中国煤炭单位热值碳含量的研究(可编辑)
,致谢
感谢我的导师李社红先生和郑宝山研究员这两年来对我的悉心指导。除了在
学业上的精心指导外,李社红老师还对学生非常宽厚、体谅。对我工作中的不足
之处,虽然李老师很少批评,我更加心怀歉意。李老师还经常给我和师姐师弟们
生活上的帮助,我们心怀感恩。此外,能够时常得到郑老师这样博学的人指导,
我感觉非常荣幸。
感谢师母李琳琳和郑老师的夫人王学老师对我的关怀和帮助。郑老师的课题
组给了我家庭般的温暖,各位师兄师姐同样给了我许多帮助,使我能够融入地化
所这个大家庭。
在这里学习的两年中,得到了各室各处及各位领导和老师的帮助,在此表示
真挚的谢意。
一转眼,在中科院渡过了难忘的三年。这三年中,我接触到了许多可敬的老
师和可爱的同学,科学的神秘面纱在我面前慢慢揭开,我感受到了科学家们日常
平凡的工作。科学在我心中原本神圣的光环渐渐消失,而每日平凡单调甚至带点
枯燥的生活令我希望离开这种生活。我原本以为自己是享受孤独的,可是发现在
一个人时总是倍觉寂寞;我原以为自己是渴望“格物致知”、探究物的奥秘的人,
却发现在与人的交流和沟通、与朋友相处在一起时才会感觉到快乐。大学毕业的
时候,我对未来一片茫然,一心只想读研,做研究。经过这三年的积淀,多了一
份从容,添了许多平和,使我可以慢慢追求自己想要的东西。这一点和中科院这
个系统给学生们的不薄的待遇分不开,特别感谢。
郜二刚
年月日
星期三学位
独创性声明
学位论文题目:
本人提交的学位论文是在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文
中引用他人已经发表或出版过的研究成果,文中已加了特别表注。对本研究及学
位论文撰写曾做出贡献的个人和集体在文中作了明确说明并表示衷心感谢。
本声明的法律后果由本人承担。
学位论文作者签名,:邱椭飞
签字日期:
?年/月日
学位论文使用授权声明
本人完全了解中国科学院大学、中国科学院地球化学研究所有关保留、使用学位
论文的
,中国科学院大学、中国科学院地球化学研究所有权保留学位论文并
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学 沦文 者 麟名
位 作
夕
导师签名:苍万之九
州
三
:
签字日期 年 日
签字日期:沙侈年乡月日
部叩中国科学院大学硕士学位论文
摘要
近年来,全球变暖引发的环境问题越来越引起人们的关注。由此引起的冰川
减少、海平面上升、极端气候频发等会给人类的生产生活带来巨大影响。目前,
科学界主流观点认为全球变暖是由于人类活动排放的二氧化碳等温室气体造成
的。煤炭是世界上最重要的温室气体排放源,确定煤炭燃烧排放的的量,
对于碳排放总量的确定十分重要。给出了不同燃料的碳排放因子,其中包
括不同类型煤炭的潜在碳排放因子和单位热值碳含量。煤炭单位热值碳含量数
据,是计算煤炭的潜在碳排放因子的基础。本文根据全国范围内采集的煤炭样品
数据,分析得出我国不同地区不同类型煤炭的单位热值碳含量,对于我国碳排放
清单的编制具有重要意义。
本文数据主要来自国家自然科学基金重点项目“中国煤平均化学成分及煤中
有害微量元素有机物地球化学”年至年所采集的个
全国煤炭样品研究结果。第四章中我国南方煤炭单位热值碳含量数据主要来自
“中国科学院战略性先导科技专项一应对气候变化的碳收支认证及相关问题”中
“煤”子课题年至年个我国南方煤炭样品的分析
结果。
根据.年全国范围内采集的煤炭样品进行工业分析、元素分析及发
热量分析,统计得出我国煤炭单位热值碳含量分布变化如下。
我国褐煤、次烟煤、烟煤、无烟煤的单位热值碳含量平均值分别为
.土.
/、.士. /、.士. /、.士. /。
随着煤化程度的增加,煤炭中各元素的含量、发热量出现不同的变化
趋势,由此造成单位热值碳含量随着煤化程度提高先减少后增加的趋势。由褐煤
到次烟煤再到烟煤,随着煤化程度的提高,煤炭单位热值碳含量逐渐降低。但进
入无烟煤阶段,单位热值碳含量又增加,超过烟煤和次烟煤的单位热值碳含量。
不同成煤年代煤炭单位热值碳含量没有明显差异。除去两个样品数很
少的成煤年代,其余成煤年代煤炭单位热值碳含量的均值在. /~.
/的范围内。
不同聚煤区煤炭中单位热值碳含量的排列由低到高为:华北烟煤滇藏
东北内蒙古华南西北华北次烟煤华北无烟煤。华北烟煤的单位热值碳含量中国科学院大学硕士学位论文
与滇藏地区煤炭的单位热值碳含量无法区分大小。除此之外,华北烟煤的单位热
值碳含量比其它地区煤炭的单位热值碳含量要低。华北地区的无烟煤与西北地区
的煤炭无法区分,初此之外,明显高于其它地区煤炭的单位热值碳含量。东北内
蒙古、西北、华北次烟煤、华南四个地区煤炭之间单位热值碳含量的相互比较在
统计意义上不显著。
给出了我国不同省份分煤炭的单位热值碳含量。
对单位热值碳含量与工业分析指标和元素分析指标分别做多元线性回
归,结果发现单位热值碳含量与氢、氧、碳、硫四种元素的回归结果优于单位热
值碳含量与挥发分、固定碳、发热量的回归结果。
根据.年所采集的我国南方煤炭样品的分析结果,有以下认识:
我国南方无烟煤的单位热值碳含量均值为../,烟煤的单
位热值碳含量均值为.。/,次烟煤的单位热值碳含量均值为
.
士./,褐煤的单位热值碳含量均值为../。
对包括原煤、洗煤、矸石在内的所有样品做的研究中,发现煤炭单位
热值碳含量与灰分之间存在关联。灰分低于%时,单位热值碳含量几乎不随灰
分的变化而变化。灰分在~%之间的高灰分煤矸石,单位热值碳含量比
灰分小于%的煤炭高%左右。灰分高于%的煤矸石样品中,单位热值碳含
量随着灰分的增加逐渐下降。
关键词:煤炭;单位热值碳含量;碳排放因子;工业分析;元素分析;灰分中国
科学院大学硕士学位论文, .,
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中国科学院大学硕士学位论文 目录
摘要?
第一章引言.
第一节研究背景?.
第二节研究现状?
第二章样品的采集与分析方法 第一节
中国煤炭资源的分布??.
第二节样品的分布
第三节煤样的制备方法?
第四节样品的分析方法?
第五节煤炭的分类标准?
?
第三章全国煤炭单位热值碳含量的研究第一节煤化程度与单位热值碳含量
的关系
第二节成煤年代与单位热值碳含量的关系 第三节不同聚煤区煤炭中的单位热值碳含量?.. 第四章南方煤炭的单位热值碳含量..
第一节样品采集?
第二节南方煤炭单位热值碳含量..
第五章单位热值碳含量的回归方程..
第一节单位热值碳含量与工业分析指标的回归?. 第二节单位热值碳含量与元素分析指标的回归方程??.. 结论?.
主要参考文献?
作者简介?..第一章引言
第一章引言
第一节研究背景
.温室气体减排的国际形势
年《联合国气候变化框架条约》通过,确定了在温室气体减排方面“共
同但有区别的责任”。自年以来,《公约》缔约方大会每年召开一次。
年通过的《京都议定书》规定,在年至年间,全球主要工业国家的工
业二氧化碳排放量比年的排放量平均要低.%。
受金融危机、欧债危机的影响,以及部分发展中国家综合实力和碳排放量的
迅速提高,发达国家对《京都议定书》中确定的发达国家强制性减排、发展中国
家自愿减排的决定产生分歧。发达国家向发展中国家提供资金和技术转让支持方
面行动迟缓,在国际气候谈判时,要求发展中国家尤其是中国,也加入强制减排
的行列。年月日德班气候大会闭幕。经过艰难的谈判,通过了实施
《京都议定书》第二承诺期并启动绿色气候基金的决议。但本次大会仍然遗留许
多难题没有解决。
虽然全球气候谈判举步维艰,但是碳减排的政策工具已在探索实施中,包括:
政府管制、碳税和排放权交易、自愿减排
、对减排技术和低碳能源的补贴、
税收优惠,及对新能源的差别定价等张坤民,;杨云飞,;姜砺砺,
。例如芬兰、丹麦、挪威、瑞典等国自上世纪九十年代初在国内实施碳税,
欧盟计划对所有飞经欧盟的航空公司都给出了一个碳排放的配额指标,如果航空
公司超出了这部分配额,就要自行购买。出口是拉动我国经济发展的三驾马
车之
一。如果国外对入境商品开征碳税,必然会增加国内企业成本,打击高耗能商
品
的出口,对我国对外贸易结构产生深远影响张茉楠,;张贵英,。 .中国的减排目标
作为一个负责任的大国,积极应对全球变暖的挑战,同时也为了应对国际社 会对于碳减排提出的各种政策压力和舆论压力高广生,;易鹏,;王 伟光等,在国际谈判中掌握主动权,中国政府制定了符合国情又具有相当 挑战性的碳减排
发改委,。
中国煤炭单位热值碳含量的研究
中国政府还在《可再生能源中长期发展规划》中,提出到年使可再生 能源消费量达到能源消费总量的%左右发改委,。
年,温家宝总理在哥本哈根会议上提出到年,我国的单位
二氧化碳排放强度将比年下降%到%。
.煤炭燃烧在碳排放中的地位
人类排放的温室气体主要来源于化石燃料的使用。根据的研究, 世纪年代化石燃料的消耗和水泥的生产过程向大气排放量占全球人为 排放总量的%左右,。其中由于燃煤释放的量约占全国
各类排放源总排放量的%胡予红等,。据等人研究,中国在
年因化石燃料所排放的占全球排放量的百分之十等,。
根据年国家温室清单排放指南中的数据,在发达国家,能源部门贡
献的占其总的排放的%以上,占其总温室气体排放的%。因此在
温室气体排放清单中,能源部门是最重要的部门,而煤炭又是全球所有能源中消
耗最大、碳排放最多的燃料。年全球燃煤排放的量约为.,
约占化石燃料排放总量的%左右齐玉春等,。在为
年德班气候谈判准备的
中,列出了到年各国排放量,
。
在我国,年煤炭消费占一次能源消费的比例为.%热当量计算法,
由煤炭的使用所排放的占能源部门排放的.%蔡博峰,。
因而,煤炭的碳排放在我国碳排放中占有主导地位。
由于温室气体排放清单的编制成本巨大,耗时很多,需要多方专家合作,发
展中国家编制这样一份清单不太现实。因此给出了一份国家温室气体排放
清单,提供了清单编制的方法。各发展中国家可以利用给出的参数估算本
国碳排放。为应对国际上温室气体减排的呼声与压力,也为将来减排政策的制订
提供科学依据,中国必须在自己实际科学工作基础上建立碳排放因子和碳排放清
单。
的排放量由不同燃料的消费量乘以该燃料的碳排放因子得到式.。
燃煤碳排放因子等于煤炭的潜在碳排放因子乘以碳氧化率式.。不同部门、
不同的设备、不同的原料,碳氧化率会有所差异。潜在碳排放因子等于单位热值第一章引言
碳含量乘以/式.。要计算碳排放量,必须要有排放因子的值,要计算
碳排放因子,必须先获得单位热值碳含量的值。煤炭潜在碳排放因子和单位热值
碳含量本质上是一个问题。本文通过研究煤炭单位热值的碳含量,为国家温室气
体排放清单的编制提供参考。本文中,单位热值碳含量也称为基于发热量的碳含
量,下文多数情况下简称碳含量。为了和碳元素分析结果相区分,煤炭中碳的质
量含量称为碳元素的百分含量。
排放量???放因子泓×燃料消费量瓣 ‘二工. ‘ ‘’
.
.
燃煤碳排放因子潜在碳排放因子×碳氧化率
.
潜在碳排放因子单位热值碳含量并
中国政府对气候问题高度重视。经过多年的努力,逐步建立了中国排放清单。
目前,中国每两年提供一次温室气体排放清单。在初始国家信息通报项目中,研
究人员调查收集了近个国有矿和近个地方煤矿分品种的煤炭分析结
果,并由此加权得到全国均值发改委,。这在一定程度上减少了煤炭潜
在碳排放因子的不确定性。在第二次国家信息通报中,清单编制机构对年
分矿区煤炭煤质进行调研,从而确定了不同部门煤炭燃烧的潜在排放因子。
通过文献可以调研获取的煤质结果很多,但是不同地区的采样方法、实验室
条件和分析人员素质各不相同,在一定程度上加大了结果的不确定性。本文煤重
点基金项目中,大致按照每万吨年产量采集一个样品的频度分配到各省,在
全国范围进行系统采样,样品经过初步处理后送由美国地质调查局统
一分析,获得的结果较为可靠。
本研究针对煤炭单位热值碳含量展开。煤炭的碳排放因子主要取决于煤炭碳
含量和碳的氧化率。在效率高的锅炉中,碳的氧化率通常很高,接近于。在粗
略的情况下,可以认为煤炭的碳排放因子只取决于煤炭中的碳含量。本文综合了
两次煤炭样品研究的成果。一次是根据国家自然科学基金重点项目“中国煤平均
化学成分及煤中有害微量元素有机物地球化学”,;简称“煤重点基金
项目”于.年所采集的全国煤炭样品,样品的测试在美国地质调查局
完成。另一次是“中国科学院战略性先导科技专项~应对气候变化的碳收支认证中国煤炭单位热值碳含量的研究
及相关问题”中“煤”子课题;简称“碳专项” 年所采
集的我国南方地区煤炭样品,煤样的分析由贵州煤田地质科技中心完成。
第二节研究现状
当前有两种研究煤炭中排放的方法,一种是物料平衡法,一种是烟气
监测法蔡博峰,。
物料平衡法通过测量煤中的碳含量和低位发热量,获得单位发热量的 排放量,即是煤炭的排放因子。在国家统计局出版的统计年鉴中,能源的 消费量以“万吨标准煤”为单位,这实际是能量的单位。因此,利用“单位热
量
排放量”乘以煤炭以能量计算的年消费量,可以很方便地得到中国一年燃煤
释放
的总量。物料平衡法计算排放因子的公式如下:
.
‘ 。
比。:?××一×
。
单位为表示煤炭的潜在排放因子,。.位/
表示煤炭的干基低位发热量,单位/表示煤炭的干基碳百分含量,/ 为二氧化碳分子量与碳原子量之比。
烟气监测法通过连续监测烟气中的浓度、烟气流速与通量以及同期煤 炭的低位发热量,计算煤炭排放因子。其计算公式为:
.“。
疋。.雩掣
一 黜
为排放因子,为烟气中监测的浓度,为烟气流量,。。
为低位发热量。
煤炭碳含量是用碳的百分含量除以煤炭的发热量。本文主要是从物料平衡的
角度对碳排放因子进行的研究。
早期温室气体排放清单中没有区分煤炭类型 ,;,。,等以及和 的研究中表明不同等级的煤炭具有不同的碳排放因子。目前温室气体排放 .,
清单 ;,中按照褐煤、次烟煤、烟煤、无烟煤分别给
出碳排放因子。
第一章引言
年,世界气象组织和联合国环境规划署共同建立了政府间气候变化专门委员
会英文缩写为,
年编制通过系统归纳和总结碳排放方面的研究,编
。
制了一份国家温室气体清单。在这份清单中,提供了排放因子的数据体系 和默认值。年的国家温室气体清单在此基础上又有所补充和完善,使排放 因子数据库更加系统。表.中列出了给出的不同煤炭排放因子。 表? 报告中的煤炭的排放因子,
近来,一些科学家对于按照四种煤炭类型分别给出碳排放因子的做法 提出了质疑蔡博峰,。鉴于国际通行的做法,也为了国内外对照的需要, 本论文仍依照的做法按褐煤、次烟煤、烟煤、无烟煤分别给出煤炭的潜在 碳排放因子。
印度的
等 等,认为:煤炭的释放量随着煤
炭变质程度和类型有系统的变化。因此仅仅使用一个默认排放因子来
代表所有的煤炭,在估计碳排放量和编制国家温室气体排放清单时,无法产生准
确的结果。即便是基于不同煤炭产地建立的预测方程,在估算某一个特定产地煤
炭的碳排放时也未必可靠。等人为印度产的焦煤和其他煤炭分别建立了线性
预测方程。这两个方程利用煤炭分析获得的参数,如不同基准下的挥发分、固定
碳、高位发热量、低位发热量,来计算煤炭的排放。通过对大量数据多次
回归,他们得到了较好的关系式。这些方程也同样适用于印度不同的煤炭数据库。
他们利用得到的方程估算了电厂的排放量及其不确定度。利用这些方程,
可以计算印度煤炭排放的二氧化碳。
土耳其的
利用煤炭的发热量、挥发分、固定碳等数据建立了
气中国煤炭单位热值碳含量的研究
估计煤炭排放能力的公式。单位质量煤炭释放的和释放单位热量产生
的都作为煤炭释放能力的指标。在这个框架内,对土耳其个煤炭等
级特征相当不同的样品进行工业分析、元素分析和发热量分析,并对结果进行了
回归分析。得到了平均差别低于%的较为简单的公式。利用个煤炭数据检
验得到的公式,以便得到错误较少的结果
,。
捷克的 ,建立了三组捷克煤炭的碳含量与低位发热量的关系。他
们认为他们的回归方程对于褐煤同样适用。通过回归分析,他们认为煤炭的碳排
放因子依赖于低位发热量,并且正是由于这种关系,导致褐煤的碳排放因子高于
烟煤。烟煤的 ,排放因子精度较高。由他们的
数据得到的结果与利用欧洲另一个煤炭数据库得到的结果是有可比性的。他们建
议利用各国煤炭的低位发热量计算不同国家的碳排放因子。同时他们认为
给出的褐煤碳排放因子稍稍偏低 ,。
.等研究了美国商品烟煤,发现烟煤中由于惰质组大量存在,
会导致煤炭碳排放产生。/的变化。由于煤化程度的不同,会使烟煤的
碳排放产生./的变化。烟煤中的硫分每增加%,碳排放会减少
./。其它因素,如矿物质含量、壳质组丰度、单个的显微组分等,同
样会影响碳排放,但它们的影响难以定量化。等人认为一种煤炭的碳排放
因子应该分区域分别计算,而不是适用于所有地区。但是不同地区使用不同的抽
样和分析方法,这使得全国温室气体排放清单更加难以查证 等,。
.等认为,按照美国煤炭分类标准,不同煤炭燃烧时
释放的二氧化碳有系统地改变,这就可以预测单一煤种基于热量的碳排放量。没
有适用于所有煤炭的预测方程。等人提供了两个方程,一个描述等级超过
高挥发性烟煤的煤炭碳排放,另一个描述低等级的煤炭。将方程用于美国西部出
产的煤炭,方程有%的偏差。这个结果表明通过选择低碳含量的煤炭,可以达
到减排的效果。煤炭显微组分和矿物质含量对于的排放有轻微的影响。他
们认为如果美国中西部的电厂不再使用当地的高硫分烟煤而改为燃烧西部的低
硫次烟煤,的排放量会增加% 等,。利用美国的数据计算了美国不同产地和不同
。该文件中大多数
类型煤炭的碳含量。他们的数据来自的
第一章引言
样品取自货物运输、煤坪和井下。用于计算碳含量的样品有个,分析年代
从年到年,样品中%为原煤,其余为洗煤或半洗煤。他们做了一下
检验,发现样品的年代和煤炭是否洗选对于碳含量影响很小因为被洗掉的成分
不含碳,煤炭的种类和产地是影响煤炭碳含量的主要因素..等,。
表.欧盟/技术报告中碳排放因子与默认值的比较 /.
备注:默认值, ,
, .
欧盟环保署的研究机构研究了各成员国煤炭排放因子的差异表。。
欧盟褐煤碳排放因子的变化范围由./到./,最大值与最小
值的差异为%。欧盟褐煤碳排放因子的均值与默认值的差异约%。烟
煤中的焦煤排放因子变化范围由./到./,最大值与最小
中国煤炭单位热值碳含量的研究
值的差异为%。其它焦煤的变化范围由./到./差异为
%。其它焦煤的平均与默认值很接近等,。
英国环境、食品与农村事务部研究了英国排放因子的特征和多年变化。 他们认为煤炭的排放因子会随时间变化。如到年间,电厂用煤 的排放因子最大能相差.%。随着时间的变化,煤炭的碳含量和氧化率都 在变化,因此排放因子需要不断校正和修改
等,。
各国的煤炭分类体系不尽相同。当前有学者认为以煤种分类计算 排放量的方法会出现较大误差。因此,有些研究者认为可以通过研究发热量、
灰
分、挥发分等指标与碳排放因子的关系,确定的排放水平。本文第三、四 章讨论了按煤种、分地区煤炭的碳含量,第五章中对碳含量与挥发分、灰分
以及
碳含量与各元素百分含量之间的关系作了探讨。第二章样品的采集与分析方
法
第二章样品的采集与分析方法
第一节 中国煤炭资源的分布
.中国煤炭资源的分布
煤是由泥炭或腐泥转变而来。泥炭主要是高等植物遗体在沼泽中经过生物化 学作用而形成的一种松软有机质的堆积物。腐泥是低等植物和浮游生物在厌
氧条
件下形成的暗褐色和黑灰色的有机软泥。
成煤植物中碳、氢、氧、氮的含量高低会影响到煤炭中各元素的含量。如果
成煤的原始植物主要是木质纤维组织,如植物的根茎,则煤的氢含量就比较低;
如果是由角质膜、木栓层、树脂、孢粉等含酯类化合物所形成的煤,则其氢含量
高;如果由藻类形成的煤,其氢含量更高杨起等,。
从植物死亡、堆积、埋藏到转变成煤,要经过一个演变过程,这个过程称为
成煤过程。煤炭的演变史和生物的进化史一样,经历了由低级到高级的逐步演化
过程,表.列举了中国主要成煤区所处的地质年代以及相应的煤田举例陈鹏,
。
我国拥有丰富的煤炭资源。影响煤炭形成的各个先决条件包括原始质料、沉
积环境、古地理、古气候、古构造和古地形等条件。各种先决条件在时间一空间
上的配置和变换,造成了煤炭只能在一定时间和地区范围内形成。在我国,有八
个重要的成煤期:前中泥盆世,成煤区域为华南、西北;早石炭世,成煤区域为
华南、西北;早二叠世,成煤区域为华南;晚二叠世,成煤区域为华南;晚三叠
世,成煤区域为西北、华南、滇藏;早、中侏罗世,成煤区域为西北、华北;晚
侏罗世,成煤区域为东北;第三纪,成煤区域为东北、华北、华南、滇藏、台
湾
王煦增等,。
以含煤建造的共性特征为转移,我国的煤炭分布可划分为六个不同的聚煤 区:东北内蒙古晚侏罗世聚煤区、西北早中侏罗世聚煤区、华北石炭二叠纪
聚煤
区、滇藏中新生代聚煤区、华南晚二叠世聚煤区、台湾第三纪聚煤区王煦增, 】。中国煤炭单位热值碳含量的研究
由表。可以看到,华北聚煤区资源量占总量的%以上,西北聚煤区次之, 不到总量的%。东北和华南的资源量相当接近,滇藏聚煤区的煤炭资源量最
少。
表?中国主要成煤期和成煤情况举例
?.
?
中国
生物演化
主要
纪
代 煤种 我国煤炭举例
成煤
植物 动物
区/?
出现
四川若尔盖、青海河南 第四纪 古人 泥炭
县
类
新生代 晚第三 被子植物 ?
辽宁新宾、清原,广东 纪
哺乳 褐煤为主,少量 茂名、高要、新会,龙 早第三 动物 烟煤
?
口,小龙潭等
纪
白垩纪
爬行 褐煤、烟煤,少 云南、广西褐煤等,大
?
中生代 侏罗纪 裸子植物 动物 量无烟煤 同、阜新、萍乡等
三叠纪
晚 ?
二叠纪 内蒙、新疆、 蕨类植物
古 ? 两栖
石炭纪 山西、开滦、淮南、本
烟煤、无烟煤
生 动物
溪等;广东台山、秦岭 古 泥盆纪 裸蕨植物 代 西段等地
生
旦
志留纪 鱼类
代
由
奥陶纪 无脊
菌藻植物 石煤 南方几省如浙江、湖南
生
椎动
寒武纪
代 物
新元古代
海藻、无
中元古代
植物化石
古元古代
发现
太古代
我国煤炭资源按照成煤时代来说,侏罗纪占成煤总量的.%,二叠纪 .%北方.%,南方.%,白垩纪.%,第三纪.%,三叠纪
.%。从地域分布上来说,煤炭资源分布相对较集中。以煤炭资源总量而言, 东北占.%,华北.%,华南.%,西北.%,滇藏.%。陈鹏,
按照煤类来说,从褐煤、烟煤到无烟煤都有,但资源总量和分布极不均衡。 褐煤占已发现资源的.%。在烟煤和无烟煤中,低变质烟煤所占的比例为总量 ????????????三茎堂曼塑墨堡皇坌堑查鎏
的.%,贫煤和无烟煤占.%,中变质烟煤所占的比例为总量的.%。陈 鹏,
表全国垂深以浅的煤炭资源分布。陈鹏,
.全国煤炭保有储量的平均硫分为.%,硫分小于%的低硫、特低硫煤占 .%,主要有华北、东北、西北的侏罗纪煤系和华北、华东的早二叠世煤系。 含硫大于%的占.%,其中大于%的高硫煤约占.%,主要有南方各煤田 以及山东、山西、陕西和内蒙古西北的太原组。陈鹏,
中国煤炭的灰分普遍较高,一般在%%,灰分小于%的特低灰煤约 占全国保有储量的%%,主要分布在华北大同、鄂尔多斯等侏罗纪煤田。 目前,全国保有储量中,动力煤的平均灰分为.%,其中华北.%、东北
.%、华东.%、中南.%、西南.%、西北.%。陈鹏,
第二节样品的分布
.样品的分布
.年煤炭样
本论文主要对中国两个时期分别为.年和
品的研究结果进行讨论,因此样品的分布进行分别介绍。本章主要介绍国家自然
科学基金重点项目“中国煤平均化学成分及煤中有害微量元素有机物地球化学”
;简称“煤重点基金项目”年至年煤炭样品的分布和采
集。“中国科学院战略性先导科技专项~应对气候变化的碳收支认证及相关问题”
中“煤’,子课题;简称“碳专项年至年我国南方煤
炭样品的采集与分布将在第四章介绍。
..重点基金项目的样品分布
中国煤炭单位热值碳含量的研究
重点基金项目的样品采集,主要根据年全国各省煤炭产量,以每
万吨产量取一个样的频度,将取样点分配到各个地区。年全国煤炭产量
万吨,按照每四百万吨取一个样,全国大约须取样个,按此比例将
取样点分配到各省区。样品采集时间主要集中在年到年,其间由于
国家控制煤炭产量,实行关井压产,所以大部分地方煤炭产量有所下降,有些地
方甚至停止采煤,所以我们在全国个主要产煤省、市、区实际采样量为
个。各省内根据煤田分布情况按地区一县、市或相邻几县、市产量分配取样数,
如某地区产量比较小,取样点优先安排在统配煤矿、产量较大且靠近该地区或煤
田中心处的矿山,如某地区产量较大则根据煤田分布、成煤时期与煤变质程度并
结合煤炭生产状况,尽量采齐形成于不同时期、具有不同变质程度的煤样。全国
主要采样点分布如图.所示 .,。
图?
?年所采煤炭样品地理分布.?
第二章样品的采集与分析方法
..重点基金项目煤样的采集
本次研究的采样过程中,为防止煤样的污染、风化,特别采用加厚塑料袋密
封保存煤样。
其中山西、陕西、内蒙古东胜矿区、河南、山东、安徽、江苏、福建、湖南、
湖北和江西等省的煤炭样品为生产过程中主采煤层井下刻槽取样,其余地区为地
面煤厂多点平均样品。煤样采集时在现场收集各种资料,以便于后边的研究。采
样记录表见表.。
表采样记录表
. .样品编号
采样人姓名 采样时间
采样地点
矿山名称
矿山开米类型
矿山经济类型 县属 国家
经度 纬度 海拔高度
聚煤区: 煤盆地: 含煤建造: 地质时代
系 统 阶 层
煤层项部埋深: 可采煤层数: 可采煤总厚度: 煤样煤层厚度:
矿山储量 煤田储量
煤种:
送往洗煤厂比例
煤的最终用途% 发电 冶金 化工 动力 民用
备注中国煤炭单位热值碳含量的研究 第三节煤样的制备方法
.煤样的制备方法
煤样的制备依照《煤样的制备方法》.进行。煤样制备工序包
括破碎、筛分、混合、缩分、干燥、研磨。
、破碎:采集来的任何煤样,其粒度远远超过化验所用煤样的粒度,必须破
碎以减小粒度。由于样量较大,若全量一次性破碎到化验样品所需要的粒度,则
工作量太大,通常采用多级破碎,每级破碎之后弃掉一部分,以减少再破碎工作
量。破碎更重要的目的是为了增加煤样的颗粒数目,以减少后续缩分步骤产生的
误差,提高制样精密度。同样数量的煤样,破碎得愈细,颗粒愈多,缩分产生的
误差就愈小。煤炭制样室通常把破碎分为粗碎、中碎和细碎,以区别不同的制样
阶段。粗碎是指将样破碎至小于~;碎是指将小于或小于
的煤样破碎至小于或小于:细碎是指将小于或小于的煤样
粉碎至小于.。
、筛分:筛分的目的是为了将超限颗粒分离出来,继续破碎到规定粒度,保
证在各制样阶段的不均匀物质达到一定的分散程度,减小缩分误差。
、混合:将煤样均匀化。目前,我国人工制样主要是人工堆锥混合方法。
、缩分:是在粒度不变的情况下质量的减少.以减少后续工作负荷和最后满足
检验所需的煤样质量。因此,在某一粒度时,可能只缩分一次,也可能连续几次
缩分才能达到该粒度下的最少留样量。
、干燥:干燥的目的只是保证煤样在制样过程中能顺利通过各种破碎机、缩
分机、二分器,不糊筛底。
、研磨:在研磨机上研磨至目。该步骤在贵州省地矿局实验室内完成。 第四节样品的分析方法
.样品的分析方法
..不同的分析基准及相互换算
煤炭分析中,根据需要的不同,分析结果可以采用不同的基准来表示。“基”
第二章样品的采集与分析方法
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、干燥无矿物质基等陈鹏,。 空气干燥基:以与空气湿度达到平衡状态的煤为基准。表示符号为 。
。
干燥基:以假想无水状态的煤为基准。表示符号为
。
收到基:以收到状态的煤为基准。表示符号为
干燥无灰基:以假想无水无灰状态的煤为基准。表示符号为 。
干燥无矿物质基:以假想无水、无矿物质状态的煤为基准。表示符号为。 恒湿无灰基:以假想含最高内在水分、无灰状态的煤为基准。表示符号为 ,
。
表.不同基准间的换算公式
?
表列出已知基的分析值换算到另一基准的计算公式。表中表示水分;
表示煤灰分;表示煤中矿物质含量。下标,等表示各种基准。中国煤炭单位热值碳含量的研究
无水无矿物质基的挥发分计算时,要考虑校正及煤中含硫矿物,
校正值可以按下式计算:
?
‰做正器器爰篙器寰麓卷
在对低煤阶煤进行分类和煤质评价时,国际上常用恒湿无灰基高位发热量
甄‘?作为分类指标,它和空气干燥基高位发热量甄。问有如下换算公式:
.
%正,础‰脚×而孟箸篝备
..煤炭中的水分及其测定
煤炭中含有的水分在煤炭燃烧时变成蒸汽要带走一部分热量,造成煤炭发热
量的降低。而且煤中水分过大不利于煤炭的加工运输,炼焦时会降低焦产率和延
长焦化周期。
煤炭的分析中提到的水分通常包括三种水分:全水分、外在水分和内在水分。
全水分是煤中内在水分和外在水分的总和。以收到基状态测得的水分为煤碳的全
水分。它通常是煤炭交易时围绕价格谈判所要考虑的一个因素。外在水分是指在
一定条件下煤样与周围空气湿度达到平衡时所失去的水分。内在水分是在一
定条
件下煤样与周围空气湿度达到平衡时所保持的水分。通常认为空气干燥基状
态下
测得的煤炭中水分含量为内在水分。
水分的测定方法较简单。取一定量的粒度小于毫米的煤样,在温度不高 于?的环境下干燥到质量恒定,再将煤样破碎到粒度小于毫米,与~ ?下,在空气流中干燥到质量恒定。根据煤样两步干燥后的质量损失计算出
全水
分/,根据第二步干燥中的质量损失确定空干基水分即内在水分 的值/。
按照美国 标准,分析基煤样中水分的测定方法为:
取一克空干基煤样,置于有盖的陶瓷坩埚中。将坩埚放入预热的强制 通风炉中,通入露点温度为.?的干燥空气,温度在?保持一小时。将 样品放入干燥器中冷却至室温,再次称重。
水分含量的计算公式为:
第二章样品的采集与分析方法
.
%./
上式中为分析基煤样烘干前的质量,为在。下烘干后的质量。 ..灰分的含义及测定
灰分是煤炭彻底燃烧后所剩下的残渣。煤中的灰分分为外在灰分和内在灰分
两种。外在灰分指的是来自顶底板和夹矸中的岩石碎块,它与采煤方法有关,且
外在灰分通过分选大部分能筛选掉。内在灰分是成煤的原始植物本身所含的无机
物。内在灰分越高则煤的可选性越差。
煤炭中灰分增加,可燃物质相对减少。矿物质燃烧灰化是吸热,大量排渣要
带走热量,因而降低了煤炭的发热量。另外煤中的灰分容易造成锅炉的结渣、熄
火,加剧设备磨损。在煤炭的运输中,灰分增加,导致无效运输,也是一种资源
的浪费。
煤炭中的矿物质与灰分不是一个概念。灰分本身不是煤中的固有成分,而是
灼烧之后形成的残渣。而矿物质是指煤炭中含有的各种无机物质,包括粘土、碳
酸盐、黄铁矿、石膏等。这些物质在煤炭的燃烧过程中发生分解、氧化等反应,
留下的残渣就是灰分。所以通常矿物质的含量要高于灰分的含量。由于灰分的测
量简单方便,经常根据灰分的含量利用公式近似计算煤炭中矿物质的含量。
煤中灰分的测定方法有缓慢灰化法和快速灰化法。其要点是称取一定量的煤
样,放入马弗炉内灼烧至质量恒定。以残留物质量占煤样原质量的百分数作为灰
分测定值/。
本论文煤重点基金项目的数据是在美国地质调查局测得。其灰分的测定方法 为经美国地质调查局改进的和方法。方法如下:
取克左右煤样,精确称取其质量后导入陶瓷皿中。将样品置于通风炉内, 通入露点温度为.。的干燥空气,并按照下列步骤加热。以.?/的升 温速度从室温加热到?,保持.小时;以.?/的升温速度从
?加热到?,保持小时;以.。/的升温速度从。热到
?,保持小时;关闭电炉,使灰化煤样在炉内冷却至室温。取出称重。 .。该方法
对于无烟煤和焦煤样品,煤中灰分的测定方法为
适用于高煤级样品全灰分的测定。操作过程与上述方法基本相似,只是加热
步骤
略有不同:以.?/的升温速度从。加热到?,保持小时;中国煤炭单位热值碳
含量的研究
关闭电炉,使灰化煤样在炉内冷却至室温。取出称重。
灰分的计算公式为:
%/
.
上式中,为灰化前样品质量,为灰化后的残渣质量。
..挥发分和固定碳
煤样在规定条件下,隔绝空气加热一定时间,逸出的挥发物减去水分后得到 的测值,实际上是煤中有机质受热分解析出的一部分气态和蒸汽态物,称之
为挥
发分。它占煤样质量的百分比,定义为挥发分产率,简称挥发分%。挥发分 的测定方法比较简单:称取克空于基煤样,装入带盖的瓷坩埚内,放入。 高温的炉内,隔绝空气加热分钟,以煤样在。的失重占煤样质量的百 分数减去。,即得空干基煤样的挥发分陈鹏,;/。
.
%孚×.盘虚
式中。空气干燥基煤样挥发分,%
一空气干燥基煤样的质量,
一焦渣的质量,
。空气干燥基煤样的水分,%
如果煤中碳酸盐形式的含量?%,应对上式求得的结果进行校正。因为 高温下碳酸盐分解析出的二氧化碳也包括在挥发分内,使偏高。当碳酸盐 量为%~%时,可按下式校正:
.
《蓝吃一酣
式为空气干燥基煤样中以碳酸盐形式存在的含量,%。
美国标准规定挥发分的测定条件为。的温度下,铂
坩埚中加热分钟。本文重点基金数据的挥发分按照标准测定。 煤中固定碳是指从煤中除去水分、灰分和挥发分后的残留物,即第二章样品
的采集与分析方法
.
矗一以童?蕾吃
式中。空气干燥基煤样中的固定碳。
固定碳和挥发分都不是煤炭中的固有成分,而是热分解产物。此外,固定碳 与煤中碳元素含量是两个不同的概念,不能混淆。
..煤炭的发热量及其测定
煤炭的发热量是指煤炭燃烧时释放的能量。通常用千克煤炭释放多少兆焦 的热量表示,单位是/。煤的发热量是煤按热值计价的基础指标。动力煤主 要是利用煤的发热量,发热量越高,其经济价值越大。煤炭的发热量不仅是计
算
热效率、热平衡和煤炭消耗的依据,也是锅炉设计的参数。 煤的发热量在氧弹热量计中进行测定。一定量的分析试样在氧弹热量计中, 在充有过量氧气的氧弹内燃烧,热量计的热容量通过在相近条件下燃烧一定
量的
基准量热物苯甲酸来确定,根据试样燃烧前后量热系统产生的温升,并对点
火热
等附加热进行校正后即可求得试样的弹筒发热量。
从弹筒发热量中扣除硝酸形成热和硫酸校正热氧弹反应中形成的水和硫酸 与气态二氧化硫的形成热之差既得高位发热量。
。
国内发热量测定标准为/,美国发热量测定标准为
..元素分析方法
测定煤炭的元素组成称为元素分析。煤炭的燃烧主要依靠煤中的有机质。煤 中的有机质主要有碳、氢、氧、氮、硫等元素组成。碳元素组成多环芳烃的
骨架,
其它官能团如羧基、羟基、和甲氧基.连接在多环芳
烃的骨架上。
随着煤炭由低等向高等煤化程度发展,煤中有机质的结构单元不同,元素组
成也不同。随煤化程度的增加,碳含量逐渐增加,氢、氧含量则逐渐减少。氮和
硫与煤化程度无关系,但硫含量受成煤的古地质环境影响。
按照《煤的元素分析方法》/
.,煤炭中碳、氢元素的测定采用
三节炉或二节炉法。其测定的原理为:将一定量煤样在氧气流中燃烧,用吸水剂
吸收燃烧生成的水,用二氧化碳吸收剂吸收产生的二氧化碳。根据吸收剂的增量
计算出煤炭中碳和氢的含量。煤样中硫和氯对碳测定的干扰在三节炉中用铬酸铅
和银丝卷消除,在二节炉中用高锰酸银热解产物消除。氮对碳测定的干扰用颗粒
中国煤炭单位热值碳含量的研究
状二氧化锰消除。
测定煤炭中的氮含量时,称取一定量空气干燥煤样,加入混合催化剂和硫酸,
加热分解,氮转化为硫酸氢铵。加入过量氢氧化钠溶液,把氨蒸出并吸收在硼酸
溶液中,用硫酸标准溶液滴定。根据硫酸的用量,计算煤中氮的含量。
据《煤中全硫的测定方法》/ .,煤中全硫的测定有艾士卡法、
库仑法、高温燃烧中和法等。艾士卡法是将煤样与艾士卡试剂混合灼烧,煤中的
硫会生成硫酸盐。然后使硫酸根离子生成硫酸钡沉淀,根据硫酸钡的质量计算煤
中全硫的含量。库伦滴定法是将煤样在催化剂作用下,于空气流中燃烧分解,煤
中的硫生成硫氧化物,其中二氧化硫被碘化钾溶液吸收,以电解碘化钾溶液所产
生的碘进行滴定,根据电解所消耗的电量计算煤中全硫的含量。高温燃烧中和法
是将煤样在催化剂作用下于氧气流中燃烧,煤中硫生成硫氧化物,被过氧化氢溶
液吸收形成硫酸,用氢氧化钠溶液滴定根据消耗的氢氧化钠标准溶液量,计算煤
中全硫含量。
美国 标准中全硫的测定方法,取约.克煤样,准确称重后
置于瓷舟中,在通有高纯氧的管炉中燃烧至?。对于煤灰及其它燃烧副产
品,可使用助燃剂如?,五氧化二钒助燃。.克样品需要克助
燃剂混合公司,。利用填充有玻璃丝和无水镁高氯酸盐的过滤装
置除去气流中的水分和微小颗粒。然后气流通过装有红外吸收检测器的小室,
测
定气流中的二氧化硫含量。该仪器必须通过参考物质如国际标准技术协会 提供的物质校准。该方法的检测限为.%。参考物质含量的平均相 对标准偏差为%。
美国元素分析方法采用 标准。
煤中氧含量的测定是采用间接的方法。用%减去水分、灰分、碳、氢、 氮、硫和碳酸盐二氧化碳的含量即可得到氧元素的含量。 第五节煤炭的分类标准
.煤炭的分类标准
各个国家的煤炭分类标准略有不同。
第二章样品的采集与分析方法
..美国煤炭分类 标准
美国煤炭分类标准采用美国材料协会 分类标准:
无烟煤:无水无矿物质基挥发分小于%,则为无烟煤。如果介 于%到%之间,且为黏结,则为烟煤。
烟煤:无水无矿物质基挥发分大于%,或者无水无矿物质基挥发分介于 %到%之间,且为黏结。如果恒湿无矿物质基高位发热量介于./ 到./,且黏结,为烟煤。
次烟煤:恒湿无矿物质基高位发热量./,不黏结。如果介于 ./到./,且黏结,则为烟煤。
褐煤:恒湿无矿物质基高位发热量./。
..国际分类标准
无烟煤:也就是高煤阶煤,镜质组平均随机反射率卸大于等于.%, 平均最大
且小于.%;或者对于地质上不变的煤
反射率小于.%。
烟煤:即中煤阶煤,镜质组平均随机反射率‰介于.%~.%之间。 次烟煤:镜质组平均随机反射率‰介于.%~.%之间。
褐煤:镜质组平均随机反射率‰小于.%。
..中国煤炭分类
我国煤炭分为无烟煤.烟煤、褐煤三个大类。干燥无灰基挥发分矿% 作为烟煤与无烟煤的界值。如果。%,则为无烟煤;如果%,则为 烟煤。烟煤与褐煤的分界采用无灰恒湿基高位发热量甄,。/为界值。 如果甄,/则为烟煤,趴,小于/则为褐煤陈鹏,。
此外,我国又按煤化程度的深浅及工业利用的要求,将褐煤分为两个小类, 无烟煤分为三个小类,烟煤按照等煤化程度和等黏结性的原则,分为十二个
小类。
褐煤以透光率%作为类内分类指标,.%为二号褐煤,%为一
号褐煤。无烟煤以。和干燥无灰基氢含量作为类内分类指标。烟煤以干 燥无灰基挥发分和黏结指数为主要分类指标,对强黏结煤用角质层最大中国
煤炭单位热值碳含量的研究
厚度值或奥阿膨胀度值作为辅助分类指标。
..中国煤层煤分类
联合国欧洲经济委员会颁布的国际煤层煤分类一方案中,规定平均随
机反射率?.%的煤,即为中煤阶或高煤阶煤。而锄小于.%的煤必 须/才归为中煤阶煤。
在我国现行“中国煤分类”中,没有设置“次烟煤”的类别,造成中国与国际
上
对煤炭探明可采储量统计上的混乱。制定中国煤层煤分类国家标准的主要目
的是
提供一个与国际接轨的统一尺度,来评价和计算煤炭资源量与储量。参照国
际煤
层煤分类方法,中国煤层煤分类标准为:
无烟煤:肌.%;
烟煤:‰芝.%;
次烟煤:缸.%,且恒湿无灰基高位发热量介于/之间;
褐煤:
,趾.%,且恒湿无灰基高位发热量/。
.%是烟煤中煤阶煤与无烟煤高煤阶煤的分界点,它与现行 中国煤炭分类中“干燥无灰基挥发分%的分界点大致相当陈鹏,。 ..
采用的煤炭分类,
无烟煤:挥发分小于%,恒湿无灰基高位发热量大于./。
炼焦用煤:烟煤,制成的焦炭可在高炉中使用
其他烟煤:不用来炼焦的烟煤,挥发分高于%,恒湿无灰基高位发热量大 于./。
次烟煤: 不粘结,恒湿无灰基高位发热量介于
./到./
之间。%
褐煤:不粘结,恒湿无灰基高位发热量低于./。%
..无矿物质基和无灰基的差别
无机质中可以分解的物质包括:粘土矿物中的水化物,碳酸盐分解出, 黄铁矿和白铁矿分解出硫,氯化物分解后形成。用来计算挥发分时,没 有把矿物质分解的那部分刨除在外,致使无灰基的挥发分值要高于无矿物质
基。
由干燥无灰基到干燥无矿物质基的转化公式见表
无矿物质基的数值要高于无灰基的值。如果煤中的矿物质含有许多可受热分
第二章样品的采集与分析方法
解挥发的物质,无灰基和无矿物质基的差别会比较大。
矿物质的测定可以用低温灰化?法,比灰分的测定要麻烦。 总的来说,中国煤层煤的分类方法和中国煤炭分类的差别在于:中国煤层煤 将煤炭分为四类,即褐煤中介于?/的化为次烟煤。
中国煤层煤分类和的煤炭分类差别在于:褐煤和次烟煤的分界点,中 国为/,为甄, ./。
美国分类标准用的是干燥无矿物质基,如果转化为干燥无灰基,可 能和的分类更接近。
本次研究中,对重点基金的无烟煤和烟煤样品,采用美国 分类 标准和中国煤层煤分类标准分别划分。结果发现,中国的个贫煤在美国
标准下化分为无烟煤,其余中高阶煤炭样品的分类是一致的。可以认为,至少在
对中高阶煤炭样品的分类中,美国标准和中国分类标准是大同小异的。中国煤炭单位热值碳含量的研究
第三章全国煤炭单位热值碳含量的研究
本章数据来自国家自然科学基金重点项目“中国煤平均化学成分及煤中有害
微量元素有机物地球化学”.年所采集的全国煤炭样品分析
数据。
第一节煤化程度与单位热值碳含量的关系
.煤化程度与单位热值碳含量的关系
..煤化作用
泥炭经过褐煤、烟煤转变为无烟煤的过程中所受的物理化学作用称为煤化作
用。一般认为,煤化作用包括由褐煤到烟煤的成岩作用和由烟煤到无烟煤的变质
作用两个阶段杨起等,。
煤中氢的含量多在%以下。在早期的煤化过程中随煤级的增高,氢元素含
量降低幅度很小。随着煤化程度的提高,芳香族稠环中富氢官能团和侧链的逐渐
脱落,从而析出甲烷,导致氢含量的下降图.。到了烟煤和无烟煤阶段,析
出的甲烷增多,特别是到无烟煤阶段甲烷析出量最大图.,从而导致氢元素
含量在无烟煤阶段减少得最明显。
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,,,卧,;?衅、,睇;钟, 图?氢含量与镜质组最大反射率的关系杨起等,?
.一
煤炭中的碳元素百分含量是随着煤化程度的提高而提高的。在亮褐煤到接近
气煤和肥煤分界的阶段里和无烟煤阶段碳元素百分含量的变化较明显。但是
在中
到高煤化烟煤阶段随煤化进程的变化有限。例如由肥煤、焦煤、瘦煤到贫煤
的煤
.一.化过程中,碳元素百分含量从%增至
%,仅增加了%图。造成煤
炭中碳元素富集的原因是,随着煤化程度的提高,稠环体系的官能团如羟基、
羧
基、甲氧基、羰基以及环氧逐渐脱落,芳香族稠环的缩合程度逐渐增高。 ’
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蔑
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发断,%
蝮
图甲烷在各煤化