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煤炭必备基础知识
煤炭基础知识
一、煤的形成
煤炭是一种固体化石燃料,主要成分为碳、氢和氧等,是人类社会重要的基础能源和重要原料。
目前,我国在一次能源生产和消费中煤炭分别占到76%与70%。
在地质历史上,沼泽森林覆盖了大片土地,包括菌类、蕨类、灌木、乔木等植物。
因不同时代海平面常有变化,当水面升高时,植物会被淹而死亡。
如果这些死亡的植物遗体被沉积物覆盖而不透氧气,就不会完全分解,而是在地下形成有机地层。
随着海平面的升降,会产生多层有机地层。
经过漫长的地质作用,在温度增高、压力变大的还原环境中,这一有机层最终转变为煤层。
同时,因埋藏深度、时间的差异所形成的煤也具有不同的煤化程度。
煤炭根据其煤化程度的不同,按从低到高的分类,可分为泥炭、褐煤、烟煤和无烟煤四大类。
煤化阶段的两个过程
煤化阶段主要是指由泥炭向褐煤、烟煤和无烟煤转化的漫长成煤变质阶段,该阶段主要包括以下两个连续的过程:
过程一、在地热和压力的作用下,泥炭层发生压实、失水、肢体老化、硬结等各种变化而形成褐煤——密度比泥炭高,碳含量相对增加。
这一过程又叫成岩作用。
过程二、褐煤转变为烟煤和无烟煤的过程。
在这个过程中煤的性质发生变化,故又叫变质作用。
地壳继续下沉,褐煤的覆盖层也随之加厚,在地热和静压力的作用下,褐煤继续经受着理化变化而被压实、失水,其部组成结构和性质都进一步发生变化,此过程就是褐煤变成烟煤的变质作用。
烟煤比褐煤碳含量增高,氧含量减少。
烟煤继续进行着变质作用,从低变质程度向高变质程度变化,进而出现了低变质程度的长焰煤、气煤,中变质程度的肥煤、焦煤和高变质程度的瘦煤、贫煤。
它们之间的碳含量也随着变质程度的加深而增大。
二、煤的开采
人类开采利用煤炭已有几千年的历史,2009年我国煤炭总产量超30亿吨,占世界煤炭产量的40%以上。
我国2300多个县市中有1458个赋存着煤炭资源,但90%的储量分布在
岭—淮河以北地区,尤其是晋陕蒙三省区,占到全国总量的63.5%。
从东西方向看,煤炭资源的85%分布于中西部,沿海地区仅占15%。
从地区看,以为中心的华北地区煤炭储量占全国2/3以上,其次是西北和西南地区。
我国煤炭资源分布情况:
地区
华北
西北
西南
华东
东北
华中
占比(%)
49
30
9
5
5
5
省煤炭资源总量为691亿吨。
2006年底,全省探明煤炭资源量为277.1亿吨,预测资源量为413.84亿吨。
全省煤炭资源总量居全国第11位,已提交的煤炭资源储量居全国第九位,在南方各省区市中仅次于,居第二位。
褐煤资源量仅次于蒙,居全国第二位。
全省保有资源储量267.89亿吨,市煤炭保有储量为99.04亿吨,占全省保有资源储量的36.97%,市94.49亿吨,占35.27%。
红河州41.88亿吨,占15.64%,其余13个州市32.48亿吨,占12.12%。
根据煤炭储藏条件的不同,煤炭开采分为露天煤矿开采和地下煤矿开采。
露天煤矿开采对煤赋存条件要求较严,只宜在埋藏浅煤层厚度大的矿区采用。
移走煤层上覆的岩石及覆盖物,使煤敞露地表而进行开采的称为露天开采。
我国适合露天开采的煤田较少,可供露天开采的资源储量仅占7.5%。
我煤以地下煤矿开采为主。
对于地下煤矿开采,煤炭开采的完整过程大概分为三个步骤:
井田开拓—从地面开拓一系列井巷进入煤层的过程称为井田开拓。
巷道掘进—按照巷道设计开凿出各种类型的巷道,直至把采煤工作面开辟出来。
地下煤矿开采—在确定了井田开拓方式、完成了巷道掘进之后,下一步就是采用合适的方法和工艺,安全、顺利、高产和高效地将煤炭开采出来。
煤炭开采基本术语
采场和采煤工作面:
指用来直接大量采取煤炭的场所。
在采场进行回采的煤壁,称为采煤工作面。
采煤工作面与采场是同义词。
采煤工作:
指在采场,为了采出煤炭所进行的一系列工作。
分为基本工序—煤的破、装、运;辅助工序—工作面支护、采空区处理、移置运输、采煤设备等。
采煤工艺:
由于煤层的自然条件和采用的机械不同,完成这些工序的方法也就不同,并且在进行的顺序上、时间和空间上必须有规律地加以安排和配合。
这种按照一定顺序完成各项工作的方法及其配合,称为采煤工艺。
采煤系统:
采煤巷道的掘进一般是超前于采煤工作进行的。
它们之间在时间上的配合以及在空间上的相互位置系统,称为采煤巷道布置系统,即采煤系统。
采煤方法:
指采煤工艺与采煤系统在时间上、空间上相互配合的总称。
地下采煤方法分类
在我国,按落煤(煤从整体煤层中破落下来)的技术方法不同,将地下采煤分为旱采—机械落煤、爆破落煤和水采—水力落煤。
大约98%的地下采煤都是旱采。
旱采包括壁式采煤法和柱式采煤法,以壁式采煤法为主。
壁式采煤法工作面长,一般为100~200m,可以容纳功率大、生产能力高的大型采煤机械;柱式采煤法工作面短,一般为6~30m,由于工作面短、顶板易维护,可减少支护费用降低成本,其缺点是回采率低。
省煤炭生产发展目标
原煤产量
精煤(洗煤产品)产量
机焦产量
2010年
1.0亿吨
3100万吨
1200万吨
2015年
1.3亿吨
5500万吨
1300万吨
2020年
1.4亿吨
6800万吨
1500万吨
煤炭生产呈现“乡镇煤矿为主、国有煤矿为辅;小型煤矿为主,大中型煤矿为辅;滇东地区为主,其它地区为辅”的格局。
2010年初步形成“三块一片”,即:
以煤化工集团公司下属矿井构成的一块,以省监狱管理局所属的小龙潭矿务局、凤鸣村煤矿、陆东煤矿构成的一块;以滇东能源公司白龙山、雨汪煤矿为基础的煤电一体化项目构成的一块。
“一片”是以地县及乡镇煤矿为主构成的一片。
大型煤炭企业集团包括煤化工集团公司、滇东能源有限责任公司、小龙潭矿务局等产量占全省原煤产量的40%左右,加上中型煤炭企业和乡镇骨干矿井,大中型煤炭企业的市场占有率达到70%,小型煤矿企业占30%。
2010年全省煤矿数量力争控制在1000个以。
三、煤的分类
1、中国煤按煤化程度的分类表 (V为Vdaf%的略写)
大类别
小类别
主要分类指标
主要特性
煤
褐
煤
一号褐煤
透光率
Pm<30%
煤化程度最低,在水分较高,发热量低,易风化碎裂,作一般燃料用。
二号褐煤
30% 烟 煤 长焰煤 V>37 G≤5 G﹥5~35 烟煤中煤化程度最低,挥发分最高,粘结性最弱,燃烧火焰长。 不粘煤 V﹥28~37 G≤5 V>20~28 煤化程度较低,挥发分围较宽,无粘结性。 弱粘煤 V﹥28~37 G﹥5~30 V>20~28 略同上,受热后形成的胶质体很少 1/2中粘煤 V﹥28~37 G﹥5~30 V>20~28 略同上 气 煤 V﹥28~37G﹥50~65V>37G﹥35~65y≤25 煤化程度较低,挥发分较高,炼焦时产生较多的煤气。 气肥煤 V﹥37 G﹥85 y﹥25 略同上,粘结性较强,炼焦时产生大量的胶质体和煤气。 1/3焦煤 V﹥28~37 G﹥65 y≤25 煤化程度中等,炼焦时产生较强的粘结性。 肥 煤 V﹥10~37 G﹥85y﹥25 略同上,受热产生较多的胶质体,有极强的粘结性。 焦 煤 V>10~28G>50~65 G﹥65 y≤25 粘结性较好,受热产生热稳定性好的胶质体。 瘦 煤 V﹥10~20 G>20~50G﹥50~65 煤化程度较高,挥发分较低,受热能产生一定数量的胶质体。 贫瘦煤 V﹥10~20 G=5~20 略同上,受热能产生很少量的胶质体,粘结性差。 贫 煤 V>10~20 G≤5 烟煤中煤化程度最高,挥发分最低, 受热不产生胶质体不结焦,热值高。 无烟煤 一号无烟煤 V=0~3.5 煤化程度最高,挥发分最低。 碳含量最丰富,光泽性较强,硬度高,密度大,燃点高,无粘结性,燃烧时无烟。 是高炉喷吹,合成煤气等的主要原材料。 二号无烟煤 V=3.5~6.5 三号无烟煤 V=6.5~10 2、中国煤按炼焦用煤分类表 Vdaf∕%—煤的干燥无灰基挥发分 G—GR,I的略写,煤的粘结指数 Y∕mm—煤的胶质层最大厚度 3、中国煤按加工方式的分类 大类别 特 征 煤 原煤 从地下地上采掘出的毛煤经筛选去掉矸石后的煤。 精煤 煤经过精选(干选或湿选)后生产出来的符合一定质量要求的产品 粒级煤 经过筛选或精选后,粒度下限>6mm,灰分≤40%的煤。 按不同粒度分为洗中块、中块、洗混中块、混中块、洗混块和混块、洗大块和大块、洗特大块和特大块、洗小块和小块、洗粒煤和粒煤、 洗选煤 经过洗选和筛选已清除或减少原煤中所含的灰分、矸石、硫分等杂质,并按不同煤种、灰分、热值和粒度分成若干品种等级的煤。 其粒度分级为50、25、20、13、6(mm)以下。 洗选煤分为洗原煤、洗混煤、混煤、洗混末煤、混末煤、洗末煤、末煤、洗粉煤、粉煤。 低质煤 灰分含量很高(大于40%)的各种煤。 4、中国煤分级表 煤 冶炼用 炼焦精煤 以0.5%的灰分为一个级差进行分级,共分十五级: A=5.01%~5.50%为一级A=5.51%~6.00%为二级...... 其他用精煤 以0.5%的灰分为一个级差进行分级,共分七级: A=12.51%~13.00%为一级,A=13.01%~14.00%为二级…… 动力用煤 以1%的灰分为一个级差进行分级,共分三十六级: A=4.01%~5.00%为一级,A=40%为三十六级.。 四、煤的加工 洗 选 从地下采出的毛煤会含有一些矸石和其他杂质,需经过洗选,使煤中灰分、磷和硫等成份降低,可脱除煤中50%~80%的灰分及30%~40%的全硫。 煤炭洗选—指利用煤和杂质(矸石)的理化性质的差异,通过理化分选的方法使煤和杂质有效分离,并加工成质量均匀用途不同的煤炭产品的加工技术。 物理选煤—指根据煤炭和杂质物理性质(如粒度、密度、硬度、磁性及电性等)上的差异进行分选的技术方法。 有 (1)重力选煤: 包括跳汰、重介质、斜槽、摇床、风力选煤等,在实际生产中被广泛应用 (2)电磁选煤: 实际生产中没有应用。 浮游选煤—简称浮选,根据煤炭表面理化性质的差异进行分选的技术方法。 有 (1)机械搅拌式浮选 (2)无机械搅拌式浮选。 化学选煤,微生物选煤在工业生产中没有实际应用。 洗煤厂生产工艺流程 1、原煤准备: 包括原煤接受、储存、破碎和筛分。 2、原煤分选: 面前国的主要分选工艺包括跳汰-浮选联合流程; 重介-浮选联合流程;跳汰-重介-浮选联合流程;块煤重介-末煤重介旋流器分选流程;此外还有单跳汰和单重介流程。 3、产品脱水: 浮选出的精煤脱水,和块煤、末煤、煤泥的脱水。 4、产品干燥: 一般在比较严寒的地区采用,以防煤冻。 5、煤泥水(污水)处理。 洗精煤等级: 灰分% 硫分% 热值MJ/kg 一号精煤 7-8 0.4 26-28 二号精煤 8-9 0.5 26-28 三号精煤 9-16 0.6 24-26 炼 焦 装炉煤经过高温干溜转化为焦炭、焦炉煤气和化学产品的工艺过程即煤炭焦化过程,简称炼焦。 现代炼焦生产由一座或几座焦炉及其辅助设施组成,焦炉的装煤、推焦、熄焦和筛焦构成焦炉操作的全过程。 煤料从炉顶部的装煤孔或机侧(捣固焦)装入炭化室,由两侧燃烧室传来的热量将煤料在隔绝空气的条件下加热至高温。 加热过程中煤料熔融分解,所生成的气态产物由炭化室顶部的上升管道逸出,导入煤气净化处理系统,可得到煤气及化学产品。 残留在炭化室的固化成焦炭。 煤料分解固化过程完成后,将炭化室两侧的炉门打开,用推焦机将焦炭推出,落入熄焦车,赤热的焦炭用水熄灭,冷却后便得到可使用的焦炭。 近来开发的炼焦新工艺还有: 配入部分型煤炼焦的配型煤工艺、用捣固法装煤的煤捣固工艺、煤预热工艺等。 炼铁工艺即以铁矿石、焦炭等为原料,借助于高炉等工具,生产出符合要求的钢铁制品。 炼铁的方法就是从炉顶加入铁矿石、焦炭和石灰石,从炉底部向炉通入加压空气,在焦炭燃烧时,矿石、石灰石与焦炭一起发生反应,最终形成铁水和炉渣。 其原理是矿石在特定的氛围中(还原物质CO、H2、C,适宜温度等)通过理化反应获取还原后的生铁。 焦铁比—每炼一吨生铁所消耗的焦炭量。 一般为380~400kg/T。 生铁按不同冶炼工艺和用途可分为炼钢生铁和铸造生铁。 炼焦的产品有: 1焦炭—炼焦最主要的产品,90%以上用于高炉炼铁,其次用于铸造与有色金属冶炼工业,焦粉还用作烧结的燃料。 2煤焦油—产量约占装炉煤的3%—4%。 3煤气和化学产品—经过净化的煤气属中热值煤气,发热量约为17500kj/Nm,每吨煤约产炼焦煤气300—400立方米。 氨的回收率约占装炉煤的0.2%—0.4%,粗苯回收率约占装炉煤的1%。 冶金焦的分级: 等级 Ⅰ Ⅱ Ⅲ 灰分% ≤12.0 ≤13.5 ≤15.0 硫分% ≤0.6 ≤0.8 ≤1.00 五、煤的检测 为了对煤炭的质量进行评价、分类,洁净、合理利用煤炭资源,需要对煤炭的化学、工艺性质进行检测。 最基本的煤质分析就是煤的工业分析、元素分析和煤的发热量测定,以及煤受热后的各种性质状况分析。 在对煤质进行以上基础分析、测定时,其指标中常涉及一个概念“基”-就是 表示分析化验结果是以什么状态下的煤样为基础而实测或换算出来的。 煤质分析中常用的基准 术语名称 符号 定义 英文名称 收到基 ar 已收到状态的煤为基准 As received basis 空气干燥基 ad 与空气湿度达到平衡状态的煤为基准 Airdriedbasis 干燥基 d 以假想无水状态的煤为基准 Drybasis 干燥无灰基 daf 以假想无水、无灰状态的煤为基准 Dryash-freebasi 1、煤的工业分析: 对煤中水分、灰分、挥发分和固定碳含量的分析测定,就是煤的工业分析。 水 分 (M) 煤是多孔性固体,或多或少含有水分。 水分的存在对煤的加工利用带来不利影响, 外在水分Mf—在煤开采运输和洗选过程中润湿在煤的外表以及大毛细孔中的水。 含有Mf的煤称为应用煤,失去Mf的煤称为风干煤。 在水分Minh—吸附或凝聚在煤粒部毛细孔直径中的水。 失去 Minh的煤称为绝对干燥或干煤。 全水分Mt—煤的、外水分之和。 Mt=Minh+Mf 灰 分 (A) 煤的灰分不是煤的一种固有性质,煤中并不含“灰”,而是煤在规定条件下完全燃烧后的固态残留物。 灰分A—一定质量的煤在815°C±10°C的温度下将其中的可燃物完全燃烧,然后对留下的残留物称重,经计算得到煤的灰分产率就称之为煤的灰分。 外在灰分—不含于煤层,在开采过程中混入煤中的矸石称为外来矿物质,它们在燃烧时形成的灰分就称之为外在灰分。 比较容易用洗选方法除去。 在灰分—煤中的原生矿物质和次生矿物质合称为在矿物质,来自于在矿物质的灰分称为在灰分。 很难用洗选方法除去。 煤灰成分主要有: SiO、Al2O3、Fe2O3、SO3、CaO 挥 发 分 (V) 煤在高温和隔绝空气的条件下加热时,所排出的气体和液体状态的产物称为煤的挥发分V。 其主要成分有甲烷、氢及碳氢化合物。 随着煤炭变质程度的增加,煤炭挥发分降低。 褐煤、气煤挥发分较高,瘦煤、无烟煤挥发分较低。 挥发分不但是表征煤阶的常用参数,也可以表征煤的焦化、液化及燃烧特性,以便于确定煤的加工利用途径。 在炼焦时,可根据配煤挥发分的高低来预测焦化产品的回收率。 固 定 碳 (FC) 煤中除去水分、灰分、挥发分,剩下的就是固定碳FC。 FCad=100-(Mad+Aad+Vad) FCad—空气干燥基煤样中的固定碳 煤的固定碳是煤的发热量的重要来源,它和挥发分一样,也是表征煤的变质程度的一个指标,它随变质程度的增高而增高。 褐煤 烟煤 无烟煤 FCdaf ≤60% 50%~90% >90% FCdaf—干燥无灰基煤样中的固定碳 煤的燃料比=FC/V其值的大小也可用来判断煤的种类及用途。 ★ FC与A、V一样不是煤中的固有成分,而是煤受热分解的产物。 ★ FC与煤中碳元素含量也是两个不同的概念。 2、煤的发热量Q: 煤的发热量又称为煤的热值,即单位质量的煤完全燃烧所发出的热量—用1.4比重液分选后的浮煤的发热量(或灰分不超过10%的原煤的发热量)。 (1)发热量的单位 热量的表示单位主要有焦耳(J)简称焦、卡(cal)、和英制单位(Btu)。 焦耳是国际标准化组织(ISO)所采用的热量单位—J/g、kJ/g、MJ/kg。 煤的常用发热量测定结果以MJ/kg(兆焦/千克)表示。 其换算关系: 1MJ(兆焦)=1000kJ(千焦)=1000000J(焦) 1卡(cal)=4.18焦(J) 1千卡(kcal)=4.18千焦(kJ) 1But=1055.06J 煤的发热量表征了煤的变质程度(煤化程度),泥炭发热量最低,褐煤的发热量有所增高,烟煤的发热量继续增高,到焦煤和瘦煤时,碳含量虽然增加了,但由于挥发分较低,特别是其中氢含量比烟煤低得多,有的低1%,仅相当于烟煤的1/6,所以发热量最高的煤还是烟煤中的某些煤种。 (2)煤的各种发热量名称含义 弹 筒 发 热 量 Qb 单位质量的煤样在热量计的弹筒,在过量高压气(25~35个大气压)中燃烧后产生的热量。 因其在恒容(弹筒燃烧室容积不变)条件下测得,故又称恒容弹筒发热量。 由于煤样是在高压氧气的弹筒里燃烧的,因此出现了煤在空气中燃烧时不能进行的热化学反应。 所以,煤的弹筒发热量要高于煤在空气中、工业锅炉中燃烧时实际产生的热量。 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。 高 位 发 热 量 Qgr 煤在空气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煤在弹筒里燃烧时硫酸和硝酸生成热和得到的发热量。 恒容高位发热量—由恒容弹筒发热量折算出来的高位发热量。 (煤在空气中燃烧时是不会生成硫酸和硝酸的) 恒压高位发热量—煤在空气气压下燃烧的条件是恒压的(大气压不变),其高位发热量就是恒压高位发热量。 一般情况下恒容高位发热量比恒压高位发热量低15J/g左右。 低 位 发 热 量 Qnet 煤在空气中、大气压条件下燃烧后,产生的热量减去煤中水分(煤中有机质的氢燃烧后生成的氧化水及煤中的游离水和化合水)的气化热(蒸发热),剩下的实际可以使用的热量。 恒容低位发热量—由恒容高位发热量算出的低位发热量。 恒压低位发热量—由恒压高位发热量算出的低位发热量。 两者间也存在较小的差别。 ★ 煤在工业燃烧设备中燃烧时,不可能得到硫酸、硝酸生成热和水的蒸发热,而这三项热量在弹筒燃烧时都能获得。 所以,工业燃烧设备中所能获得的最论热值必然是从弹筒发热量中扣除这三项热量后的热值—低位发热量。 煤的发热量有Qb、Qgr、Qnet三种表示方法,每一种方法又可对应四种基准,所以煤的不同基准的各种发热量就有12种表示方法。 3、煤的元素分析: 煤的有机质主要由碳、氢、氧、氮和硫五种元素组成,另有数量很少的磷、砷元素。 碳C和氢H 煤中的碳、氢数据是煤质的基本指标,其含量一般认为具有可加性。 随着煤化程度的增加,C、H和O含量均呈现一定规律的变化—C基本上是均匀增加、H在中等煤化程度以前大致不变或变化幅度很小,进入无烟煤阶段后明显减少。 将煤作动力燃料时,可用元素分析数据来计算煤的发热量: 在煤化工利用时,氢含量在很大程度上决定着焦化产品的产率、煤气的产率等。 氧O 和 氮N 氧含量是煤化学特征中的重要表征,一般随煤化程度加深而降低。 煤中含氮量一般较低,大约为1%~2%之间。 氮在高温热解时转化成氨及含氮化合物,会造成对空气的一些污染。 硫S 煤中全硫是煤质的重要指标,用它来表征煤利用过程中的一种潜在污染源。 煤中含硫量多少与其煤化程度没有显著关系。 煤中硫分的赋存形态有两类: 有机硫—煤的机质中所含的硫(可
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