2.1.2 煤炭的组成

2.1.2.1 煤炭的成分

煤炭的成分包括可燃成分和不可燃成分。可燃成分或粗略地分为挥发分和固定碳两部分，或精细地按元素组成分。不可燃成分包括水分和灰分。

（1）可燃成分

固体燃料的可燃成分包括挥发分与固定碳。可燃元素有碳、氢、氧、氮、硫五种，其中碳和氢是主要发热元素，氧只是助燃，氮不参与燃烧，硫则是有害的杂质。

① 挥发分。将干燥的固体燃料在隔绝空气的情况下加热到高温，逸出的气态部分便是挥发分，亦称挥发分产率，符号为“V”。挥发分产率一定程度上代表了煤化程度，是煤分类的重要指标。

挥发分主要含CH₄、H₂等可燃气体和少量的O₂、N₂、CO₂等不可燃气体。一般随煤的炭化程度加深而减少，但挥发分的发热量却因其中可燃物质改变而有所提高。随着固体燃料加热温度和持续时间的增加，挥发分的产量将增加，成分也发生变化，所以测定时必须说明当时的条件。

挥发分易燃，因此含挥发分高的煤容易点火，火焰长且持续时间较长，这种煤宜作火焰加热炉燃料，燃烧效率也较高。

② 固定碳。固体燃料干馏时留下的固态剩余物中除去灰分就是固定碳，以符号“C_GD”表示。在烟煤和无烟煤的可燃成分中，固定碳占有最大的质量比和最多部分的发热量，是主要的发热部分。

（2）不可燃成分

① 水分。也称全水分，用符号“W”表示。机械地浸附在燃料颗粒外表面及大毛细管内，可用风干方法除去的水分叫外在水分（W_WZ）；通过毛细管吸附在燃料内部，需要加热才能去除的水分叫内在水分（W_NZ）。外在水分与内在水分的和便是全水分。

煤炭的水分因煤种、开采方法而异，运输、储存等条件也影响煤炭的实际含水量。水分增多会使煤炭的可燃成分降低，从而既造成运输能力的浪费，又使煤易于风化变质，所以水分是煤质与计价的一项重要指标。

② 灰分。燃料燃烧后余下的固态残留部分即为灰分，符号为“A”。它们中的一部分是在燃料形成过程中混杂进来的，另一部分是在燃料开采、运输和储存过程中带进来的。灰分使可燃成分比率和燃烧温度降低，是固体燃料质量分级的一项重要指标。

在燃煤装置中，灰分的熔点对运行的经济性和安全性有较大影响。如果灰分熔点过低，在燃烧过程中易产生裹灰，造成煤的不完全燃烧，并在炉排上结块，影响通风，恶化燃烧，还给清灰除渣带来困难。

我国煤炭的灰分一般在10%～30%左右。

2.1.2.2 煤炭的化学组成

煤炭是由极其复杂的有机化合物组成的。一般由C、H、O、N、S各元素的分析值及水分、灰分的质量分数来表达煤炭的化学组成。

（1）碳

碳是煤中的主要可燃元素。随着煤炭的形成年代的增长，由于一些不稳定的成分逐渐析出，碳的含量将逐步增高，这一过程称为煤的炭化过程。炭化程度低的泥煤含碳量为60%～70%，炭化程度高的无烟煤可达90%～98%。

煤炭中的碳是以与氢、氧化合成有机化合物状态存在的。在炭化程度高的煤中也可能存在结晶状态的碳。碳是一种较难燃烧的元素，炭化程度高的煤着火与燃烧均较困难。

（2）氢

氢也是煤炭的主要可燃元素，煤炭中含氢量约为2%～6%。

氢在煤炭中以两种形式存在，与碳、硫等化合为各种可燃有机化合物，称为有效氢，也称自由氢，这些可燃有机化合物在煤炭受热时易裂解析出，且易于着火燃烧，并放出热量。另一种是和氧结合在一起的，叫化合氢，它不能放出热量。在计算发热量和理论空气需要量时，以有效氢为准。

含氢量高的煤种在燃烧时易生成带黑头的火焰，即燃烧时易生成炭黑，在储存时易风化而失去部分可燃物质，因此在储存与使用时都应加以注意。

（3）氧和氮

煤炭中的氧和氮都是不可燃成分。

氧在煤炭中是一种有害物质，氧和碳、氢等结合生成氧化物使碳、氢失去燃烧的可能性。可燃物质中碳含量越高，氧含量越少。

一般情况下氮不能参加燃烧，也不会氧化，而是以自由状态转入燃烧产物。但在高温下或有触媒存在时，部分氮可和氧形成NO_x而污染大气。煤炭中含氮约0.5%～2%。

（4）硫

硫是燃料中最有害的可燃元素。硫在燃烧后会生成SO₂和SO₃气体，这些气体会与燃烧产物中的水蒸气结合，形成对燃烧装置金属表面有严重腐蚀作用的亚硫酸和硫酸蒸气。SO₂与SO₃排入大气还会严重污染大气。发电厂的排气中含有硫化物，出于环境保护的需要，应加设除硫装置，但这会使发电厂的设备费用增加20%左右。所以煤炭中的硫是合理干净地使用煤炭的关键问题。我国煤炭的硫含量约为0.5%～3%，亦有少数煤炭超过3%。

硫在煤炭中有三种存在形式：有机硫，来自母体植物，与煤呈化合态均匀分布；黄铁矿硫，以FeS₂形式存在；硫酸盐硫，以CaSO₄·2H₂O和FeSO₄等形式存在于灰分中。

（5）灰分

灰分是煤炭中所含矿物质（硫酸盐、黏土矿物质及稀土元素）在燃烧过程中高温分解和氧化后生成的固体残留物。煤炭中灰分是一种有害成分。对工业锅炉来说，灰分高的煤热值低，不好烧，给设备维护带来困难。对燃气轮机用煤，更是要求灰分非常低。灰分给涡轮叶片带来腐蚀、沉积、浸蚀。现在国际上已经研究出可将煤中灰分精洗到1%以下供燃气轮机使用，但价格很贵，难以工业化。

煤炭中的灰分可分为两种：一种是煤化过程中由土壤等外界带入的矿物质，称为外来灰分。这种灰分可以用浮选等物理选矿方法来清除。一般工业用的洗净煤含灰量在8%左右。特别仔细的物理洗煤技术可将煤中灰分洗到3%左右，进一步降低灰分就要用化学方法。另一种灰分是原来成煤植物中固有的，称之为内在灰分。减少内在灰分必须将煤磨细后，用化学液体（如氢氟酸）与灰分作用，然后再用碱液洗掉酸，最后用水洗。这一过程成本昂贵，对环境污染严重。

（6）水分

水分是燃料中无用的成分。煤炭中水分包括两部分：

① 外部水分或湿成分。这是机械地附着在煤表面的水分，它与大气温度有关。把煤磨碎后在大气中自然干燥到风干状态，这部分水分就可除去。外部水分随运输和储存条件的变动很大。

② 内在水分。这是煤炭达到风干状态后所残留的水分，它包括被煤炭吸收并均匀分布在可燃质中的化学吸附水和存在于矿物质中的结晶水。内在水分只有在高温分解时才能除掉。通常作分析计算和燃烧评价时所说的水分就是指的这部分水。

煤炭的成分通常用各组分的质量分数表示。由于燃料中水分和灰分常受季节、运输和储存等外界条件变化影响，数值会有很大波动。同一种燃料由于取样时条件不同，或者在同一实验条件下由于所采用的分析基准不一样，所得结果亦会不相同。所以固体燃料和液体燃料的元素分析值都必须标明所采用的基准，否则就无意义。