腐殖煤

高等植物的遗体经泥炭化作用和煤化作用转变而成的煤

腐殖煤又称腐植煤，高等植物的遗体经泥炭化作用和煤化作用转变而成的煤。

生成过程

经研究，成煤的植物在各地质年代是不同的，其中有3个最大的聚煤期，它们是：

(a)古生代的石炭纪和三迭纪，造煤植物主要是孢子植物；

(b)中生代的侏罗纪和白垩纪，造煤植物主要是裸子植物；

(c)新生代的第三纪，造煤植物主要是被子植物。

与此相对应的成煤的气候，地理和地质条件有：

(a)大地上有均匀的温度和潮湿的气候，适宜于地上的植物一代一代地繁茂生长；

(b)地形的起伏形成大的沼泽地带，有利于植物群的发展及残体堆积在水中；

(c)地壳的运动与死亡植物堆积速度相适应使之有可能保存植物残体，并转变沉积状态。从植物死亡到堆积转变成煤，需经过一系列的演变，大致可以分为两个阶段，即泥炭化阶段和煤化阶段。

(1)泥炭化阶段

死亡堆积在沼泽中的植物残体，逐渐与空气隔绝而出现弱氧化环境和还原环境；植物残体在转变过程中分解出的气体、液体和细菌新陈代谢的产物促使沼泽中介质的酸度增加，抑制了喜氧细菌，真菌的生存和活动；再加上植物中的防腐和杀菌成分(如酚类)逐类积累不利于微生物的生存和活动。以上种种变化，促使厌氧细菌所参与的各种合成作用占主导地位，在泥炭中产生了新的物质。植物转变成泥炭后，植物中含有的蛋白质在泥炭中消失了，木质素，纤维素等大为减少，而产生了植物中原先没有的大量的腐植酸(有时可高达40%)。

泥炭的厚度与植物的堆积速度(一般每年只有0。5～2毫米)及地壳变动有关，若地壳变动很小，植物生长又很茂盛，则泥炭的厚度可以很大，如由中生代，新生代第三纪的泥炭形成的煤层厚度可达100～200米。而现代泥炭和第四纪埋藏泥炭，一般只有几米厚，个别地区可厚达20米和30米。

泥炭中的杂质，如硫含量，与聚积地的地理位置有关，近海的由泥炭演化得到的许多煤层，硫含量都相当高，这是因为海水中的硫酸根离子，受脱硫弧菌的作用，使硫酸盐还原成为硫化氢，后者与沉积物中的铁离子作用形成水陨硫铁(FeS·nH2O)，水陨硫铁再进一步转化成黄铁矿，后者沉积在煤层中，形成煤中的无机硫。有时硫化氢与植物分解产物作用从而形成煤中的有机硫化合物。

聚积地环境对煤的还原程度也有影响。所谓还原程度是指煤中有机质在生成过程中由于各因素的影响而受到还原的程度。它与煤的元素组成，加工工艺性质和煤的分子结构特征有关。一般强还原煤的酚基和羰基含量都较低，氢键结构属于NH-O和NH-N类型，而弱还原煤，酚基和羰基含量都较高，氢键结构属于OH-O和OH-N类型。此外，强还原煤的氧化能力较弱还原煤小，热分解强度较弱还原煤为高。强还原煤，相应的泥炭是在碱性介质，停滞和厌氧的还原环境中，或在聚积和埋藏速度较快的条件下形成。而弱还原煤，相应的泥炭是在地壳运动较稳定的条件下形成的。

(2)煤化阶段

当在泥炭上面形成了岩石层顶板以后，成煤进入煤化阶段。这一阶段包括由泥炭变成褐煤→烟煤→无烟煤的整个阶段。这一系列变化是在不同深度的地壳内进行的，作用的主要因素是地壳温度，压力，作用时间等。

煤化阶段包括成岩作用阶段和变质作用阶段。一般认为从泥炭转变为褐煤是成岩作用阶段，而从褐煤开始转变为更高级煤的阶段是变质作用阶段。

当地壳下沉的速度超过植物堆积速度时，则泥炭堆积停止，粘土，泥沙堆积在泥炭上面，在长期的地质因素作用(如风化，剥蚀，搬运，沉积和固结成岩等)下逐渐形成了顶板。受温度，

顶板及顶板上泥土等的压力的影响泥炭被压实，脱水，增碳，孔隙度减少并逐渐固结，泥炭由无定形物质逐渐转化为岩石状的褐煤，故被称为成岩作用阶段。形成的褐煤不再含有大量未分解的植物组织及糖类等组分，腐植酸也大为减少，碳含量增加，氢，氧含量降低。

变质作用阶段，受温度，压力和时间的影响煤化程度不断加深，最后得到无烟煤。一般认为温度是促使煤化程度加深的主要因素。根据热源及其作用方式，变质作用可划分成三种类型：深成变质作用，岩浆变质作用和动力变质作用。

当岩浆侵入、穿过或靠近煤层或含煤岩系时，由于受岩浆本身带来的高温，挥发性气体产生的压力的影响引起煤变质程度增高称岩浆变质作用。其中最极端的例子是天然焦的生成，我国阜新煤田和山东淄博煤田都发现天然焦。

动力变质作用是指由于地壳构造变动促使煤发生变质作用，它主要是由压性或压扭性断裂引起，其影响范围不大，也没有规律性。

岩相组成

从地质学观点看，煤也是一种岩石，因此历史上有不少煤化学家研究煤的岩相组成，并对煤进行分类。煤岩学的研究有两种方法，即宏观研究法和微观研究法。

(1)宏观研究法

用肉眼观察煤的颜色，光泽，断口等来确定煤的煤岩成分。一般可将煤岩成分分为镜煤，亮煤，暗煤和丝碳。

①丝炭

外观像木炭，呈灰黑色，具有明显的纤维状结构和丝绢光泽，疏松多孔，性脆易碎。丝炭本身是软的，因空腔常被矿物质充填，逐渐变成矿化丝炭，矿化丝炭坚硬致密，相对密度大。在煤层中，丝炭一般数量不多，常呈扁平透镜体状沿煤的层面分布，厚1～2 mm，有时也能形成不连续的薄层。丝炭含氢量低，含碳量高，没有粘结性，低温焦油产率低，当它的空腔内含有黄铁矿时，容易发生氧化并引起自燃。灰分较高。不适宜作炼焦和低温干馏等的原料和动力燃料，但少量的(如低于5%)丝炭加到较肥的煤料中可起瘦化作用，对炼焦有利。丝炭一般不能液化。

②镜煤

呈黑色，光泽强，质均匀而脆，具有贝壳状断口。镜煤在煤层中常呈亮黑色，光滑玻璃状，透镜状或条带状，大多厚几mm到1～2 cm，有时呈纹理状夹在亮煤和暗煤中。在四种煤岩成分中，镜煤的挥发分和含氢量高，粘结性强，适宜于作炼焦，低温干馏，气化，液化等的原料。

③亮煤

亮煤是最常见的煤岩成分。不少煤层以亮煤为主，甚至全部由亮煤构成。亮煤的光泽仅次于镜煤，性较脆，相对密度小，均匀程度不如镜煤，表面隐约可见微细纹理。亮煤可以用作炼焦，气化，低温干馏等的原料。

④暗煤

暗煤光泽暗淡，一般呈灰黑色，致密，相对密度大，坚硬而具韧性。在煤层中，可以由暗煤为主形成较厚的分层，甚至单独成层。有结实的粒状结构，破碎时呈现细粒或暗淡粗糙的表面。暗煤不宜用来炼焦，但它是低温干馏的良好原料。

上述四种宏观煤岩成分是煤的岩相分类的基本单位，其中镜煤和丝炭一般只以细小的透镜体状或以不规则的薄层状出现，亮煤和暗煤虽然分层较厚，但常有互相过渡的现象，分层界限往往不很明显。因此在了解煤层的岩相组成和性质时，以它们为单位进行定量计算有困难，也不易了解煤层的全貌。故通常根据煤的平均光泽强度，煤岩成分的数量比例和组合情况来划分宏观煤岩类型。通常按同一剖面上相同煤化程度的平均光泽的强弱依次分为：光亮型煤，半亮型煤，半暗型煤和暗淡型煤四种宏观煤岩类型。

①光亮型煤

主要由镜煤和亮煤组成，光泽很强。由于成分较均一，通常条带状结构不明显。光亮型煤具有贝壳状断口，裂缝明显，脆度较大。显微镜下观察，凝胶化组分一般在85%以上。

②半亮型煤通常以亮煤为主，有时由镜煤，亮煤和暗煤组成，也可能有丝炭。平均光泽强度较光亮型煤稍弱，条带状结构清晰，裂隙较明显，常具有棱角状或阶梯状断口。在显微镜下观察，凝胶化组分含量一般在70%～80%左右。半亮煤是最常见的煤炭类型，如中国华北晚石炭纪煤层多半是由半亮煤组成的。

③半暗型煤由暗煤和亮煤组成，通常以暗煤为主，有时也有镜煤和丝炭的纹理，细条带和透镜体。半暗型煤的特点是光泽比较暗淡，硬度，韧性和相对密度较大。

④暗淡型煤主要由暗煤组成，有时有少量镜煤，丝炭透镜体。光泽暗淡，通常呈块状构造，致密，层理不明显，煤质坚硬，韧性大，比重大，无裂隙，个别煤田，如中国青海大通煤田有以丝炭为主组成的暗淡型煤。

应当指出，上述宏观煤炭类型在煤层中往往多次交替出现。

(2)微观研究法

这是利用显微镜来识别煤的显微组分的方法。按煤岩的成因特征，结构以及工艺性质，腐植煤的显微组分可以分为三类：凝胶化组分，丝炭化组分和稳定组分。

①凝胶化组分(镜质组)

这是最主要的显微镜组分。它是植物茎，叶的木质纤维组织经凝胶化作用形成的各种凝胶体。透射光下凝胶化组分透明，具有橙红色(指低变质程度的烟煤而言，下同)，反光色为灰色，油浸反光色为深灰色，没有突起，中国大多数煤田的煤都以凝胶化组分为主，一般占50%～80%，有些中生代的煤甚至达到90%以上。凝胶化组分由于凝胶化作用深浅不同，分解程度不同，又可细分为木煤，木质镜煤，镜煤以及凝胶化基质等组分。

②丝炭化组分(丝质组)

也是煤中最常见的显微组分，由木质纤维组织经丝炭化作用形成。透射光下呈黑色不透明，反光下突起高，呈白色，油浸反光色为白色到亮黄色。中国大多数煤田中丝炭化组分含量在10%～20%左右。如同凝胶化组分一样，丝炭化组分也可细分为丝炭，木质镜煤丝炭，丝炭化基质等组分。

③稳定组分(稳定组或壳质组)

它是成煤植物中化学稳定性强的组成部分，包括树脂，孢子，花粉，角质膜，木栓层等。透射光下透明，呈黄色，轮廓清楚，外形特殊，反光下呈深灰色，大多具有突起，油浸反光下呈灰黑色至黑灰色。

三种煤岩显微组分与四种宏观煤岩成分之间的关系可用图1简明扼要地表示出来。这种表示方法当然是相当粗糙的，因为如上所述，凝胶化组分和丝炭化组分是由多种成分组成的，因而得到的烟煤的特征和加工工艺是不一样的。

煤中除上述有机组分外，还有无机组分，常见的有粘土矿，黄铁矿，石英，方解石等，它们会给煤的燃烧，化学加工，环境保护等带来困难，已有将它们脱除的各种方法或已出现能

使用含不同无机杂质的煤炭的加工工艺和反应器。

对煤的岩相进行研究，不仅有学术意义，也可用来指导工业生产。例如，美国，日本，英国和苏联等国家都利用煤的岩相组成理论来指导煤炭分类及炼焦配煤，苏联甚至还将岩相组分用破碎的办法富集，从而得到高质量的炼焦用煤。

种类和特征

煤化学的研究已有150年的历史，煤的分子结构研究已有80年的历史。腐殖煤是由高等植物形成的。腐殖煤是因为植物的部分木质纤维组织在成煤的过程中曾将变成腐植酸这一中间产物而得名。绝大部分腐殖煤都是由植物中的木质素和纤维素等主要组分形成的。腐殖煤是近代综合利用的主要物质基础，也是煤化学研究的重点对象。根据煤化度的不同，他可分为泥炭，褐煤，烟煤，无烟煤四大类。各类煤具有不同的外表特征和特性，其典型的种类一般肉眼就能区分。

泥炭

泥炭（又称为草炭或是泥煤）是煤化程度最低的煤，是煤最原始的状态。随着周围环境的转变，如压力的加大，可以使泥炭变得更加坚固，使之成为无烟炭。泥炭形成以后，在上覆沉积物的压力及进一步菌解条件下，经过压紧和脱水变为褐煤。当褐煤继续受到地下温度和压力作用时，经煤化作用形成烟煤、无烟煤。性质泥炭呈块体，含水量一般为80～90%，泥炭比重一般为1.20～1.60，中国泥炭的发热量，多数为9.50～15.0兆焦/千克。泥炭质地松软，容易燃烧。分解度较低的泥炭多呈浅棕色和浅褐色，含有大量植物残体；分解度较高的泥炭多呈黑褐色和黑色，质地较硬，腐殖酸含量增高，植物残体不易辨认。泥炭中的有机质主要是纤维素、半纤维素、木质素、腐殖酸、沥青物质等。泥炭中腐殖酸含量常为10～30%，高者可达70%以上。泥炭中的无机物主要是粘土、石英和其他矿物杂质。中国泥炭磷含量常见值为0.04～0.17%；钾含量为0.5～1.3%。此外，氮的含量为1.5～2.0%。有的泥炭中还含有锗、镓、钒等稀散元素。有些泥炭的含油率很高，可达 5～14%。泥炭的形成是植物、水文、地貌和气候诸因素综合作用的结果，并受大地构造条件的制约。

泥炭的最新利用：美国气体技术研究最近利用以高压反应器，在每平方英寸三百磅压力的条件下将气化器的温度升高到摄氏八百三十度，成功的将含水量达75%的泥炭进行气化。维持一段时间，这些泥炭变成了泥炭燃料气体，从而使泥炭获得了新的用途。

褐煤

褐煤是泥炭成绩后经脱水实压转变为有机生物岩的初期产物，因外表呈褐色或暗褐色而得名。与泥炭相比，褐煤中腐植酸的方向核缩合程度有所增加，含氧官能团有所减少，侧链较短，侧链的数量也较少。由于腐植酸的相互作用，腐殖酸开始转化为中性腐殖质。根据褐煤的外表特征，可将褐煤分为土状褐煤、暗褐煤、亮褐煤三种。

1。影响褐煤利用最主要的因素是：

(1)褐煤极易氧化，低变质程度褐煤开采后露天一个星期就会完全风化成泥炭状。

(2)成堆的褐煤风化还会引起煤堆自燃，既浪费了资源又污染环境。

(3)褐煤含水较多，孔隙较多，且多为大孔，机械强度较低，在运输过程中造成运力过大且易破碎。

(4)褐煤有较高的含氧量，氧主要以含氧官能团和氧桥键存在，干馏过程中会在有氧处断裂，不易形成熔融的焦质体，不能用作炼焦煤。另外由于过高的含氧量，尽管褐煤在加氢液化中具较高的反应活性，但氧原子会消耗过多的氢，造成成本过高。低碳含量和高灰分使褐煤燃烧的发热量降低。低灰熔点使褐煤在燃烧中易结渣，降低了锅炉燃烧的效率。

2 褐煤改质的方法

(1)普通干燥方式(即蒸发干燥)干燥工艺通常从干燥温度、进料时间或产品时块煤还时粉煤等方面来进行分类。而在这些分类中，由于干燥设备、冷却方式不同以及干燥产品时是否稳定等原因，工艺也有区别。普通干燥方式即蒸发干燥的技术有很多种，包括固定床、流化床、回转窑和夹带系统等。因为这些工艺温度较低，不会永久的改变煤的结构。这种干煤的特性象海绵，一旦重新处于潮湿的空气或水中，又会迅速吸收失去的水分。

(2)热油干燥成浆，一般在常压下加热脱水。在两个阶段炭化工艺中，原料首先在热油中进行干燥。大部分油在第二阶段的烟气分离装置中回收再利用；小部分油被吸收，用于增加产品的稳定性和提高热值其工艺成本取决于所能回收的油的数量。

(3)热水干燥

热水干燥的机理是：热水干燥即将煤水混合物装入高压容器内，密闭抽真空后加热该高压容器，该反应过程是模拟褐煤在自然界中高温高压的变质过程，目的是使褐煤改质。处于高温高压热水中的褐煤的水分将会以液态形式排出。褐煤具有较长的碳氢侧链和大量的羧基(-COOH)、甲氧基(-OCH3)及羟基(-OH)等亲水性官能团，这些官能团都是以较弱的桥键结合的。热解脱掉褐煤分子结构上的侧链，减少了褐煤内在水分的重新吸附机会，同时褐煤在热解过程中产生的CO2、SO2等小分子气体将水分从毛细孔中排出；生成的煤焦油由于在较高的温度和压力下，不易从褐煤的缝隙和毛细孔中逸出，冷却后就会凝固在缝隙和毛细孔中，把褐煤的缝隙和毛细管封闭，减少了煤的表面积，使煤的内在水分被永久的脱除。

热水干燥褐煤有如下的特点：

(1)可以使褐煤水分降至11%以下，并可以保证以后的运、贮环节不再吸收空气中的水分。

(2)干燥过程中，去掉煤分子中的含氧侧链，相对的提高了煤中碳的含量，发热量也有较多的提高(一般可提高20%～30%)近5年，我国中高等变质程度的煤大量开采，而储量大、埋藏浅、易开采的低变质程度的褐煤却没有很好的利用，主要就是褐煤易于风化，开采后的褐煤还没来得及利用就风化变质，严重影响了褐煤的利用。为维持我国煤炭能源可持续开采利用，对褐煤的利用便显得至关重要，为此，改善褐煤利用的不利因素，拓宽褐煤的利用途径，提高褐煤利用效率是煤炭研究工作者又一新的研究课题。褐煤改质正是从影响褐煤利用的不利因素入手，把褐煤本身不利因素去除或转化成有利因素，以便发挥褐煤在煤炭中的重要作用。

烟煤

煤化程度高于褐煤而低于无烟煤的煤。其特点是挥发分产率范围宽，燃烧时有烟。烟煤是煤的一类。该种煤含碳量为75%～90%，不含游离的腐殖酸。大多数具有粘结性；发热量较高。燃烧时火焰长而多烟。多数能结焦，密度约1.2-1.5。挥发物约10%-40%。相对密度1.25～1.35，热值约27170-37200千焦/千克（6500-8900千卡/公斤）。挥发分含量中等的称做中烟煤；较低的称做次烟煤。燃烧时火焰较长而有烟的煤，煤化程度较大的煤。外观呈灰黑色至黑色，粉末从棕色到黑色。由有光泽的和无光泽的部分互相集合合成层状，沥青、油脂、玻璃、金属、金刚等光泽均有，具明显的条带状、凸镜状构造。烟煤的粘结指数是判别煤的粘结性、结焦性的关键性指标。

无烟煤

我国无烟煤资源极为丰富，且分布较为均衡，大部分地区均储有无烟煤，在国内大部分焦化企业周边也都有无烟煤，运距一般较近，将一定量的无烟煤配入炼焦是缓解炼焦煤资源短缺、扩大炼焦煤源的有效途径。涟钢地处湖南中部，周边的无烟煤储量较多，具备配无烟煤炼焦的有利条件。为了涟钢今后的发展，涟钢技术中心、焦化厂于2004年与武汉科技大学同合作进行了配无烟煤炼焦试验研究。

配无烟煤炼焦对焦炭质量的影响。无烟煤是一种高煤化度、高含碳量的煤，在参与结焦过程中本身是不熔融的，在炼焦过程中无烟煤的表面在其界面作用和界面反应过程中能吸附一部分活性组分热解的液相产物，使塑性体内液相量相对减少，调整配合煤的流动度和膨胀度，填充其裂纹孔泡空间，降低半焦收缩，改善半焦的气孔率及其孔壁结构，提高半焦及焦炭强度，并使焦炭的块度也得到改善，从而起到一个瘦化补强的作用。

无烟煤物理性质研究：

1、热稳定性

配无烟煤炼焦，无烟煤的热稳定性不好，在炼焦过程中的某些温度区间，就会产生爆裂，形成新的裂纹或裂纹中心，致使焦炭的裂纹增加，强度降低。通过对全部无烟煤样进行热稳定性分析，发现灰分较低的上述4种煤的热稳定性也较好，热稳定性指标TS+6按顺序分别为54.81%、47.85%、30.15%和62.25%，且它们的TS+6与TS3-6两值之和分别为73.2%、66.25%、51.99%和79.05%，一般认为TS+6与TS3-6的值大于60%后，无烟煤的热稳定性比较好。而除了这4种煤以外的其他煤种，其TS+6值只为20%左右，且TS+6与TS3-6之和也小，这些无烟煤不宜于进行配煤炼焦。

2、可磨性

煤的可磨性即为煤粉碎的难易程度。无烟煤与烟煤相比，硬度相对大，可磨性指数HGI小，在配煤过程中需要单独粉碎后，才能配入炼焦。因此选择无烟的可磨性是极为重要的。因为可磨性的好坏影响粒度与粒度分布，从而影响焦炭强度；另一方面，可磨性的好坏直接影响着无烟煤粉磨的动力消耗成本。我国动力煤可磨性指数的一般范围25~129，其中HGI大于86的煤为易磨煤，HGI小于62的煤为难磨煤，对前面已基本确定的四种无烟煤，它们的可磨性指数依次为131、191、82和127，说明这4种煤的可磨性都比较好。其他煤的可磨性通过测定，一部分煤可以，但有一部分煤可磨性较差。通过对涟钢高炉所用的全部无烟煤进行上述分析研究，最后选定A、B、C、D这4种无烟煤作为涟钢无烟煤配煤炼焦的选择煤种。

加工利用现状

1、泥炭加工利用

泥炭有广泛的用途。泥炭经气化可制成气体燃料或工业原料气；经液化可制成人造液体洁净燃料；泥炭焦化所得泥炭焦是制造优质活性炭的原料；用泥炭可以制造甲醇等多种化工原料；泥炭还是制造泥炭纤维板等建材和木材替代品的原料。泥炭还可以直接用做土壤改良剂和高质量的腐殖酸肥料。泥炭的开发和利用已引起国内外的广泛重视，近年来发展十分迅速。

2、褐煤加工利用

褐煤适宜成型做气化原料；其低温干馏煤气可用作燃料气，低温干馏的煤焦油经加氢处理可制取液体原料和化工原料；用褐煤半焦或瓷球作热载体对褐煤进行快速热分解是一种低、中温新法干馏工艺。可生产热值为18.84~20.93MJ/Nm3的优质城市煤气，焦油产率达6.0%~8.5%；将褐煤制成（蒽）油煤浆后催化加氢，褐煤有机质的80%可以转化成气态的液态产品，油收率约占35%；褐煤经溶剂抽提所得褐煤蜡，具有熔点高，化学、稳定性好、防水性强、导电性低耐酸、强度高和表面光亮等特性。可用作表面活性剂、表面光亮剂、疏水剂、色素溶剂和吸油介质等。但褐煤易风化破碎，故一般不宜长途运输。而我国的主要褐煤产地又多远离城市和大工业用户，因此，褐煤的开发利用是一个迫切需要解决的问题，应予以高度重视。

3、烟煤加工利用

在烟煤中，气煤、肥煤、焦煤和瘦煤都具有不同程度的粘结性。它们被粉碎后高温干馏时，能不同程度的“软化”“熔融”成为塑性体，然后再固化为块状的焦炭。传统观念认为这四种煤是炼焦的主要原料煤，故称之为炼；除此之外的其他煤没有或基本没有粘结性，只能用于低温干馏、造气或动力燃料等，故称之为非炼焦用煤。随着煤准备与炼焦工艺的发展，扩大了炼焦用煤的资源。新的炼焦技术已能使用所有的烟煤，甚至无烟煤作为原料成分，不在仅仅局限于气、肥、焦、瘦这四种煤。

4、无烟煤加工利用

无烟煤主要用作民用、发电燃料；制造合成氨的原料；制造碳电极、电极糊和活性炭等碳素材料的原料；煤气发生炉造气的燃料；低灰低硫、可磨性好的无烟煤还适于作新法炼焦的原料、高炉喷吹和烧结铁矿的原料；以及生产脱氧剂、增碳剂等。

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