什么是煤炭气化

气化过程是煤炭的一个热化学加工过程。它是以煤或煤焦为原料，以氧气（空气、富氧或工业纯氧）、水蒸气作为气化剂，在高温高压下通过化学反应将煤或煤焦中的可燃部分转化为可燃性气体的工艺过程。气化时所得的可燃气体成为煤气，对于做化工原料用的煤气一般称为合成气（合成气除了以煤炭为原料外，还可以采用天然气、重质石油组分等为原料），进行气化的设备称为煤气发生炉或气化炉。

煤炭气化包含一系列物理、化学变化。一般包括干燥、燃烧、热解和气化四个阶段。干燥属于物理变化，随着温度的升高，煤中的水分受热蒸发。其他属于化学变化，燃烧也可以认为是气化的一部分。煤在气化炉中干燥以后，随着温度的进一步升高，煤分子发生热分解反应，生成大量挥发性物质（包括干馏煤气、焦油和热解水等），同时煤粘结成半焦。煤热解后形成的半焦在更高的温度下与通入气化炉的气化剂发生化学反应，生成以一氧化碳、氢气、甲烷及二氧化碳、氮气、硫化氢、水等为主要成分的气态产物，即粗煤气。气化反应包括很多的化学反应，主要是碳、水、氧、氢、一氧化碳、二氧化碳相互间的反应，其中碳与氧的反应又称燃烧反应，提供气化过程的热量。

主要反应有：

1、水蒸气转化反应

C+H2O=CO+H2-131KJ/mol

2、水煤气变换反应

CO+ H2O =CO2+H2+42KJ/mol

3、部分氧化反应

C+0.5 O2=CO+111KJ/mol

4、完全氧化（燃烧）反应

C+O2=CO2+394KJ/mol

5、甲烷化反应

CO+2H2=CH4+74KJ/mol

6、Boudouard反应

C+CO2=2CO-172KJ/mol

一般，煤变油有两种工艺，一个为直接液化，另外就叫间接液化。但是，从原子利用原理上讲，主要就是利用煤炭中的碳元素和少量的氢元素而合成油品。因为两者均涉及复杂的学术和学理问题，此处就不讲了，以下仅就价格问题谈一点。

先谈直接液化问题。1桶油200升，约150公斤，150000克。如果汽油以C9烃计算，则C9H20的分子量为128，这样200升油需要碳资源150*108/128=127公斤,折合煤炭约为127/0.5=250公斤(因为要扣除煤中的水\硫\灰分\挥发份,可以利用的固定炭也就是一半),煤炭价格以400元算,约为100元需要氢资源为150*20/128=24公斤,而这些请资源要取之于有机溶剂,如果以甲苯计算,需要甲苯为92*24/8=276公斤,吨甲苯价格为6000元算,24公斤约需要276*6000/1000=1650元(甲苯效果并不好,但是价格比较低廉,如果用效果好的十氢萘,价格就太高,一般500毫升就上百元).考虑到还可以利用甲苯中的炭资源和循环因素,起码也要1000元左右.这样仅仅是原料成本就需要1100元/桶,如果考虑高温高压设备\能源消耗\催化剂成本\分离和净化等因素,每桶油成本就至少近1500元,约合美元180$.

再计算间接液化成本问题.一桶油200升,150公斤,需要合成气(由煤和水在高温下得到,也就是煤炭制备水煤气)为1000立方米(从合成原理推得,以一立方米合成气得到150克油计算,其极限为208克,150克已经很高了),而现在合成气成本为1.50元/立方米.这样,每桶油原料成本为1500元,也就是180$.

综上所述,第一种工艺主要是有机溶剂昂贵,反应条件苛刻.而第二种工艺则取决于合成过程和高效催化剂.目前,两者均无法实现工业化.当然,像神化这样的企业,煤炭资源是国家的,不要考虑,那时可以的.

②含碳量低的石煤伴生有多种稀土元素，例如钒、铀、钼、镍，石煤用于发电的成本也比较低，燃烧或加工后的废料用于建筑行业，在一些资料上显示石煤可不是每个国家都有的

③煤炭开采的副产品煤矸石，可以提取镓、钒、钛、钴等稀有金属，经过灼烧后，剩下的灰分用于瓷器行业，当做瓷土用

④洗矿之后的废液含有很多重金属，理论上可以进行提取，但是成本应该比较高

以上全部手打，部分参考了维基百科，如果觉得有用，请记得给分

煤炭气化技术虽有很多种不同的分类方法，但一般常用按生产装置化学工程特征分类方法进行分类，或称为按照反应器形式分类。气化工艺在很大程度上影响煤化工产品的成本和效率，采用高效、低耗、无污染的煤气化工艺(技术)是发展煤化工的重要前提，其中反应器便是工艺的核心，可以说气化工艺的发展是随着反应器的发展而发展的，为了提高煤气化的气化率和气化炉气化强度，改善环境，新一代煤气化技术的开发总的方向，气化压力由常压向中高压（8.5 MPa）发展；气化温度向高温（1500～1600℃）发展；气化原料向多样化发展；固态排渣向液态排渣发展。 固定床气化也称移动床气化。固定床一般以块煤或焦煤为原料。煤由气化炉顶加入，气化剂由炉底加入。流动气体的上升力不致使固体颗粒的相对位置发生变化，即固体颗粒处于相对固定状态，床层高度亦基本保持不变，因而称为固定床气化。另外，从宏观角度看，由于煤从炉顶加入，含有残炭的炉渣自炉底排出，气化过程中，煤粒在气化炉内逐渐并缓慢往下移动，因而又称为移动床气化。

固定床气化的特性是简单、可靠。同时由于气化剂于煤逆流接触，气化过程进行得比较完全，且使热量得到合理利用，因而具有较高的热效率。

固定床气化炉常见有间歇式气化（UGI）和连续式气化（鲁奇Lurgi）2种。前者用于生产合成气时一定要采用白煤（无烟煤）或焦碳为原料，以降低合成气中CH4含量，国内有数千台这类气化炉，弊端颇多；后者国内有20多台炉子，多用于生产城市煤气；该技术所含煤气初步净化系统极为复杂，不是公认的首选技术。

（1）、固定床间歇式气化炉（UGI）

以块状无烟煤或焦炭为原料，以空气和水蒸气为气化剂，在常压下生产合成原料气或燃料气。该技术是30年代开发成功的，投资少，容易操作，目前已属落后的技术，其气化率低、原料单一、能耗高，间歇制气过程中，大量吹风气排空，每吨合成氨吹风气放空多达5 000 m3，放空气体中含CO、CO2、H2、H2S、SO2、NOx及粉灰；煤气冷却洗涤塔排出的污水含有焦油、酚类及氰化物，造成环境污染。我国中小化肥厂有900余家，多数厂仍采用该技术生产合成原料气。随着能源政策和环境的要来越来越高，不久的将来，会逐步为新的煤气化技术所取代。

（2）、鲁奇气化炉

30年代德国鲁奇（Lurgi）公司开发成功固定床连续块煤气化技术，由于其原料适应性较好，单炉生产能力较大，在国内外得到广泛应用。气化炉压力（2.5～4.0）MPa，气化反应温度（800～900）℃，固态排渣，气化炉已定型（MK～1～MK－5），其中MK－5型炉，内径4.8m，投煤量（75～84）吨/h，粉煤气产量（10～14）万m3/h。煤气中除含CO和H2外，含CH4高达10%～12%，可作为城市煤气、人工天然气、合成气使用。缺点是气化炉结构复杂、炉内设有破粘和煤分布器、炉篦等转动设备，制造和维修费用大；入炉煤必须是块煤；原料来源受一定限制；出炉煤气中含焦油、酚等，污水处理和煤气净化工艺复杂、流程长、设备多、炉渣含碳5%左右。针对上述问题，1984年鲁奇公司和英国煤气公司联合开发了液体排渣气化炉（BGL），特点是气化温度高，灰渣成熔融态排出，炭转化率高，合成气质量较好，煤气化产生废水量小并且处理难度小，单炉生产能力同比提高3～5倍，是一种有发展前途的气化炉。 流化床气化又称为沸腾床气化。其以小颗粒煤为气化原料，这些细颗粒在自下而上的气化剂的作用下，保持着连续不断和无秩序的沸腾和悬浮状态运动，迅速地进行着混合和热交换，其结果导致整个床层温度和组成的均一。流化床气化能得以迅速发展的主要原因在于：（1）生产强度较固定床大。（2）直接使用小颗粒碎煤为原料，适应采煤技术发展，避开了块煤供求矛盾。（3）对煤种煤质的适应性强，可利用如褐煤等高灰劣质煤作原料。

流化床气化炉常见有温克勒（Winkler）、灰熔聚（U-Gas）、循环流化床（CFB）、加压流化床（PFB是PFBC的气化部分）等。

（1）、循环流化床气化炉CFB

鲁奇公司开发的循环流化床气化炉（CFB）可气化各种煤，也可以用碎木、树皮、城市可燃垃圾作为气化原料，水蒸气和氧气作气化剂，气化比较完全，气化强度大，是移动床的2倍，碳转化率高（97%），炉底排灰中含碳2%～3%，气化原料循环过程中返回气化炉内的循环物料是新加入原料的40倍，炉内气流速度在（5～7）m/s之间，有很高的传热传质速度。气化压力0.15MPa。气化温度视原料情况进行控制，一般控制循环旋风除尘器的温度在（800～1050）℃之间。鲁奇公司的CFB气化技术，在全世界已有60多个工厂采用，正在设计和建设的还有30多个工厂，在世界市场处于领先地位。

CFB气化炉基本是常压操作，若以煤为原料生产合成气，每公斤煤消耗气化剂水蒸气1.2kg，氧气0.4kg，可生产煤气 （l.9～2.0）m3。煤气成份CO+H2>75%，CH4含量2.5%左右， CO215%，低于德士古炉和鲁奇MK型炉煤气中CO2含量，有利于合成氨的生产。

（2）、灰熔聚流化床粉煤气化技术

灰熔聚煤气化技术以小于6mm粒径的干粉煤为原料，用空气或富氧、水蒸气作气化剂，粉煤和气化剂从气化炉底部连续加入，在炉内（1050～1100）℃的高温下进行快速气化反应，被粗煤气夹带的未完全反应的残碳和飞灰，经两极旋风分离器回收，再返回炉内进行气化，从而提高了碳转化率，使灰中含磷量降低到10%以下，排灰系统简单。粗煤气中几乎不含焦油、酚等有害物质，煤气容易净化，这种先进的煤气化技术中国已自行开发成功。该技术可用于生产燃料气、合成气和联合循环发电，特别用于中小氮肥厂替代间歇式固定床气化炉，以烟煤替代无烟煤生产合成氨原料气，可以使合成氨成本降低15%～20%，具有广阔的发展前景。

U－Gas在上海焦化厂（120吨煤/天）1994年11月开车，长期运转不正常，于2002年初停运；中科院山西煤化所开发的ICC灰熔聚气化炉，于2001年在陕西城化股份公司进行了100吨/天制合成气工业示范装置试验。CFB、PFB可以生产燃料气，但国际上尚无生产合成气先例；Winkler已有用于合成气生产案例，但对粒度、煤种要求较为严格，甲烷含量较高（0.7%～2.5%），而且设备生产强度较低，已不代表发展方向。 气流床气化是一种并流式气化。从原料形态分有水煤浆、干煤粉2类；从专利上分，Texaco、Shell最具代表性。前者是先将煤粉制成煤浆，用泵送入气化炉，气化温度1350～1500℃；后者是气化剂将煤粉夹带入气化炉，在1500～1900℃高温下气化，残渣以熔渣形式排出。在气化炉内，煤炭细粉粒经特殊喷嘴进入反应室，会在瞬间着火，直接发生火焰反应，同时处于不充分的氧化条件下，因此，其热解、燃烧以吸热的气化反应，几乎是同时发生的。随气流的运动，未反应的气化剂、热解挥发物及燃烧产物裹夹着煤焦粒子高速运动，运动过程中进行着煤焦颗粒的气化反应。这种运动状态，相当于流化技术领域里对固体颗粒的“气流输送”，习惯上称为气流床气化。

气流床气化具有以下特点:(1)短的停留时间(通常1s)；(2)高的反应温度(通常1300-1500℃)；(3)小的燃料粒径(固体和液体，通常小于0.1mm)；(4)液态排渣。而且，气流床气化通常在加压(通常20-50bar)和纯氧下运行。

气流床气化主要有以下几种分类方式：

(1)根据入炉原料的输送性能可分为干法进料和湿法进料；

(2)根据气化压力可分为常压气化和加压气化；

(3)根据气化剂可分为空气气化和氧气气化；

(4)根据熔渣特性可分为熔渣气流床和非熔渣气流床。

在熔渣气流床气化炉中，燃料灰分在气化炉中熔化。熔融的灰分在相对较冷的壁面上凝聚并最终形成一层保护层，然后液态熔渣会沿着该保护层从气化炉下部流出。熔渣的数量应保证连续的熔渣流动。通常，熔渣质量流应至少占总燃料流的6%。为了在给定的温度下形成具有合适粘度的液态熔渣，通常在燃料中添加一种被称为助熔剂的物质。这种助熔剂通常是石灰石和其它一些富含钙基的物质。在非熔渣气流床气化炉中，熔渣并不形成，这就意味着燃料必须含有很少量的矿物质和灰分，通常最大的灰分含量是1%。非熔渣气流床气化炉由于受原料的限制，因此工业上应用的较少。

气流床对煤种（烟煤、褐煤）、粒度、含硫、含灰都具有较大的兼容性，国际上已有多家单系列、大容量、加压厂在运作，其清洁、高效代表着当今技术发展潮流。

干粉进料的主要有K-T（Koppres-Totzek）炉、Shell- Koppres炉、Prenflo炉、Shell炉、GSP炉、ABB-CE炉，湿法煤浆进料的主要有德士古（Texaco）气化炉、Destec炉。

（1）、德士古（Texaco）气化炉

美国Texaco(2002年初成为Chevron公司一部分，2004年5月被GE公司收购)开发的水煤浆气化工艺是将煤加水磨成浓度为60～65%的水煤浆，用纯氧作气化剂，在高温高压下进行气化反应，气化压力在3.0～8.5MPa之间，气化温度1400℃，液态排渣，煤气成份CO+H2为80%左右，不含焦油、酚等有机物质，对环境无污染，碳转化率96～99%，气化强度大，炉子结构简单，能耗低，运转率高，而且煤适应范围较宽。目前Texaco最大商业装置是Tampa电站，属于DOE的CCT-3，1989年立项，1996年7月投运，12月宣布进入验证运行。该装置为单炉，日处理煤2000～2400吨，气化压力为2.8MPa，氧纯度为95%，煤浆浓度68%，冷煤气效率～76%，净功率250MW。

Texaco气化炉由喷嘴、气化室、激冷室(或废热锅炉)组成。其中喷嘴为三通道，工艺氧走一、三通道，水煤浆走二通道，介于两股氧射流之间。水煤浆气化喷嘴经常面临喷口磨损问题，主要是由于水煤浆在较高线速下(约30m/s)对金属材质的冲刷腐蚀。喷嘴、气化炉、激冷环等为Texaco水煤浆气化的技术关键。

80年代末至今，中国共引进多套Texaco水煤浆气化装置，用于生产合成气，我国在水煤浆气化领域中积累了丰富的设计、安装、开车以及新技术研究开发经验与知识。

从已投产的水煤浆加压气化装置的运行情况看，主要优点：水煤浆制备输送、计量控制简单、安全、可靠；设备国产化率高，投资省。由于工程设计和操作经验的不完善，还没有达到长周期、高负荷、稳定运行的最佳状态，存在的问题还较多，主要缺点：喷嘴寿命短、激冷环寿命仅一年、褐煤的制浆浓度约59%～61%；烟煤的制浆浓度为65%；因汽化煤浆中的水要耗去煤的8%，比干煤粉为原料氧耗高12%～20%，所以效率比较低。

（2）、Destec（Global E-Gas）气化炉

Destec气化炉已建设2套商业装置，都在美国：LGT1（气化炉容量2200吨/天，2.8MPa，1987年投运）与Wabsh Rive（二台炉，一开一备，单炉容量2500吨/天，2.8MPa，1995年投运）炉型类似于K-T，分第一段（水平段）与第二段（垂直段），在第一段中，2个喷嘴成180度对置，借助撞击流以强化混合，克服了Texaco炉型的速度成钟型（正态）分布的缺陷，最高反应温度约1400℃。为提高冷煤气效率，在第二阶段中，采用总煤浆量的10%～20%进行冷激（该点与Shell、Prenflo的循环没气冷激不同），此处的反应温度约1040℃，出口煤气进火管锅炉回收热量。熔渣自气化炉第一段中部流下，经水冷激固化，形成渣水浆排出。E-Gas气化炉采用压力螺旋式连续排渣系统。

Global E-Gas气化技术缺点为：二次水煤浆停留时间短，碳转化率较低；设有一个庞大的分离器，以分离一次煤气中携带灰渣与二次煤浆的灰渣与残炭。这种炉型适合于生产燃料气而不适合于生产合成气。

（3）、Shell气化炉

最早实现工业化的干粉加料气化炉是K-T炉，其它都是在其基础之上发展起来的，50年代初Shell开发渣油气化成功，在此基础上，经历了3个阶段：1976年试验煤炭30余种；1978年与德国Krupp-Koppers（krupp-Uhde公司的前身）合作，在Harburg建设日处理150t煤装置；两家分手后，1978年在美国Houston的Deer Park建设日处理250t高硫烟煤或日处理400t高灰分、高水分褐煤。共费时16年，至1988年Shell煤技术运用于荷兰Buggenum IGCC电站。该装置的设计工作为1.6年，1990年10月开工建造，1993年开车，1994年1月进入为时3年的验证期，目前已处于商业运行阶段。单炉日处理煤2000t。

Shell气化炉壳体直径约4.5m，4个喷嘴位于炉子下部同一水平面上，沿圆周均匀布置，借助撞击流以强化热质传递过程，使炉内横截面气速相对趋于均匀。炉衬为水冷壁（Membrame Wall），总重500t。炉壳于水冷管排之间有约0.5m间隙，做安装、检修用。

煤气携带煤灰总量的20%～30%沿气化炉轴线向上运动，在接近炉顶处通入循环煤气激冷，激冷煤气量约占生成煤气量的60%～70%，降温至900℃，熔渣凝固，出气化炉，沿斜管道向上进入管式余热锅炉。煤灰总量的70%～80%以熔态流入气化炉底部，激冷凝固，自炉底排出。

粉煤由N2携带，密相输送进入喷嘴。工艺氧（纯度为95%）与蒸汽也由喷嘴进入，其压力为3.3～3.5MPa。气化温度为1500～1700℃，气化压力为3.0MPa。冷煤气效率为79%～81%；原料煤热值的13%通过锅炉转化为蒸汽；6%由设备和出冷却器的煤气显热损失于大气和冷却水。

Shell煤气化技术有如下优点：采用干煤粉进料，氧耗比水煤浆低15%；碳转化率高，可达99%，煤耗比水煤浆低8%；调解负荷方便，关闭一对喷嘴，负荷则降低50%；炉衬为水冷壁，据称其寿命为20年，喷嘴寿命为1年。主要缺点：设备投资大于水煤浆气化技术；气化炉及废锅炉结构过于复杂，加工难度加大。

我公司直接液化项目采用此技术生产氢气。

（4）、GSP气化炉

GSP（GAS Schwarze Pumpe）称为“黑水泵气化技术”，由前东德的德意志燃料研究所（简称DBI）于1956年开发成功。目前该技术属于成立于2002年未来能源公司(FUTURE ENERGY GmbH)（Sustec Holding AG子公司）。GSP气化炉是一种下喷式加压气流床液态排渣气化炉，其煤炭加入方式类似于shell，炉子结构类似于德士古气化炉。1983年12月在黑水泵联合企业建成第一套工业装置，单台气化炉投煤量为720吨/天，1985年投入运行。GSP气化炉目前应用很少，仅有5个厂应用，我国还未有一台正式使用，宁煤集团（我公司控股）将要引进此技术用于煤化工项目。

总之，从加压、大容量、煤种兼容性大等方面看，气流床煤气化技术代表着气化技术的发展方向，水煤浆和干煤粉进料状态各有利弊，界限并不十分明确，国内技术界也众说纷纭。

一、煤级分析中的有关概念

煤的工业分类即煤的分类主要是依据煤级，而煤级划分的依据是煤质指标，特别是一些关键的煤质指标。一些煤质指标即煤化程度指标在前面已经做过介绍，本节将围绕煤的工业分类对一些煤级指标的获得做概略介绍(煤质学和煤化学已是独立的学科)。

“基”是表示化验结果是以什么状态下的煤样为基础而得出的，煤质分析中常用的“基”有空气干燥基、干燥基、收到基、干燥无灰基、干燥无矿物质基。在新旧标准中，“基”采用的符号不同(表7-1)。

表7-1 新旧标准中各种基采用的符号对照

空气干燥基是指以与空气湿度达到平衡状态的煤为基准，表示符号为 ad(air dry ba-sis)干燥基是指以假想无水状态的煤为基准，表示符号为 d(dry basis)收到基是指以收到状态的煤为基准，表示符号为 ar(as received)干燥无灰基是指以假想无水、无灰状态的煤为基准，表示符号为 daf(dry ash free)干燥无矿物质基是指以假想无水、无矿物质状态的煤为基准，表示符号为 dmmf(dry mineral matter free)。

可以看出，新的 “基”是用英文名词的开头字母表示的，而旧 “基”是用汉语拼音的字头表示。

二、主要的煤化指标

煤化指标是通过煤的工业分析获得的。工业分析也叫技术分析或实用分析，包括煤中水分、灰分和挥发分的测定及固定碳的计算。煤的工业分析是了解煤质特性的主要指标，也是评价煤质的基本依据，根据工业分析的各项测定结果可初步判断煤的性质、种类和各种煤的加工利用效果及其工业用途。

煤化程度指标简称煤化指标，又称煤级指标。由于煤化作用是个复杂的过程，不同煤化阶段中各种指标变化的显著性各不相同，因此对于一定煤化阶段往往具有不同的煤化程度指标(表7-2)。

表7-2 常用煤级指标在不同煤级阶段的变化情况

注:①各指标测值的变化范围按煤级增加的方向排列②规律性差。(据杨起等，1988)

有关煤的化学组成和煤的元素已在第六章中介绍，这里仅就煤质分析中的一些关键指标如水分、灰分、挥发分、镜质体反射率等做简略介绍。

1.水分

水分是一项重要的煤质指标，它在煤的基础理论研究和加工利用中都具有重要的作用。

在现代煤炭加工利用中，有时水分高反是一件好事，如煤中水分可作为加氢液化和加氢气化的供氢体。在煤质分析中，煤的水分是进行不同基的煤质分析结果换算的基础数据。可以根据煤的水分含量来大致推断煤的变质程度。

2.灰分

煤的灰分不是煤中的固有成分，而是煤在规定条件下完全燃烧后的残留物。它是煤中矿物质在一定条件下经一系列分解、化合等复杂反应而形成的，是煤中矿物质的衍生物。它在组成和质量上都不同于矿物质，但煤的灰分产率与矿物质含量间有一定的相关关系，可以用灰分来估算煤中矿物质含量。煤中矿物质来源有三，一是“原生矿物质”，即成煤植物中所含的无机元素二是“次生矿物质”，即煤形成过程中混入或与煤伴生的矿物质，三是“外来矿物质”即煤炭开采和加工处理中混入的矿物质。煤中存在的矿物质主要包括黏土或页岩、方解石(碳酸钙)、黄铁矿或白铁矿以及其他微量成分，如无机硫酸盐、氯化物和氟化物等。

煤中灰分是另一项在煤质特性和利用研究中起重要作用的指标。在煤质研究中由于灰分与其他特性，如含碳量、发热量、结渣性、活性及可磨性等有程度不同的依赖关系，因此可以通过它来研究上述特性。由于煤灰是煤中矿物质的衍生物，因此可以用它来算煤中矿物质含量。此外，由于煤中灰分测定简单，而它在煤中的分布又不易均匀，因此在煤炭采样和制样方法研究中，一般都用它来评定方法的准确度和精密度。在煤炭洗选工艺研究中，一般也以煤的灰分作为一项洗选效率指标。

3.挥发分

煤样在规定的条件下，隔绝空气加热，并进行水分校正后的挥发物质产率即为挥发分。

煤的挥发分主要是由水分、碳氢的氧化物和碳氢化合物(以CH4为主)组成，但煤中物理吸附水(包括外在水和内在水)和矿物质二氧化碳不属挥发分之列。

工业分析中测定的挥发分不是煤中原来固有的挥发性物质，而是煤在严格规定条件下加热时的热分解产物，改变任何试验条件都会给测定结果带来不同程度的影响。

影响挥发分测定结果的主要因素是加热温度、加热时间、加热速度，此外试验设备的型式和大小，试样容器的材质、形状和尺寸以及容器的支架都会影响测定结果，即测定结果取决于所规定的试验条件，因此说它是一个规范性很强的试验项目。

煤的挥发分产率与煤的变质程度有比较密切的关系———随着变质程度的加深，挥发分逐渐降低(表73)，因此根据煤的挥发分产率可以估计煤的种类。在我国及前苏联、美国、英国、法国、波兰和国际煤炭分类方案中，都以挥发分作为第一分类指标。

表7-3 挥发分与煤的变质程度的关系

根据挥发分产率和测定挥发分后的焦块特性可以初步决定煤的加工利用途径。如高挥发分的煤，干馏时化学副产品产率高，适于作低温干馏原料，也可作为气化原料挥发分适中的烟煤，粘结性较好，适于炼焦。在配煤炼焦中，要用挥发分来确定配煤比，以将混煤的挥发分控制到适宜范围25%～31%。此外，根据挥发分，可以估算炼焦时焦炭、煤气、焦油和粗苯等产率。在燃煤中，可根据挥发分来选择适于特定煤源的燃烧设备或适于特定设备的煤源。在气化和液化工艺条件的选择上挥发分也有一定的参考作用。在环境保护中，挥发分还作为制定烟雾法的一个依据。

此外，挥发分与其他煤质特性指标，如发热量、碳和氢含量都有较好的相关关系。利用挥发分可以计算煤的发热量和碳氢含量。

4.煤的镜质体反射率

煤的镜质体反射率是不受煤的岩石成分含量影响，但却能反映煤化程度的一个指标。煤的镜质体反射率随它的有机组分中碳含量的增加而增高，随挥发分产率的增高而减少。也就是说同一显微组分，在不同的变质阶段，反射率不同，它能较好地反映煤的变质程度。因此，镜质体反射率是一个很有前途的煤分类指标。特别是对无烟煤阶段的划分，灵敏度大，是区分年老无烟煤、典型无烟煤和年轻无烟煤的一个较理想的指标。目前在国际上已有许多国家采用镜质体反射率作为一种煤炭分类指标。此外，煤的镜质体反射率在评价煤质及煤炭加工利用等方面都有重要意义，如日本、西德等国家用镜质体反射率来指导炼焦配煤来控制煤质量等等，而且在石油、地质勘探研究方面也很有价值。

反射率是指垂直反射时，反射光强度和入射光强度的百分比值，一般用R表示。

煤地质学

测定煤的镜质体反射率是将已知反射率的标准片和煤样(镜质体)放在显微镜下，在一定强度的入射光中，它们反射出的微弱光流，通过光电倍增管转变为电流并被放大成较强的电信号，然后将电信号输出并馈入到记录装置。根据记录装置刻度盘上读出标准片的反射光强度值和煤的镜质体的反射光强度值，按下式求出煤的镜质体反射率:

煤地质学

式中:R镜为煤的镜质体反射率I标为标准片的反射光电流强度I镜为煤的镜质体反射光电流强度R标为标准片的反射率。

标准片的反射率R标按下式计算:

煤地质学

式中:n为标准片的折射率n0为样品和物镜之间介质的折射率，空气为1，香柏油一般为1.515～1.518。

一、煤的成岩作用与变质作用

无论是岩石学还是煤田地质学领域，对于成岩与变质作用的划分都存在着不同的认识。一般认为，由于亮褐煤(中国的老褐煤、美国的亚烟煤)已出现镜煤，具有强烈的镜煤化作用，并且具有微弱的光泽。因此，主张煤的成岩与变质作用的分界开始于亮褐煤的形成。

1.煤的成岩作用

泥炭形成后，由于盆地的沉降，在上覆沉积物的覆盖下被埋藏于地下，经压实、脱水、增碳，游离纤维素消失，出现了凝胶化组分，逐渐固结并具有了微弱的反射力，经过这种物理化学变化转变成年轻褐煤。这一转变所经历的作用称为煤的成岩作用。据E.Stach认为，这种作用大致发生于地下200～400m的浅层。

图3-1 成煤作用的阶段划分

图3-2 各种煤的含氧官能团含量变化(据Krevelen，1981)

在成岩作用中，煤受到复杂的化学和物理煤化作用。化学煤化作用主要反映在泥炭内的腐植酸、腐植质分子侧链上的亲水官能团，以及环氧数目不断地减少，形成各种挥发性产物，并导致碳含量增加，氧和水分含量减少。Blom等(1957)曾列举了煤的多种含氧官能团随碳含量增加的变化(表3-1)，并引用了Krevelen(1961)图解(图3-2)。这是由于有机质的基本结构单元主要是带有侧链和官能团(如羟基—OH、甲氧基—OCH3、羧基—COOH、甲基—CH3、醚基—C—O—C、羰—=C=O等)的缩合稠环芳烃体系，碳元素主要集中于稠环中。稠环的结合力强，具较大的稳定性。侧链和官能团之间及其与稠环之间的结合力相对较弱，稳定性差。因此，在煤化过程中，随温度及压力的增加，侧链和官能团不断发生断裂和脱落，数目减少，从而形成各种挥发性产物，如CO2，H2O，CH4等逸出。

煤的物理煤化作用主要反映在发生了物理胶体反应，即成岩凝胶化作用，从而使未分解或未完全分解的木质纤维组织，不断转变为腐植酸、腐植质，使已经形成的腐植酸、腐植质变为黑色具有微弱光泽的凝胶化组分。成岩作用中，丝炭化组分和稳定组分也发生了变化。

2.煤的变质作用

煤的变质作用是指年轻褐煤，在较高的温度、压力及较长地质时间等因素的作用下，进一步受到物理化学变化，变成老褐煤(亮褐煤)、烟煤、无烟煤、变无烟煤的过程。这一阶段所发生的化学煤化作用表现为腐植物质进一步聚合，失去大量的含氧官能团(如羧基—COOH和甲氧基—OCH3)，腐植酸进一步减少，使腐植物质由酸性变为中性，出现了更多的腐植复合物。本阶段物理煤化作用表现为结束了成岩凝胶化作用，形成凝胶化组分，植物残体已不存在，稳定组分发生沥青化作用，使叶片表皮蜡质和孢粉质的外层脱去甲氧基，形成易软化、塑性强，具粘结性的沥青质，并开始具有微弱的光泽。在温度、压力的继续作用下，腐植复合物不断发生聚合反应，使稠环芳香系统不断加大，侧链减少，不断提高芳香化程度和分子排列的规则化程度，变质程度不断提高，进而转变为烟煤、无烟煤和变无烟煤。M.R.Teichmüller根据一些作者的资料。以图解形式对微镜煤在烟煤和无烟煤煤化过程中的物理、化学变化和分子排列上的变化作了说明(图33)。

二、煤化作用特点

煤在连续的系列演化过程中，可明显地显现出增碳化趋势，即由泥炭阶段含有C，H，O，N，S5种主要元素，演变到无烟煤阶段基本上只含碳一种元素。因此，煤化作用过程，也可称作异种元素的排出过程。排出的方式是由其他元素和碳结合构成挥发性化合物，因此造成了随煤化程度增加，煤中的挥发物减少，碳含量增加。其次，也表现为结构单一化趋势，即由泥炭阶段含多种官能团的结构，逐渐演变到无烟煤阶段只含缩合芳核的结构，最后演变为石墨结构。因此，煤化作用过程实际上是依序排除不稳定结构的过程。煤化作用过程还表现为结构致密化和定向排列的趋势，即随煤化作用的进行，煤的有机分子侧链由长变短，数目变少，腐植复合物的稠核芳香系统不断增大，逐渐趋于紧密，分子量加大，缩合度提高，分子排列逐渐规则化，从混杂排列到层状有序排列，因此反光性能增强。

煤化作用过程中还表现为煤显微组分性质的均一性趋势，在煤化作用的低级阶段，煤显微组分的光性和化学组成结构差异显著，但随着煤化作用的进行，这些差异趋于一致，变得愈来愈不易区分。

煤化作用是一种不可逆的反应。煤化作用能否形成连续的系列演化过程，决定于具体地质条件。例如，含煤盆地由沉降转变为抬升，就会导致煤化作用的终止如果后来由于岩浆作用加剧，或盆地再度沉降，那么煤化作用还可能再次进行下去。

图3-3 烟煤和无烟煤煤化过程中微镜煤的物理、化学和分子变化(据M.R.Teichmüller，1954，1968，简化并改绘)

表3-1 煤中各种官能团的氧含量 单位:%

(据Blom等，1957)

煤化作用的发展是非线性的，表现为煤化作用的跃变，简称煤化跃变。煤的各种物理、化学性质的变化，在煤化进程中，快、慢、多、少是不均衡的。20世纪40年代，英国煤岩学家指出，煤化过程中镜质组反射率的增高是跳跃式的。1939年Stach提出，挥发分为28%时类脂组出现煤化作用转折。70年代以来，提出了煤化过程中的4次明显变化，即煤化作用跃变。

第一次跃变发生在长焰煤开始阶段(Cdaf=75%～80%，Vdaf=43%，镜质组反射率Romax=0.6%)，它与石油开始形成阶段相当(Cdaf，Vdaf等符号含义见第七章)。本次跃变的特点是沥青化作用的发生，随煤化程度的提高，各种含氧官能团逐渐脱落，在Rom=0.6%以前主要以析出CO2和H2O为特征当煤化作用达到Rom=0.5%～0.6%阶段，芳香核稠环上开始脱落脂肪族和脂肪族官能团和侧链，形成以甲烷为主的挥发物，于是开始了生成沥青质的沥青化作用。

第二次煤化跃变出现在肥煤到焦煤阶段(Cdaf=87%，Vdaf=29%，Romax=1.3%)。跃变的发生是因煤中甲烷的大量逸出，从而释放出大量的氢所造成的。本阶段开始，由于富氢的侧链和键的大量缩短及减少，使煤的比重下降到最小值。在压力的作用下，煤的显微孔隙度逐渐缩小，水分减少。到焦煤阶段(Cdaf=89%，Vdaf≈20%，Romax≈1.7%)，腐植凝胶基本上完成了脱水作用，水分和孔隙度都达到了最低值，发热量则升高到最大值(这和镜质组的硬度、密度的最小值，以及炼焦时可塑性最大值相一致)，随后由于化学结构的变化，水分含量又有所回升。此外，第二次跃变中还有耐磨性、焦化流动性、粘结性、内生裂隙数目等都达到极大值，内面积、湿润热等达到最小值。这些性质变化曲线的明显转折，称为煤化作用转折。自第二次跃变后，壳质组与镜质组在颜色、突起、反射率等方面的差异愈加变小，当Vdaf=22%时，无论用化学还是用光学方法都不能使孢子体、花粉体与镜质组分开，角质体也有类似趋势，其反射率甚至高于镜质组。因此，壳质组在Vdaf=29%～22%这一阶段的明显变化又称为煤化台阶。本阶段与油气形成的深成阶段后期(即热裂解气开始形成阶段)相当，石油烃转化为气体烃，因此它对应于石油的“死亡线”。

第三次跃变发生于烟煤变为无烟煤阶段(Cdaf=91%，Vdaf=8%，Romax=2.5%)。煤化作用的第三次跃变以后，就是有人称为无烟煤化作用和半石墨化作用(M.R.Teich-müller，1987)的阶段，它们代表了煤化作用的最终阶段，其产物是无烟煤和变无烟煤的形成。

第四次跃变为无烟煤与变无烟煤分界(Cdaf=93.5%，Hdaf=2.5%，Vdaf=4.0%，镜质组反射率Romax=4%，Rom=3.5%)。本阶段和初期煤化作用阶段相比有较多的不同。在化学煤化作用方面，主要表现为氢含量与氢碳原子比的急剧下降。碳含量随埋藏深度的增加明显地增大，同时芳香单元的芳香度和缩合度也急剧增加。

物理煤化作用不仅首先反映在硬度增大、光泽增强上，到变无烟煤时几乎呈浅黄色金属光泽，宏观上微层理已不明显。更为明显的变化是在光学特征上，即在非偏光下，无烟煤与变无烟煤都更加显示出均质性的特征，在正交偏光下，主要显微组分又可显出差异，角质组和孢子体达到了最大反射率，且双反射率也较高，惰质组的最大反射率约等于或低于镜质组的反射率，镜质组的最大反射率在无烟煤阶段以后有时可以超过惰质组。

无烟煤阶段镜质组反射率随着煤化作用进一步增高，进入变无烟煤以后，由于最小反射率(Rmax为6%时)迅速减小，双反射率急剧加大(图3-4)。原联邦德国北部闵斯特兰1号钻孔，随深度增加煤化作用程度加深，并由此带来镜质组反射率的变化(图35)。镜质组反射率在无烟煤和变无烟煤(超无烟煤)阶段数据分布如此离散的原因，除了镜质组的二轴光性特征以外，还因为难以区别各种不同显微组分。

本阶段在煤的结构上主要表现为芳香族稠环体系的缩合度进一步增加，侧链更加减少，芳香单元直径加大，层系间空间减小，使得顺层面三维的定向排列更加紧密(图3-6)。

图3-4 以氢含量和镜质组反射率(Rmax、Rm和Rmin)为基础，介于烟煤和石墨阶段之间的煤级的增高(据Ragot，1977)

煤化作用中，腐植物质的煤化作用与沥青质的沥青化作用是同期进行的。沥青化作用是指壳质组(包括藻类体)和镜质组在煤化过程中形成沥青质，即石油型烃类的一种作用。这种作用起始于硬褐煤阶段(Rom=0.5%)，持续到早期肥煤阶段(Rom=1.2%)。

荧光显微镜的发展进一步促进了对沥青化的认识。在荧光显微镜下观察，老褐煤亚烟煤和高挥发分烟煤的裂隙和微孔中，充填有弱反射的具强荧光的有机物质。烟煤中的沥青质来源于壳质组和镜质组，尤其是富氢镜质组。在一些用聚酯树脂浸润过的高挥发分烟煤光片上，用短波光照射时，可见到从镜质体裂隙、树脂体及渗出沥青体中析出的显示绿—黄荧光的油滴，在某些低煤化烟煤光片中可见到从镜质组微孔中渗出的沥青质所形成的薄膜。大约在Rom为0.6%～0.8%阶段，有些沥青质和部分树脂体一起转变为微粒体。

图3-5 原联邦德国北部闵斯特兰1号钻孔中的镜质组反射率(Rmax，Rmin和Rm)随深度而增加(据M.R.Teichmüller，1979)

由于镜质组中有0.4～0.6μm以下的极微孔隙起着分子筛的作用，使煤中生成的沥青质不能自由移动，而以吸附方式(可能还有化学方式)等为镜质组所吸收，只有少部分在裂隙微孔中形成渗出沥青体。

富含沥青的煤多与海相或钙质沉积有关，含有丰富的壳质组(包括藻类体)和基质镜质体，黄铁矿与有机硫含量较高，并以氢含量和焦油产率高、水分低、反射率低、荧光性强的微镜煤为特点。这种煤在炼焦时，软化早且可塑性强，甚至在低煤化阶段就显示出良好的粘结性，显然这与沥青化作用的影响有关。煤中沥青质的产生，促进了煤化作用中的成岩凝胶化，从而使煤的结焦性较好，而且沥青化阶段的煤(Rom=0.5%～1.3%)最适合于煤的加氢。这是因为沥青质的产生，也促使高煤化阶段起阻碍作用的富氧官能团大大减少，因而在上覆压力下芳香层系顺层面易于有序排列，从而增加了反射率的各向异性。

关于煤化作用特征的认识在不断深化。近期，关于煤化作用中惰性组的演化问题，已日益受到关注，惰性组在煤化作用中不变化的观点已为若干研究成果所改变。有人提出至少一部分惰性组显微组分，如微粒体，是从富氢显微组分(如沥青质体)在成油之后伴随煤化作用形成的一种产物。Teichmüller所称的后生丝质体也是腐植壳质组织，是在地球化学煤化作用中由于惰性化作用形成的。

图3-6 低煤级及高煤级分子结构模式图(据Oberlin等，1980)