煤的结构模型
    煤的结构模型
  煤主要由碳、、氧、氮、硫和磷等元素组成,而碳、氢、氧三者总和约占有机质的95%以上,是非常重要的能源,也是冶金、化学工业的重要原料。有褐煤、烟煤、无烟煤、半无烟煤这几种分类。
  

煤的生成

  在地表常温、常压下,由堆积在停滞水体中的植物遗体经泥炭化作用或腐泥化作用,转变成泥炭或腐泥;泥炭或腐泥被埋藏后 , 由于盆地基底下降而沉至地下深部,经成岩作用而转变成褐煤;当温度和压力逐渐增高,再经变质作用转变成烟煤至无烟煤。泥炭化作用是指高等植物遗体在沼泽中堆积经生物化学变化转变成泥炭的过程。腐泥化作用是指低等生物遗体在沼泽中经生物化学变化转变成腐泥的过程。腐泥是一种富含水和沥青质的淤泥状物质。冰川过程可能有助于成煤植物遗体汇集和保存。
  煤的形成年代
  在整个地质年代中,全球范围内有三个大的成煤期:
  (1)古生代的石炭纪和二叠纪,成煤植物主要是孢子植物。主要煤种为烟煤和无烟煤。
  (2)中生代的侏罗纪和白垩纪,成煤植物主要是裸子植物。主要煤种为褐煤和烟煤。
  (3)新生代的第三纪,成煤植物主要是被子植物。主要煤种为褐煤,其次为泥炭,也有部分年轻烟煤。
  

用途

  煤是重要能源,也是冶金、化学工业的重要原料。主要用于燃烧、炼焦、气化、低温干馏、加氢液化等。①燃烧。煤炭是人类的重要能源资源,任何煤都可作为工业和民用燃料。②炼焦。把煤置于干馏炉中,隔绝空气加热,煤中有机质随温度升高逐渐被分解,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,而非挥发性固体剩留物即为焦炭。焦炉煤气是一种燃料,也是重要的化工原料。煤焦油可用于生产化肥、农药、合成纤维、合成橡胶、油漆、染料、医药、炸药等。焦炭主要用于高炉炼铁和铸造,也可用来制造氮肥、电石。电石是塑料、合成纤维、合成橡胶等合成化工产品。③气化。气化是指转变为可作为工业或民用燃料以及化工合成原料的煤气。④低温干馏。把煤或油页岩置于 550℃左右的温度下低温干馏可制取低温焦油和低温焦炉煤气,低温焦油可用于制取高级液体燃料和作为化工原料。⑤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,与氢作用转化为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。加氢液化的原料煤以褐煤、长焰煤、气煤为主。
  综合、合理、有效开发利用煤炭资源,并着重把煤转变为洁净燃料,是人们努力的方向。
  

产地

  在各大陆、大洋岛屿都有煤分布,但煤在全球的分布很不均衡,各个国家煤的储量也很不相同。中国、美国、俄罗斯、德国是煤炭储量丰富的国家,也是世界上主要产煤国,其中中国是世界上煤产量最高的国家。中国的煤炭资源在世界居于前列,仅次于美国和俄罗斯。
  

煤的开采

煤矿爆破
        煤矿爆破
  煤的开采是一项最艰苦的工作,当前正在花较大的力量来改善工作条件.由于煤炭资源的埋藏深度不同,开采方式一般相应地也有矿井开采(埋藏较深)和露天开采(埋藏较浅)之分.其中,可露天开采的资源量在总资源中的比重大小,是衡量开采条件优劣的重要指标,中国可露天开采的储量仅占7.5%,美国为32%,澳大利亚为35%;矿井开采条件的好坏与煤矿中含瓦斯的多少成反比,中国煤矿中含瓦斯比例高,高瓦斯和有瓦斯突出的矿井占40%以上.中国采煤以矿井开采为主,如山西\山东\徐州及东北地区大数采用这一开采方式,也有露天开采,如朔州平朔煤矿——全国最大的露天煤矿.
  三分之二以上的地下煤炭生产由使用连续采矿机械的房柱法开采。有钨合金钻头的连续开采机一面前一面从表面上破煤,然后再运输到等候接送的汽车上运送到输送带被转移到地面。采煤机前进一段距离,停止移动而后支撑被放入。这个过程反复,直到煤层开采完。不使用爆破手段。
  另一种地下采煤方法,是长壁开采法,占了百分之二十左右的生产。这种方法使用横跨400至600英尺的煤层(长壁)的切割机。这台机器上有一个旋转缸钨钻头切下煤,而后煤炭送入输送系统,再由其带出来的矿井。屋顶由大型钢铁支持,附于机器。由于机器向前推动,屋顶支撑也前进。近80 %的煤炭开采可使用这种方法。
  其余百分之十一的地下生产,是由传统的采矿用的炸药法,爆破后煤炭被移除。
  煤可以创造沥青、煤气、煤焦油和焦炭
  煤当原料使用煤在1200℃的密闭炉(称为炼焦炉)中干馏,可得固定碳很高含量之煤焦,俗称焦炭

煤的分类

  煤有褐煤、烟煤、无烟煤、半无烟煤等几种。云南常用的是褐煤、烟煤、无烟煤三种。煤的种类不同,其成分组成与质量不同,发热量也不相同。单位重量燃料燃烧时放出的热量称为发热量,人为规定以每公斤发热量7000千卡的煤作为标准煤,并以此标准折算耗煤量。
  (1)褐煤:多为块状,呈黑褐色,光泽暗,质地疏松;含挥发分40%左右,燃点低,容易着火,燃烧时上火快,火焰大,冒黑烟;含碳量与发热量较低(因产地煤级不同,发热量差异很大),燃烧时间短,需经常加煤。
煤块
煤块
  (2)烟煤:一般为粒状、小块状,也有粉状的,多呈黑色而有光泽,质地细致,含挥发分30%以上,燃点不太高,较易点燃;含碳量与发热量较高,燃烧时上火快,火焰长,有大量黑烟,燃烧时间较长;大多数烟煤有粘性,燃烧时易结渣。
  (3)无烟煤:有粉状和小块状两种,呈黑色有金属光泽而发亮。杂质少,质地紧密,固定碳含量高,可达80%以上;挥发分含量低,在10%以下,燃点高,不易着火;但发热量高,刚燃烧时上火慢,火上来后比较大,火力强,火焰短,冒烟少,燃烧时间长,粘结性弱,燃烧时不易结渣。应掺入适量煤土烧用,以减轻火力强度。
  (4)泥煤:碳化程度最浅,含碳量少,水分多,Mar可高达90%,所以需要露天风干后使用;泥煤的灰分很容易熔化,发热量低,挥发分含量很多,因此极易着火燃烧。
  泥煤可燃性好,很容易着火燃烧,反应性强,含硫量低,灰分熔点低,但机械强度较低。因此,泥煤在工业上使用价值不高,更不宜长途运输,一般只作为地方性燃料使用。产区分布于西南各省和浙江(西湖泥煤)等地
  1989年10月 ,国家标准局发布《 中国煤炭分类国家标准 》(GB5751-86),依据干燥无灰基挥发分Vdaf、粘结指数G、胶质层最大厚度Y、奥亚膨胀度 b、煤样透光性 P、煤的恒湿无灰基高位发热量Qgr,maf等6项分类指标,将煤分为14类。即褐煤、长焰煤、不粘煤、弱粘煤、1/2中粘煤、气煤、气肥煤、1/3焦煤、肥煤、焦煤、瘦煤、贫瘦煤、贫煤和无烟煤。
  根据其岩石结构不同分类,可以分为烛煤、丝炭、暗煤、亮煤和镜煤。含有95%以上镜质体的为镜煤,煤表面光亮,结构坚实,含有镜质体和亮质体的为亮煤,含粗粒体的为暗煤,含丝质体的为丝炭,由许多小孢子形成的微粒体组成的为烛煤。
  根据煤中含有的挥发性成分多少来分类,可以分为贫煤(无烟煤,含挥发分低于12%)、瘦煤(含挥发分为12-18%)、焦煤(含挥发分为18-26%)、肥煤(含挥发分为26-35%)、气煤(含挥发分为35-44%)和长焰煤(含挥发分超过42%)。其中焦煤和肥煤最适合用于炼焦碳,挥发分过低不粘结,过高会膨胀都无法用于炼焦,但一般炼焦要将多种煤配合。

化学组成

  煤中有机质是复杂的高分子有机化合物,主要由碳、氢、氧、氮、硫和磷等元素组成,而碳、氢、氧三者总和约占有机质的95%以上;煤中的无机质也含有少量的碳、氢、氧、硫等元素。碳是煤中最重要的组分,其含量随煤化程度的加深而增高。泥炭中碳含量为50%~60%,褐煤为60%~70%,烟煤为74%~92%,无烟煤为 90%~98%。煤中硫是最有害的化学成分。煤燃烧时,其中硫生成SO2,腐蚀金属设备,污染环境。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%。煤中硫又可分为有机硫和无机硫两大类。

工业分析

  通过工业分析可大致了解煤的性质,又称技术分析,是指煤的水分、挥发分、灰分的测定以及固定碳的计算。
  水分可分为外在水分、内在水分以及与煤中矿物质结合的结晶水、化合水。
  外在水分为煤炭在开采、运输、储存及洗选过程中,附着在煤颗粒表面和大毛细孔中的水分。
蜂窝煤
蜂窝煤
  内在水分为吸附或凝聚在煤颗粒内部的毛细孔中的水分,温度超过100℃时可将煤中内在水分完全蒸发出来 。
  灰分是指煤完全燃烧后残留的残渣量。灰分来自煤的矿物质。挥发分是指煤中有机质可挥发的热分解产物。
  挥发分随煤化程度增高而降低,可用于初步估测煤种。
  固定碳是指煤中有机质经隔绝空气加热分解的残余物,固定碳随变质程度的加深而增高,可作为鉴定煤变质程度的指标。
 

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。粘结性是指煤在高温干馏中产生胶质体,使煤粒相互粘结成块的性能。粘结性是评价炼焦用煤的主要指标。结焦性是指在炼焦炉中能炼出适合高炉用的有足够强度的冶金焦炭的性质。发热量是指单位质量的煤在完全燃烧时所产生的热量。煤的发热量是煤质的重要指标,是计算热平衡、耗煤量、热效率等的依据。

煤中伴生元素

  指以有机或无机形态富集于煤层及其围岩中的元素。有些元素在煤中富集程度很高,可以形成工业性矿床,如富锗煤、富铀煤、富钒石煤等,其价值远高于煤本身。
  根据煤中伴生元素的性质和用途,可分为有益元素、有害元素和指相元素3类。有益元素主要 有锗、镓、铀、钒等,可被利用。有害元素 主要有硫 、磷、氟、氯、砷、铍、铅、硼、镉、汞、硒、铬等。硫是煤中常见的有害成分,其他有害元素在煤中含量一般不高,但危害极大,如砷是一种有毒元素。煤在燃烧中,硫是造成城镇环境污染的主要物质源。当然,对有害元素如果收集、处理得当也可变成对人有用的财富。煤中伴生元素,有各自的地球化学性质,形成于不同的沉积环境中。因此,可根据元素的相对含量、元素的共生组合关系及元素的比值,来判断相和沉积环境。
 

煤的各种发热量名称的含义

  a.煤的弹筒发热量(Qb)
  煤的弹筒发热量,是单位质量的煤样在热量计的弹筒内,在过量高压氧(25~35个大气压左右)中燃烧后产生的热量(燃烧产物的最终温度规定为25C)。
  由于煤样是在高压氧气的弹筒里燃烧的,因此发生了煤在空气中燃烧时不能进行的热化学反应。如:煤中氮以及充氧气前弹筒内空气中的氮,在空气中燃烧时,一般呈气态氮逸出,而在弹筒中燃烧时却生成N2O5或NO2等氮氧化合物。这些氮氧化合物溶于弹筒税种生成硝酸,这一化学反应是放热反应。另外,煤中可燃硫在空气中燃烧时生成SO2气体逸出,而在弹筒中燃烧时却氧化成SO3,SO3溶于弹筒水中生成硫酸。SO2、SO3,以及H2SO4溶于水生成硫酸水化物都是放热反应。所以,煤的弹筒发热量要高于煤在空气中、工业锅炉中燃烧是实际产生的热量。为此,实际中要把弹筒发热量折算成符合煤在空气中燃烧的发热量。
煤渣
煤渣
  b.煤的高位发热量(Qgr)
  煤的高位发热量,即煤在空气中大气压条件下燃烧后所产生的热量。实际上是由实验室中测得的煤的弹筒发热量减去硫酸和硝酸生成热后得到的热量。
  应该指出的是,煤的弹筒发热量是在恒容(弹筒内煤样燃烧室容积不变)条件下测得的,所以又叫恒容弹筒发热量。由恒容弹筒发热量折算出来的高位发热量又称为恒容高位发热量。而煤在空气中大气压下燃烧的条件湿恒压的(大气压不变),其高位发热量湿恒压高位发热量。恒容高位发热量和恒压高位发热量两者之间是有差别的。一般恒容高位发热量比恒压高位发热量低8.4~20.9J/g,实际中当要求精度不高时,一般不予校正。

世界煤炭储藏量

  煤炭是地球上蕴藏量最丰富,分布地域最广的化石燃料。据世界能源委员会的评估,世界煤炭可采资源量达4.84×104亿t标准煤,占世界化石燃料可采资源量的66.8%。据《1997世界能源统计评论》统计,至1996年底,世界煤炭探明的可采储量为1.03161×104亿t,储采比为224年,其中七位储量最大的国家依次为美国、中国、澳大利亚、印度、德国、南非和波兰。

气化技术

  现代先进的煤气化技术主要包括:德国FUTURE ENERGY公司的GSP干煤粉加压气化技术、荷兰Shell公司的 SCGP干煤粉加压气化工艺、美国Texaco公司的水煤浆加压气化工艺。
  SCGP气化工艺是粉煤加压气化技术。其主要特点如下:A)原料适应性宽。褐煤、烟煤、无烟煤和石油焦等均可。B)气化温度约1400℃~1600℃,碳转化率达99%以上,产品气体洁净,不含重烃煤气中有效气体(CO+H2)达到90%以上。C)采用干法进料,氧耗低,空分装置规模较小,投资降低。D)单炉生产能力大,日投煤量2000t~2500t。E)气化炉采用竖管水冷壁结构,无耐火砖衬里,设备维护量较少,不设备用炉。
  GSP干煤粉加压气化技术已先后气化了80余种原料,不仅可以气化高硫、高灰等劣质煤,而且可以气化工业废料、生物质等,煤气中CH4含量极低,很适合生产合成气,气化过程简单,气化炉装置生产能力大,装置的开工率在90%以上。该技术主要特点如下:A)原料适应性宽,固体原料和液体原料。固体原料中的褐煤、烟煤、无烟煤和石油焦等均可。对煤的活性没有要求。B)气化温度约1400℃~1600℃,碳转化率达99%以上,产品气体洁净,不含重烃煤气中有效气体(CO+H2)达到90%以上。C)采用干法进料,氧耗低,空分装置规模较小,投资降低。D)单炉生产能力大,日投煤量2000t~2500t。E)气化炉采用盘管水冷壁结构,无耐火砖衬里,设备维护量较少。F)启动时间短,从冷态气化炉到热态满负荷运转只需0.5~1h。
  德士古水煤浆加压气化工艺除含水高的褐煤以外,各种烟煤和石油焦均能使用。其特点具备了上述两种工艺的许多特点,虽然是水煤浆进料,大量水份要进行气化,因而以单位体积的(CO+H2)计的煤耗和氧耗均比GSP及Shell干粉气化技术高。但是德士古气化技术在我国使用最多,鲁南化肥厂、渭河化肥厂等十几套,并且经过我国有关科研、设计、生产、制造部门的多年研究,已基本掌握该技术,并能设计大型工业化装置,国产化率达90%以上,气化炉在国内制造,可以控制并节省大量投资、同时可有效缩短建设周期。总之,该技术国内支撑率高,生产运行管理经验多,风险少。

洁净煤技术

  洁净煤技术(clean coal technology)是指从煤炭开发到利用的全过程中旨在减少污染排放与提高利用效率的加工、燃烧、转化及污染控制等新技术。洁净煤技术(CCT)一词源于美国,旨在减少污染和提高效益的煤炭加工、燃烧、转换和污染控制等新技术的总称。传统意义上的洁净煤技术主要是指煤炭的净化技术及一些加工转换技术,即煤炭的洗选、配煤、型煤以及粉煤灰的综合利用技术,国外煤炭的洗选及配煤技术相当成熟,已被广泛采用;目前意义上洁净煤技术是指高技术含量的洁净煤技术,发展的主要方向是煤炭的气化、液化、煤炭高效燃烧与发电技术等等。它是旨在减少污染和提高效率的煤炭加工、燃烧、转换和污染控制新技术的总称,是当前世界各国解决环境问题的主导技术之一,也是高新技术国际竞争的一个重要领域。根据我国国情,洁净技术包括:选煤,型煤,水煤浆,超临界火力发电,先进的燃烧器,流化床燃烧,煤气化联合循环发电,烟道气净化,煤炭气化,煤炭液化,燃料电池。
  洁净煤技术包括两个方面,一是直接烧煤洁净技术,二是煤转化为洁净燃料技术。
  (1)直接烧煤洁净技术。这是在直接烧煤的情况下,需要采用的技术措施:①燃烧前的净化加工技术,主要是洗选、型煤加工和水煤浆技术。原煤洗选采用筛分、物理选煤、化学选煤和细菌脱硫方法,可以除去或减少灰分、矸古、硫等杂质;型煤加工是把散煤加工成型煤,由于成型时加入石灰固硫剂,可减少二氧化硫排放,减少烟尘,还可节煤;水煤浆是先用优质低灰原煤制成,可以代替石油。②燃烧中的净化燃烧技术,主要是流化床燃烧技术和先进燃烧器技术。流化床又叫沸腾床,有泡床和循环床两种,由于燃烧温度低可减少氮氧化物排放量,煤中添加石灰可减少二氧化硫排放量,炉渣可以综合利用,能烧劣质煤,这些都是它的优点;先进燃烧器技术是指改进锅炉、窑炉结构与燃烧技术,减少二氧化硫和氮氧化物的排放技术。③燃烧后的净化处理技术,主要是消烟除尘和脱硫脱氮技术。消烟除尘技术很多,静电除尘器效率最高,可达99%以上,电厂一般都采用。脱硫有干法和湿法两种,干法是用浆状石灰喷雾与烟气中二氧化硫反应,生成干燥颗粒硫酸钙,用集尘器收集;湿法是用石灰水淋洗烟尘,生成浆状亚硫酸排放。它们脱硫效率可达90%。
  (2)煤转化为洁净燃料技术。主要有以下四种:①煤的气化技术,有常压气化和加压气化两种,它是在常压或加压条件下,保持一定温度,通过气化剂(空气、氧气和蒸汽)与煤炭反应生成煤气,煤气中主要成分是一氧化碳、氢气、甲烷等可燃气体。用空气和蒸汽做气化剂,煤气热值低;用氧气做气化剂,煤气热值高。煤在气化中可脱硫除氮,排去灰渣,因此,煤气就是洁净燃料了。②煤的液化技术,有间接液化和直接液化两种。间接液化是先将煤气化,然后再把煤气液化,如煤制甲醇,可替代汽油,我国已有应用。直接液化是把煤直接转化成液体燃料,比如直接加氢将煤转化成液体燃料,或煤炭与渣油混合成油煤浆反应生成液体燃料,我国已开展研究。③煤气化联合循环发电技术,先把煤制成煤气,再用燃气轮机发电,排出高温废气烧锅炉,再用蒸汽轮机发电,整个发电效率可达45%。我国正在开发研究中。④燃煤磁流体发电技术,当燃煤得到的高温等离子气体高速切割强磁场,就直接产生直流电,然后把直流电转换成交流电。发电效率可过50%~60%。我国正在开发研究这种技术。
  为了减少直接烧煤产生的环境污染,世界各国都十分重视洁净煤技术的开发和应用。经过20 多年的发展国外的煤炭气化、液化以及发电技术已经日趋成熟。通过实施洁净煤技术,煤矿企业在经济上增加盈利,环境由此得到改善,使经济增长和保护环境协调发展。我国是烧煤大国,70%以上的能源依靠煤炭,大力发展洁净煤技术有更重要意义。

煤化工

  煤化工是以煤为原料,经过化学加工使煤转化为气体,液体,固体燃料以及化学品的过程,生产出各种化工产品的工业。
  煤化工包括煤的一次化学加工、二次化学加工和深度化学加工。煤的焦化、气化、液化,煤的合成气化工、焦油化工和电石乙炔化工等,都属于煤化工的范围。
  煤化工利用生产技术中,炼焦是应用最早的工艺,并且至今仍然是煤化学工业的重要组成部分。煤的气化在煤化工中占有重要地位,用于生产各种燃料起,是干净的能源,有利于提高人民生活水平和环境保护;煤气化生产的合成气是合成液体燃料等多种产品的原料。
  煤直接液化,即煤高压加氢液化,可以生产人造石油和化学产品。在石油短缺时,煤的液化产品将替代目前的天然石油!以上既是在煤化工转化的主要方面。
  新一代煤化工技术是指以煤气化为龙头,以一碳化工技术为基础,合成、制取各种化工产品和燃料油的煤炭洁净利用技术,与电热等联产可以实现煤炭能源效率最高、有效组分最大程度转化、投资运行成本最低和全生命周期污染物排放最少的目标。[2]

煤矿地质勘查阶段划分

  地质勘查阶段划分又称勘探程序,是根据地质工作探索性的特点,以及煤田地质勘探与煤炭工业建设程序相适应的原则而划分的。通常分为找煤、普查、详查、精查四个阶段。
  找煤是在煤田预测或区域地质调查的基础上进行,主要任务是寻找煤炭资源,并对工作地区有无进一步工作价值作出评价。普查是在找煤的基础上或在已知有勘探价值的地区进行,主要任务是对工作地区有无开发建设的价值作出评价,为煤炭工业的远景规划和下一步的勘探工作提供资料。详查是在普查基础上,根据煤炭工业规划的需要,选择资源条件较好,开发比较有利的地区进行,主要任务是为矿区总体设计提供地质资料,其成果要保证矿区规模、井田划分不致因地质情况不准而发生重大变化,并要对影响矿区开发的水文地质条件和其他开采技术条件作出评价。精查一般在矿区开发总体设计的基础上进行,主要任务是为矿山初步设计提供地质资料,其成果要满足选择井筒、水平运输巷、总回风巷的位置和划分首采区的需要,保证井田境界和矿井设计能力不致因地质情况不准而发生重大变化,保证不致因煤质资料不准而影响煤的既定工业用途。
  煤田地质勘探一般按以上四阶段循序进行,同时提交各阶段报告。但在下述条件下程序可以简化:① 找煤区和普查区工作范围没有大的变动,并且接续施工时,可以不提交找煤报告,直接进入普查阶段;② 普查区和详查区工作范围无大变动且接续施工时,可以不提交普查报告,直接进入详查阶段;③ 在煤炭资源条件较好,煤层比较稳定,构造不太复杂的暴露煤田,可以在大比例尺地质填图的基础上直接进入普查甚至详查阶段;④ 不需要作矿区总体设计的矿区,及面积不大的孤立井田,可以由普查直接进入精查。若地质条件复杂,虽进行较详细的地质工作也不能达到精查程度时,则提交详查最终(详终)或普查最终(普终)地质报告;⑤ 老矿井深部、生产矿井之间,以及不涉及井田划分的地区,可一次勘探完毕。

我国主要煤炭基地

  1.大同基地
  2.神府基地
  3.太原基地
  4.晋东南基地
徐州煤矿
徐州煤矿
  5.陕西基地
  6.河南基地
  7.兖州基地
  8.两淮基地
  9.贵州基地
  10.黑龙江东部基地
  主要煤城有河北省的开滦、峰峰;山西省的大同、阳泉、西山;辽宁省的阜新;黑龙江省的鸡西、鹤岗;江苏省的徐州;安徽省的淮北、淮南;河南省的平顶山;山东的兖州。