為分類指標，將煤分為10大類24小類。這對合理利用煤炭資源，促進生產發展等方面起了積極作用，但也存在問題。經過多年研究，1986年國家標準局批準了新的分類方案并以“ GB5751-86中國煤炭分類”, 向全國發布試行。該標準以反映煤變質程度的揮發分產率和表征煤粘結性的粘結指數G值為主要分類指標，以膠質層最大厚度y值和奧亞膨脹度b值為區分強粘結煤的輔助指標,以透光率PM和煤的高位發熱量為區分長焰煤和褐煤的輔助指標。將煤分為十四大類，褐煤、無煙煤各為一類。煙煤分為十二類，包括:長焰煤、不粘煤、弱粘煤、1/2中粘煤、氣煤、氣肥煤、1／3焦煤、肥煤、焦煤、瘦煤、貧瘦煤、貧煤等。此外，褐煤還分為二小類，無煙煤分為三小類。在分類表中還采用數碼編號來表示煤的性質，便于利用計算機對煤質實行現代化管理和指導煤的利用。

 

　　煤的反應 　煤長期堆放在空氣中容易氧化，甚至導致自燃，使發熱量、粘結性降低，這種現象稱為煤的風化。煤在氧化劑存在下，經輕度氧化生成腐植酸，深度氧化生成低分子有機酸，劇烈氧化（即燃燒）生成二氧化碳、一氧化碳和水；煤在一定氫氣壓力下加熱，會發生氫化反應，使煤增加粘結性和結焦性；在有機溶劑和催化劑存在下加氫，可以得到液化油（見煤直接液化）；和氯、溴等鹵素可以起取代和加成反應；在堿性介質中水解，可得酚類、堿性含氮化合物；與濃硫酸作用可得磺化煤。煤的轉化如干餾、氣化、液化，均包含有許多反應，如解聚、縮合、氧化、氫化、氫解、氧解等反應。通過這些過程，可以獲得所需要的固態、液態和氣態產物或熱能。