什么是煤炭灰分

2、煤的灰分

煤的灰分，是指煤完全燃烧后剩下的残渣。因为这个残渣是煤中可燃物完全燃烧，煤中矿物质（除水分外所有的无机质）在煤完全燃烧过程中经过一系列分解、化合反应后的产物，所以确切地说，灰分应称为灰分产率。

（1）煤中矿物质

煤中矿物质分为内在矿物质和外在矿物质。

a.内在矿物质，又分为原生矿物质和次生矿物质。

原生矿物质，是成煤植物本身所含的矿物质，其含量一般不超过1～2%；次生矿物质，是成煤过程中泥炭沼泽液中的矿物质与成煤植物遗体混在一起成煤而留在煤中的。次生矿物质的含量一般也不高，但变化较大。

内在矿物质所形成的灰分叫内在灰分，内在灰分只能用化学的方法才能将其从煤中分离出去。

b.外来矿物质，是在菜煤和运输过程中混入煤中的顶、底板和夹石层的矸石。外在矿物质形成的灰分叫外在灰分，外在灰分可用洗选的方法将其从煤中分离出去。

（2）煤中灰分

煤中灰分来源于矿物质。煤中矿物质燃烧后形成灰分。如粘土、石膏、碳酸盐、黄铁矿等矿物质在煤的燃烧中发生分解和化合，有一部分变成气体逸出，留下的残渣就是灰分。

灰分通常比原物质含量要少，因此根据灰分，用适当公式校正后可近似地算出矿物质含量。

（3）煤灰灰分对工业利用的影响

煤中灰分是煤炭计价指标之一。在灰分计加重，灰分是计价的基础指标；在发热量计加重，灰分是计价的辅助指标。

灰分是煤中的有害物质，同样影响煤的使用、运输和储存。

煤用作动力燃料时，灰分增加，煤中可燃物质含量相对减少。矿物质燃烧灰化时要吸收热量，大量排渣要带走热量，因而降低了煤的发热量，影响了锅炉操作（如易结渣、熄火），加剧了设备磨损，增加排渣量。

煤用于炼焦时，灰分增加，焦炭灰分也随之增加，从而降低了高炉的利用系数。

还必须指出的是，煤中灰分增加，增加了无效运输，加剧了我国铁路运输的紧张。

（4）煤的灰分测定见GB212-91。

煤中灰分是煤质评价的重要指标，与煤中无机元素有密切联系，它对煤的加工利用产生负面影响，同时造成对环境的污染。然而，灰分不是煤的一种固有性质，因为煤中并不含“灰”，灰分是煤在规定条件下的完全燃烧后的固态残留物（陈鹏，2001）。它既不同于煤中矿物质，也不同于煤的无机组分。煤燃烧后，绝大部分的矿物质都转入煤灰中，构成煤灰的大部分，但同时，与煤有机质相结合的无机质（各种金属、非金属元素及化合物）也部分转入煤灰中。由于测试条件的限制，真正直接、准确地认知煤中的矿物质或无机组分的数量、组成、分布方式等特性是非常困难的。由于煤灰是煤燃烧后无机物的主要保留形式，灰成分代表了煤中主要无机元素的特征。因而，考虑到分析的方便，常常通过灰分来近似了解煤中的矿物质或无机组分。

煤中的矿物是煤中无机组分赋存的重要形式，在多数情况下是主要形式。然而，在不同地区、不同时代形成的煤，由于其地质环境差异（如近海环境与大陆环境），地球化学条件的差异，成煤盆地周围岩石类型的差异，地形地貌的差异，距离剥蚀区远近的不同，构造活动的强度不同，以及岩浆活动的强弱等原因，会导致煤中矿物种类和化学成分有所差别。但总体来看，绝大多数煤中常见的矿物主要有高岭石、水云母、蒙脱石、绿泥石、伊利石等粘土矿物，占物质总量的60%～80%，其次为黄铁矿、白铁矿等硫化物，石英、玉髓、蛋白质等氧化物以及方解石、菱铁矿等碳酸盐矿物。随着测试技术的发展，煤中偶见的矿物种类也较多被发现。Mackowsky（1975）根据多年的研究，提出一份煤中的矿物名单，并按每种矿物在煤中矿物总量中的多少，将这些矿物分为六级（表2-1）。

一般情况下，煤中所含矿物以粘土矿物为主，然而，在各煤田中，粘土矿物又有所不同，许多资料表明，石炭纪煤田的煤中以高岭石为主，有些煤田的煤（如澳大利亚的煤）中伊利石占显著地位，有关煤中蒙脱石的报道也不乏见。我国的情况基本类似，华北石炭纪煤田的煤中以高岭石占优势，华北晚侏罗世的一些煤中伊利石类占主导，而在一些以火山岩为基底和蚀源区母岩的煤田中，煤层中常发育膨润土型粘土矿物（蒙脱石类，绿泥石-蒙脱石混层类），这种现象说明，煤中矿物的成分及特征取决于含煤盆地的地质背景，含煤岩系经历了各种地质过程以及与煤层有关的古沉积环境（李河民，1987）。

表2-1 煤中矿物

注：主要的——占60%以上；丰富的——占30%～60%；很常见——占10%～30%；常见——5%～10%；稀少——1%～5%；很稀少—占1%。

（据Mackowsky，1975）

1.晚古生代煤

早石炭世煤以无烟煤为主，据各地的煤质分析资料，该时代的原煤灰分一般不超过20%，但在贵州茂兰、广西聊城、广东阳春、浙西及下扬子地区都大于40%（表2-4）。

表2-4 早石炭世煤中灰分

北方上石炭统太原组煤中灰分含量一般低于25%（图2-1），北部靠近古陆的一些矿区煤中灰分较高，如山西大同的鹅毛口、河东保德、内蒙古大青山等地常大于30%。就华北地区总体来看，南北煤中灰分较高，中部较低，这与物源区的远近有关，南部靠近大别山古陆、北部靠近阴山古陆（图2-1）。

华北下二叠统山西组煤中灰分一般为15%～30%（图2-2），属低灰—中灰煤。横向上，北部地区靠近阴山古陆物源区，煤中灰分一般大于25%，西北聚煤区煤中的灰分也较高，一般大于20%，而东部地区煤中灰分有所降低，一般小于或接近20%（图2-2），这说明大别山古陆对山西组煤中灰分的影响较小。

华南早二叠世含煤岩系分为早期的“梁山煤系”和晚期的“童子岩煤系”。前者主要分布在湘西（溆浦、怀化）、鄂东南、鄂西南、赣北、滇东、滇东北、黔东南以及川东南和川西等地，灰分多在20%～40%；后者主要分布在福建、赣东、广东等地，灰分一般6.89%～18.33%，少数地区大于30%，垂向上表现为下部煤层灰分比中、上部明显高。

华南晚二叠世煤的灰分普遍较高（图2-3）。浙北、苏南、皖南、赣东地区晚二叠世煤中灰分高，最高61.37%，江苏宜兴、安徽巢湖、江西乐平及丰城的部分煤层可达40%。滇、黔、川地区以中灰到富灰煤为主，湘、鄂、桂、粤地区以富灰煤为主。但同时灰分小于15%的矿区也不少，多分布在华南的中部地区，如湖南的郴州、莱阳、涟卲矿区（图2-3）。

图2-1 华北地区太原组煤灰分产率等值线图

图2-2 华北地区山西组煤中灰分产率等值线图

图2-3 华南地区晚二叠世煤中灰分产率等值线

2.中生代煤

（1）晚三叠世煤

华南东部地区包括湘、鄂、赣、闽、粤等省，该区晚三叠世煤分布广泛，且以江西储量最多，煤类从气煤-无烟煤，以中高级烟煤为主。煤中灰分产率较高，以富灰煤为主。华南西部地区，晚三叠世煤分布在云南、四川等地区的须家河组、一平浪组、大荞地组，灰分含量15%～20%，部分地区小于10%。

（2）早中侏罗世煤

早中侏罗世煤分布在西北、华北、中南、华东等地区。华北聚煤区：早中侏罗世煤形成在一系列大小不等的煤盆地内，其中面积最大的是鄂尔多斯盆地，其次是北京、大同等，规模较小的聚煤盆地有内蒙古大青山、山西宁武、河北承德、辽宁北票等，灰分含量一般小于15%～20%，大多数矿区小于15%，山西大同、宁武一带小于10%。西北聚煤区：早中侏罗世煤分布在新疆的准噶尔、塔里木、吐鲁番-哈密、三塘湖等大中盆地，以及甘肃、青海境内一系列中小型盆地内。煤中灰分一般小于15%，甘肃阿干镇、宁夏宁武和新疆哈密等地常小于10%。

（3）晚侏罗世—早白垩世煤

晚侏罗世—早白垩世煤分布在东北及内蒙古东部地区。大兴安岭以南的烟煤区，一般属中灰—富灰煤，集贤、双鸭山矿区部分煤层为低灰煤，三江-穆棱河盆地煤的灰分具有由南向北增加的趋势，松辽盆地及邻近地区煤的灰分从低灰—高灰都有，如北票矿区煤的灰分含量达8.80%～27.30%，营城矿区则为26%～40%。大兴安岭以北褐煤区，灰分含量一般10%～20%，以中灰煤为主。

3.新生代煤

北方早第三纪煤中灰分除吉林珲春和舒兰、黑龙江五林等地含量较高（可达35%左右）外，其他大部分地区都小于20%。

晚第三纪聚煤盆地主要分布在华南地区，煤的灰分一般可达30%左右，但有些地区煤中灰分含量较低，如云南小龙潭、寻甸、双江、澜沧勐滨、可保等地的煤灰分常小于10%，且此类煤多分布在云南，而广西、广东则很少，在云南，滇东以中灰煤为主，滇西以富灰煤为主。

4.灰分时代分布的总体特征

据统计（袁三畏，1999），在各时代煤中，灰分小于20%的特低灰—低中灰煤，第三纪为6.40%，白垩纪为65.32%，侏罗纪为99.12%，三叠纪为59.36%，二叠纪为46.91%，石炭纪—二叠纪为34.08%，灰分最高的第三纪煤以中灰煤为主，占84.85%；中灰煤比例较高的还有二叠纪煤和石炭纪—二叠纪煤（表2-5）。各时代煤（尚未占用储量和资源量）的平均灰分以侏罗纪煤最低，第三纪煤最高，其比例顺序如图2-4所示。

表2-5 全国各时代煤（尚未占用储量、资源量）灰分分级

续表

注：表中数字为不同灰分等级占同时代煤的百分数。

（据袁三畏，1999）

图2-4 各时代煤中平均灰分百分比大小比较

（据袁三畏，1999）

此外，根据各主要聚煤期煤中灰分含量和百分比的统计（表2-6），可看出，灰分最低的是早、中侏罗世煤（全部集中在0～20%内），最高的是中泥盆世煤（集中在大于30%），第三纪、晚侏罗世—早白垩世和晚三叠世煤中灰分都以10%～30%为主，但在灰分产率范围中所占百分比不同，第三纪煤大于65%，而晚侏罗世—早白垩世煤仅占47%，晚三叠世只有55.5%，反映了晚侏罗世—早白垩世煤中灰分百分含量分布范围较大，而第三纪煤中灰分含量较为集中。早石炭世、晚石炭世—早二叠世煤中灰分含量都以10%～20%为主，早石炭世煤所占的百分比达67%，而晚石炭世—早二叠世煤中仅占57.5%，晚石炭世—早二叠世煤中灰分除10%～20%以外，20%～30%范围所占百分比也达 30%，晚二叠世煤中灰分含量分布范围较大，含量 20%～40% 的煤仅占58.5%。

表2-6 中国主要聚煤期煤中灰分含量及所占百分比统计　（%）

（据韩德馨等，1996）

我国煤炭成煤环境多种多样，成煤期地质背景也很复杂，因而煤中灰分偏高。据陈武等（2003）报道，我国煤中灰分一般在15%～25%之间，小于10%的特低灰煤大约有1500×108t，约占资源/储量总数的15%，且主要分布于陕北和内蒙古伊克昭盟的侏罗纪煤田中，其次分布于山西大同和宁夏的侏罗纪煤田中。大于30%的富灰和高灰煤，大致有1000×108t，占10%，主要分布于晋北和京西的石炭纪—二叠纪煤田中，其次分布于南方晚二叠世和三叠纪的部分煤田中，如江西三叠纪的洛市矿区、湖南三叠纪的资兴矿区等。

从煤类来看（陈武等，2003），我国褐煤以内蒙古东部最集中，灰分一般为20%～30%，而低变质烟煤的最大特点是低灰居多，一般原煤灰分均在15%以下，硫分也常小于1%，最突出的是陕北榆林神木和内蒙古东胜的侏罗纪煤层，灰分一般在10%以下，被誉为天然精煤。闻名于世的大同弱粘煤，原煤灰分也多在10%以下。而晋北朔州的长烟煤原煤灰分高达30%以上，内蒙古准格尔的长焰煤原煤灰分为25%～30%，煤质较差。我国炼焦用煤的灰分多在20%以上，以中灰煤居多，低灰煤很少，基本无特低灰煤。我国无烟煤多数为中灰、中硫、中等发热量和高灰熔点无烟煤。阳泉、晋城的山西组煤层，均是较好的无烟煤，原煤灰分15%～20%，硫分1%左右。宁夏汝箕沟的无烟煤原煤灰分5%左右，是世界闻名的“太西煤”，另外贵州的纳雍亦有部分优质无烟煤。

统计结果表明（袁三畏，1999），全国保有储量和资源量的平均灰分为17.07%，其中，尚未占用储量和资源量的平均灰分为16.95%，这一高度综合的平均值表明我国煤炭资源灰分的基本状况。按我国《煤炭灰分等级划分标准》（GB/T15224·1—1994）划分，全国尚未占用煤炭储量、资源量中，灰分在20%以下的特低灰煤—低中灰煤，占65.5%，中灰煤占32.7%，中高灰煤以上的仅占1.8%。低中灰以下的煤主要分布于内蒙古、陕西、新疆和山西四省，占全国尚未占用资源量的52.7%，中高灰以上的煤多分布于四川、山西和安徽，占1.0%。从表2-2中可得出，各大行政区国有重点煤矿低中灰煤（Ad≤20%）所占全国本级煤储量和资源量比例的顺序为：华北（38.13%）、华东（11.37%）、中南（9.98%）、西北（9.19%）、东北（4.55%）、西南（4.23%）。西南地区几乎没有较大面积的低中灰煤，若考虑预测的煤炭资源量，西北将是低中灰煤最多的地区。全国国有重点煤矿平均灰分为17.48%，其中华北为15.60%，西北为16.45%，华东为16.94%，中南为18.45%，西南为21.23%，东北为22.20%。

表2-2 各行政区尚未被占用煤炭资源量　（按灰分区分，%）

续表

注：本表未包括西藏、香港和澳门特别行政区及台湾省资料。

（据袁三畏，1999）

此外，煤炭科学研究总院李文华、翟炯于1992年统计的全国国有重点煤矿平均灰分为17.60%。其中，褐煤、长焰煤、不粘煤、弱粘煤、贫煤和无烟煤等6类煤的平均灰分为16.84%，其余各类煤的平均灰分为18.09%。煤炭科学研究总院北京煤化研究所陈文敏等，也对我国国有重点煤矿煤炭灰分分布情况曾作过统计，认为我国煤炭总平均灰分属低中灰煤，灰分在20%以下的占国有重点煤矿总储量和资源量的77.45%，灰分大于30%～50%的占3.85%（表2-3）。

表2-3 全国国有重点煤矿煤炭灰分分布　（%）

续表

（据袁三畏，1999）

纵观全国各地煤的灰分变化是很复杂的，最好的煤，灰分可低至5%左右，如湖南涟卲群力为3.86%，煤炭坝为4.17%，广西红茂下金为4.63%，涟卲恩口杨家冲为4.66%，牛马司为4.71%，大同马脊梁为5.93%等。

灰分是有害物质。动力煤中灰分增加，发热量降低、排渣量增加，煤容易结渣一般灰分每增加2%，发热量降低100kcz1/kg左右。冶炼精煤中灰分增加，高炉利用系数降低，焦炭强度下降，石灰石用量增加灰分每增加1%，焦炭强度下降2%，高炉生产能力下降3%，石灰石用量增加4%。