煤的大卡越低含油率

煤、油页岩和石油属于可燃有机矿产。

现代和古代沉积物中有机质的变化记录了其来源和随后发生的成岩作用和变质作用。然而，由生物组织构成的有机质大部分在空气中腐烂并分解成C、CO2和H2O，从而在沉积地质记录中消失。细菌和其他微生物是有机质降解过程中的主导因素，降解发生在近地表和水下环境中。在氧气不足的地方，有机质的分解不完全甚至停止，稳定的有机质化合物可以在岩石中完好保存。有机物在缺氧的环境下保存的最好，如在停滞的湖中和分层的海相盆地、沼泽和泥潭。

有机质产生的过程归结为生命体最基本的光合作用。通过光合作用，植物以叶绿素为催化剂将CO2和H2O合成碳水化合物。这一复杂的过程可用下面的反应式表示:

6CO2+6H2O→C6H12O6+6O2

有机质在氧气中的分解作用是光合作用的反作用，有很多中间步骤。当氧气含量很少的时候，厌氧细菌开始产生碳氢化合物和其他更复杂的化合物。在氧化环境中，大部分沉积物只包含少量有机质，例如，砂岩中含0.05%，石灰岩中含0.3%，泥岩中含2%。有机质矿藏主要为油页岩、煤和石油天然气，构成了矿物燃料，对人类有着很重要的作用。

一、煤

1.一般特征

煤是一种由多种高分子有机化合物和少量无机矿物质所组成的复杂混合物，是植物遗体经复杂的生物化学作用和物理化学作用转变而成的。组成煤的有机组分主要由植物转化而来，主要由C、H、O、S、P等元素组成无机组分则来源于原始物质堆积时混入的矿物质、植物体内的原始无机组分等，一般为硫化物、黏土矿物、二氧化硅类以及碳酸盐和磷酸盐矿物。

煤的物理性质由成煤的原始物质、聚煤环境和变质程度有密切关系。煤一般为黑色、黑褐色或钢灰色等，随变质程度的增加颜色由褐变黑。具有沥青光泽、玻璃光泽和似金属光泽，一般随变质程度的增加光泽由弱到强。煤的摩氏硬度在2～4之间，随变质程度加强，硬度由小变大，如褐煤摩氏硬度为2～2.5，无烟煤为4。煤发育断口，可以是贝壳状、眼球状和阶梯状等多种。煤还发育裂隙。

煤主要分为腐殖煤和腐泥煤。腐殖煤是由原地的木质植物转化形成腐泥煤由藻类、孢子和植物碎片形成。煤化过程中发生了多种物理化学作用，造成了不同的煤化等级。

2.主要类型

从岩石学观点，根据煤的主要组成物质分为四种类型:

◎镜煤:呈深黑色，具有玻璃光泽或沥青光泽，结构均一，断口呈贝壳状。常有原生的垂直裂隙。性脆而易碎。在煤层中呈透镜状或薄层状产出。镜煤是木质－纤维细胞在厌氧细菌作用下被破坏后形成的凝胶状或半凝胶状的物质。是在沼泽含水丰富、温度很大的厌氧还原条件下形成的。镜煤挥发分和氢含量均较高，黏结性较强。中级变质阶段的镜煤是炼焦的最好原料。

◎暗煤:呈灰色到褐黑色，光泽较暗。因硬度和坚韧度较大，又称为硬煤。常呈层状，含灰分较高，断口粗糙而不规则。暗煤含矿物杂质较多，一般不适于单独炼焦。

◎亮煤:其光泽和颜色介于镜煤和暗煤之间，其组织的均匀程度次于镜煤。常与暗煤成互层或渐变过渡。在一定的碳化程度内，亦可用于炼焦。

◎丝煤:又称为纤维煤，颜色暗黑，丝绢光泽，纤维状结构，质松脆，染手，形似木炭。在煤层中常呈透镜体。灰分很高，挥发分和含氢量极低，是工业用煤的有害组分。丝煤在氧化环境下，积水较少、湿度不足的泥沼中形成。

煤是重要的能源矿产资源之一，分布广泛。主要形成于晚古生代和中新生代，以含煤岩系出现。主要的含煤岩系大致有两类，即海陆交互相含煤岩系，如我国的广西、黔东的晚二叠世含煤岩系和湖南早石炭含煤岩系二是陆相含煤岩系，如我国北方很多中新生代陆相盆地中的含煤岩系。

二、油页岩

1.一般特征

油页岩也称为油母页岩，是指主要由藻类及部分低等生物的遗体经腐泥化作用和煤化作用而形成的一种高灰分低变质的腐泥质岩石。油页岩中含有一定量的有机质，通过干馏可从中提取原油。因此，油页岩也是一种石油资源，同时还可以从中提取硫酸铵、吡啶等多种化工物质。油页岩是化石燃料，可以帮助补偿石油储量的消耗，目前已受到人们的高度重视。全球油页岩矿藏主要分布在俄罗斯、中国、巴西等国家。

油页岩的无机成分一般为黏土和粉砂，有时也含有碳酸盐矿物和黄铁矿等，组成极细粒的岩石。油页岩中的有机质成分主要为C、H、O、N和S等，与煤不同的是，油页岩C/H比低(＜10)，含油率高，N和S含量也较高。油页岩中的有机物大部分为干酪根，也有少量沥青质。有机质在油页岩中形态微小，所以很难识别出是何种有机体形成的。很多油页岩中含有藻类的化石，细粒高等植物碎屑和大孢子也是其重要的组成部分。

油页岩发育页状层理，甚至可以出现极薄的纸状层理。有的貌似块状，但经风化，其页理就能呈现出来。油页岩的颜色多样，一般为棕黑色、深棕色或黑色。颜色越深，其出油率也越高。风化后，色调变浅，甚至变为灰白色。油页岩质地细致，比普通页岩轻。干燥的油页岩相对密度只有1.3～1.8。有弹性，坚韧而不易破碎。用小刀刮起的薄片可以发生卷曲，切之可成任何形状。以指甲刻划，出现油脂光泽的刻痕。断口常为极细的贝壳状。含油率为4%～20%，含油率高时，用火柴即可点燃。

2.主要类型

油页岩的形成环境有近海型和内陆湖泊型两种:①近海型油页岩主要形成于近海的潟湖海湾、滨海三角洲前缘以及其他滨海环境，常与碳酸盐岩共生，呈夹层状，层厚从十几厘米至1m不等，层数多，分布广，而且含油率高，是主要的矿床类型，如我国广东茂名的油页岩矿床。②内陆湖泊型油页岩形成于内陆湖波中，经常与煤共生，多呈互层出现，矿层较厚，可达数十米厚，但是横向上分布不稳定，含油率较低，如我国辽宁抚顺油页岩矿床和美国著名的绿河油页岩矿床。正常海洋环境生成的油页岩不常见。

三、石油

1.一般特征

从油田采出的液态有机岩称为天然石油或原油，它是一种比水轻的油脂状液体。石油在分馏的过程中，可以先后得到:石油醚、汽油、煤油、柴油、润滑油及残留物沥青等。石油不仅是重要的能源，同时又是各种洗涤剂、合成纤维、合成橡胶、塑料，以及农药、化肥、医药等方面的化工原料。

石油主要由碳氢化合物构成，包括烃类和非烃类物质。烃类物质有烷烃(CnH2n+2)、环烷烃(CnH2n)和芳香烃(CnH2n－6)非烃类组分主要为S、N、O的非烃化合物，包括酸类、酚、硫化物、胶质、沥青和灰分。石油的平均化学成分约为C83%～87%，H11%～15%，其他元素(O、N、S)约占1%，很少达到2%～3%，C/H比介于5.7～8.5之间。

石油多呈黑绿色、深褐色至黑色或黄色具有明显的气味，轻质油有芳香味，浓黑的原油有沥青味，含S、N化合物的原油多具臭味。石油的密度变化较大，20℃时密度介于0.75～1.00g/cm3之间。石油的黏度与烃类组成有关，同时也与石油的密度、温度和压力等有关，一般情况下，石油的密度增高，黏度增大温度升高，黏度降低黏度由烷烃－芳烃－环烷烃方向增加。石油具有荧光性，而且发光现象非常灵敏，只要溶剂中有十万分之一的石油和沥青物质，就可以发光，发光的颜色和强度随石油和沥青的性质和浓度不同而变化。石油还具有旋光性，旋转角度很小，一般在0°～3.4°之间。1kg石油的平均低位发热量为41816kJ。

2.主要类型

原油中的烃类成分主要分为烷烃、环烷烃、芳香烃。根据烃类成分的不同，可分为的石蜡基石油、环烷基石油和中间基石油三类。石蜡基石油含烷烃较多最易燃烧环烷基石油含环烷烃、芳香烃较多中间基石油介于二者之间。目前我国已开采的原油以低硫石蜡基型居多，大庆等地原油均属此类。其中，最有代表性的大庆原油，硫含量低，蜡含量高，凝点高，能生产出优质煤油、柴油、溶剂油、润滑油和商品石蜡。胜利原油胶质含量高(29%)，密度较大(0.91g/cm3左右)，含蜡量高(约15%～21%)，属含硫中间基型。汽油馏分感铅性好，且富有环烷烃和芳香烃，故是重蒸的良好原料。

原油按硫含量分类，可分为超低硫原油、低硫原油、含硫原油和高硫原油四类。按密度分类，可分为轻质原油、中质原油、重质原油三类。例如，胜利原油属于高硫重质油，WTI原油(西得克萨斯中基原油)属于低硫轻质油。

国际原油市场常用重度(API°)进行分类，将原油分为:轻质原油、中质原油、重质原油和特重原油。

石油在全球广泛分布，但在时间上和空间上分布极不均匀。据统计，各个地质时期都可以形成石油，但现代石油资源主要蕴藏在中生代和古近纪地层中从地理分布来看，目前世界上1/3的石油都产自中东的沙特阿拉伯、伊朗、伊拉克和阿拉伯联合酋长国美国、加拿大、俄罗斯、委内瑞拉、尼日利亚、利比亚、墨西哥、欧洲西部、北海和印尼也有大油田我国东北、华北和西北等地区都有石油产出。从大地构造上来看，主要分布于构造稳定区和一些过渡区、山前凹陷带及裂谷盆地中。

近几年来，油砂作为一种新型的资源，日益受到石油地质工作者的重视。

油砂是指富含天然沥青原油的沉积砂(Ardine，1974牛嘉玉等，2002)。因此也称为“沥青砂”。有时也指浸渍轻馏分部分逸出后的一种天然石油的砂或砂岩。可用以提炼重油和沥青。油砂实质上是一种沥青、砂、富矿黏土和水的混合物，其中，沥青含量为10%～12%，砂和黏土等矿物占80%～85%，水3～5%。具有高密度、高黏度、高C/H比和高金属含量的油砂沥青油。其外观似黑色糖蜜，其开采方法与传统石油开采截然不同。简单地说，油砂开采是“挖掘”石油，而不是“抽取”石油。已露出或近地表的重质残余石油浸染的砂岩，系沥青及原油在运移过程中失掉轻质组分后的产物。砂岩多为淡水及半咸水相，以加拿大阿萨巴斯卡河为最大，产于白垩系中，面积达33400km2。

世界上85%的油砂集中在加拿大艾伯塔省北部地区。据加拿大官方统计，目前可进行商业开采的油砂储量约相当于1750亿桶石油，仅次于沙特阿拉伯的石油储量(Meyerhoff，1987)。

中国的油砂资源比较丰富，主要分布在新疆、青海、西藏、四川、贵州，此外，广西、浙江、内蒙古也有分布。其特点是分布广，层位多，厚度小，含油率低。现在已经掌握的油砂资源量为40亿桶(单玄龙等，2006)。

思考题

1.试比较内碎屑灰岩与陆源碎屑岩在组成、结构、构造和成因方面异同。

2.常见的碳酸盐岩的岩石类型有哪些?其特征如何?

3.阐述能源资源在国民经济发展中的重要意义。

煤的含水率差别很大，除了褐煤含水率较高以外，其他的几个煤种，无烟煤、烟煤，还有的煤种细分有贫煤、瘦煤等含水率应该在20%以下，有的在10%以下，甚至更低的低于5%。

比如：烟煤中的大同优混1号，全水8.5%；大友6号煤，全水5.2%；活鸡兔的煤全水17.3%，安太堡的煤全水4.8%。

主要用途

煤是重要能源，也是冶金、化学工业的重要原料。主要用于燃烧、炼焦、气化、低温干馏、加氢液化等。

燃烧，煤炭是人类的重要能源资源，任何煤都可作为工业和民用燃料。

炼焦，把煤置于干馏炉中，隔绝空气加热，煤中有机质随温度升高逐渐被分解，其中挥发性物质以气态或蒸气状态逸出，成为焦炉煤气和煤焦油，而非挥发性固体剩留物即为焦炭。

特征表示煤的粘结性和煤化程度，

计数表示固定碳含量。

简单地，

一）从成分上说：

1.碳：主要可燃成分，占50-95%，含碳越高，燃点越高，越容易着火。

2.氢：占2-4%，H的发热量很高。会占煤的一部分发热量，越大越好。

3.氧：起到助燃的作用。

4.硫：是煤中的有害成分，要避免。

5.氮：燃烧时，随着烟气一同排出，损失热量。

6.灰分：含的越少越好，是垃圾。

7.水分：对煤的燃烧有影响。含适量的水分，可以放出H,但含水太多了，着火难，烟气含水大。

8.磷：是占很少的，有的煤种基本不含，磷也可以燃烧放出热量。

二）要从工业分析：

1.挥发分：占15-20%，越高越好，越高发热量越高。

2.固定碳：燃烧C和CO都可提供热量。

3.灰分及溶渣：占2-5%，灰分高的煤，易熔渣和结焦。

4.水分：像上面说的。

新制定的中国煤炭分类国家标准，首先根据煤的煤化程度，将所有煤分为褐煤、烟煤和无烟煤。对于褐煤和无烟煤，再分别按其煤化程度和工业利用的特点分为2个和3个小类。烟煤部分按挥发分大于10～20％、大于20～28％、大于28～37％和大于37％的4个阶段分为低、中、中高及高挥发分烟煤。关于烟煤粘结性，则按粘结指数G区分：0～5为不粘结和微粘结煤。大于50～65为中等偏强粘结煤，大于65则为强粘结煤。对于强粘结煤，又把其中胶质层最大厚度y值大于25mm或奥亚膨胀度b大于150％（对于Vdaf大于28％的烟煤，b大于220％）的煤定为特强粘结煤。这样，在烟煤部分，可分为24个单元，并用相应的数码表示。编号的十位数中，1～4代表煤的煤化程度，编号的个位数中，1～6表示煤的粘结性。在这24个单元中，再按同类煤性质基本相似，不同煤性质有较大差异的分类原则将部分单元合并为12个类别。再煤类的命名上，考虑到新旧分类的延续性和习惯叫法，仍保留气煤、肥美、焦煤、瘦煤、贫煤、弱粘煤、不粘煤和长焰煤8个煤类。

各国的能源构成不同，消费构成也不同。我国能源以煤为主，约占70%，煤炭的消费构成大体如下:火力发电31%，各种工业锅炉31%，民用20%，炼焦8%，蒸汽机车4%，化工3%，出口3%。不同部门对煤质的要求不同。

1.炼焦用煤

焦炭用于炼铁、铸造、生产电石、气化以及金属的冶炼等。炼焦是在炼焦炉的炭化室内进行的。炭化室宽0.45m，高4.3～5.5m，长14～16m，可装煤18～27t，炭化室两边为燃烧室，温度达1300℃，隔着耐火砖把炭化室加热至1100℃，煤在炭化室中隔绝空气干馏，大约经过14～16h，煤就炼成焦炭。炼焦产品中焦炭约占75%，焦炉煤气18%，煤焦油4%，还有粗苯、氨、硫等。每座焦炉有炭化室几十个至上百个。焦炉煤气热值很高，是很好的气体燃料。煤焦油经分馏后可得到很多有用的化工产品，如汽油、煤油、柴油、润滑油、沥青等，粗苯和氨也是主要的化工原料。我国每年生产的焦炭5000×104t以上，其中大部分用于高炉炼铁。焦炭在炼铁高炉中所起的作用主要有三:一是还原剂，与铁矿石中的氧作用生成CO和CO2，把铁还原出来二是热源，焦炭燃烧时产生高温(炼铁高炉温度约1600℃)，保证化学反应的进行，使铁矿石熔化三是支撑剂，焦炭在高温下不变形，保证高炉中气流畅通、生产正常地进行。所以炼铁必须有一定粒度的高强度、低灰低硫的优质焦炭。为保证焦炭的质量，对炼焦用煤有如下的要求:

1)有较强的结焦性和粘结性:炼焦用煤一般都要用多种煤配合炼焦强粘结性煤如肥煤、焦煤要占50%～60%，而粘结性差的煤如气煤、瘦煤用量为40%～50%，有时也可用一部分弱粘煤代替气煤。配煤后的胶质层厚度Y为16～20mm为佳。

2)煤的灰分要低:炼焦煤的灰分增加0.8%，焦炭的灰分就增加1%，焦炭的强度会下降2%，炼铁时的焦比(炼1t铁所需焦炭量与铁的比值)要增高2%～2.5%，生铁产量要下降2.55%～3%，高炉排渣量要增加2.7%～2.9%。所以要求炼焦煤的灰分越低越好。但为了保证精煤的回收率，所以煤焦配煤的灰分Ad≤10%为宜。由于我国的气煤多，而焦煤少，所以我国焦煤、肥煤的灰分可放宽至12%，气煤的灰分则要小于9%。不管原煤灰分多低，炼焦用煤都要进行洗选，不但降低了灰分，而且可脱除大部分丝质体和半丝质体等不粘结组分，使镜质组富集而提高煤的粘结性。

3)煤的硫分要低:炼焦煤中的硫有80%进入焦炭，焦炭在炼铁时，硫进入生铁。生铁中含硫大于0.07%，即为废铁，不能炼钢，因炼出的钢具热脆性，易脆裂。为了脱硫，要在高炉中加入石灰石、白云石等熔剂与硫形成炉渣(CaS)排出。通常炼焦煤的硫增加0.1%，焦炭中的硫增高0.08%，石灰石用量就增加1.6%，焦比上升1.2%，高炉的生产能力就降低1.6%～2.0%。所以要求炼焦配煤后的硫含量St，d≤1.2%。有些工业先进国家，要求配煤的硫含量要小于0.5%。煤中的磷在炼焦时也会进入焦炭，焦炭炼铁时磷进入铁中。磷也会使铁变脆，其危害比硫更大。炼焦配煤中要求磷含量Pd≤0.1%。我国煤中的磷含量一般都不高。

4)配煤的挥发分要合适:配煤的挥发分过高，会降低焦炭强度挥发分过低，虽可提高焦炭的强度和块度，但炼焦时膨胀压力过大，推焦困难，而且挥发分低，化学产品的回收率低，使炼焦成本提高。一般配煤的挥发分Vdaf为28%～32%较合适。若生产铸造焦，挥发分可低一点(Vdaf=28%)，可得较多的大块焦。化工用焦，焦炭强度可稍降低，故挥发分可高些，灰、硫的要求也可放宽一些。

5)其他指标要求:要求配煤总水分Mt在7%～10%之间。因水分高，消耗热量，需要延长炼焦时间，降低焦炭的产量。炼焦配煤的粒度，要求小于3mm占80%以上。粒度太大，煤料混合不均匀，炼出焦炭强度受影响粒度太小，增加磨煤费用和电耗，而且装炉煤的堆密度变小，会减少焦炭产量，降低焦炭质量。配煤的粘结性较差时，可用捣固的办法增加堆密度，减少颗粒间的间隙，改善煤的粘结性，也可加入沥青等粘结剂来改善粘结性。煤料挥发分高，收缩太大时，可加入细粉碎无烟煤、半焦等瘦化剂，以提高焦炭强度。

2.气化用煤

煤直接燃烧效率低，热能利用率仅15%～18%，且污染大气。我国每年燃烧煤炭排入大气的烟尘量达1200×104t，SO2达1800×104t，占排入大气污染物总量的60%～80%。全国有几十个城市出现酸雨，近40%的国土受酸雨的污染，酸雨主要是硫酸(90%)，其次为硝酸和弱酸。大气中含硫0.8mg/m3就会使人致病，酸雨使湖泊酸化、鱼藻死亡、农作物枯萎、土壤中养分流失，还破坏金属构件、建筑物，文物古迹、油漆、衣物也受其腐蚀。酸雨给国民经济造成巨大损失，已成为国际上重大的环境污染问题。用煤生产煤气作为燃料称为煤的气化，是减少对大气和环境污染的办法。煤气的热效率高达55%～60%，比直接燃煤提高3倍，洁净、空气污染小，运送方便，生产工艺和设备比较简单。煤的气化是使煤与氧气、空气、水蒸气等反应，生成含有CO和H2等可燃气体的工艺过程，即把固态的煤变成可燃气体的过程。

2C+O2→2CO+Δ

C+H2O→CO+H2－Δ

式中:Δ表示无效成分。

据气化剂的不同，煤气可分为空气煤气、水煤气和半水煤气等。以空气作为气化剂生产出来的煤气称为空气煤气，但有效成分H2和CO含量只有12%，发热量太低，用处不大以水蒸气、氧气作为气化剂生产出来的煤气称为水煤气，有效成分CO和H2的含量可达86%，发热量高，可作燃料和化工原料，也是工业用氢的来源以空气和水蒸气作为气化剂生产出来的煤气称为半水煤气，有效成分H2和CO的含量达70%，N2含量为20%，发热量中等，是合成氨的原料，也可作燃料。

气化用的炉型不同，对煤质的要求也不一样。常见的有固定床气化炉、沸腾床气化炉和悬浮床气化炉。

(1)固定床气化炉

固定床气化炉为圆形炉子，煤由炉子上方加入，在炉栅上进行燃烧气化。气化剂从炉栅下部向上通入，生成的煤气从上方导出。炉栅附近温度高，为氧化层，向上温度逐渐降低，分别为还原层、干馏层和干燥层。

固定床气化炉必须用块煤，粒度最好为25～50mm，其次为13～50mm，13～25mm，25～75mm等。煤种以低煤级的褐煤、不粘煤、长焰煤、弱粘煤、气煤为佳。要求煤的抗碎强度较高，热稳定性要好(TS+6＞70%)，煤的活性好，灰分Ad＜25%，硫分St，d＜2%，固态排渣炉要求煤灰的软化温度ST＞1200℃，液态排渣炉要求煤灰的熔化温度FT＜1300℃，要求烟煤胶质层厚度Y＜16mm。

(2)沸腾床气化炉

煤在炉上呈浮动的状态，就像沸腾的水，故称沸腾床气化炉。用粒度＜8mm的煤，而＜1mm的粉煤越少越好，不然飞灰的损失大，影响煤的有效利用率。煤种以低煤级的褐煤、长焰煤或不粘煤为佳。要求煤的水分Mt≤12%，灰分Ad≤25%，硫分St，d＜2%，活性要好，a＞60%(950℃时CO2的还原率)，煤灰软化温度ST＜1200℃。

(3)悬浮床气化炉

把煤磨成粉，喷至炉内呈悬浮状态进行燃烧气化。煤要磨得很细，＜200网目(筛孔边长为0.074mm)的煤粒要＞90%。煤粉在炉中1s内完成氧化反应，炉中温度高达1400～1500℃。生成煤气可供生产合成氨。该炉对煤种不限，对粘结性等无要求，但煤的水分要尽量少，Mt＜5%。悬浮床气化炉生产能力大，1h可生产5×104～12×104m3的煤气。

(4)生产合成氨对煤质的要求

我国中型化肥厂生产合成氨的气化炉一般用固定床气化炉，对煤质有严格要求。要用无烟煤，块煤粒度为25～50mm，或15～100mm，13～25mm，13～70mm含矸率(粒度大于50mm的矸石量百分比)小于4%，限下率(小于粒度下限的煤百分比)为15%～21%Mt＜6%Vdaf≤10%，Ad为16%～24%，St，d≤2.0%，ST≥1250℃，TS+6≥70%，抗碎强度(大于25mm)不小于65%。

3.液化用煤

煤的液化就是将煤中的有机质转化成液态产物的加工过程。煤炭液化的主要目的是为了获得液体燃料，如汽油、柴油、煤油等，也可将液态产物加工成无灰焦炭，用以制造电极、碳纤维、粘结剂，生产有机化工产品，煤液化的副产品煤气可作为气体燃料。

煤液化的方法可分3类:煤直接加氢液化(如高压加氢法，溶剂精炼煤法)煤间接液化(先将煤气化为水煤气，然后合成液态产物)煤的部分液化(即低温干馏法)。

(1)煤直接加氢液化

煤是固体，碳含量高、氧含量高(15%～25%)、氢含量低(＜7%)、原子比小，煤的分子结构为高分子缩聚物，结构单元为缩合芳香环，环上带有直链烃侧链和各种含氧、氮、硫的官能团，各结构单元通过醚键或非芳香烃连接，煤分子量很大，一般认为＞5000。石油是液体，氢含量高(11%～14%)，氧含量低(＜1%)，H/C原子比大，石油分子结构以烷烃、环烷烃为主，分子量小，约200。煤的直接加氢液化，实质就是煤在溶剂、催化剂和高压氢存在的条件下，切断煤的化学键，在键的断裂处用氢来补充，使煤变成低分子量、含氢高的油和气。加氢液化时，煤要破碎至＜0.3mm，与蒽油(或四氢萘)混合制成煤糊，反应塔中温度为400～480℃，有CoMo催化剂，10～20MPa压力，煤糊在反应塔中被裂解，加氢液化，生成的液态产物可分馏出各种组分，气态产物可作燃料气用。据需要可改变反应温度和压力，生产产品可以液态为主，也可以固态为主。固态产品称溶剂精炼煤，是优质清洁燃料和化工原料，可用于炼焦配煤，做型煤的粘结剂，生产高级碳素材料、碳素纤维等。

加氢液化要采用低煤级的煤，如褐煤、长焰煤或Vdaf＞35%的气煤。碳氢比要小，C/H＜16，壳质组和镜质组含量要高，惰质组含量要低(I＜10%，因其不液化)，煤的灰分要低(Ad＜5%)，灰熔点要高(ST＞1200℃)。

(2)煤间接液化(又称一氧化碳加氢法)

其原理是先将煤气化得原料气(CO+H2)，然后在一定温度和压力下经催化合成，得到液态烃和液化石油气。产品有合成石油气、汽油、柴油、燃料油、蜡、醇、酸、酮等。目前南非有正式生产厂，年产量超过200×104t。

煤间接液化对煤质的要求与气化炉有关。如移动床加压气化炉，要求用块状无烟煤或焦炭，粒度均匀，灰分低，灰熔点高，抗碎强度高，热稳定性好，硫分低，水分低，挥发分低。

(3)煤的部分液化

即低温干馏，要用含油率高的褐煤或高挥发分烟煤，如长焰煤、气煤等。

4.火力发电用煤

我国约有30%的煤用于火力发电，年耗煤约4×108t，是用煤大户。我国火力电厂大多采用粉煤锅炉，装机容量越大的发电厂，对煤的热值及可磨性要求越高。煤的粒度越细越好，要求＜200网目(筛孔边长＜0.074mm)的粉煤要占85%以上(褐煤80%以上)，所以要求煤的可磨性越大越好，可减少电耗。影响电厂用煤指标的主要有挥发分(Vdaf)、灰分(Ad)、水分(Mar)、硫分(St，d)、发热量(Qnet，ar)、灰熔点(DT，ST，FT)等。

1)发热量等级(表7-10):不同煤级的煤，挥发分不同，发热量不同，要根据不同炉型的煤来燃烧。如用任意煤级的煤，则燃烧的稳定性及效率会受影响。

表7-10 火力发电用煤对发热量的要求

2)灰分等级(Ad):分3等:A1≤24%A2为24%～34%A3为34%～46%。灰分降低发热量，粘污设备，造成显热损失，故对灰分有一定的要求。

3)水分等级(Mt%):

Vdaf≤40%时，M1≤8%，M2在8%～12%范围内

Vdaf＞40%时，M1≤22%，M2在22%～40%范围内。

煤中含水分Mt＞60%时，要先干燥，不能直接燃烧。

4)硫分等级(St，d%):S1≤1.0%或S2在1.0%～3.0%之间。硫分高于3.0%会造成严重的腐蚀和环境污染。

5)灰熔点(ST):固态排渣炉要求高的灰熔点，液态排渣炉要选用低灰熔点的煤。当Qnet，ar＞12.54MJ/kg时，要求ST＞1350℃当Qnet，ar≤12.54MJ/kg时，对灰熔点不限。

5.铁路机车用煤

机车锅炉的烟道较短，要求水蒸气的蒸发量大(70～80kg/(M2·h))，通风强度大，流速快(＞30m/s)，故需使用块煤。如果用末煤就会产生飞扬损失，粉煤没充分燃烧即被吹出，热能不能得到充分利用，损失率可达15%～20%，大供气时可达25%～30%。块煤的粒度以6～50mm为好。块煤供应不足时，也可供原煤，但含矸率要不大于1%，用混煤则要粒度为0～50mm。供应颗粒煤时限下率要小于15%，含末率要小，含末率增大1%，则煤耗增加0.4%。煤种可用长焰煤、弱粘煤、1/2中粘煤、1/3焦煤、气煤、肥煤、气肥煤等，要求挥发分大一些(Vdaf≥20%)。一般不使用褐煤，褐煤燃烧时火力不猛，使蒸气压力达不到要求。

机车用煤的硫分要低(St，d＜1.5%)，隧道多的地方要求St，d＜1.0%，灰分要低(Ad≤24%)。煤的灰熔点越高越好，要求软化温度ST＞1200℃，以免结渣影响炉子通风。煤的发热量分3级:①Qnet，ar为20.9～23.00MJ/kg②Qnet，ar为23.00～25.09MJ/kg③Qnet，ar≥25.09MJ/kg。用弱粘结性煤较好，用不粘结煤易漏失，用强粘结性煤则阻碍炉子通风。

6.船舶用煤

船舶用煤对质量要求更严，因船的体积小，供煤不方便，故要求高热值的低灰块煤。粒度为13～50mm间的小块和中块煤或者混块煤，灰分Ad＜14%，发热量Qnet，ar≥25MJ/kg，挥发分(Vdaf)最好在25%～40%之间，煤灰熔点ST≥1250℃。可采用单种煤，也可用配煤燃烧，一般无烟煤和褐煤不宜做船舶用的配煤。

7.高炉喷吹用煤

为了降低高炉炼铁时的焦比，国内外普遍采用喷吹无烟煤粉、天然气和重油等燃料来代替部分焦炭，可降低生铁的成本，每喷吹1t优质无烟煤可节约焦炭800～900kg。喷煤粉率可达24%～30%，比用焦炭成本低一半。

喷吹用的无烟煤，要求可磨性好，HGI指数越大越好，可减少磨煤电耗灰分、硫分要低，Ad≤12.5%，St，d＜1.0%，Vdaf=10%左右，Mt＜8%。水分高的无烟煤粉在喷吹时的黏滞力大，甚至使煤粉粘在一起而无法喷吹。煤灰成分中SiO2/CaO要小于1，因为CaO增高有助于降低酸性炉渣的黏度。无烟煤粉的细度，要求大于160网目的数量小于10%，最高不超过15%。我国新密、阳泉、汝箕沟、焦作、晋城等地的无烟煤可用于喷吹。低灰、低硫、强爆炸性的烟煤也可用于喷吹，如山西大同优质的弱粘煤。高变质的超无烟煤由于不易研磨成粉，一般不用于高炉喷吹。

8.烧结矿用煤

炼铁时对品位高的铁矿石经一定的破碎和筛分即可入炉冶炼，但对含铁量较低的贫矿则要预先破碎、洗选，提高品位后，把精矿粉与无烟煤和溶剂等在温度1300℃左右烧结成球，再送入高炉冶炼，把精料烧结成块，即为烧结矿。烧结用煤质量的好坏，将直接影响生铁的质量。烧结用的无烟煤粒度为0～3mm，灰分，硫分要低(Ad≤15%，St，d≤1.0%)，发热量要高。

9.制活性炭用煤

活性炭是一种带有活性的炭制品，具有强吸附作用。活性炭是黑色、无味、无嗅的固体，不溶于一般有机溶剂。它具有发达的微孔结构，具有巨大的比表面积，每克活性炭比表面积可达500～1500m2，最高可达2500m2，使活性炭具有很高的吸附能力。活性炭的化学稳定性高，可在很广的酸碱度范围内使用。

活性炭是一种疏水性的吸附剂，能在气体和污水净化中发挥作用。它能从被污染的潮湿空气中吸附SO2，NO2，CO2，H2S，氯、汞蒸气以及苯、醇、醛、酚、汽油等多种气态烃，及多种细菌、病菌、臭气，还能吸附污水中各种化学物质、石油和细菌、病毒等，使水净化至地面水标准。活性炭又是一种优良的催化剂及载体，用于氧化、还原、脱氢、合成等化学反应中。活性炭广泛应用于食品、医药、工业用油剂、橡胶加工、石油炼制、染色、无机试剂的制备、有机合成、气体净化、溶液中贵金属和溶剂的回收、防毒面具、解毒剂以及航空、军工、消防等方面。

活性炭的品种有粉状和粒状等。生产时先将煤在温度600℃下进行干馏，除去挥发分，然后将碳化物在温度900℃下进行焙烧，用含氧气体和水蒸气、ZnCl2等活性剂进行活化，清除被吸附在碳表面的各种污染物，把被堵塞的微孔打开，从而增加活性炭的内表面积，恢复其活性。

各种煤都可作为生产活性炭的原料。高煤级烟煤和无烟煤制出的活性炭微孔发育，中孔少，适于气体和蒸汽的吸附，也可作催化剂载体，用于水的净化。低煤级烟煤和褐煤制成的活性炭中孔发育，微孔少，适于气体脱硫、脱色及大孔径的催化剂载体。对原料煤的要求是灰分越低越好，最高不超过10%，硫分越低越好，制颗粒状活性炭，则要求无烟煤的热稳定性要好。

10.制造电石用煤

在电炉内2200℃的高温下，将生石灰与焦炭进行反应，生成电石(CaC2)。电石与水反应，生成乙炔(C2H2)，乙炔在氧气中燃烧可产生3500℃的高温，可用来切割金属电石还可用于制造塑料、合成纤维、合成橡胶、化肥和农药等。

制造电石可用焦炭或无烟煤。对无烟煤的质量要求:固定碳含量要高，挥发分Vdaf＜10%，灰分要低(Ad＜7.0%)，全硫St，d≤1.5%，磷含量Pd＜0.04%，煤的密度以小于1.6g/cm3为佳，粒度最好是3～40mm。

11.制腐植酸用煤

制造腐植酸一般采用腐植酸含量高的泥炭、年轻褐煤和风化烟煤及严重风化的无烟煤。要求煤的腐植酸产率大于30%，煤的灰分不宜超过40%。煤灰成分中以含氧化钾和五氧化二磷较多为好，这样可制成含多种肥效的复合肥料。

12.提取褐煤蜡用煤

褐煤蜡是轻工业、化学工业中不可缺少的原料，制电缆、皮鞋油、复写纸、电子产品都少不了它。适于提取褐煤蜡的煤是年轻褐煤，要求苯抽提物EB，d＞3%，灰分不宜太高。老褐煤的蜡含量低，不宜作为原料。

13.水泥工业用煤

大、中型水泥厂的砖窑烧成用煤对煤质的要求较高。首先是煤的灰分越低越好，一般要求Ad在20%～26%的范围内。灰分太高，煤的发热量太低，达不到熟料的烧成温度(1450℃以上，燃烧火焰温度达1600～1700℃)，要求煤的发热量＞21MJ/kg，温度低影响熟料的矿物成分和结晶状态，使水泥的安定性强度(标号)降低要求灰分的成分稳定，因为煤灰成分会影响水泥的配料，煤的挥发分以Vdaf＞25%为宜，但不要超过40%。挥发分适中，火焰明亮，升温快，熟料的质量好，煤的硫含量St，d＜3%煤种以焦煤、1/3焦煤、不粘煤、弱粘煤、1/2中粘煤、气煤等较合适，也可采用配煤的方式。粒度以末煤、粉煤、混煤等小粒度最适宜，可减少磨煤电耗，粒度过细，易发生自燃爆炸，不安全。

14.陶瓷工业窑炉用煤

陶瓷工业窑炉可以用柴、煤、油、煤气、天然气作为燃料，也可用电。以煤作为燃料对煤质的要求是:发热量Qnet，ar≥21MJ/kg，挥发分Vdaf为25%～30%，灰分Ad≤20%，灰熔点ST≥1300℃，硫分St，d＜2%。

15.工业锅炉的用途与用煤量

(1)工业锅炉

锅炉是生产水蒸气和热水的设备，按用途可分为动力锅炉(火力发电厂)、工业锅炉和采暖锅炉、废热锅炉。动力锅炉产生高温、高压过热蒸汽，工业锅炉产生饱和蒸汽或中、低压过热蒸汽，采暖锅炉只产生低压饱和蒸汽和热水。工业锅炉广泛用于化学工业、造纸、印染、纺织等行业。我国工业采暖锅炉有几十万台，年耗煤近4×108t。约占我煤产量的30%。

(2)工业锅炉分类

层燃炉:燃料在炉排上铺成层状，空气由炉排下送入。燃料一部分在炉排上燃烧，一部分在炉膛中燃烧，可储存较多的煤，燃烧稳定。按操作方式可分为手烧炉、链条炉、抛煤机炉、振动炉排炉等。

悬燃炉:又称煤粉炉，没有炉排，燃料在炉内呈悬浮状态燃烧，燃烧稳定性差，但燃烧效果好，机械化程度高，适于大炉。

沸腾炉:把煤料破碎至一定粒度，从炉排下送入压力较高的空气，将燃料层吹到一定高度燃烧。燃料在炉内上下翻滚，完成燃烧过程。该炉可烧劣质煤、油页岩、煤矸石、石煤，但飞灰量大，热损失大，耗电量大。管道易磨损。

(3)各种工业锅炉对煤质的要求

链条炉:煤的发热量Qnet，ar一般在19～21MJ/kg之间，挥发分Vdaf＞15%，灰熔点ST＞1200℃，弱结渣性用烟煤，粒度为10～50mm。适于10～75t/h蒸汽量的中型锅炉。

振动炉排炉:用于容量2～10t/h的锅炉，适于低挥发分的烟煤和无烟煤，不宜用粘结性强、灰熔点低、水分高的煤。炉排振动易漏煤、飞灰多。

往复推动炉排炉:可用高灰分、高水分低煤级煤，不宜用无烟煤及粘结性强的烟煤，用于6t/h的小锅炉。

抛煤机炉:适用各种煤种，但粒度要在30～40mm范围内，水分Mt≤15%。适于蒸发量＜10t/h的锅炉。

悬燃炉适于任何煤种，但要有磨煤设备，适于蒸发量大于75t/h的大中型锅炉。

沸腾炉:可用劣质煤、油页岩、石煤等。

手烧炉:条状炉排，适用褐煤和高挥发分煤板状炉适用无烟煤。

16.生活用煤

包括居民生活用煤、服务行业、机关团体用煤、冬季采暖用煤、城乡小企业生产用煤，约占我国煤年产量的20%，每年用煤超过2×108t。

烧散煤热效率仅为10%，煤球为20%，蜂窝煤为30%，上点火蜂窝煤达40%～50%。上点火蜂窝煤对煤质的要求是:易燃、上火快，发热量高，硫低，火旺耐烧，使用方便，发热量Qnet，ar在23～25MJ/kg之间，Vdaf在15%～20%范围内，St，d＜0.5%，着火点低。

第一个指标：水分。

煤中水分分为内在水分、外在水分、结晶水和分解水。

第二个指标：灰分

指煤在燃烧的后留下的残渣。不是煤中矿物质总和，而是这些矿物质在化学和分解后的残余物。灰分高，说明煤中可燃成份较低。发热量就低。同时在精煤炼焦中，灰分高低决定焦炭的灰分。

第三指标：挥发份（全称为挥发份产率）V

指煤中有机物和部分矿物质加热分解后的产物，不全是煤中固有成分，还有部分是热解产物，所以称挥发份产率。

第四个指标：固定碳

不同于元素分析的碳，是根据水分、灰分和挥发份计算出来的。

第五个指标：全硫St

是煤中的有害元素，包括有机硫、无机硫。1%以下才可用于燃料。部分地区要求在0.6和0.8以下，现在常说的环保煤、绿色能源均指硫份较低的煤。

煤制油（Coal-to-liquids, CTL）是以煤炭为原料，通过化学加工过程生产油品和石油化工产品的一项技术，包含煤直接液化和煤间接液化两种技术路线。煤的直接液化将煤在高温高压条件下，通过催化加氢直接液化合成液态烃类燃料，并脱除硫、氮、氧等原子。具有对煤的种类适应性差，反应及操作条件苛刻，产出燃油的芳烃、硫和氮等杂质含量高，十六烷值低的特点，在发动机上直接燃用较为困难。费托合成工艺是以合成气为原料制备烃类化合物的过程。合成气可由天然气、煤炭、轻烃、重质油、生物质等原料制备。根据合成气的原料不同，费托合成油可分为：煤制油（Coal-to-liquids, CTL）、(生物质制油 Biomass-to-liquids, BTL)和天然气制油(Gas-to-liquids, GTL)。煤的间接液化首先把煤气化，再通过费托合成转化为烃类燃料。生产的油品具有十六烷值高、H/C含量较高、低硫和低芳烃以及能和普通柴油以任意比例互溶等特性。同时，CTL具有运动粘度低，密度小、体积热值低等特点。

煤炭因其储量大和价格相对稳定，成为中国动力生产的首选燃料。在本世纪前50年内，煤炭在中国一次能源构成中仍将占主导地位。预计煤炭占一次能源比例将由1999年67.8%、2000年63.8%、2003年67.8%达到2005年50%左右。我国每年烧掉的重油约3000万吨，石油资源的短缺仍使煤代油重新提上议事日程，以煤制油已成为我国能源战略的一个重要趋势。 煤的间接液化工艺就是先对原料煤进行气化，再做净化处理后，得到一氧化碳和氢气的原料气．然后在270C ~350C左右，2.5MPa以及催化剂的作用下合成出有关油品或化工产品。即先将煤气化为合成气(CO+H2)，合成气经脱除硫、氮和氧净化后，经水煤气反应使H2/CO比调整到合适值，再Fischer-Tropsch催化反应合成液体燃料。典型的(Fischer-Tropsch)催化反应合成柴油工艺包括：煤的气化及煤气净化、变换和脱碳；F-T合成反应；油品加工等3个步骤。气化装置产出的粗煤气经除尘、冷却得到净煤气，净煤气经CO宽温耐硫变换和酸性气体脱除，得到成分合格的合成气．合成气进入合成反应器，在一定温度、压力及催化剂作用下，H2和CO转化为直链烃类、水及少量的含氧有机化合物．其中油相采用常规石油炼制手段，经进一步加工得到合格的柴油。F-T合成柴油的特点是：合成条件较温和，无论是固定床、流化床还是浆态床，反应温度均低于350℃，反应压力为2.0~3.0MPa，且转化率高。间接液化几乎不依赖于煤种(适用于天然气及其它含碳资源)，而且反应及操作条件温和。间接法虽然流程复杂、投资较高，但对煤种要求不高，产物主要由链状烃构成，因此所获得的十六烷值很高，几乎不含硫和芳香烃。

由煤炭气化生产合成气、再经费-托合成生产合成油称之为煤炭间接液化技术。“煤炭间接液化”法早在南非实现工业化生产。南非也是个多煤缺油的国家，其煤炭储藏量高达553.33亿吨，储采比为247年。煤炭占其一次能源比例为75.6%。南非1955年起就采用煤炭气化技术和费-托法合成技术，生产汽油、煤油、柴油、合成蜡、氨、乙烯、丙烯、α-烯烃等石油和化工产品。南非费-托合成技术现发展了现代化的Synthol浆液床反应器。萨索尔（Sasol）公司现有二套“煤炭间接液化”装置，年生产液体烃类产品700多万吨（萨索尔堡32万吨/年、塞库达675万吨/年），其中合成油品500万吨，每年耗煤4950万吨。累计的70亿美元投资早已收回。现年产值达40亿美元，年实现利润近12亿美元。 当前，我国己投入工业化示范的煤制油项目有5个，产能达160万吨。根据煤制油项目进展情况和几个煤制油企业规划，到2015年煤制油产能可达1200万吨，2020年可达3300万吨的规模。

预计，按照高中低三种增速计算，到2015年我国煤制油的生产规模分别达到600万吨/年、1000万吨/年、1200万吨/年。到2020年高增长情景下可达5000万吨/年。

现阶段，我国煤制油行业处在大型国有煤炭企业中试点阶段。数据监测显示，截至2012年底，已经投产的项目中煤制油总产能为170万吨/年，其中神华集团居于主导地位，占总产能的74%。根据煤制油项目投产企业的占比，推算出2012年中国煤制油项目生产油品的总规模达到106.08万吨，与2011年相比，有所下降。

我国中科院山西煤化所从20世纪80年代开始进行铁基、钴基两大类催化剂费-托合成油煤炭间接液化技术研究及工程开发，完成了2000吨/年规模的煤基合成油工业实验，5吨煤炭可合成1吨成品油。据项目规划，一个万吨级的“煤变油”装置可望在未来3年内崛起于我国煤炭大省山西。中科院还设想到2008年建成一个百万吨级的煤基合成油大型企业，山西大同、朔州地区几个大煤田之间将建成一个大的煤“炼油厂”。最近，总投资100亿美元的朔州连顺能源公司每年500万吨煤基合成油项目已进入实质性开发阶段，计划2005年建成投产。产品将包括辛烷值不低于90号且不含硫氮的合成汽油及合成柴油等近500种化工延伸产品。

2015年9月，我国首套百万吨级煤间接液化制油项目，在位于陕西省榆林市的陕西未来能源化工有限公司投产，并产出了优质油品。该项目核心技术采用兖矿集团自主研发的低温费托合成专利技术。该技术与国内外同类技术相比，具有诸多优势：吨油品催化剂消耗低，为国内外同类催化剂消耗的30%左右柴油选择性高，柴油收率达75%以上，比国内同类技术高30%以上；费托合成反应器生产强度大，是同类直径反应器产能的1.5倍碳转化率高，煤气化单元采用兖矿集团与华东理工大学共同研发的多喷嘴对置式水煤浆加压气化技术，碳转化率高达98%～99%；热电联供系统总体热效率可超过90%。

我国煤炭资源丰富，为保障国家能源安全，满足国家能源战略对间接液化技术的迫切需要，2001年国家科技部”863”计划和中国科学院联合启动了”煤制油”重大科技项目。两年后，承担这一项目的中科院山西煤化所已取得了一系列重要进展。与我们常见的柴油判若两物的源自煤炭的高品质柴油，清澈透明，几乎无味，柴油中硫、氮等污染物含量极低，十六烷值高达75以上，具有高动力、无污染特点。这种高品质柴油与汽油相比，百公里耗油减少30%，油品中硫含量小于0．5×10－6，比欧Ⅴ标准高10倍，比欧Ⅳ标准高20倍，属优异的环保型清洁燃料。

煤制油中一吨油消耗4-5吨煤。煤制油是以煤炭为原料，通过化学加工过程生产油品和石油化工产品的一项技术，包含煤直接液化和煤间接液化两种技术路线。煤的直接液化将煤在高温高压条件下，通过催化加氢直接液化合成液态烃类燃料，并脱除硫、氮、氧等原子。

扩展资料

截止 2017 年底，我国已建成间接液化煤制油项目5个、直接液化煤制油项目1个，产能达658万吨，并且均实现了长周期的稳定开工。

这些示范工程的成功运营，标志着煤制油技术工艺在我国得到了进一步的验证。同时也积累了大量的工程设计、建设、运行和管理经验，相关的装备生产和制造均取得了重大突破，国产化水平大幅提升。