煤的元素分析與煤質(zhì)關(guān)系的研究

摘 要：隨著煤炭資源的需求越來越廣泛，對(duì)煤炭的研究更為重要。事實(shí)上，煤炭中所含元素較多，但是主要是由有機(jī)質(zhì)所組成，主要含有氮、硫、氧、氫以及碳五大類，而且煤炭?jī)?yōu)劣都是和煤質(zhì)有一定關(guān)系，所以研究元素分析與煤質(zhì)關(guān)系具有重要意義。該文就以無煙煤作為研究對(duì)象，探討其元素分析，并分析與煤質(zhì)之間的關(guān)系。

關(guān)鍵詞：元素分析 煤質(zhì)關(guān)系 研究

中圖分類號(hào)：TD94 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）01（b）-0027-01

一直以來，煤炭都是主要燃料之一，而且煤炭是由有機(jī)物和無機(jī)物共同組成的混合物。但是便于使用，大多是把元素分析作為確定各物質(zhì)百分含量，也就是采取元素分析確定氮、硫、氧、氫以及碳的百分比含量，從而據(jù)此來確定和煤質(zhì)關(guān)系。因此，研究煤炭的元素分析與煤質(zhì)的關(guān)系具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 煤炭的元素分析

煤炭主要是由無機(jī)物與有機(jī)物共同組成，而無機(jī)物且是礦物質(zhì)與水，有機(jī)物且是氮、硫、氧、氫以及碳五大類所組成。相比之下碳、氧、氫占據(jù)了95%以上，氮的含量相對(duì)較小，硫含量是隨著煤炭沉積條件不同發(fā)生改變。

煤炭中的碳是主要元素，主要是以六碳環(huán)形式存在，而少量的碳且是以碳酸鹽及二氧化碳的形式存在，相比之下碳含量要高過任何元素。而氫及氧只含少量，都以結(jié)晶水形式存在于煤炭之中。而除開被氧氣束縛住的氫外之氫被稱之自由氫，用Hf表示，自由氫占據(jù)了氧含量之1/8。表達(dá)式為Hf+daf=Hdaf-1/8Odaf；該式中Hf+daf表示干燥無灰基的自由氫含量；而Hdaf表示干燥無灰基氫的含量；而Odaf表示干燥無灰基氧的含量。氧主要是以氧醚鍵把結(jié)構(gòu)單元連接在一起。而氮是煤炭之中唯一全部按照有機(jī)狀態(tài)形式存在元素。而且煤炭中氮主要是按照氮雜環(huán)形態(tài)形式存在。煤炭中硫且是原始成煤的物質(zhì)與成煤之時(shí)沉積條件差異存在差異。煤炭中含硫量總趨勢(shì)屬于海陸交替相沉積煤，含硫量相對(duì)比較高。一般而言煤炭中硫分都是按照有機(jī)硫與無機(jī)硫形式存在。但是煤炭中的無機(jī)硫又劃分成了硫酸鹽與硫化物硫兩種。在煤炭之中，硫化物硫基本上都是按照黃鐵礦硫的形態(tài)存在，大多呈透鏡狀、結(jié)核狀、團(tuán)塊狀以及層狀等形式。但是也存在少量的白鐵礦，都是按照分子式FeS2形式。當(dāng)然在一些特殊煤層中還存在黃銅礦、方鋁礦等形式，有極少數(shù)是硫酸亞鐵形式，俗稱為綠礬。

2 元素分析與煤質(zhì)關(guān)系分析

煤炭中無機(jī)物中不僅僅只有上面集中元素，還含有極少量的氫、碳以及氧、硫等各種元素，所以分析煤炭中有機(jī)質(zhì)元素的組成，分析有機(jī)質(zhì)共同對(duì)煤炭用途的決定，就應(yīng)該通過重液減灰之后測(cè)定煤炭中的主要元素。當(dāng)變質(zhì)程度不斷加深煤炭中的碳含量也就會(huì)隨之而增高。例如褐煤中的含碳量達(dá)到了70%～80%，無煙煤炭中含碳量達(dá)到了90%～98%，因此人們就將煤炭變質(zhì)的程度稱之為碳化程度。和碳相反的是氫含量，總是隨變質(zhì)程度加深而逐漸降低，比如褐煤中含氫的量就會(huì)隨著煤炭變質(zhì)程度不斷架設(shè)而發(fā)生顯著降低。主要原因在于年輕煤炭中結(jié)構(gòu)單元的六碳環(huán)側(cè)鏈比較多，因此含氧量自然就高。伴隨著變質(zhì)程度不斷加深，側(cè)鏈自然隨之降低，也就降低了氧氣的含量，對(duì)于氫的含量而言不但會(huì)受到原始成煤物質(zhì)所影響，還會(huì)隨著煤炭變質(zhì)程度不斷架設(shè)而減少，如無煙煤氫小于4%。但是硫?qū)儆诶?，煤炭中含硫的多少和煤炭變質(zhì)程度毫無關(guān)系。

事實(shí)上，很早之前就將元素當(dāng)成了煤炭科學(xué)分類重要的指標(biāo)之一。而且元素分析還能夠用作核對(duì)、計(jì)算和煤炭中其他的特征密切相關(guān)的指標(biāo)，比如煤炭發(fā)熱量、水分等，通過元素分析能夠估計(jì)與預(yù)測(cè)煤炭中的苯抽出物與低溫干餾產(chǎn)物等。而且對(duì)于工業(yè)而言，將煤炭作為燃料進(jìn)行熱工計(jì)算時(shí)，還要將煤炭元素作為計(jì)算基礎(chǔ)，從而計(jì)算出燃燒產(chǎn)物和熱平衡，比如計(jì)算燃燒中的煙氣量。氣化工業(yè)之中，還要依據(jù)元素分析計(jì)算出煤炭氣化之時(shí)物料平衡。從各種元素分析來看，不同的元素組分不但能夠體現(xiàn)出煤炭變質(zhì)程度，還能夠體現(xiàn)出煤炭具備的不同性質(zhì)，比如氧含量高、碳含量低的煤，粘結(jié)性比較差或根本就沒有粘結(jié)性，而且發(fā)熱量也比較低。例如含碳量較高而含氫量較低的煤炭，必定具備較深的變質(zhì)程度。在研究煤質(zhì)中，最常用的芳碳率e，而芳碳率即為煤結(jié)構(gòu)之中形成的芳香環(huán)（六碳環(huán)）的碳原子數(shù)和總碳原子數(shù)之比值?？梢酝ㄟ^下式求出比值fa：

事實(shí)上石墨都屬于六碳環(huán)，因此石墨中的fa=1.00.例如某煤炭中含Cdaf的量為85%，其中fa是0.75，換而言之煤炭中碳原子有75%位于了六碳環(huán)上。fa就會(huì)隨著煤炭變質(zhì)程度的加深而隨之增大。

從上面的分析可知自由氫Hf和煤質(zhì)有關(guān)，也就是說Hf，daf超過5%，煤炭的粘結(jié)性就比較強(qiáng)且焦油的產(chǎn)率比較高。并且氫在煤炭中含量的變化范圍并不大，但是因氫原子量較小，僅僅是碳原子量1/12，因此要從原子的百分?jǐn)?shù)變化來看，氫中百分?jǐn)?shù)變化一定比碳原子的百分?jǐn)?shù)變化大。而測(cè)定煤炭中的氮就是為計(jì)算出煤炭中的氧含量，對(duì)煤煉焦時(shí)所產(chǎn)生氨量進(jìn)行估計(jì)，煤炭燃燒之時(shí)大約25%煤中的氮會(huì)轉(zhuǎn)化為氮氧化物，會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。氧屬于煤炭中的主要元素之一，煤炭中含氧的總量與形態(tài)都會(huì)影響到煤的性質(zhì)。一旦煤炭中的氧含量被增加，就會(huì)降低煤的粘結(jié)性，而且還會(huì)降低煤的發(fā)熱量，因氧含量不斷增加就會(huì)把發(fā)熱量比較高的氫束縛住。含氧量高低還可以作為判斷煤是不是受到風(fēng)化、氧化的重要依據(jù)。如果煤體中的含氧量超出了正常值之后，就應(yīng)該視為風(fēng)化和氧化，增加的氧愈多，風(fēng)化、氧化也就越嚴(yán)重。

硫?qū)儆谝环N有害元素，煤炭中的硫?qū)τ跉饣捊挂约叭紵染軌虍a(chǎn)生極大的危害，硫分含量高影響它的利用，因此在評(píng)價(jià)煤質(zhì)的優(yōu)劣之時(shí)就將含硫量的高低作為重要指標(biāo)之一。而且在動(dòng)力用煤中一旦含硫量比較高，不但造成燃燒時(shí)產(chǎn)生出大量的二氧化硫氣體對(duì)大氣造成污染，危害到動(dòng)物與植物，嚴(yán)重影響生態(tài)平衡，并且還會(huì)對(duì)鍋爐管道造成腐蝕。有一些地方下酸雨就是因采用了高硫煤為燃料造成。所以講高硫含量煤當(dāng)成動(dòng)力用煤，就必須要考慮到煙氣脫硫問題，就是將高硫煤轉(zhuǎn)換為水煤氣，就會(huì)產(chǎn)生出大量的硫化氫等氣體，而這些氣體是不易被脫凈，自然就會(huì)造成合成氨催化劑無效。硫分對(duì)煉焦工業(yè)影響更大，煤炭中大約80%的硫都會(huì)轉(zhuǎn)入到焦炭中去，從而轉(zhuǎn)入到鋼鐵之中，對(duì)鋼鐵質(zhì)量造成影響，鋼鐵中的含硫量一旦超過了0.07%，必然會(huì)產(chǎn)生出熱脆性而不能夠使用。并且要脫去鋼鐵之中所含硫，一定要將大量石灰石加入到高爐中。不但能夠降低高爐中有效容量，還能夠增加出渣量，提升焦化降低效率。通常焦炭中的硫含量增加了0.1%，高爐的生產(chǎn)能力就會(huì)隨之降低大約2%。因此煉焦用煤就要控制其含硫量的范圍。而且煤炭中含較高的黃鐵礦，存儲(chǔ)之時(shí)因黃鐵礦極易被空氣中氧氣氧化散發(fā)出熱量，一旦該熱量不能夠散發(fā)出去就會(huì)導(dǎo)致煤炭中的溫度逐漸升高出現(xiàn)自燃。

3 結(jié)語

隨著煤炭的應(yīng)用需求不斷增大，對(duì)煤炭元素分析和煤質(zhì)關(guān)系的引起人們高度關(guān)注。也只有通過元素分析弄明白煤種各種有機(jī)物組成，同時(shí)弄清楚和煤質(zhì)關(guān)系才能夠有效預(yù)防煤炭的危害，合理應(yīng)用煤炭。

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