2.3　煤的組成結構與品質

2.3.1　煤的結構

煤炭不同于一般的高分子有機化合物或聚合物，它具有特別的復雜性、多樣性和非均一性。即使在同一小塊煤中，也不存在一個統一的化學結構。迄今為止尚無法分離出或鑒定出構成煤的全部化合物。人們對煤結構的研究，還只限于定性地認識其整體的統計平均結構，定量地確定一系列“結構參數”，如煤的芳香度，以此來表征其平均結構特征。為了形象地描述煤的化學結構，許多學者提出了各種煤的分子模型，但距完全揭示煤的真實有機化學結構仍然存在相當大的距離。

20世紀60年代以前的煤結構模型如圖2-2所示，煤是由大量的環狀芳烴通過各種橋鍵相連縮合在一起的，其中還夾著含S和含N的雜環，包含的縮合芳香環數平均為9個。縮合芳環數很高是60年代以前經典結構模型的共同特點。由于煤中夾雜著含S和含N的雜環，煤在燃燒過程中會有硫或氮的氧化物產生，從而污染空氣。

到了20世紀80年代，Wiser化學結構模型比較全面、合理地反映了煤分子結構的現代概念，可以解釋煤的熱解、加氫、氧化以及其他化學反應性質，也為煤化工的發展提供了理論上的依據，如圖2-3所示。從圖中可以看出，平均3～5個芳環或氫化芳環單位由較短的脂肪鏈和醚鍵相連，形成大分子的聚集體，小分子鑲嵌于聚集體孔洞或空穴中，可以通過溶劑抽提溶解出來。箭頭所指處為結合薄弱的橋鍵，隨著變質程度的增加，碳原子同芳香單元的鍵力增強，同時氫和氧的含量下降，芳香尺寸不斷增大。這一特性到低揮發煙煤后出現較大突變，而在無煙煤階段迅速增長。

近代多數人所接受的煤化學結構概念可以表達如下。

①煤結構的主體是三維空間高度交聯的非晶質的高分子聚合物，煤的每個大分子由許多結構相似而又不完全相同的基本結構單元聚合而成。圖2-4為煤的結構中大分子之間由側鏈互相聯結的示意模型。

②基本結構單元的核心部分主要是縮合芳香環，也有少量氫化芳香環、酯環和雜環。基本結構單元的外圍連接有烷基側鏈和各種官能團，如烷基側鏈主要有—CH₂—、—CH₂CH₂—等。官能團以含氧官能團為主，包括酚羥基、羧基、甲氧基和羰基等。此外還有少量含硫官能團和含氮官能團。基本結構單元之間通過橋鍵聯結為煤分子。橋鍵的形式有不同長度的次甲基鍵、醚鍵、次甲基醚鍵和芳香碳—碳鍵等。

③煤分子通過交聯及分子間纏繞在空間以一定方式定型，形成不同的立體結構。交聯鍵除了上述橋鍵外，還有非化學鍵作用力，如氫鍵力、范德華力和電子給予-接受力等。煤分子到底有多大，至今尚無定論，不少人認為基本結構單元數大致在200～400范圍，相對分子質量達到數千之大。

通過對煤炭結構的研究認識，在煤燃燒之前利用物理、化學或生物方法對其脫硫、脫硝、脫灰，對于合理利用煤炭資源具有重要意義。

2.3.2　煤的元素組成

煤的元素組成，是研究煤的變質程度，計算煤的發熱量，估算煤的干餾產物的重要指標，也是工業中以煤作燃料時進行熱量計算的基礎。

煤的變質程度不同，其結構單元不同，元素組成也不同。碳含量隨變質程度的增加而增加，氫、氧含量隨變質程度的增加而減少，氮、硫與變質程度無關（但硫含量與成煤的古地質環境和條件有關）。

煤中除無機礦物質和水分以外，其余都是有機質。構成有機分子的主要是碳、氫、氧、氮等元素。煤中存在的元素有數十種之多，但通常所指的煤的組成元素主要有五種，即碳、氫、氧、氮和硫。種類繁多含量很少的其他元素，一般不作為煤的元素組成，而只當作伴生元素或微量元素。

（1）碳元素

煤由帶脂肪側鏈的大芳香環和稠環所組成，這些稠環的骨架由碳元素構成。因此碳元素是組成煤的有機高分子的最主要元素。同時煤中還含有少量的無機碳，主要來自碳酸鹽類礦物，如石灰巖和方解石等。碳含量隨煤化度的升高而增加，泥炭的（干燥無灰基）碳含量為55%～62%；褐煤的碳含量增加到60%～76.5%；煙煤的碳含量為77%～92.7%；一直到高變質的無煙煤，碳含量可高達88%～98%。因此整個成煤過程，也是增碳過程。

（2）氫元素

氫是煤中第二個重要的組成元素。除有機氫外，在煤的礦物質中也含有少量的無機氫，它主要存在于礦物質的結晶水中。在煤的整個變質過程中，隨著煤化度的加深，氫含量逐漸減少。煤化度低的煤，氫含量大；煤化度高的煤，氫含量小。

（3）氧元素

氧是煤中第三個重要的組成元素，以有機和無機兩種狀態存在。有機氧主要存在于含氧官能團中，無機氧則主要存在于煤中的水分、硅酸鹽、碳酸鹽、硫酸鹽和其他氧化物中。煤中有機氧隨煤化度的加深而減少，逐漸趨于消失。

（4）氮元素

煤中的氮含量比較少，約為0.5%～3.0%。氮是煤中唯一的完全以有機狀態存在的元素。煤中有機氮化物是比較穩定的雜環和復雜的非環結構的化合物，其原生物可能是動、植物脂肪。植物中的植物堿、葉綠素和其他組織的環狀結構中都含有氮，而且相當穩定，在煤化過程中不發生變化，成為煤中保留的氮化物。以蛋白質形態存在的氮，僅在泥炭和褐煤中有發現，在煙煤中很少，無煙煤中幾乎沒有發現，這表明煤中氮含量隨煤的變質程度的加深而減少。

（5）硫元素

煤中的硫分是有害雜質，它能使鋼鐵熱脆，設備腐蝕，燃燒時生成的二氧化硫（SO₂）污染大氣，危害動、植物生長及人類健康。所以硫分含量是評價煤質的重要指標之一。煤中硫分的多少，似與煤化度的深淺沒有明顯的關系，而與成煤時的古地理環境有密切的關系。各種形態的硫分的總和稱為全硫分。根據煤中硫的賦存形態，一般分為有機硫和無機硫兩類。無論煤的變質程度高或低，都含有有機硫。所謂有機硫，是指與煤的有機結構相結合的硫。有機硫主要來自成煤植物中的蛋白質和微生物的蛋白質。煤中無機硫主要來自礦物質中各種含硫化合物，一般有硫化物硫和硫酸鹽硫兩種，有時也會有微量的單質硫。

（6）水分

煤中的水分，按其在煤中存在的狀態，可以分為外在水分、內在水分和化合水三種。

①外在水分，指煤在開采、運輸、儲存和洗選過程中，附著在煤的顆粒表面以及直徑大于10^-5cm的毛細孔中的水分。外在水分以機械的方式與煤相結合，蒸汽壓與純水的蒸汽壓相等，較易蒸發。

②內在水分，指煤在一定條件下達到空氣干燥狀態時所保持的水分。內在水分以物理化學的方式與煤相結合，以吸附或凝聚的方式存在于煤粒內部直徑小于10^-5cm的毛細孔中，蒸汽壓小于純水的蒸汽壓，較難蒸發。

外在水分與內在水分的總和稱為煤的全水分。

③化合水，指以化學方式與礦物質結合的，在全水分測定后仍保留下來的水分，即通常所說的結晶水和結合水。

（7）礦物質

煤中礦物質的主要成分有黏土、高嶺土、黃鐵礦和方解石等，礦物類型屬硅酸鹽、碳酸鹽、硫酸鹽、金屬硫化物和硫化亞鐵等。煤中礦物質一般有以下三個來源。

①原生礦物質，指存在于成煤植物中的礦物質，主要是堿金屬和堿土金屬的鹽類。它參與煤的分子結構，與有機質緊密結合在一起，在煤中呈細分散狀態分布，很難用機械方法洗選出去。這類礦物質含量一般僅為1%～2%。

②次生礦物質，指成煤過程中，由外界混入煤層中的礦物質。次生礦物質選除的難易程度與其分布狀態有關，若在煤中分散均勻，且顆粒較小，就很難與煤分離；若顆粒較大，在煤中較為聚集，則將煤破碎后利用密度差可將其選除。

③外來礦物質，指在采煤過程中混入煤中的頂、底板巖石和夾矸層中的矸石。外來礦物質的密度越大，塊度越大，越易與煤分離，用一般選煤方法即可除去。

2.3.3　煤炭的質量及分類

煤的用途廣泛，各個用戶對煤質都有一定的要求，而各地所產的煤，性質差別很大，為了合理地使用煤炭資源，滿足各種用戶的要求，必須對煤進行科學地分類。

（1）評價煤炭質量的主要指標

①水分，有內在水分和外在水分兩種，兩種水分之和稱為煤全水分，水分會降低煤的有效發熱量。

②灰分，也有內在灰分和外在灰分兩種，內在灰分是成煤植物中所含的無機物和成煤過程中混入的礦物質，外在灰分則是煤炭開采過程中混入的巖石碎塊。煤中的灰分多少影響到煤的發熱量。

③揮發分，是煤中有機質可燃體的一部分，主要成分是甲烷、氫及其他碳氫化合物。因為揮發分不是煤中固有的，而是在特定溫度下熱解的產物，所以確切地說應稱為揮發分產率。揮發分是煤分類的重要指標。煤的揮發分反映了煤的變質程度，煤的變質程度越小則揮發分越大，如泥炭的揮發分高達70%，褐煤一般為40%～60%，煙煤為10%～50%，高變質的無煙煤則小于10%。煤的變質程度越高，揮發分含量就越少。

④發熱量，是指單位質量的煤，完全燃燒時放出的熱量，煤的發熱量是煤炭的主要質量指標。煤的發熱量主要與煤的可燃元素（碳、氫）含量有關，因而也與煤的變質程度有關。

⑤膠質層厚度，反映了煤的黏結性，這一指標對煉焦用煤很重要，是工業用煤分類的一個重要指標。煤的膠質層厚度一般隨煤的變質程度而有規律地變化。

⑥硫分和磷分。硫是煤中的有害物質，燃燒時硫會變成二氧化硫、三氧化硫和硫化氫等有害氣體，腐蝕設備，污染大氣。煤炭按含硫量分為四類：低硫煤，<1.5%；中硫煤，1.5%～2.5%；高硫煤，2.5%～4%；富硫煤，>4%。

磷也是煤中的有害物質，我國煤的含磷量都比較低，一般為0.001%～0.1%。

（2）煤炭的分類

現在我國采用的是1986年頒布的中國煤炭分類國家標準（GB 5751—86）。見表2-1。