煤化学与煤阶

,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,煤化学是研究煤的成因、组成、性质、结构、分类和反应，以及它们之间相互关系的一门学科。煤中有机质元素主要是碳，其次是氢，还有氧、氮和硫等元素。它们以结构十分复杂的大分子形式存在，这些煤的有机质大分子是由许多结构相似的单元所组成；单元的核心是缩合程度不同的芳环，还有一些脂肪环和杂环，环间由氧桥或次甲基桥连接而形成大分子；环上侧链有烷基、羟基、羧基或甲氧基等。,第,二,节 煤,化学,与煤阶,第,二,节 煤,化学,与煤阶,表,2-1,煤的元素组成,组成,泥,炭,褐,煤,烟,煤,无烟煤,C%,60,70,70,80,80,90,90,98,H%,5,6,5,6,4,5,1,3,O%,25,35,15,25,5,15,1,3,煤的分子结构随煤化程度的加深而愈来愈复杂。但都以芳核结构为主，还具有烷基侧链和含氧、含氮、含硫基团，近似组成为（,C135,97,9N,）,n,。,问题,3,：不同煤的元素组成是怎样变化的？,第,二,节 煤,化学,与煤阶,图,2-5,不同类型煤的基础结构单元示意图,根据肉眼观察煤炭带的光泽亮度或暗度来描述煤组成的分类，可分为四种煤岩类型：镜煤、亮煤、暗煤和丝炭。,镜煤主要由镜质体组成，也存在少量的惰质组和壳质组显微组分，显亮黑色条带状。镜煤易碎且脆，因此在割理形成起着重要作用。,亮煤是煤炭中较亮的煤岩类型，但是亮煤不如镜煤明亮。它含有较少的镜质组和较多的惰质组和壳质组。惰质组的存在，阻碍裂缝的形成；惰质组坚硬，不易粉碎。,暗煤是一个光泽暗淡煤岩类型。它比镜煤或亮煤含有更多的矿物质和惰质组。暗煤坚硬，难以破碎。因此，它以块状而不是细粒形式存在。暗煤不利于煤层的渗透性。,丝炭类似木炭，纤维状、柔软、易破碎。在煤层气形成过程丝炭是最不重要的煤岩类型。,第,二,节 煤,化学,与煤阶,煤的工业分析属于煤的化学组成的研究内容之一，是水分、灰分、挥发分和固定碳四个项目煤质分析的总称。通常煤的水分、灰分、挥发分是直接测出的，而固定碳是用差减法计算出来的。工业分析中灰分、固定碳、挥发物和水分的百分比，有以下几个基准：,收到基准,基于煤由水分、固定碳、挥发物质和灰分四个部分组成所测得百分数，煤在实验室储存的环境，接近煤在煤层中储存的条件。,无灰分基准（,af,）,基于煤由水分、挥发物质和固定碳组成，所测得各组分的百分比。,干燥基准（,d,）,基于煤由挥发物质、固定碳和灰分三部分组成，所测得组分的百分比。,干燥无灰基准（,daf,）,基于煤由固定碳和挥发物质两部分组成，所测得组分的百分比。,第,二,节 煤,化学,与煤阶,通过元素分析可以了解煤的化学组成及其含量，通过工业分析可以初步了解煤的性质，大致判断煤的种类和用途。煤的工业分析包括对水分、灰分、挥发分的测定和固定碳的计算四项内容。,（,1,）水分,水分是指单位重量的煤中水的含量。煤中的水分有,外在水分、内在水分和结晶水,三种存在状态。一般以煤的内在水分作为评定煤质的指标。煤化程度越低，煤的内部表面积越大，水分含量越高。,（,2,）灰分,灰分是指煤在规定条件下完全燃烧后剩下的固体残渣。它是煤中的矿物质经过氧化、分解而来。可将煤层灰分含量分为高灰份（,40,）、较高灰分（,40,25,）、中灰分（,25,15,）、低灰分（,15,）。,第,二,节 煤,化学,与煤阶,（,3,）挥发分,挥发分是指煤中的有机物质受热分解产生的可燃性气体。它是对煤进行分类的主要指标。煤的挥发分产率与煤化程度有密切关系，煤化程度越低，挥发分越高，随着煤化程度加深，挥发分逐渐降低。,（,4,）固定碳,测定煤的挥发分时，剩下的不挥发物称为焦渣。焦渣减去灰分称为固定碳。它是煤中不挥发的固体可燃物，可以用计算方法算出。,灰分越高，热效率越低；燃烧时，熔化的灰分还会在炉内结成炉渣，影响煤的气化和燃烧，同时造成排渣困难；炼焦时，全部转入焦炭，降低了焦炭的强度，严重影响焦炭质量。煤灰成分十分复杂，成分不同直接影响到灰分的熔点。灰熔点低的煤，燃烧和气化时，会给生产操作带来许多困难。,第,二,节 煤,化学,与煤阶,用数量表示的煤化过程程度或成熟度称为,煤阶,，即煤的“化学”变化阶段，或是煤变质系列中的阶段。煤阶的划分与煤的微观组成有关。,煤的显微组分中主要包括,镜质组、壳质组和惰质组,。镜质组化学结构主要由具短脂肪链与含氧官能联结的芳香结构所组成，因主要来源于木质-纤维素组织而具有低氢、高氧的特征。高氢镜质组可能具有氢化芳香结构，比较富含烃基团。镜质组（尤其是均质镜质体）致密、均匀、块体大，有利于割理顺利延伸和发展；含量介于46.45%93.75%之间，平均为77.30%以基质镜质体为主，结构镜质体和均质镜质体含量不高。,第,二,节 煤,化学,与煤阶,问题,4,：什么是煤阶？确定煤阶的参数有哪些？,研究表明，,镜质组,对煤的生气量及储层物性的贡献最大。镜质组发育的煤层，一般内生裂隙较发育，渗透率越高。通常用于确定煤阶的参数为,“,镜质体反射率,”,。镜质组分是煤中最常见、最重要的组分，含氧量高，碳和氢的含量居中，在中国大多数晚古生代煤中，镜质组含量在55%80%以上。镜质体反射率指在显微镜下，于油浸及546nm波长条件下镜质组的反射光强度与垂直入射光强度的百分比，以R,o,()表示，其值随煤阶的增高而增加。,当R,o,4.0时为高煤阶，如无烟煤；,当R,o,0.35时为低煤阶，如褐煤；,当0.35R,o,3,2-8,92,92,半无烟煤,2.05-3.00,8-14,86-92,91-92,低挥发性的烟煤,1.50-2.05,14-22,78-86,89-91,中挥发性的烟煤,1.10-1.50,22-31,69-78,86-89,高挥发性的烟煤,A,0.71-1.10,31-39,69,81-86,高挥发性的烟煤,B,0.57-0.71,39-42,76-81,高挥发性的烟煤,C,0.47-0.57,42-47,66-76,亚烟煤,47,37%,，黏结指数,G35,，胶质层最大厚度,y25mm,的煤。这类煤的特点是，挥发分特别高、,黏结性,强弱不等。第二类是,Vdaf,28%,37%,，,G50,65,的煤。其特点是：,挥发分,高、黏结性中等。,第,二,节 煤,化学,与煤阶,肥煤是变质程度中等的烟煤。单独炼焦时，能生成熔融性良好的焦炭，但有较多的横裂纹，焦根部分有蜂焦。肥煤,挥发物,一般较高。胶质层较厚。,粘结性,强，加热时产生大量,胶质体,，单独炼焦时生成的,焦炭,，熔融性好，,耐磨性,大，故为,炼焦煤,。,焦煤（,coking coal,）也称冶金煤，是中等及低挥发分的中等粘结性及强粘结性的一种烟煤。在中国煤炭分类国家标准中，是对煤化度较高，结焦性好的烟煤的称谓。又称主焦煤。,第,二,节 煤,化学,与煤阶,瘦煤是,烟煤,的一类。对煤化度较高的烟煤的称谓。低,挥发分,的中等,粘结性,的,炼焦用煤,。单独炼焦时，大部分能结焦。焦炭的块度大、裂纹少，但熔融较差，耐磨强度低。,贫煤是变质程度高、挥发分最低的烟煤，不结焦。贫煤燃烧时火焰短，耐烧，通常作为工业和民用,燃料,。,第,二,节 煤,化学,与煤阶,问 题,问题,1,：成煤作用包括哪两个阶段？,问题,2,：煤层气是怎样形成的？,问题,3,：不同煤的元素组成是怎样变化的？,问题,4,：什么是煤阶？确定煤阶的参数有哪些？,问题,5,：,Langmuir,方程,及其意义是什么？,问题,6,：煤储层特征参数有哪些？,问题,7,：煤层气的赋存状态是怎样转化的？,问题,8,：煤层气的赋存条件有哪些？,问题,9,：煤层气藏的概念是什么？,问题,10,：煤层气藏的边界可分为哪几类？,讨论：高低 煤层气藏的差异有哪些？,