煤化学 第五章 煤的化学组成.doc

第五章煤的化学组成
煤的组成极其复杂,是由无机组分和有机组分构成的混合物。无机组分主要包括黏土和矿物、石英、方解石、石膏、黄铁矿等矿物质和吸附在煤中的水;有机组分主要是由碳、氢、氧、氮、硫等元素构成的复杂的高分子有机化合物的温合物。一般来说,煤中的无机组分对煤的加工利用是有害的,有机组分是煤的主要组成部分,也是煤炭加工利用的主要对象。煤中矿物质和有机质的化学成分十分复杂,特别是有机组分的完全分离和鉴定几乎是不可能的。因此,从分子水平上研究和分析煤的各种组成成分在技术上难以实现。为了指导煤炭加工利用和研究煤的性质,在实用上通常采用较为简单的办法分析和研究煤的有机组成和无机组成,主要有工业分析、元素分析、灰成分分析和溶剂萃取等。
第一节煤的工业分析
工业分析是确定煤化学组成最基本的方法,它是在规定条件下,将煤的组成划分为水分、灰分、挥发分和固定碳四种组分。工业分析是一种条件实验,除了水分以外,灰分、挥发分和固定碳是煤在测定条件下的转化产物,不是煤中的固有组分,其测定结果依测定条件变化而变化。为了使测定结果具有可比性,工业分析的测定方法均有严格的标准。目前我国实施的是《煤的工业分析方法»(GB/T 212-200的。在该标准中分别规定了水分、灰分、挥发分的测定和固定碳的计算方法。工业分析虽然简单,但分析结果对于研究煤炭性质、确定煤炭的合理用途以及在煤炭贸易中,具有重要的作用。
一、煤中的水分
(一)煤中水分的存在状态
水分是煤中的重要组成部分,是煤炭质量的重要指标。煤中的水分可分为游离水利和化合水。煤中游离水是指与煤呈物理态结合的水,它吸附在煤的外表面和内部孔隙中。因此,煤的颗粒越细、内部孔隙越发达,煤中吸附的水分就越高。煤中的游离水分可分为两类,即在常温的大气中易失去的水分和不易失去的水分。前者吸附在煤粒的外表面和较大的毛细孔隙中,称为外在水分,用Mf表示;后者则存在于较小的孔隙中,称为内在水分,用Minh表示。煤的内在水分和外在水分的质量之和就是煤的全水分,它代表了刚开采出来,或使用单位刚收到或即将投入使用状态下煤中的全部水分(游离水分)。全水分用Mt或Mar表示通俗地说,外在水分就是煤长时间暴露在空气中所失去的水分,而这时没有失去仍然残留在煤中的水分就是内在水分,有时也称为风干煤样水分。
严格地说,外在水分、内在水分、全水分等指的是水分占煤样质量的百分数。按照一定的采样标准从商品煤堆、商品煤运输工具或用户煤场等处所采煤样,称为应用煤样,将应用煤样送到化验室后称为收到煤样,它含有的水分占收到煤样质量的百分数称为煤的全水分或收到基全水分,用Mt或Mar表示。应用煤样在空气中放置一定时间,使煤中水分在大气中不断蒸发,当煤中水的蒸汽压与大气中水蒸汽分压达到平衡,这时所失去的水分占收到煤样质量的百分数就是收到基外在水分,用Mf,ar表示。
煤失去外在水分后所处的状态称为风干状态或空气干燥状态,失去外在水分的煤样称为风干煤样或空气干燥煤样。残留在风干煤样中的全部游离水分质量占风干煤样质量的百分数称为空气干燥基内在水分,用Minh,ad表示。通常, mm的空气干燥煤样(也称为分析煤样),空气干燥煤样的水分也可称为空气干燥基水分,新国标称为"一般分析试验煤梯水分",用Mad表示。理论上,Mad的大小与Minh. ad相同。为了应用方便,将收到基外在水分和空气干燥基内在水分简称为外在水分和内在水分,符号也分别简化为Mf和Minh。
外在水分和内在水分构成了煤的全水分(即收到基全水分),它们的关系可用下式表示:
煤的化合水包括结晶水和热解水。结晶水是指煤中含结晶水的矿物质所具有的,如石膏(CaS04 • 2H20)、高岭石(2A1203 • 4Si02 • 4H20)中的结晶水,煤中结晶水含量不大;热解水是煤炭在高温热解条件下,煤中的氧和氢结合生成的水,它取决于热解的条件和煤中的氧含量。如果不作特殊说明,煤中的水分均是指煤中的游离态的吸附水。这种水在稍高于100 ℃的条件下即可从煤中完全析出,而结晶水和热解水析出的温度要高得多。CaS04 ·2H20在163 ℃才析出结晶水,而2A1203 • 4Si02 ·4H20则要在560 ℃才析出结晶水,煤分子中的氢和氧化合为水也要在300 ℃以上才能形成。因此,煤中水分的测定温度一般在105~1l0 ℃,在此温度下不会发生化合水的析出。
在煤质研究中,经常会用到一个重要指标,即煤的最高内在水分。煤的最高内在水分是指煤样在30 ℃、相对湿度达到96%的条件下吸附水分达到饱和时测得的水分,用符号MHC表示。这一指标反映了年轻煤的煤化程度,用于煤质研究和煤的分类。由于空气干燥基水分的平衡湿度一般低于96%,因此,最高内在水分高于空气干燥基水分