煤化學(xué)趣味知識(shí)
瀏覽次數(shù)： 342 發(fā)布時(shí)間：2017-03-17 15:22:37 發(fā)布人：editor
研究煤的成因、組成、性質(zhì)、結(jié)構(gòu)、分類(lèi)和反應(yīng)，以及它們之間關(guān)系的一門(mén)學(xué)科，它同時(shí)闡明煤作為燃料和原料利用中的一些化學(xué)問(wèn)題，是煤化工的理論基礎(chǔ)。
煤的成因 包括下列過(guò)程：①泥炭化作用。當(dāng)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(jīng)過(guò)分解、化合等復(fù)雜的生物化學(xué)變化，形成泥炭(泥煤)。泥炭化階段主要是植物殘骸的菌解過(guò)程。當(dāng)原始物質(zhì)為低等植物和浮游生物時(shí)則形成腐泥，稱(chēng)為腐泥化作用。②成巖作用。當(dāng)?shù)貧は鲁習(xí)r，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(jīng)過(guò)壓密、脫水、膠結(jié)和其他化學(xué)變化，分別變?yōu)楹置汉透嗝骸＂圩冑|(zhì)作用。由于地殼的運(yùn)動(dòng)，褐煤層上部頂板逐漸加厚，受地壓、地溫增高的影響，經(jīng)過(guò)復(fù)雜的物理化學(xué)作用，促使煤質(zhì)變化，由褐煤變成煙煤、無(wú)煙煤。成巖和變質(zhì)是煤化作用的兩個(gè)階段。按成煤的原始物質(zhì)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(wú)煙煤，其探明儲(chǔ)量和產(chǎn)量均占各類(lèi)煤的主要地位。腐植煤中以角質(zhì)層、樹(shù)脂、孢子、花粉等穩(wěn)定組分為主的稱(chēng)殘植煤。腐泥煤主要由藻類(lèi)和浮游生物等形成，如藻煤、膠泥煤。油頁(yè)巖則是一種含礦物質(zhì)高的腐泥煤。腐植腐泥煤的原始物質(zhì)，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(jié)構(gòu)形式的有機(jī)物（或稱(chēng)煤素質(zhì)），與少量種類(lèi)不同的無(wú)機(jī)物（或稱(chēng)礦物質(zhì)）組成的混合物。煤的組成通常指煤的巖相組成和化學(xué)組成。
巖相組成 煤由各種類(lèi)型的煤巖組成。每種類(lèi)型的煤巖又由各種煤素質(zhì)所構(gòu)成。用肉眼或放大鏡觀察，可以區(qū)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(jī)顯微煤巖組分（煤素質(zhì)）可分為:
①鏡質(zhì)組分（圖1a），或稱(chēng)凝膠化組分，它來(lái)源于植物的木質(zhì)部分，同其他組分相比，它是均質(zhì)的，是構(gòu)成煤有機(jī)質(zhì)的主要部分; ②絲炭化組分（圖1b），又稱(chēng)惰性組分，是植物埋沒(méi)過(guò)程中木質(zhì)纖維組織受到氧化和炭化后保留下的部分，對(duì)化學(xué)作用和熱具有惰性;③穩(wěn)定組分,包括植物殘存的花粉、孢子（圖1c）、角質(zhì)層、木栓、樹(shù)皮(圖1d)、樹(shù)脂質(zhì)較多的部分，是化學(xué)穩(wěn)定性較強(qiáng)的組分。煤中還有少量無(wú)機(jī)顯微組分。
化學(xué)組成 煤的化學(xué)組成可通過(guò)化學(xué)分析來(lái)了解。煤中有機(jī)質(zhì)元素主要是碳，其次是氫，還有氧、氮和硫等元素。它們以結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜的大分子形式存在，這些煤的有機(jī)質(zhì)大分子是由許多結(jié)構(gòu)相似的單元所組成；單元的核心是縮合程度不同的芳環(huán)，還有一些脂肪環(huán)和雜環(huán)，環(huán)間由氧橋或次甲基橋連接而形成大分子；環(huán)上側(cè)鏈有烷基、羥基、羧基或甲氧基等。很多研究者報(bào)道過(guò)不同的煤化學(xué)結(jié)構(gòu)模型，但尚不能揭示煤的實(shí)質(zhì)結(jié)構(gòu)。比較常見(jiàn)的有W.H.懷澤的煙煤結(jié)構(gòu)模型（圖2）。煤中無(wú)機(jī)質(zhì)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(yè)分析主要包括水分、揮發(fā)分、灰分和固定碳的測(cè)定，它是評(píng)價(jià)煤的一項(xiàng)重要指標(biāo)。
煤的性質(zhì) 通常指煤的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)和工藝性質(zhì)。這些性質(zhì)都與成煤的原始物質(zhì)、聚積環(huán)境、地質(zhì)條件和煤化程度有關(guān)。
煤的物理性質(zhì) 主要包括煤的密度、表面性質(zhì)（濕潤(rùn)性、表面積、孔隙度）、光學(xué)性質(zhì)(折射率、反射率)、電性質(zhì)（電導(dǎo)率、介電常數(shù)）、磁性質(zhì)、熱性質(zhì)（比熱容、熱導(dǎo)率、熱穩(wěn)定性）和機(jī)械性質(zhì)（硬質(zhì)、脆度、可磨性）。
煤的化學(xué)性質(zhì) 是指煤與各種化學(xué)試劑在一定條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的性質(zhì)，以及煤用不同溶劑萃取的性質(zhì)。
煤的工藝性質(zhì) 包括：①粘結(jié)性。指煙煤在受熱時(shí)本體粘結(jié)或與外加惰性物質(zhì)粘結(jié)的能力，它是評(píng)價(jià)工業(yè)用煤特別是煉焦煤的主要指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)室測(cè)定方法有粘結(jié)指數(shù)、坩堝膨脹序數(shù)、羅加指數(shù)等。②結(jié)焦性。指在模擬工業(yè)焦?fàn)t條件下，或在半工業(yè)性試驗(yàn)焦?fàn)t內(nèi)，煤結(jié)成焦炭時(shí)的性能，實(shí)驗(yàn)室測(cè)定方法有奧亞膨脹度、膠質(zhì)層指數(shù)、葛金焦型等。③發(fā)熱量。指單位質(zhì)量的煤在完全燃燒時(shí)放出的熱量。它是評(píng)價(jià)燃料煤的主要指標(biāo)。根據(jù)計(jì)算時(shí)燃燒產(chǎn)物中水的狀態(tài)不同，有高位發(fā)熱量與低位發(fā)熱量之分，包含燃燒生成的水蒸氣冷凝潛熱的，稱(chēng)為高位發(fā)熱量，不包括水蒸氣冷凝潛熱的，稱(chēng)為低位發(fā)熱量。④反應(yīng)性。又稱(chēng)活性，是指在一定溫度下，煤與不同氣體介質(zhì)如二氧化碳、水蒸氣、氧氣、氫氣作用的氣化反應(yīng)能力。⑤熱穩(wěn)定性。指氣化、燃燒用煤在加熱時(shí)塊度變化的性質(zhì)。⑥焦油產(chǎn)率。是評(píng)價(jià)煤和油頁(yè)巖煉油適宜性的指標(biāo)，通常采用鋁甑低溫干餾法測(cè)定。⑦可選性。是反映煤在洗選過(guò)程中，除去其中礦物質(zhì)的難易程度。它是將各級(jí)粒度的煤在不同密度的液體中經(jīng)浮沉試驗(yàn)而確定的。⑧灰熔點(diǎn)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(cè)定變形溫度T1、軟化溫度T2和流動(dòng)溫度T3,其中T2表示煤灰熔點(diǎn)。熔融灰的粘度用高溫粘度計(jì)測(cè)量。
煤的分類(lèi)方法 是煤化學(xué)研究的重要內(nèi)容。從不同角度出發(fā)有不同的分類(lèi)方法。理想的煤分類(lèi)方法是既有充分的科學(xué)依據(jù)，又有實(shí)際使用價(jià)值。1983年聯(lián)合國(guó)歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)煤炭委員會(huì)制定的國(guó)際煤分類(lèi)，將煤分為低煤化度、中等煤化度和高煤化度三類(lèi)（大體上分別相當(dāng)于褐煤、煙煤、無(wú)煙煤,不包括泥炭、油頁(yè)巖等）,提出以鏡質(zhì)組平均隨機(jī)反射率（用偏反光顯微鏡測(cè)定煙煤和無(wú)煙煤的鏡煤質(zhì)對(duì)光的平均隨機(jī)反射程度，以區(qū)分煤的煤化度）、坩堝膨脹序數(shù)（在特制的坩堝中把煤樣按規(guī)定方法加熱，將所得焦塊同一組有序號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)焦塊比較得出相應(yīng)的序數(shù)）、干燥無(wú)灰基揮發(fā)分產(chǎn)率、惰性組分含量、恒濕無(wú)灰基高位發(fā)熱量及反射率分布特征等六項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行編碼分類(lèi)，并確定以恒濕無(wú)灰基高位發(fā)熱量小于24MJ/kg和鏡質(zhì)組平均隨機(jī)反射率小于0.6％的煤為低煤化度煤。
中國(guó)于1958年實(shí)行了統(tǒng)一的以煉焦煤為主的煤分類(lèi)方案，該方案以反映煤變質(zhì)程度的揮發(fā)分產(chǎn)率和表征煤結(jié)焦特性的膠質(zhì)層最大厚度兩項(xiàng)作為分類(lèi)指標(biāo)，將煤分為10大類(lèi)24小類(lèi)。這對(duì)合理利用煤炭資源，促進(jìn)生產(chǎn)發(fā)展等方面起了積極作用，但也存在問(wèn)題。經(jīng)過(guò)多年研究，1986年國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局批準(zhǔn)了新的分類(lèi)方案并以“ GB5751-86中國(guó)煤炭分類(lèi)”, 向全國(guó)發(fā)布試行。該標(biāo)準(zhǔn)以反映煤變質(zhì)程度的揮發(fā)分產(chǎn)率和表征煤粘結(jié)性的粘結(jié)指數(shù)G值為主要分類(lèi)指標(biāo)，以膠質(zhì)層最大厚度y值和奧亞膨脹度b值為區(qū)分強(qiáng)粘結(jié)煤的輔助指標(biāo),以透光率PM和煤的高位發(fā)熱量為區(qū)分長(zhǎng)焰煤和褐煤的輔助指標(biāo)。將煤分為十四大類(lèi)，褐煤、無(wú)煙煤各為一類(lèi)。煙煤分為十二類(lèi)，包括:長(zhǎng)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(lèi)，無(wú)煙煤分為三小類(lèi)。在分類(lèi)表中還采用數(shù)碼編號(hào)來(lái)表示煤的性質(zhì)，便于利用計(jì)算機(jī)對(duì)煤質(zhì)實(shí)行現(xiàn)代化管理和指導(dǎo)煤的利用。
煤的反應(yīng) 煤長(zhǎng)期堆放在空氣中容易氧化，甚至導(dǎo)致自燃，使發(fā)熱量、粘結(jié)性降低，這種現(xiàn)象稱(chēng)為煤的風(fēng)化。煤在氧化劑存在下，經(jīng)輕度氧化生成腐植酸，深度氧化生成低分子有機(jī)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(huì)發(fā)生氫化反應(yīng)，使煤增加粘結(jié)性和結(jié)焦性；在有機(jī)溶劑和催化劑存在下加氫，可以得到液化油（見(jiàn)煤直接液化）；和氯、溴等鹵素可以起取代和加成反應(yīng)；在堿性介質(zhì)中水解，可得酚類(lèi)、堿性含氮化合物；與濃硫酸作用可得磺化煤。煤的轉(zhuǎn)化如干餾、氣化、液化，均包含有許多反應(yīng)，如解聚、縮合、氧化、氫化、氫解、氧解等反應(yīng)。通過(guò)這些過(guò)程，可以獲得所需要的固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)產(chǎn)物或熱能。