煤的工藝性質(zhì)

煤不僅是重要的燃料，更是冶金、化學(xué)工業(yè)的重要原料。隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，煤炭綜合利用的大力開展，就更需要研究煤的工藝性質(zhì)，判斷它是否符合各種加工工業(yè)的要求，選擇最合理的利用途徑，正確地作出工業(yè)評(píng)價(jià)。煤的工藝性質(zhì)主要包括粘結(jié)性、發(fā)熱量、化學(xué)反應(yīng)性、熱穩(wěn)定性、焦油產(chǎn)率和可選性等。一、煤的粘結(jié)性和結(jié)焦性煤的粘結(jié)性是指煤粒(直徑小于0.2mm)在隔絕空氣受熱后能否粘結(jié)其本身或惰性物質(zhì)形成焦塊的能力;煤的結(jié)焦性是指煤粒隔絕空氣受熱后能否生成優(yōu)質(zhì)焦炭(焦炭強(qiáng)度和塊度符合冶金焦的要求)的性質(zhì)。煤的粘結(jié)性是結(jié)焦的必要條件，結(jié)焦性好的煤，粘結(jié)性也好;粘結(jié)性差的煤，其結(jié)焦性一定很差。但粘結(jié)性好的煤，其結(jié)焦性不一定好，例如氣肥煤，其粘結(jié)性很強(qiáng)，但生成的焦炭裂紋多、強(qiáng)度低，故結(jié)焦性不好。煤的粘結(jié)性和結(jié)焦性是煉焦用煤的重要質(zhì)量指標(biāo)，也是評(píng)價(jià)低溫干餾、氣化或動(dòng)力用煤的重要依據(jù)之一。冶金工業(yè)需要大量優(yōu)質(zhì)焦炭作為燃料和還原劑。焦炭作為高爐燃料必須有一定的塊度和機(jī)械強(qiáng)度。煉焦就是把粉碎的煉焦用煤放在密閉的煉焦?fàn)t中加熱、干餾，使其形成焦炭的熱加工過程。煉焦用煤必須具有粘結(jié)性，即在干餾熱分解過程中能產(chǎn)生一定量的膠質(zhì)體，使煤粒相互粘結(jié)融合而成整塊焦炭。煉焦用煤也必須具備結(jié)焦性，即在煤干餾時(shí)，能產(chǎn)生一定塊度和足夠強(qiáng)度的焦炭。可見煤的粘結(jié)性是煤結(jié)焦所必須具備的性質(zhì)，它和塑性、流動(dòng)性、膨脹性等性質(zhì)一樣，僅是煤結(jié)焦性的一個(gè)方面。實(shí)驗(yàn)室測定煤結(jié)焦性和粘結(jié)性的方法很多。在我國，煤田地質(zhì)勘探中目前常用的是膠質(zhì)層指數(shù)測定法，此外還有羅加指數(shù)法、粘結(jié)指數(shù)法(G)、奧亞膨脹法、葛金干餾試驗(yàn)、自由膨脹序數(shù)測定法、基氏塑性計(jì)法等方法。(一)膠質(zhì)層指數(shù)測定法這種方法模擬煉焦的工業(yè)條件，測定時(shí)，把粒度小于1.5mm的精煤樣100g放在鋼杯中，然后從下部對(duì)煤樣進(jìn)行單側(cè)加熱。到一定溫度后，鋼杯內(nèi)形成一系列的等溫層面，溫度由上向下遞增。溫度到達(dá)軟化點(diǎn)的層面，煤軟化形成膠質(zhì)體層，膠質(zhì)層之下溫度達(dá)到膠質(zhì)體固化點(diǎn)的層面，煤固化為半焦，膠質(zhì)層之上的煤仍保持未軟化狀態(tài)(圖6-12，圖6-13)。從250℃以后，每分鐘升溫3℃，每隔10min測一次膠質(zhì)層的上、下層面的高度，直至650℃時(shí)為止。測定過程中，起初的膠質(zhì)層比較薄，以后逐漸變厚，后期又逐漸變薄，所以膠質(zhì)層會(huì)出現(xiàn)最大厚度值。用探針定期測量煤杯中膠質(zhì)層上部和下部水平面的位置，用所測數(shù)據(jù)作圖，以確定膠質(zhì)層最大厚度Y值(mm)、最終收縮率X值(mm)和體積變化曲線(圖6-14)。其中膠質(zhì)層最大厚度Y值是我國現(xiàn)行的煤的工業(yè)分類兩項(xiàng)指標(biāo)之一。圖6-12 膠質(zhì)層煤杯中的結(jié)焦過程示意圖(據(jù)楊起等，1979)圖6-13 帶平衡的砣的膠質(zhì)層測定儀示意圖(據(jù)能源地質(zhì)學(xué)，2004)圖6-14 膠質(zhì)層測定曲線示意圖(據(jù)楊起等，1979)Y值隨煤化程度加深做有規(guī)律的變化。圖615中以鏡質(zhì)組的最大反射率(Romax)煤化程度，可見Y值在Romax=0.8%～1.2%范圍內(nèi)最大，隨著煤化程度增高或降低，Y值降低。測定膠質(zhì)層的煤樣應(yīng)在1.4的比重液中精選，每次要作雙樣，該法測試的時(shí)間長，所需原煤煤樣甚多(一次需200g精煤樣)，一些薄煤層或小口徑鉆進(jìn)所取得的煤心煤樣往往難以滿足測定需要的量。膠質(zhì)層指數(shù)法對(duì)中等粘結(jié)性煤的區(qū)分能力強(qiáng)，多數(shù)煤的Y值具可加性，利于煉焦配煤的計(jì)算。這種方法對(duì)Y值＞25mm，或Y值＜10mm的煤不易測準(zhǔn)，對(duì)弱粘結(jié)性煤分辨能力差。(二)羅加指數(shù)法將粒度小于0.2mm的空氣干燥煙煤樣1g與5g標(biāo)準(zhǔn)的無煙煤樣(寧夏汝箕溝無煙煤，Ad＜4%，Vdaf＞7%，粒度為0.3～0.4mm)均勻混合，放入坩堝內(nèi)，煤樣上加上壓塊，然后加上坩堝蓋，放入(850±10)℃的馬弗爐內(nèi)，焦化15min后取出坩堝，冷卻，稱取焦渣總質(zhì)量。把焦渣放在1mm圓孔篩上篩分，篩上部分稱重后，放入轉(zhuǎn)鼓內(nèi)，進(jìn)行第一次轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)，以轉(zhuǎn)速50轉(zhuǎn)/分鐘，轉(zhuǎn)5min后，用1mm圓孔篩進(jìn)行篩分，再稱篩上部分的質(zhì)量后，放入轉(zhuǎn)鼓進(jìn)行第二次轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)，重復(fù)篩分，稱重操作，共進(jìn)行3次轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)。按下式計(jì)算羅加指數(shù):煤地質(zhì)學(xué)式中:Q為焦渣總質(zhì)量，g;a為第一次轉(zhuǎn)鼓前大于1mm的焦渣重，g;b為第一次轉(zhuǎn)鼓后大于1mm的焦渣重，g;c為第二次轉(zhuǎn)鼓后大于1mm的焦渣重，g;d為第三次轉(zhuǎn)鼓后大于1mm的焦渣重，g。羅加指數(shù)表示粒度大于1mm的焦塊占總質(zhì)量的百分比，羅加指數(shù)越大，表示粒度大于1mm的焦塊越多，煤的粘結(jié)性越好。R.I.(或以LR表示)值＞45為中等至強(qiáng)粘結(jié)煤，R.I.=20～45為中等粘結(jié)煤;R.I.=5～20為弱粘結(jié)煤;R.I.=0～5屬不粘結(jié)至微粘結(jié)煤。R.I.值與Y值的關(guān)系見圖6-16。從圖6-16可以看出，當(dāng)y=10～15毫米時(shí)，R.I.值的變動(dòng)范圍相當(dāng)大，在20～70之間，表明羅加指數(shù)法對(duì)中等粘結(jié)煤的鑒別能力比y值好。甚至當(dāng)Y值接近于0時(shí)，R.I.也能分辨。如陜西蒲白礦區(qū)某煤層一些煤樣Y為15%～18%，Y均為0，但根據(jù)R.I.值的不同可加以區(qū)分，R.I.=0，為貧煤;R.I.=15，定為瘦煤。圖6-15 Y值與煤化程度(Romax)的關(guān)系(據(jù)楊起等，1979)圖6-16 羅加指數(shù)與Y值的關(guān)系(據(jù)楊起等，1979)羅加指數(shù)法實(shí)驗(yàn)用煤樣很少，測定方法簡便，快速，易于推廣，不足之處是對(duì)粘結(jié)性強(qiáng)的煤區(qū)分能力不好，如Y值＞25mm時(shí)，R.I.值都在80～92之間，對(duì)粘結(jié)性很弱的煤測定的重現(xiàn)性較差。(三)粘結(jié)指數(shù)法測定原理與羅加指數(shù)相同，所不同的是無煙煤的粒度改為0.1～0.2mm，分析煤樣與無煙煤的配比可以改變，轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)由3次改為兩次。粘結(jié)指數(shù)G按下式計(jì)算:煤地質(zhì)學(xué)式中:m為焦渣總重，g;m1為第一次轉(zhuǎn)磨后＞1mm的焦渣重，g;m2為第二次轉(zhuǎn)磨后＞1mm的焦渣重，g。如果計(jì)算結(jié)果G＜18，則將分析煤樣和標(biāo)準(zhǔn)無煙煤的配比改為3∶3，再重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)。G值按下式計(jì)算:煤地質(zhì)學(xué)粘結(jié)指數(shù)適合區(qū)分弱和中粘結(jié)性煤，測試也比較簡便。但對(duì)于強(qiáng)粘結(jié)煤區(qū)分能力欠佳，對(duì)弱粘結(jié)性煤測定時(shí)需要改變配比，比較麻煩。(四)奧亞膨脹度試驗(yàn)奧亞膨脹度試驗(yàn)也是國際煤分類指標(biāo)之一。奧亞膨脹度b表示煤加熱軟化成膠質(zhì)體狀態(tài)時(shí)的最大膨脹率(圖6-17)。b值的大小，主要和膠質(zhì)體的數(shù)量、粘結(jié)度及揮發(fā)分析出速度有關(guān)。Y值與b值的關(guān)系見圖6-18。從圖6-18來看，當(dāng)Y值＞25mm時(shí)，b值的變化規(guī)律還是很明顯的，如我國一些地區(qū)的一號(hào)肥煤，Y值為28mm，但所測得的b值分別在160～270之間，可見奧亞膨脹度對(duì)強(qiáng)粘結(jié)煤具有較好的鑒別能力。圖6-17 幾種煤的奧亞膨脹度曲線(據(jù)楊起等，1979)這幾項(xiàng)指標(biāo)各有其特點(diǎn)，但都存在著對(duì)某一粘結(jié)性范圍的煤區(qū)分不清的缺點(diǎn)。此外，自由膨脹序數(shù)、葛金干餾試驗(yàn)法都是在嚴(yán)格規(guī)定的條件下把煤加熱，直接觀察所得焦塊的性質(zhì)，與標(biāo)準(zhǔn)焦型相比，確定煤的粘結(jié)性、結(jié)焦性。這兩個(gè)指標(biāo)在評(píng)定時(shí)易帶主觀性，造成人為的誤差，同時(shí)只能定性地定出序號(hào)，準(zhǔn)確性差。圖6-18 b值與Y值的關(guān)系(據(jù)《中國煤田地質(zhì)學(xué)》(上冊(cè))，1979)為了擬定我國新的煤的工業(yè)分類指標(biāo)，北京煤炭科學(xué)研究院煤化研究所和鞍山熱能研究院等單位在改進(jìn)粘結(jié)性指標(biāo)方面進(jìn)行了研究。新指標(biāo)應(yīng)該用嚴(yán)格的定量數(shù)據(jù)把不同粘結(jié)性的煤劃分清楚。根據(jù)我國多年來引用羅加指數(shù)試驗(yàn)方法積累的大量資料，表明羅加指數(shù)對(duì)煤的粘結(jié)性較Y值和b值表現(xiàn)能力更好，如果針對(duì)羅加指數(shù)法的不足之處，加以重要的改進(jìn)，可以得到較好的新指標(biāo)。改進(jìn)的途徑是分別增加和減少測定強(qiáng)粘結(jié)煤和弱粘結(jié)煤時(shí)所用的標(biāo)準(zhǔn)無煙煤的表面積。北京煤化研究所改進(jìn)的主要要點(diǎn)是:把標(biāo)準(zhǔn)無煙煤的粒度由0.3～0.4mm改為0.1～0.2mm，接近煙煤的粒度，這樣容易混合均勻，同時(shí)由于無煙煤的粒度變小，表面積大大增加，使具粘結(jié)性的煤的區(qū)別能力能反映更明顯。對(duì)于弱粘結(jié)煤(測值＜20)，改用了3∶3配比，使無煙煤表面積相對(duì)地減少，測得的數(shù)據(jù)除以經(jīng)驗(yàn)系數(shù)折算為1∶5配比的值。改進(jìn)后的方法稱為煙煤粘結(jié)指數(shù)測定法。鞍山熱能研究院改進(jìn)的主要要點(diǎn)是:按試驗(yàn)煤樣粘結(jié)性的強(qiáng)弱不同，試驗(yàn)時(shí)分別采用3種不同的試驗(yàn)煤和無煙煤的比例，1∶5，2.5∶3.5，6∶0。對(duì)于粘結(jié)性極弱的煤，試驗(yàn)時(shí)，除不加無煙煤外，還規(guī)定專門的轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)法。為了使測試條件接近煉焦生產(chǎn)，把加熱速度改為3℃/min。改進(jìn)后的方法稱為煤的粘結(jié)度試驗(yàn)法。這兩種改進(jìn)方法，根據(jù)半焦塊耐磨強(qiáng)度的高低和添加無煙煤的多少，分別用一定的公式和常數(shù)計(jì)算出指數(shù)，表示試驗(yàn)煤樣的粘結(jié)性強(qiáng)弱。試驗(yàn)表明，改進(jìn)的方法提高了再現(xiàn)性和區(qū)分能力。20世紀(jì)60年代以來，隨著鋼鐵工業(yè)的急劇發(fā)展，世界上很多國家都運(yùn)用煤巖分析方法有效地預(yù)測和檢驗(yàn)煉焦用煤的結(jié)焦性能。根據(jù)煉焦時(shí)各顯微組分所起的作用不同，可分出:①活性組分(也稱可熔性組分)，包括鏡質(zhì)組、穩(wěn)定組，它們?cè)跓峤鈺r(shí)都能形成膠質(zhì)體，穩(wěn)定組分形成的膠質(zhì)體易揮發(fā)，粘結(jié)性比鏡質(zhì)組稍差;②惰性組分(也稱不熔性組分)，包括絲質(zhì)組、半絲質(zhì)組和礦物質(zhì)，它們?cè)跓峤鈺r(shí)不能形成膠質(zhì)體。半鏡質(zhì)組的粘結(jié)性介于兩者之間，計(jì)算時(shí)，其含量之三分之一劃入活性組分。煤中活性組分對(duì)惰性組分的比例越高，所得焦炭質(zhì)量越好。不同變質(zhì)階段煤中活性組分粘結(jié)惰性組分的能力不同，以肥煤階段(Ro=0.9%)最強(qiáng)。近年來，由于煤巖分析自動(dòng)化的進(jìn)展，西德、美國、日本等國鋼鐵企業(yè)已經(jīng)普遍地對(duì)商品煤樣進(jìn)行煤巖分析。二、煤的發(fā)熱量煤燃燒時(shí)放出大量熱量。煤的發(fā)熱量就是每單位質(zhì)量的煤在完全燃燒時(shí)所產(chǎn)生的熱量，常用cal/g或kcal/kg表示。發(fā)熱量是供熱用煤的一個(gè)質(zhì)量指標(biāo)，它是燃燒的工藝過程的熱平衡、耗煤量、熱效率等計(jì)算的依據(jù)。(一)定義及單位發(fā)熱量是動(dòng)力用煤的主要質(zhì)量指標(biāo)，煤的燃燒和氣化要用發(fā)熱量計(jì)算熱平衡、熱效率和耗煤量，它是燃燒和氣化設(shè)備的設(shè)計(jì)依據(jù)之一。發(fā)熱量是低煤級(jí)煤的分類指標(biāo)之一，也可根據(jù)發(fā)熱量判斷煤級(jí)和煤的其他性質(zhì)。煤的發(fā)熱量是指單位質(zhì)量的煤完全燃燒所產(chǎn)生的全部熱量，以符號(hào)Q表示。熱量的國際單位為焦耳(J)，1J=1N·m(牛頓·米)。過去我國用的熱量單位是卡(cal)，熱量的英制單位為Btu/lb(英國熱制單位/磅)。這幾個(gè)熱量單位的關(guān)系為:1cal≌1.8Btu≌4.1868J，1J=0.239cal，1000kcal=41868MJ(二)發(fā)熱量的測定原理將粒度小于0.2mm的空氣干燥煤樣1g放在氧彈中燃燒，如圖6-19所示。氧彈中充有2.5×106Pa壓力的氧氣，通電使氧彈內(nèi)的金屬絲點(diǎn)燃煤樣，煤樣在高壓氧氣中完全燃燒，燃燒產(chǎn)生的熱量被內(nèi)套筒中的水吸收，根據(jù)水上升的溫度，計(jì)算出煤樣產(chǎn)生的熱量，該熱量稱為彈筒發(fā)熱量，用符號(hào)Qb，ad表示。為防止測試時(shí)熱量的散失和交換，測試時(shí)使外筒水溫自動(dòng)跟蹤內(nèi)筒水溫而變化，使內(nèi)外筒沒有熱交換，這種方法稱為絕熱式量熱計(jì)測試法。圖6-19 使用鉛墊密封的舊式氧彈(據(jù)能源地質(zhì)學(xué)，2004)(三)煤的彈筒發(fā)熱量、高位發(fā)熱量和低位發(fā)熱量1.彈筒發(fā)熱量彈筒發(fā)熱量是指單位質(zhì)量的煤在充有過量氧氣的氧彈內(nèi)燃燒，其終態(tài)產(chǎn)物為25℃下的二氧化碳、過量氧氣、氮?dú)?、硝酸、硫酸、液態(tài)水以及固態(tài)灰時(shí)放出的熱量，彈筒發(fā)熱量也即實(shí)驗(yàn)室內(nèi)用氧彈熱量計(jì)直接測得的發(fā)熱量;單位質(zhì)量的煤在充有過量氧氣的氧彈內(nèi)燃燒，其終態(tài)產(chǎn)物為25℃下的二氧化碳、過量氧氣、氮?dú)狻⒍趸?、液態(tài)水以及固態(tài)灰時(shí)放出的熱量稱為恒容高位發(fā)熱量，恒容高位發(fā)熱量也即由彈筒發(fā)熱量減去硝酸形成熱以及硫酸與二氧化硫形成熱之差后得到的發(fā)熱量;單位質(zhì)量的煤在充有過量氧氣的氧彈內(nèi)燃燒，其終態(tài)產(chǎn)物為25℃下的二氧化碳、過量氧氣、氮?dú)?、二氧化硫、氣態(tài)水以及固態(tài)灰時(shí)放出的熱量稱為恒容低位發(fā)熱量，低位發(fā)熱量也即由高位發(fā)熱量減去水(煤中原有的水和煤中氫生成的水)的氣化潛熱后得到的發(fā)熱量。由于煤樣是在高壓氧氣條件下燃燒，因此產(chǎn)生了空氣中燃燒時(shí)不能產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)。煤中的氮及氧彈空氣中的氮，在彈筒高溫高壓作用下，生成NO2或N2O5，與水反應(yīng)生成稀HNO3，該反應(yīng)為放熱反應(yīng)。煤在空氣中燃燒時(shí)，煤中的氮變成游離氮逸出，不產(chǎn)生這個(gè)反應(yīng);煤中的硫在空氣中燃燒時(shí)，生成SO2逸去，但在彈筒高壓氧氣作用下，SO2與水作用生成稀H2SO4，也是放熱反應(yīng)。稀硝酸和稀硫酸溶于水也是放熱反應(yīng)。煤在空氣中燃燒時(shí)，煤中的水(包括煤中氫在燃燒時(shí)生成的水)，變?yōu)樗魵庖萑?，這是吸熱反應(yīng)。但在彈筒的高壓下，水不能變?yōu)樗魵?，所以不吸熱?？梢钥闯?，煤在彈筒中燃燒產(chǎn)生的熱量要高于在空氣中或在工業(yè)鍋爐中燃燒時(shí)實(shí)際產(chǎn)生的熱量。因此，實(shí)際應(yīng)用中要對(duì)煤的彈筒發(fā)熱量進(jìn)行換算。2.煤的高位發(fā)熱量(符號(hào)Qgr，ad)用煤的彈筒發(fā)熱量減去稀硝酸和稀硫酸的生成熱后，便是煤的高位發(fā)熱量。計(jì)算公式:Qgr，ad=Qb，ad－(95Sb，ad+α·Qb，ad)式中:Sb，ad為彈筒洗液中硫占空氣干燥煤樣的百分比，%(當(dāng)煤中Sb，ad≤2%時(shí)，可用St，ad代替Sb，ad進(jìn)行計(jì)算);α為硝酸生成熱的校正系數(shù)，當(dāng)Qb，ad≤16.7kJ/g時(shí)，α=0.0010;當(dāng)16.7kJ/g＜Qb，ad≤25.1kJ/g時(shí)，α=0.0012;當(dāng)Qb，ad＞25.1kJ/g時(shí)，α=0.0016。3.煤的低位發(fā)熱量(符號(hào)Qnet，ad)用煤的高位發(fā)熱量減去水的汽化熱，便是煤的低位發(fā)熱量。計(jì)算公式:Qnet，ad=(Qgr，ad－206Had)－23Mad式中:Had為空氣干燥煤樣氫含量，%;Mad為空氣干燥煤樣水分，%。一般講，煤的收到基低位發(fā)熱量(Qnet，ar)最接近于煤實(shí)際燃燒時(shí)產(chǎn)生的發(fā)熱量。計(jì)算公式:煤地質(zhì)學(xué)式中:Mt為煤樣的全水分。4.煤的發(fā)熱量計(jì)算煤的發(fā)熱量有彈筒發(fā)熱量、高位發(fā)熱量和低位發(fā)熱量3種，而且有4種基準(zhǔn)，即收到基、空氣干燥基、干燥基和干燥無灰基，所以共有12種方式可報(bào)出測試結(jié)果。但一般常用的發(fā)熱量指標(biāo)有5種:1)空氣干燥基彈筒發(fā)熱量Qb，ad，這是測試的直接結(jié)果，需要換算。2)空氣干燥基高位發(fā)熱量Qgr，ad，用于報(bào)出測試結(jié)果。3)干燥基高位發(fā)熱量Qgr，d，用于評(píng)定煤的質(zhì)量，研究煤質(zhì)。4)干燥無灰基高位發(fā)熱量Qgr，daf，用于評(píng)定煤中有機(jī)質(zhì)的性質(zhì)，可反映煤級(jí)。5)收到基低位發(fā)熱量Qnet，ar，反映煤的實(shí)際質(zhì)量，是煤炭計(jì)價(jià)的依據(jù)，也用于燃煤工業(yè)鍋爐的設(shè)計(jì)。在煤炭計(jì)價(jià)時(shí)，一定要注意所用的發(fā)熱量指標(biāo)的基準(zhǔn)，不然將造成經(jīng)濟(jì)上的損失。煤的發(fā)熱量除了直接測定外，還可以根據(jù)元素分析或工業(yè)分析的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，供無實(shí)測發(fā)熱量的用煤單位參考。煤炭科學(xué)研究院煤化學(xué)研究所所根據(jù)我國煤質(zhì)資料研究結(jié)果推導(dǎo)了一系列發(fā)熱量計(jì)算公式。(1)利用元素分析數(shù)據(jù)，計(jì)算高位發(fā)熱量的公式低煤化程度的煤:Qgr，daf=80Cdaf+305(310)Hdaf+22Sdaf－26Odaf－4(Adaf－10)式中:Hdaf前面的系數(shù)對(duì)褐煤為305，對(duì)長焰煤、不粘煤為310。對(duì)Ad≤10%的煤，不計(jì)算最后一項(xiàng)的灰分校正值。煉焦煤:Qgr，daf=80Cdaf+310Hdaf+22Sdaf－25Odaf－7(Adaf－10)(2)利用工業(yè)分析數(shù)據(jù)，計(jì)算低熱值煤高位發(fā)熱量的公式高灰分(Aad=45%～90%)煙煤:煤地質(zhì)學(xué)(四)影響煤發(fā)熱量的因素煤的發(fā)熱量與煤成因類型、煤巖成分、煤化程度(煤級(jí))、煤中礦物雜質(zhì)的含量、煤的風(fēng)氧化程度有關(guān)。殘植煤和腐泥煤的發(fā)熱量比腐植煤要高，如江西樂平鳴山的樹皮殘植煤Qb，daf為9060cal/g。煤巖成分:腐植煤同一煤級(jí)中，殼質(zhì)組分的發(fā)熱量最高，氣煤階段達(dá)8680cal/g，鏡質(zhì)組次之，為7925cal/g，而惰質(zhì)組僅7841cal/g。在低煤級(jí)時(shí)，惰質(zhì)組的發(fā)熱量可以比鏡質(zhì)組高，因?yàn)殓R質(zhì)組的碳含量低，而氧含量高，故總發(fā)熱量較低。而惰質(zhì)組的氧含量不太高，碳含量很高，彌補(bǔ)了氫含量低的不足。至中煤級(jí)煙煤時(shí)，鏡質(zhì)組的氧含量減少，而碳含量增加很快，氫變化不大，故發(fā)熱量超過惰質(zhì)組。煤化程度:當(dāng)煤以鏡質(zhì)組為主時(shí)，隨煤級(jí)升高，煤的發(fā)熱量逐漸增高，至中煤級(jí)的焦煤、瘦煤時(shí)達(dá)到高峰，以后又稍有下降(圖6-20)。這與煤的元素組成變化有關(guān)。低煤級(jí)時(shí)，氧高而碳低，故Q低;中煤級(jí)時(shí)，氧低而碳高，如焦煤階段Cdaf為87%～90%，雖不及無煙煤高，但Hdaf高達(dá)4.8%～5.5%，故Q最高;高煤級(jí)時(shí)碳雖高，但氫降低快，氫的發(fā)熱量比碳高3.5倍，故Q又有所下降。煤的發(fā)熱量隨煤級(jí)的變化見表6-10。圖6-20 煤的揮發(fā)分產(chǎn)率與發(fā)熱量的關(guān)系(據(jù)能源地質(zhì)學(xué)，2004)表6-10 煤發(fā)熱量隨煤級(jí)升高的變化(據(jù)李增學(xué)等，2005)煤的發(fā)熱量隨煤中礦物雜質(zhì)含量的增加而降低。礦物雜質(zhì)不發(fā)熱，其含量越多，煤的發(fā)熱量越低。對(duì)煤種變化不大的同一礦區(qū)而言，由礦物雜質(zhì)形成的灰分與發(fā)熱量往往保持十分規(guī)律的反比關(guān)系(圖6-21)。煤受風(fēng)氧化后，煤中的C和H變成CO2和H2O逸去，故煤的C和H含量降低，氧含量增高，煤的發(fā)熱量下降。如果風(fēng)氧化嚴(yán)重，煤變成不可燃。圖6-21 霍林河煤田露天礦區(qū)煤的灰分與發(fā)熱量的關(guān)系(據(jù)楊起等，1979)三、煤的氣化指標(biāo)煤經(jīng)過氣化可產(chǎn)生做燃料用的動(dòng)力煤氣和供化學(xué)合成煤氣。通常把煤的反應(yīng)性、機(jī)械強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性、灰熔點(diǎn)、灰粘度和結(jié)渣性作為氣化用煤的質(zhì)量指標(biāo)。(一)煤的反應(yīng)性煤的反應(yīng)性，又稱活性，指在一定溫度條件下，煤與不同氣化介質(zhì)，如二氧化碳、氧、水蒸氣相互作用的反應(yīng)能力。反應(yīng)能力強(qiáng)的煤，在氣化和燃燒過程中，反應(yīng)速度快、效率高。尤其一些高效能的新型氣化工藝(如沸騰床、懸浮床氣化)，反應(yīng)性強(qiáng)弱更直接影響到煤在爐中反應(yīng)的情況、耗煤量、耗氧量及煤氣中有效成分等。在流化燃燒新技術(shù)中，煤的反應(yīng)性強(qiáng)弱與其反應(yīng)速度也有著密切的關(guān)系。因此，反應(yīng)性是一項(xiàng)重要的氣化和燃燒的特性指標(biāo)。測定煤的反應(yīng)性的方法很多。目前我國采用的方法是測定在高溫下煤焦還原CO2的性能，以CO2還原率表示煤的反應(yīng)性。將CO2還原率(α，%)與相應(yīng)的測定溫度繪成曲線(圖6-22)，可見煤的反映性隨溫度升高而增強(qiáng)。各種煤的反應(yīng)性隨煤化程度加深而減弱。這是由于碳與CO2反應(yīng)不僅在燃料的外表面進(jìn)行，而且也在燃料的微細(xì)毛細(xì)管壁上進(jìn)行，氣孔愈多，反應(yīng)表面積愈大。不同煤化程度煤及所得的煤焦的氣孔率是不同的。褐煤的反應(yīng)性最強(qiáng)，但到較高的溫度(900℃以上)，反應(yīng)性增高緩慢。無煙煤的反應(yīng)性最弱，但在較高溫度時(shí)，隨溫度升高而顯著增強(qiáng)。煤的灰分?jǐn)?shù)量等因素對(duì)反應(yīng)性也有明顯的影響。(二)煤的機(jī)械強(qiáng)度煤的機(jī)械強(qiáng)度包括煤的抗碎、耐磨和抗壓等物理機(jī)械性質(zhì)及其綜合性質(zhì)。氣化用煤和燃燒用煤多數(shù)情況下要求用粒度均勻的塊煤。機(jī)械強(qiáng)度低的煤投入氣化爐時(shí)，容易碎成小塊和粉末，從而破壞了塊煤粒度的均勻性，影響氣化爐的正常操作，因此，要求煤有一定的機(jī)械強(qiáng)度。另外，設(shè)計(jì)部門可以根據(jù)煤的機(jī)械強(qiáng)度，正確估計(jì)塊煤用量及確定使用前是否需要再行篩分。所以，煤田勘探時(shí)，應(yīng)提供氣化用煤或燃燒用煤的機(jī)械強(qiáng)度資料。煤的機(jī)械強(qiáng)度測試方法有幾種，應(yīng)用比較普遍的落下試驗(yàn)法是根據(jù)煤塊在運(yùn)輸、裝卸、入爐過程中落下、互相撞擊而破碎等特點(diǎn)擬定的，它與表示煤的抗壓、耐磨等機(jī)械強(qiáng)度試驗(yàn)法有所區(qū)別。測定方法為:選取60～100mm的塊煤10塊，稱重。然后一塊一塊地從2m高的地方落到厚度＞15mm的金屬板上。這樣自由跌落3次，用25mm的方孔篩篩分，以＞25mm的塊煤質(zhì)量占試樣總質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)來表示煤的機(jī)械強(qiáng)度，其分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表6-11。我國大多數(shù)無煙煤的機(jī)械強(qiáng)度好，一般為60%～92%，還有一些煤受構(gòu)造破壞成片狀、粒狀，煤質(zhì)松軟，機(jī)械強(qiáng)度差或很差，一般為40%～20%，甚至在20%以下。圖6-22 褐煤、煙煤、無煙煤的活性曲線示意圖(據(jù)楊起等，1979)表6-11 煤的機(jī)械強(qiáng)度分級(jí)(據(jù)楊起等，1979)(三)煤的熱穩(wěn)定性煤的熱穩(wěn)定性是指煤在高溫燃燒或氣化過程中保持原來粒度的性能。熱穩(wěn)定性好的煤，在燃燒或氣化過程中能以其原來的粒度燒掉或氣化而不碎成小塊，或破碎較少;熱穩(wěn)定性差的煤在燃燒或氣化過程中迅速裂成小塊或煤粉，輕則增加爐內(nèi)阻力和帶出物，降低氣化和燃燒效率，重則破壞整個(gè)氣化過程，甚至造成停爐事故。因此，要求煤有足夠的熱穩(wěn)定性。各種工業(yè)鍋爐和氣化爐對(duì)煤的粒度有不同要求，因此測定煤的熱穩(wěn)定性的方法也有所不同。常用的是13～25mm級(jí)塊煤測定法和小粒度6～13mm級(jí)塊煤測定法。13～25mm級(jí)塊煤測定法是把煤樣放在預(yù)熱到850℃的馬弗爐內(nèi)熱處理15min，求出各篩分級(jí)別殘焦占總殘焦的百分比，以各級(jí)累計(jì)百分?jǐn)?shù)與篩分級(jí)別作出曲線，以大于13mm級(jí)殘焦的百分?jǐn)?shù)S+13作為熱穩(wěn)定性指標(biāo)，以小于1mm級(jí)殘焦的百分?jǐn)?shù)S－1及熱穩(wěn)定性曲線作輔助指標(biāo)(圖6-23)。小粒度6～13mm級(jí)塊煤測定法是把煤樣放在預(yù)熱到850℃的馬弗爐內(nèi)加熱90min，然后稱重、篩分。將所得6～3mm，3～1mm及小于1mm的殘焦占總殘焦量的百分比，作為熱穩(wěn)定性的指標(biāo)，分別以KPG，KPJ和KP1表示。指標(biāo)數(shù)值愈大，表明熱穩(wěn)定性愈差，因此，更確切地說，這些指標(biāo)是代表不穩(wěn)定性的。按KPG的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表6-12。圖6-23 熱穩(wěn)定性曲線圖(據(jù)楊起等，1979)表6-12 煤的熱穩(wěn)定性分級(jí)(據(jù)楊起等，1979)我國大多數(shù)無煙煤的熱穩(wěn)定性較好。KPG均在35%以下，但在高變質(zhì)無煙煤中也有少數(shù)煤的熱穩(wěn)定性不好或很不好(如京西大安山煤、福建天湖山大蔗溝煤)，其原因尚待進(jìn)一步查明。這種熱穩(wěn)定性不好的無煙煤，經(jīng)預(yù)熱處理后，其熱穩(wěn)定性都有顯著改善。(四)煤的結(jié)渣性在氣化中，煤灰結(jié)渣會(huì)給正常操作帶來不利的影響，結(jié)渣嚴(yán)重時(shí)將會(huì)導(dǎo)致停產(chǎn)。由于煤灰熔點(diǎn)(T2)并不能完全反映煤在氣化爐中的結(jié)渣情況，因此還須用煤的結(jié)渣性來判斷煤在氣化過程中的結(jié)渣難易程度。煤的結(jié)渣性測定要點(diǎn)，是用空氣為氣化介質(zhì)，來氣化預(yù)熱到800～850℃的赤熱煤樣，氣化過程的后期溫度降到100℃時(shí)即停止氣化。以＞6mm的灰渣占灰渣總重的百分?jǐn)?shù)及其相應(yīng)的最高溫度作為煤樣的結(jié)渣性指標(biāo)。四、煤的低溫干餾焦油產(chǎn)率為評(píng)價(jià)各種煤和油頁巖的煉油適應(yīng)性以及在低溫干餾工業(yè)生產(chǎn)中鑒定原料煤或油頁巖的性質(zhì)并預(yù)測各種產(chǎn)品的產(chǎn)率，都要求進(jìn)行低溫干餾試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)室測定煤的低溫干餾焦油產(chǎn)率一般采用“鋁甑法”。收集干餾出來的焦油，計(jì)算出焦油產(chǎn)率，代號(hào)為T。評(píng)定煤的低溫干餾焦油產(chǎn)率時(shí)用分析基指標(biāo)Tad。低溫干餾用煤的Tad一般不應(yīng)小于7%。一般Tad＞12%者稱高油煤;Tad=7%～12%者為富油煤;Tad≤7%者為含油煤。煤的低溫干餾焦油產(chǎn)率與煤的成因類型有關(guān)。腐泥煤、殘植煤的低溫干餾焦油產(chǎn)率相當(dāng)高，如山東兗州煤田腐泥煤的Tad為13.50%～45.53%，浙江長廣煤田某礦樹皮殘植煤的Tad為10.70%～21.00%，大多數(shù)為高油煤。腐植煤的焦油產(chǎn)率與煤化程度和煤巖組成有關(guān)，褐煤和長焰煤的Tad較高，如山東黃縣煤田褐煤的Tad為14%左右。當(dāng)穩(wěn)定組分含量較高時(shí)，焦油產(chǎn)率也比較高，如淮南煤田氣煤中，當(dāng)穩(wěn)定組分為15%～26%時(shí)，Tad為12%～15%;而當(dāng)穩(wěn)定組分＜10%時(shí)，Tad多半小于10%。五、殼質(zhì)組的熒光性在低煤化階段，殼質(zhì)組的熒光性是較好的煤化程度指標(biāo)。煤的熒光性與反射率之間具有互相消長的關(guān)系，即反射率越低，熒光性愈強(qiáng)，二者并非線性關(guān)系。Otteniann(1975)曾詳細(xì)地研究了孢子體熒光光譜與煤化階段的關(guān)系(圖6-24)。光譜峰隨煤化程度的增高有規(guī)律地移向更長波段。泥炭階段λmax在500nm以下，挪動(dòng)范圍較寬;褐煤階段λmax大致在560～580nm之間，峰形陡峭;隨煤化程度的進(jìn)一步提高，光譜曲線在630nm上逐漸形成一個(gè)小突峰，它在亞煙煤階段(相當(dāng)老褐煤階段)迅速增大，在相當(dāng)長焰煤階段640nm波長段出現(xiàn)了第二個(gè)峰，直到氣煤階段640nm峰取代了580nm峰，煤化程度繼續(xù)增高，640nm峰繼續(xù)遷移向紅光譜段，到肥煤階段λmax移到670nm以上。圖6-24 孢子體熒光光譜隨煤化程度增高的變化(據(jù)邵震杰等，1993)
備注：數(shù)據(jù)僅供參考，不作為投資依據(jù)。