煤的形成、分类与综合利用

【任务描述】

煤是一种沉积而成的可燃有机岩石，是由大量的有机物质和少量的无机物质组成的。它不仅是一种主要的能源，而且还是冶金、化工等极其重要的原料。

煤的形成、分类及综合利用包括煤的形成、煤系、煤的性质、工业分类和综合利用等方面的内容。通过对本课题的学习，使学生能理解并掌握煤的形成过程、煤系的概念、煤的物理性质和化学性质、煤的工业分类和煤的综合利用等知识。

【知识学习】

一、煤的形成

煤是植物遗体经过复杂的生物化学作用和物理化学作用转变而成的。从植物死亡、堆积到转变成煤，经过了一系列的演变过程，这个过程称为成煤作用。

成煤作用根据时间、影响因素及结果，大致分为两个阶段，即第一阶段泥炭化或腐泥化作用阶段，第二阶段煤化作用阶段。其中，第一阶段起主导作用的是生物化学作用，并形成泥炭或腐泥；第二阶段起主导作用的是物理化学作用，并形成各种煤。

1.泥炭化或腐泥化作用阶段

（1）腐泥化作用 当生活在湖泊、浅海等水体中的低等植物和低等动物死亡后，在水体表层和下沉到水底的过程中先遭受一定程度的氧化分解，沉向水底后，由于水层和随后沉积物的覆盖，转入缺氧的还原环境，在厌氧细菌的作用下，低等植物中的蛋白质、脂肪等遭到分解，然后经过化学合成作用，形成一种含水很多的棉絮状胶体物质（富含沥青质），这些物质与泥沙混合后进一步变化，即形成了腐泥。这一过程称为腐泥化作用。

腐泥是一种含大量水分的黑灰、黑褐色冻胶淤泥状物质。

（2）泥炭化作用 泥炭化作用分为如下两个阶段。

1）植物遗体在沼泽浅部遭受氧化、分解的阶段。当生长在沼泽中的高等植物死亡后，其遗体首先堆积在沼泽水体的浅部，由于大气中氧的影响，并在喜氧细菌的作用下，植物有机组成（主要为木质素、纤维素等）中的一部分遭受一定程度的氧化分解和水解，部分被彻底破坏，变为气体和液体；部分转化为简单的化学性质活泼的化合物。

2）产生腐殖酸和沥青质，并形成泥炭的阶段。随着沼泽覆水程度增强及植物遗体的不断堆积加厚，已部分遭受分解的植物遗体转入沼泽深部，逐渐与空气中的氧隔绝，氧化环境被还原环境代替，在厌氧细菌的作用下，其植物遗体中的分解产物之间以及分解产物与未分解的物质相互合成和作用，形成了新的化合物（主要为腐殖酸、沥青质等）。这些物质与少量泥沙等物质混合在一起，即形成了泥炭。

泥炭常为浅褐色至棕色，有时为棕黑色，疏松多孔，呈马粪状或土状，易碎，密度很小，一般只有0.9～1.25g/”cm³。泥炭风干后可用作燃料，也可用作化工原料和肥料，广泛用于农肥、建筑、医疗和环保等领域，是非常宝贵的自然资源。图1-8所示的泥炭标本来自云南现代草本泥炭沼泽，可见有大量的草本残骸。

图1-8 泥炭

2.煤化作用阶段

泥炭或腐泥形成后，由于地壳下降，泥炭或腐泥被泥沙等沉积物覆盖掩埋，在长期地热及上覆沉积物静压力的作用下，它们分别转变为腐植煤或腐泥煤，这一过程称为煤化作用。此时生化作用停止，代之以物理化学作用。

煤化作用阶段主要发生成岩作用和变质作用。

（1）成岩作用 泥炭（腐泥）形成后，由于地壳运动的影响，使其沉降到地壳较深处，在上覆泥沙等沉积物的压力作用下，泥炭逐渐被压紧、脱水、固结，趋于致密，同时，泥炭（腐泥）中有机质的分子结构和化学成分也发生一定的变化，其中碳含量增加，氢氧含量减少，腐殖酸含量降低，使泥炭转变为褐煤（腐泥煤）。这一过程称为成岩作用过程。

1）褐煤。煤化程度最低的一种腐殖煤，是泥炭固结成岩形成的。

褐煤的宏观特征为颜色多呈红褐色或暗褐色（名称由来），无光泽或具有很弱的沥青光泽，密度为1.1～1.4g/”cm³，含有原生腐殖酸，几乎没有黏结性。与泥炭相比，不含植物残体，碳的质量分数增加，一般为60%～70%。

褐煤除用于燃烧外，还用于农肥和提取褐煤蜡的原料。图1-9所示的褐煤标本产于澳大利亚第三纪煤田中。

2）腐泥煤。腐泥煤是富氢并具有高含油率的特殊煤种。形成腐泥煤的原始物质主要是低等植物，其遗体在还原环境下经过腐泥化作用形成腐泥，再经成岩和变质作用形成腐泥煤。

腐泥煤宏观特征为灰色、褐色和黑色，光泽暗淡或近沥青光泽，致密坚硬，有贝壳状断口，呈均一块状构造，硬度较大。其显微组分主要是藻类体、孢子体和沥青质体。图1-10所示的腐泥煤标本产于山西蒲城，晚石炭世含煤岩系中。

图1-9 褐煤

图1-10 腐泥煤

（2）变质作用 褐煤形成后，当地壳继续下降，使其沉降到地壳更深处，在温度、压力和时间的作用下，褐煤内部的分子结构、物理性质、化学性质等发生变化，碳含量进一步增加，氢氧含量继续减少，光泽增强，密度增大，挥发分逐渐减少，腐殖酸完全消失，褐煤转变为烟煤、无烟煤、天然焦或石墨。这一过程称为变质作用过程。

应当指出，以上所述主要为泥炭在煤化作用过程中的变化情况。

二、煤系

1.煤系的概念

煤系（又称含煤建造、含煤岩系等），是指在一定地质历史时期内形成的、连续沉积的一套含有煤层的沉积岩系。其形成时间可以在一个地质年代，也可以跨越地质年代。煤系常按地质时代来命名，如华北石炭—二叠纪煤系、华南晚二叠世煤系、东北侏罗纪煤系、台湾第三纪煤系等。此外，也可采用煤系发育良好、研究较早的地区来命名，如华南晚二叠世煤系在江苏龙潭、江西乐平等地研究较早，被称为龙潭煤系或乐平煤系，北京地区的石炭—二叠纪煤系被称为杨家屯煤系等。

不同地区煤系中含煤的层数、厚度往往不相同。为了反映煤系中含煤的程度，通常用含煤系数来表示。含煤系数又可分为总含煤系数和可采含煤系数。

2.煤系的特征

（1）煤系的岩性特征 煤系是温暖、潮湿气候条件下的产物，因此它一般由灰色、灰绿色、灰黑色及黑色的沉积岩组成。少数情况下，当古气候条件逐渐由潮湿向干燥转化时，也可出现一些杂色，如带红、紫、绿色斑块的岩石。组成煤系的岩石主要是各种粒度的砂岩、粉砂岩、泥岩、炭质泥岩和煤层，也有石灰岩和砾岩，有时还可见到铝质岩、油页岩、硅质岩和火山碎屑岩等。

此外，煤系沉积岩的层理比较发育，常含有丰富的植物化石，有时含有动物化石，还常含有菱铁矿结核、黄铁矿结核及泥质、砂质等包体。

煤系中除煤层外，还常伴生有其他沉积矿产，如铝土矿、耐火黏土、油页岩、菱铁矿、赤铁矿、褐铁矿、锰矿及磷矿等。

（2）煤系的类型 在不同的古地理环境中形成的煤系，其特征往往不同，根据其形成时的沉积环境，将煤系分为两大类型，即近海型煤系和内陆型煤系。

三、煤的性质

不同的煤，其各种元素的含量和化学结构是不同的，这就造成了煤在化学性质和物理性质上的差异性，并使其在开采、加工和利用过程中表现出不同的工艺性质。

1.煤的物理性质

煤的物理性质是指煤的颜色、光泽、硬度、密度、脆度、导电性及裂隙等。

（1）颜色 煤的颜色包括煤的新鲜表面的自然色彩，是煤对光的选择性吸收的结果，一般随煤化程度的增高而逐渐加深。例如，褐煤呈褐色或黑褐色；烟煤呈褐黑色或黑色；无烟煤呈带有钢灰色彩的灰黑色。

（2）光泽 光泽指新鲜煤表面的反光能力，随着煤化程度的加深而增强。如褐煤的光泽较暗淡；烟煤的光泽则较强，呈沥青光泽或玻璃光泽；无烟煤光泽更强，常呈似金属光泽。煤中的杂质及含量、成煤的原始物质与环境等，对煤的光泽均有一定影响。

（3）硬度 硬度是指煤抵抗外来机械作用的能力。煤的硬度与煤化作用有关，煤化程度越高，煤的硬度就越大。

（4）密度 煤的密度是指自然状态下单位体积煤的质量，单位为g/”cm³。煤的密度可分为真密度和视密度。真密度体积不包括内部的孔隙，而视密度体积则包括内部的孔隙。煤的密度一般为1.05～1.80g/”cm³，无烟煤密度最大，可达1.8g/”cm³。在煤矿生产中，视密度是用于计算煤炭储量及煤炭产量的重要参数。

（5）脆度 脆度是指煤受外力时破碎的性质。在不同煤化程度的煤中，以中等变质程度的烟煤脆度最大；而煤化程度较低的褐煤和煤化程度较高的无烟煤脆度较小。

（6）导电性 导电性是指煤传导电流的能力，通常以电阻率表示。烟煤是不良导体，具有较大的电阻率；无烟煤电阻率较小，具有良好的导电性；褐煤由于孔隙度大、湿度大，所以电阻率低于烟煤。

（7）裂隙 煤的裂隙是在成煤过程中，煤受到自然界各种应力的影响所造成的裂开现象。按其成因可分为内生裂隙和外生裂隙，其分布随煤的煤化程度不同表现出一定的规律性。中等煤化程度的烟煤内生裂隙最发育；而煤化程度较低的褐煤或较高的无烟煤裂隙数量较少。

由上述可知，煤的物理性质与煤中所含杂质有关，成分相同的煤，其物理性质是随煤化程度而变化的。

2.煤的化学组成

煤是由有机物质和无机物质（包括矿物杂质、水分等）混合组成的。有机物质是煤的主要成分，也是加工利用的对象，主要由碳、氢、氧三种元素组成，其质量分数为95%以上。

此外，煤中还有少量的氮、硫、磷及其他金属元素等。各种元素的含量往往随煤化程度的增加而有规律地变化。

1）碳（C）。碳是煤中最主要的可燃物质。每千克碳完全燃烧能释放34.11MJ的热量。因此，煤中含碳量越高，发热量越大。煤的含碳量随变质程度加深而增加。

2）氢（H）。氢是煤中重要的可燃物质，燃烧时能释放出相当于碳4.2倍的热量。但在煤中氢含量较少，煤中的氢含量随变质程度加深而降低。

3）氧（O）。氧是煤中的不可燃物质，但能助燃。其含量也随变质程度增加而减少，且变化较大。褐煤中氧的质量分数高达15%～30%，无烟煤中氧的质量分数只有2%左右。由于煤被氧化时氧含量明显提高，碳、氢含量下降很快，因此氧含量的高低是确定煤层风化、氧化带的主要指标之一。(www.xing528.com)

4）氮（W）。煤中的氮来自成煤物质，其质量分数较低，只有1%～3%。在炼焦过程中，氮能转化成氨及其他氮化合物，可进一步加工成氮肥、硝酸等产品。

5）硫（S）。硫是煤中的有害物质，对煤的开采、加工和利用均有不利影响。煤燃烧时，硫与氧化合释放出二氧化硫气体，对锅炉、管道的腐蚀极为严重，并且污染空气。炼焦煤中的硫70%会转入焦炭中，冶炼时又会转入钢铁内严重影响钢铁质量。因此，煤中全硫（有机硫和无机硫）含量是评价煤质的重要指标。我国现阶段规定工业用煤全硫含量不得超过3%，炼焦用煤全硫含量不得超过1%。此外，煤中含硫量较高时，矿井水往往呈酸性，腐蚀性极强，给排水、运输等工作带来许多困难。煤层含硫量过高，还会引起煤层自燃发火，影响安全生产，造成煤炭资源损失。

硫又是非常重要的化工原料，因此含硫量高的煤，可以综合利用，作为提炼硫黄的原料。

我国各地煤炭中含硫量相差很大，煤中硫的总和称为全硫（St），根据煤的干燥基全硫分S_t，d（%），按GB/T 15224.2—2010，无烟煤和烟煤的硫分在基准发热量时分为5级，见表1-4，冶金用炼焦精煤的硫分分为5级，见表1-5。

表1-4 无烟煤和烟煤的硫分分级

表1-5 冶金用炼焦精煤的硫分分级

6）磷（P）。磷是煤中的有害成分，包括有机磷和无机磷两种，主要是无机磷。虽然磷在煤中的质量分数极低，一般为0.001%～0.1%，最高不超过1%，但是危害却很大。焦炭中含磷量增高，不仅增加炼铁溶剂和焦炭的消耗量，使高炉生产率降低，同时还使钢铁变脆，影响钢铁质量。所以，炼焦用煤磷的质量分数不得超过0.01%。

四、煤的工业分类

1.常用的煤质指标

为了满足国民经济和工业生产对煤炭的需求，国家规定了煤炭的质量指标。常用的煤质指标如下。

（1）水分（M） 煤含有水分，煤中水是非可燃成分，其含量的多少与煤的变质程度及外界条件有关。煤中的水分根据存在状态又分为内在水分（吸附或凝聚在煤内部毛细孔中的水分）和外在水分（在煤的开采、储运、洗选过程中存留在煤表面的水分），内在水分和外在水分的总和称为全水分。国家规定煤炭的全水分为煤炭产品的质量指标之一。

（2）灰分（A） 灰分是指煤完全燃烧后，残余的不可燃固体物质。灰分增加将使煤的发热量降低，导致运输中的浪费并造成炼铁过程的消耗增加、生产率下降。灰分过高的煤则可能成为没有开采价值的劣质岩石。

动力煤灰分分为5级（GB/T 15224.1—2010），见表1-6；冶金用炼焦精煤灰分分为5级，见表1-7。

表1-6 动力煤的灰分分级

表1-7 冶金用炼焦精煤的灰分分级

（3）挥发分（V） 挥发分是指在隔绝空气条件下，在高温下分解出来的液态（蒸气）和气态物质，主要是氮、氢、甲烷、二氧化碳、硫化氢及其他有机化合物。煤中挥发分的含量随煤的变质程度增高而降低，如褐煤挥发分高达40%以上，而无烟煤则不到10%。挥发分是评价煤质的重要指标，也是我国目前煤炭分类的主要指标之一。

（4）胶质层厚度（Y） 胶质层厚度是指在隔绝空气的条件下，将煤样加热到一定温度，煤中有机质就开始分解软化，形成黏稠状胶质体的厚度。胶质层厚度能反映煤的黏结性强弱，胶质层厚度越大，煤的黏结性越强，没有黏结性的煤，加热时不产生胶质体。

煤的胶质层厚度随着煤的变质程度增加有规律地变化。变质程度很高或很低的煤，胶质层厚度很小或为零，即黏结性差或没有黏结性。胶质层厚度是评价煤炼焦性能的指标，也是我国目前煤炭分类的指标之一。

（5）发热量（Q） 单位质量的煤完全燃烧后所产生的全部热量，称为煤的发热量，其单位为MJ/kg。它对评价煤的燃烧价值有很重要的意义。

煤发热量的大小主要取决于煤中可燃元素（碳、氢）的含量，因而也与煤的变质程度有关，见表1-8。

表1-8 不同煤种的发热量

按GB/T 15224.3—2010标准，无烟煤和烟煤的发热量分为6级，见表1-9。

表1-9 无烟煤和烟煤发热量的分级

一般来说，变质程度越高，发热量越大，但是，由于烟煤向无烟煤过渡时，氢的含量下降很快，并且氢燃烧时产生的发热量为碳的4倍，所以某些烟煤的发热量略高于无烟煤。

此外，煤发热量还受水分、灰分等因素的影响，灰分高、水分大时，发热量较低。

（6）含矸率 含矸率是指矿井开采出来的煤炭中大于50mm的矸石量占全部煤量的百分率。

2.煤的工业分类

煤炭因其分类的目的不同，分类方法也不同。按成煤原始物质和堆积环境的不同分类，称为煤的成因分类；按煤的元素组成等基本性质的不同分类，称为煤的科学分类；按煤的不同工艺性质和利用途径分类，则称为煤的工业分类。

煤的工业分类是指导煤炭资源合理开发利用的基本法规，是统计资源储量和评价煤炭资源利用合理性的根本依据，也是反映国家在煤炭加工利用方面的科学技术水平的指南。

按国家标准GB/T 5751—2009《中国煤炭分类｝，中国煤炭分为14类，见表1-10。

表1-10 中国煤炭分类（摘自GB/T 5751—2009）

①在G＞85的情况下，用Y值或b值来区分肥煤、气肥煤与其他煤类，当Y＞25.00mm时，根据V_daf的大小可划分为肥煤和气肥煤；当Y≤25.00mm时，则根据V_daf的大小可划分为焦煤、1/3焦煤或气煤。按b值划分类别时，当V_daf≤28.0%时，b＞150%的为肥煤；当V_daf＞28.0%时，b＞220%的为肥煤或气肥煤。如按b值和Y值划分的类别有矛盾时，以Y值划分的类别为准。

②对V_daf＞37.0%，G≤5的煤，再以透光率P_M来区分为长焰煤或褐煤。

③对V_daf＞37.0%，P_M＞30%～50%的煤，再测Q_gr，maf，如其值大于24MJ/kg，应划分为长焰煤，否则为褐煤。

五、煤的综合利用

煤炭是一种不可再生的化石资源，目前在我国能源消费结构中占65%以上。它不仅是动力燃料，而且是宝贵的化工原料，在国民经济发展中占据着十分重要的地位。

煤的综合利用是指通过多种途径将煤中的有用物质都充分、合理地应用起来，以提高煤的经济价值。

通过煤的综合利用，不但可以利用煤的热量，而且可从中取得宝贵的化工、医药、化肥等工业原料，大大提高煤的经济价值。

煤炭综合利用的途径主要有干馏、汽化、液化、燃烧等，以此获得热能和冶金、化工、医药等工业原料，见表1-11。

表1-11 煤的综合利用途径简表

【任务考评】

本课题考评表见表1-12。

表1-12 任务考评表

（续）

【思考与练习】

1.简述煤的形成过程和成煤的必要条件。

2.常用的煤质指标有哪些？我国煤工业分类所依据的指标是哪些？是如何进行分类的？