煤及其特性

3.2.1　煤及其特性

1.煤的组成特性

煤是一种植物化石。古代丰茂的植物随地壳变动而被埋入地下，经过长期的细菌、生物、化学作用以及地热高温和岩层高压的成岩、变质作用，使植物中的纤维素、木质素发生脱水、脱CO、脱甲烷等反应，而后逐渐成为煤。

煤既然由植物形成，组成植物的有机质元素，碳、氢、氧和少量的氮、硫便是煤的主要元素。另外，在煤的形成、开采和运输过程中，加入的水分和矿物质（燃烧后成为灰分），也成为煤的组成成分。

煤的化学组成和结构十分复杂。但作为锅炉燃料使用，多数情况下我们只需了解它与燃烧有关的组成，如元素分析成分组成和工业分析成分组成，就能满足锅炉燃烧技术和有关热力计算等方面的要求。

（1）煤的元素分析

通常所说的元素分析是指对煤中碳、氢、氧、氮和硫的测定。煤的元素分析结果用各种元素的质量百分数表示。

煤的组成变化与煤的成因类型、煤的岩相组成和煤化度密切相关，各类煤的元素组成见表3.4。煤的元素组成对研究煤的成因、类型、结构、性质和利用等都有十分重要的意义。

表3.4　各类煤的元素组成（质量百分数）

采用元素分析仪进行煤的元素分析时，一般直接测定出C、H、N和S的含量，而氧含量一般用差减法来计算：

计算所得的氧含量，包括了对碳、氢、氮和硫等所有测定中的误差，是一个准确度不高的近似值。

在锅炉设计、热工试验和燃烧控制等方面都需掌握煤的元素分析成分组成。

（2）煤的工业分析

在煤的着火、燃烧过程中，煤中各种成分的变化情况是：将煤加热到一定温度时，首先水分被蒸发出来；接着再加热，煤中的氢、氧、氮、硫及部分碳所组成的有机化合物便分解，变成气体挥发出来，这些气体称为挥发分；挥发分析出后，剩下的是焦炭，焦炭就是固定碳和灰分。

计算煤中水分（M）、灰分（A）、挥发分（V）和固定碳（FC）等四种成分的质量百分数，称为煤的工业分析。煤的工业分析一般还应包括全硫和发热量。M、A和V是通过测定得到，而FC则由差减法计算得到。利用工业分析结果可初步判断煤的性质，作为煤合理利用的初步依据。

工业分析成分也可用“收到基”、“空气干燥基”、“干燥基”或“干燥无灰基”来表示。元素分析与工业分析成分间的关系如下：

图3.1　煤的成分图解

①水分。煤中水分的存在状态分为外在水分（M_f）、内在水分（M_inf）和结晶水。外在水分和内在水分属于游离水，结晶水则为化合水。

外在水分是指附着于煤粒表面的水和存在于直径大于0.1μm的毛细孔中的水分。这种水分以机械的方式，如附着吸附方式，与煤相结合，在常温下容易失去。在实验室中为制取分析煤样（空气干燥煤样），一般在45～50℃下放置数小时，使其与大气湿度相平衡以除去外在水分。含有外在水分的煤称为收到基煤（ar），失去外在水分的煤称为空气干燥基煤（ad）。外在水分多少与外界条件及煤的粒度有关，而与煤质无关。

内在水分是指吸附或凝聚在煤粒内部毛细孔（直径小于0.1μm）中的水分。由于这部分水以物理化学方式与煤相结合，故较难蒸发除去。一般规定，把空气干燥煤在105～110℃的条件下，干燥1.0～1.5h所失去的水分称为内在水分。失去内在水分的煤称为干燥煤。

煤样在温度为30℃，相对湿度为96%的大气气氛中达到平衡时，即煤颗粒中毛细孔所吸附的水分达到饱和状态时，内在水分达到最高值，称为最高内在水分（moisture with highest content or moisture holding capacity^［1］，MHC）。由于煤的孔隙率与煤化度有一定关系，因此，煤的最高内在水分也能在一定程度上反映煤化度。不同煤种的最高内在水分和内在水分含量见表3.5。由此表可见，中等变质程度的烟煤，即肥煤和焦煤的最高内在水分和空气干燥基水分（基本上为内在水分）最低，这与它们的孔隙率是一致的。

表3.5　煤的最高内在水分和空气干燥基水分（质量百分数）

①空气干燥基水分，M_ad

结晶水是指以化学方式与煤中矿物质结合的水，如存在于高岭土（Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O）和石膏（CaSO₄·2H₂O）中的水。结晶水需要在200℃以上才能从煤中分解析出。

煤的外在水分和内在水分的总和称为全水分（M_t）。工业分析一般只测定煤样的全水分和空气干燥煤样的水分。表3.3中的换算系数K并不适用于水分的换算。水分之间的换算公式为

式中：M_t为燃料的全水分，即收到基水分M_ar；M_f为燃料的外在水分，以收到基为基准；M_inf为燃料的内在水分，即空干基水分M_ad。

②灰分。煤中灰分是指煤样中所有可燃物质在规定条件下（815±10℃）完全燃烧时其中的矿物质经过一系列分解、化合等复杂反应后所剩余的残渣或称为固体残留物。煤中灰分全部来自煤中的矿物质，但它的组成或重量与煤中的矿物不完全相同，确切地说煤中灰分是矿物质的灰分产率^［2］。

煤中矿物质以氧化物的形态存在。煤中矿物质是由原生矿物质、次生矿物质和外来矿物质三个部分构成。原生矿物质即原始成煤植物含有的矿物质。它参与成煤，很难除去。一般不超过1%～2%。次生矿物质为成煤过程中，由外界（如沼泽中的泥砂）混入到煤层中的矿物质。通常这类矿物质在煤中的含量在10%以下，可用机械的方法部分脱除。外来矿物质为采煤时从煤层顶板、底板和夹石层掉入煤中的矿物质。它的含量随煤层结构的复杂程度和采煤方法而异，一般为5%～10%，高的可达20%以上。这类矿物质用重力洗选容易除去。原生矿物质和次生矿物质合称为内在矿物质，来自内在矿物质的灰分，称为内在灰分。外来矿物质所形成的灰分，称为外在灰分。

③挥发分。煤样在规定条件下隔绝空气加热，煤中的有机质受热分解出一部分分子量较小的液态（此时为蒸汽状态）和气态产物，这些产物称为挥发物。挥发物占煤样重量的百分数，称为挥发分产率或简称为挥发分。挥发分的测定结果有时受煤中矿物质的影响，当煤中碳酸盐含量较高时，有必要对测得的挥发分值加以校正。

煤的挥发分主要是由有机质中的支链和一些结合较弱的环裂解而成。此外，还有一部分是无机质分解产生的。挥发分的组成比较复杂，它不仅包括了简单的有机化合物和无机化合物（如H₂O、H₂S、CO₂、CH₄、C_nH_m，…），而且还含有许多复杂的有机化合物以及少量不挥发的有机质剧烈氧化（燃烧）的产物。总的来说，煤的挥发分主要是有机化合物组成的。因此，可以根据挥发分产生率来判断煤中有机物的性质，初步确定煤的用途。应该强调指出，煤的挥发分产率及其组成不是固定的，它因煤种和矿物质含量不同而异，并且还受测定时操作条件的影响。即使是同一种煤，由于加热时间的长短、温度高低、速度的快慢等不同，都会使煤的挥发分产率和组成发生变化。因此，测定挥发分产率的规范性很强^［2］。

挥发分随煤化度加深而有规律地降低，在烟煤阶段，挥发分与煤的镜质组反射率呈良好的线性关系，可用来初步估计煤的种类和化学、工艺性质以及确定加工途径。挥发分的测定方法简易、快速、设备简单，所以大多数国家仍采用它作为煤炭工业分类和煤炭贸易中的重要指标之一。煤用于炼焦时，还可根据挥发分预测焦化产品的收率。挥发分测定后的固体残留物称为焦渣。由焦渣的形状和特征可得出一系列序号，用以初步估计煤的粘结性和膨胀性。

④固定碳。煤的固定碳是指从煤中除去水分、灰分和挥发分后的残留物，即

式中：FC_ad为分析煤样的固定碳，%；M_ad为分析煤样的水分，%；A_ad为分析煤样的灰分，%；V_ad为分析煤样的挥发分，%。

所谓煤中的固定碳，实际上是煤中有机质在隔绝空气加热时热分解的残留物。有机质元素组成和焦炭一样，不仅含有碳元素，而且还含有氢、氧、氮等元素。因而固定碳含量与煤中有机质的碳元素含量是两个不同的概念，就数量上来说，煤的固定碳小于煤中有机质的碳含量，只有在高变质程度煤中两者才趋于接近。固定碳和挥发分之比（FC/V）称为燃料比，其值的大小也可用来初步判断煤的种类及工业用途。

煤的工业分析要在一定条件下进行，才能测定各种成分的质量百分数。按照国家标准（GB211—1996《煤的全水分测定法》及GB212—2001《煤的工业分析测定法》）的规定。测定方法有多种。

煤在隔绝空气的条件下加热（900℃±10℃，持续7min），分解出来的气（汽）态物质剔除水分后称为煤的挥发分，用符号V表示。剩下的不挥发物质称为焦渣。焦渣除去灰分成为固定碳，用符号FC表示。用挥发份、固定碳、灰分、水分分析煤的组分称为煤的工业分析成分^［3］，工业分析成分用各种基表示如下：

2.煤的发热量

煤的发热量是指单位质量的煤在完全燃烧时所释放出的热量，单位是kJ/kg。煤的发热量常用弹筒发热量、高位发热量和低位发热量来表示。

（1）弹筒发热量

煤的发热量一般采用氧弹量热法来测定。氧弹式量热计如图3.2所示，其中的主要部件——氧弹，见图3.3。测量时将一定量的煤样放入不锈钢制的耐压弹型容器中，用氧气瓶将氧弹充氧至2.6～2.8MPa，为容器中煤样的完全燃烧提供充分的氧气。利用电流加热弹筒内的金属丝使煤样着火，试样在压力和过量的氧气中完全燃烧，产生CO₂和H₂O。燃烧产生的热量被氧弹外具有一定质量的环境水吸收，根据水温的上升并进行一系列的温度校正后，可计算出单位质量煤燃烧所产生的热量，用Q_b，v，ad表示。

图3.2　氧弹式量热计

1—外筒；2—内筒；3—外筒搅拌器；4—绝缘支柱；5—氧弹；6—盖子；7—内筒搅拌器；8—普通温度计；9—电动机；10—贝克曼温度计；11—放大镜；12—振动器；13—记时指示灯；14—导杆

图3.3　氧弹结构图

1—进气管；2—弹筒；3—盖圈；4—弹簧环；5—进气阀；6—螺帽；7—电极柱；8—圆孔；9—针形阀；10—弹头，11—金属垫圈；12—橡胶垫圈；13—金属导杆；14—防火罩；15—燃烧皿

由于燃烧反应有不同的条件（主要是恒压和恒容的区别），燃烧的产物的状态有不同的指定（主要是液态和气态），煤的发热量根据不同的用途存在几种不同的定义。

（2）高位发热量

煤的恒容高位发热量是指在弹筒的恒定容积下测定，并假定燃烧产生的气体中所有的气态水都冷凝为同温度下的液态水的规定条件下，单位质量的煤完全燃烧后放出的热量。

若煤样在开放体系中燃烧，煤中氮和硫分将别以游离氮和SO₂的形式逸出。在弹筒内煤的燃烧是在高温高压下进行，所以试样和弹筒内空气中的氮生成氮氧化物并溶解在水中变为稀硝酸；同样的原因，煤中的硫则生成稀硫酸。上述稀硝酸和稀硫酸的生成及溶解于筒内预先加入的水均为放热反应。从弹筒发热量中减去硝酸、硫酸的生成热和溶解热后即得到煤的恒容高位发热量，计算式如下^［4］：

式中：Q_gr，v，ad为煤的空气干燥基恒容高位发热量，kJ/kg；Q_b，v，ad为煤的空气干燥基弹筒发热量，kJ/kg；S_b，ad为由弹筒洗液测得的煤空气干燥基含硫量，%；95为煤中每1%的硫的校正值，kJ；α为硝酸生成热的比例系数，其值与Q_b，v，ad有关。当Q_b，v，ad≤16700kJ/kg时，α＝0.001；当16700kJ/kg＜Q_b，v，ad≤25100kJ/kg时，α＝0.0012；当Q_b，v，ad＞25100kJ/kg时，α＝0.0016。

前述各种基准的换算可应用于高位发热量的换算。例如，由空气干燥基高位发热量Q_gr，ad换算为收到基高位发热量Q_gr，ar的计算式为

（3）低位发热量

煤的恒容低位发热量是指在弹筒的恒定容积下测定，并假定燃烧产生的水以同温度下的气态水存在的规定条件下，单位质量的煤完全燃烧后放出的热量。恒容低位发热量的定义，主要是考虑到煤在常规燃烧时水呈蒸汽状态随燃烧废气排出，它的数值可以从高位发热量中减去水的汽化热求得。由于在实际的燃烧过程中，炉内温度很高，水要吸收蒸发潜热变为水蒸气，氢燃烧后生成的水，同样也吸热变为水蒸气，即都要吸收煤燃烧时放出来的一部分热量，而在锅炉运行时，为了避免尾部受热面的低温腐蚀，排烟温度常在120℃以上，烟气中的水蒸气不会凝结。水蒸气吸收的蒸发潜热便被带走，不能利用，所以煤的发热量便相应减少。

我国和大多数国家一样，在锅炉设计和计算中，采用低位发热量。但煤的发热量又由弹筒式量热计中实测得来，测得的是弹筒发热量，因此要经过换算。工业上多采用收到基低位发热量。

由空气干燥基恒容高位发热量换算为收到基恒容低位发热量的计算式为

式中：Q_net，v，ar为收到基恒容低位发热量，kJ/kg；Q_gr，v，ad为空气干燥基恒容高位发热量，kJ/kg；H_ad为空气干燥基氢含量，%；M_t收到基全水分，%；M_ad空气干燥基水分，%。

煤的恒压低位发热量Q_net，p，ar，是指在恒定压力下测定，并假定燃烧产生水以同温度下的气态水存在的规定条件下，单位质量的煤完全燃烧后放出的热量。恒压低位发热量的定义，主要是考虑到煤在实际燃烧中处于恒压状态而不是恒容状态，它的数值与生成气体的膨胀功有关，可以从高位发热量换算求得

（4）发热量近似计算

煤的发热量除了用氧弹法直接测量外，还可以利用煤的工业分析或元素分析数据进行近似计算^{［1，3，4］}。例如，煤的发热量和干燥无灰基元素成分之间的关系可用如下经验式来表示：

Q_net，daf＝k₁C_daf＋k₂H_daf＋62.8S_daf－104.7O_daf－20.9（A_d－10）　kJ/kg

对于C_daf＞95%或H_daf≤1.5%的煤，式中的系数k₁＝327，对于其它煤k₁＝335；对于C_daf＜77%的煤，系数k₂＝1256，对于其它煤k₂＝1298。上式可用来复核提供设计的煤质资料。锅炉设计应以实测值为准。

在工业上为核算企业对能源的消耗量，统一计算标准，便于比较和管理，采用标准煤的概念。规定以收到基低位发热量为29300kJ/kg的燃料，称为标准煤。即每29300kJ的热量，可换算成1kg的标准煤。火力发电厂的煤耗就是按每发1kW·h的电，所消耗标准煤的kg（或g）数来计算的。

（5）折算成分

在实际中，如果甲、乙两种煤具有相同的水分含量而发热量不同，例如，A种煤的发热量高于B种煤，那么需要产生同样多的热量时，由A种煤带入锅炉的水分则会少于B种煤。因此，为了比较煤中各种有害成分（水分、灰分及硫分）对锅炉工作的影响，更好地鉴别煤的性质，不应简单地用含量的百分比来比较，而应该以发出一定热量所对应的这些成分来比较。通常引入折算成分的概念。

目前有两种折算的方法。第一种方法规定把相对于每4182kJ/kg（即1000kcal/kg）收到基低位发热量的煤所含的收到基水分、灰分和硫分，分别称为折算水分、折算灰分和折算硫分，其计算公式为

折算水分

折算灰分

折算硫分

如果燃料中的M_ar，zs＞8%，称为高水分燃料；A_ar，zs＞4%，称为高灰分燃料；S_ar，zs＞0.2%，称为高硫分燃料。这种折算方法曾得到了最为广泛的应用^{［3，5－7］}。

第二种折算方法用每MJ所对应的这些成分的质量来表示，就是按每MJ所折算出的成分^［8］，因此称其为折算成分含量（以下角标zs表示）。这样对水分来说

式中：M_zs为每兆焦所对应的水分的克数，g/MJ。

同样，对灰分、硫分可有

可以看出，同由上述两种折算方法得到的折算成分数值上相差0.4182倍。后一种方法得到的数值更大。

3.高温下煤灰的熔融性

（1）煤灰的熔融性及其三个特征温度的测定

煤燃烧后残存的煤灰不是一种纯净的物质，没有固定的熔点，即没有固态和液态共存的界限温度。煤灰受热后，从固态逐渐向液态转化，这种转化的特性就是熔融性。表示煤灰熔融性的方法，各国不尽相同，但都是在严格规定的试验条件下，将煤灰制成特定的形状，然后在不断加热情况下观察其形态变化与温度的关系。

我国采用国际上广泛采用的角锥法来测定煤灰的熔融性。将煤灰制成高20mm、底边长

图3.4　灰锥的变形和表示熔融性的三个特征温度

DT—变形温度；ST—软化温度；FT—流动温度

为7mm的等边三角形锥体，将此锥体放在可以调节温度的、并充满弱还原性（或称半还原性）气体的专用硅碳管高温炉或灰熔点测定仪中，以规定的速度升温。加热到一定程度后，灰锥在自重的作用下，开始发生变形，随后软化和出现液态。根据灰锥在受热过程中形态的变化，用下列三种形态对应的特征温度来表示煤灰的熔融性，如图3.4所示。

①变形温度DT。灰锥顶端开始变圆或弯曲时的温度。

②软化温度ST。灰锥锥体至锥顶触及底板或锥体变成球形或高度等于或小于底长的半球形时所对应的温度。

③流动温度FT。锥体熔化成液体或展开成厚度在1.5mm以下的薄层，或锥体逐渐缩小，最后接近消失时对应的温度。流动温度也称熔化温度。

DT、ST和FT是液相和固相共存的三个温度，不是固相向液相转化的界限温度，它们仅表示煤灰形态变化过程中的温度间隔。DT、ST、FT的温度间隔对锅炉工作影响很大，如果温度间隔很大，那就意味着固相和液相共存的温度区间很宽，煤灰的粘度随温度变化很慢，这样的灰渣称为长渣。长渣在冷却时可长时间保持一定的粘度，故在炉膛中易于结渣；反之，如果温度间隔很小，那么灰渣的粘度就随温度急剧变化，这样的灰渣称为短渣。短渣在冷却时其粘度增加得很快，只会在很短时间内造成结渣。一般认为，DT、ST之差值在200～400℃时为长渣，100～200℃时为短渣。

值得指出的是，有时也采用四个特征温度来表示煤灰的熔融性。即除上述三个温度外，还有一个所谓的半球温度^［3，9］。

（2）影响煤灰熔融性的因素分析

主要是煤灰的化学组成和煤灰周围高温的环境介质（气氛）性质会影响煤灰的熔融性，前者是内因，后者是外因，但两者又相互影响。

①煤灰的化学组成。煤灰的化学组成比较复杂，通常以各种氧化物的百分含量来表示，可以分为酸性氧化物和碱性氧化物两种。酸性氧化物如SiO₂、Al₂O₃和TiO₃，碱性氧化物则有Fe₂O₃、CaO，MgO、Na₂O和K₂O等。这些氧化物在纯净状态下，其灰熔点大都很高，而且发生相变的温度是恒定不变的，如表3.6所示。

表3.6　煤灰中常见的纯净氧化物的熔化温度

一般认为，煤灰中的Al₂O₃能提高灰熔点。根据经验，Al₂O₃含量大于40%时，ST一般都超过1500℃，大于30%时，ST也在1300℃以上。而煤灰中的碱性氧化物，则会使煤灰的灰熔点降低。

然而，煤中矿物质大都以多种复合化合物的混合物的形式存在。燃烧生成的灰分也往往是多种组合成分结合成的共晶体。这些复合物的共晶体的熔化温度要比纯净氧化物的熔化温度低得多，如表3.6和表3.7所示。而且没有明确固定的由固相转变为液相的相变温度。从个别组分开始相变到全部组分完全相变，要经历一个或长或短的温度区域。在这个温度区域内，煤灰中各组分之间也可能互相反应，生成具有更低熔点的共晶体，也可能进一步受热分解成熔点较高的化合物。而且低熔点的共晶体也有熔化其它尚呈固相矿物质的性能。因而使煤灰的某些成分可在大大低于它的灰熔点温度下熔化，而使煤灰组分的熔化温度低于表3.7所列的温度。

表3.7　几种复合化合物的熔化温度

②煤灰周围高温介质（气氛）的性质。在锅炉炉膛中，煤灰周围的高温介质主要有两种，一是氧化性介质，即介质中含有氧和完全燃烧产物，这种氧化性介质主要产生在燃烧器出口的一段距离以及炉膛出口部位，二是弱还原性介质，即气体中含氧量很少，主要由完全燃烧产物和不完全燃烧产物组成，这种弱还原性介质主要产生在煤粉炉前部的局部部位。

介质的性质不同，灰渣中的铁具有不同的形态。例如在氧化介质中，铁呈氧化铁（Fe₂O₃）状态，熔点较高，在还原性介质中，铁呈金属Fe状态，熔点也高，但在弱还原性介质中，铁呈FeO状态，熔点也有1377℃，但FeO最容易与灰渣中的SiO₂形成低熔点的2FeO·SiO₂，其熔点很低，仅为1065℃。

如果在锅炉炉膛中燃烧过程组织得不好，就会出现不完全燃烧产物，炉膛中的介质便是弱还原性介质，会使灰熔点下降而导致炉内结渣。

4.焦炭的特性

焦炭的外形特征与煤种有关，可作为煤炭分类的一项参考指标。一般把焦炭特征分为8类，用来初步鉴定煤的粘结性、熔融性和膨胀性。

①粉状。焦炭全部成粉末状，无粘着的颗粒。

②粘着状。以手指轻压，即碎成粉状。

③弱粘结。以手指轻压，即碎成小块。

④不熔融粘结。以手指用力压，才裂成小块，焦炭的上表面无光泽，下表面稍有银白色光泽。

⑤不膨胀熔融粘结。焦炭成扁平的饼状，碳粒界限不清，表面有明显的银白色金属光泽，下表面尤为明显。

⑥微膨胀熔融粘结。用手指压不碎，在焦炭上、下表面均有银白色金属光泽，但在上表面有微小的膨胀泡。

⑦膨胀熔融粘结。焦炭上、下表面均有银白色金属光泽，且明显膨胀，但膨胀高度不超过15mm。

⑧强膨胀熔融粘结。焦炭上、下表面均有银白色金属光泽，膨胀高度大于15mm。