煤化学知识框架笔记
2022-10-26 18:26:15 1 举报AI智能生成
煤化学知识框架笔记
作者其他创作
大纲/内容
煤化学主要研究方法
物理
计算机断层扫描
小角X射线散射
电子投射/扫描显微镜
化学
煤的氧化、氢化、卤化、水解、热解
物理化学
溶剂抽提、吸附性能、物化特性法
煤的形成
植物的有机组成
糖类及其衍生物
木质素
松柏醇
芥子醇
γ-香豆醇
蛋白质
脂类化合物
蜡质
树脂
角质
木栓质
孢粉质
脂肪
成因分类
腐植煤
腐植腐泥煤
腐泥煤
残植煤
泥炭沼泽
定义
地表土壤经常过湿或有薄层积水的地段，其上生长着大量沼泽植物，其下则有泥炭的形成和积累。
分类
低位泥炭沼泽
泥炭沼泽发展初期，富营养，高等植物大量繁殖，其形成的泥炭，灰分较高，沥青质低，焦油产率低
中位泥炭沼泽
过渡阶段，中营养，植被以中等养分植物为主
高位泥炭沼泽
泥炭沼泽演化的后期，贫营养，植物多为草本或藓类植物
成煤过程
成煤条件
古植物因素
古气候因素
古地理因素
古构造因素
腐植煤成煤
泥炭化作用+煤化作用
泥炭化作用：高等植物残骸在泥炭沼泽中，经过生物化学作用演变成泥炭的过程
煤化作用：分为成岩作用+变质作用两个连续的阶段
变质作用类型
深成变质作用
<ol><li><span style="font-size: inherit;"> 希尔特定律：它是指在同一煤田大致相同的构造条件下，随着煤层的埋深的增加，<br>煤的挥发分逐渐减少，变质程度逐渐提高的现象</span></li></ol><br>
岩浆变质作用
动力变质作用
变质作用因素
温度
时间
压力
主要成煤期
石炭-二叠纪
侏罗纪
古近-新近纪
煤层气
赋存形态
赋存在煤层中以吸附在煤基质颗粒表面为主
部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中
成因
生物成因
原生生物成因
次生生物成因
热成因
热降解作用
热裂解作用
有胞腔
无胞腔
丝炭化作用+火焚作用
煤的化学组成
水分
外在水分
内在水分
全水分
灰分
煤在一定条件下（815℃）完全燃烧后的残渣----有氧参与
挥发分
煤在隔绝空气，900℃下加热7min后挥发性有机物质的产率
固定碳
空气干燥基
用ad表示
随煤化程度的提高，挥发分下降
干燥无灰基
用daf表示
煤中矿物质的种类
独立存在的矿物质
与煤的有机质结合起来的无机元素
以羰基盐的形式存在
微量元素
有益：锗、镓、铀、钒、铼等
有害：硫、磷、氯、砷、氟等
以氧化物形式存在
主要为SiO2、Al2O3、CaO、MgO、Fe2O3
煤灰成分
煤中有机质主要元素
碳、氢、氧、氮、硫
抽提方法
常规抽提
特殊抽提
热解抽提
加氢抽提
超临界抽提
基准换算公式
ad→daf
Xdaf=Xad*100/（100-Mad-Aad）
内在水分规律
从褐煤开始，随煤化程度的提高，煤的内在水分逐渐降低，到中等煤化程度的肥煤和焦煤阶段，内在水分最低<br>此后，随着煤化程度的提高，内在水分又有所上升
煤的化学性质
氧化性质
氧化剂
高锰酸钾，重铬酸钠，双氧水，空气，纯氧，硝酸
氧化深度
表面氧化
不明显破坏煤的分子结构
轻度氧化
破坏煤分子的不规则部分
中度氧化
深度氧化
完全氧化
完全破坏煤的分子结构
腐殖酸主要性质
腐殖酸可溶于酸、碱、盐、水和有机溶剂，因此这些溶剂可作为煤的抽提剂
亲水的可逆胶体
分子结构中有羧基，酚烃基等基团，具有弱酸性
具有较高的离子交换能力
可降低水的表面张力，降低泥浆的粘度和失水
有氧化还原性
具有一定的生理活性
煤的风化
本质
煤的氧化作用
风化后煤的性质发生变化
1.化学组成的变化：碳元素和氢元素含量下降，氧含量增加，腐殖酸含量增加
2.物理性质的变化：光泽暗淡，机械强度下降，硬度下降，疏松易碎，表面积增加，对水的润湿性增大
3.工艺性质的变化：低温干馏焦油产率下降，发热量降低，黏结性煤的黏结性下降至消失，煤的可浮性变差，浮选回收率下降，精煤脱水性恶化
煤的自燃
氧化→放热过程→温度增加→自燃
影响因素
煤化程度
煤岩组分
矿物质
煤的加氢
主要目的
制取液体燃料
轻度加氢
深度加氢
转油原因
破坏煤的大分子结构，生成相对分子质量小，H/C原子比大，结构简单的烃
煤的H 、C原子比小于烃类
煤的磺化
煤与浓硫酸（强氧化剂）或发烟硫酸作用发生的反应
生成磺化煤
破坏煤分子结构的芳香环
煤的分类
中国煤炭分类表
无烟煤
WY
贫煤
PM
贫瘦煤
PS
瘦煤
SM
焦煤
JM
肥煤
FM
1/3焦煤
1/3 JM
气肥煤
QF
气煤
QM
1/2中黏煤
1/2 ZN
弱黏煤
RN
不黏煤
BN
长焰煤
CY
褐煤
HM
煤的结构
基本单元
核
缩合环结构
不同缩合程度的芳香环构成，也含有少量的氢化芳香环和氮、硫杂环
从褐煤开始，随着煤化程度的提高，核缓慢增大，其中的缩合环也逐渐增多
当碳含量超过90%，核的芳香环数急剧增大，逐渐向石墨结构转变
周围的烷基侧链、官能团、桥键
烷基侧链----甲基、乙基、丙基
含氧官能团----羟基、羧基、甲氧基等<br> 随着煤化程度提高，含量减少
桥键----次甲基键、醚键等
煤分子结构理论的基本观点
1.煤是三维空间高度交联的非晶质的高分子缩聚物
2.煤分子结构基本单元的核心是缩合芳香核
3.连接在基本结构单元周围的不规则部分为烷基侧链、官能团、桥键
4.氧、氮、硫的存在形式
5.低分子化合物
6.煤化程度对煤大分子结构的影响
煤的岩石组成
名人
赫顿
在显微镜下用透射光观察煤薄片
斯托普斯
将宏观煤岩成分分为镜煤、亮煤、暗煤、丝炭四种类型
斯塔赫
利用反射光看煤薄片，用油浸物镜观察煤
宏观煤岩成分
镜煤
亮煤
暗煤
丝炭
宏观煤岩类型
光亮型
半亮型
半暗型
暗淡型
显微煤岩组分
镜质组
结构镜质体
结构镜质体1
结构镜质体2
无结构镜质体
均质镜质体
基质镜质体
团块镜质体
胶质镜质体
碎屑镜质体
透射镜---红<br>反射镜---灰
壳质组
孢粉体
大孢子体
小孢子体
角质体
外缘平滑，內缘锯齿
树脂体
木栓质体
树皮体
沥青质体
渗出沥青质体
荧光体
藻类体
结构藻类体
层状藻类体
碎屑壳质体
透射镜---黄<br>反射镜---黑
惰质组
丝质体
火焚丝质体
氧化丝质体
粗粒体
半丝质体
真菌体
分泌体
微粒体
透射镜---黑<br>反射镜---白
碎屑惰质体
显微煤岩组分反射率
煤抛光面的反射强度与垂直入射光强度之比
丝炭化作用
在泥炭化阶段,高等植物的木质-纤维组织等,<br>在比较干燥的氧化条件下腐朽,或因森林起火转变为丝炭化物质的作用。<br>
煤的物理性质
密度
真相对密度
在20℃时，单位体积煤的质量与同体积水的质量之比（不包含煤的孔隙）
用途：研究煤的分子结构，确定煤化程度，制定煤的分选密度
关键影响因素：分子结构紧密程度、化学组成
视相对密度
20℃时单位体积煤的质量与同体积水的质量之比（仅包含煤的内部孔隙）
散密度
20℃时单位体积煤的质量（包括煤的内外孔隙和煤粒间的空隙）
分析图（煤不同显微组分的真相对密度）
惰质组、微粒体的真相对密度最高，镜质组次之，壳质组最低
当Cdaf>90%后，三者真相对密度趋于一致并急剧上升，到无烟煤阶段趋于一致；Cdaf=87%时，真相对密度最低
在Cdaf<87%时，氧的相对原子质量比C的大，所以C的相对增长率低于O的减少率，煤的真相对密度就降低了
硬度
刻划硬度
与煤化程度有关，无烟煤硬度最大
同一煤化程度时，惰质组硬度最大，壳质组硬度最小，镜质组硬度居中
显微硬度
“靠背椅”分析图
褐煤开始，显微硬度随着煤化程度的提高而上升；在Cdaf到75~80%有一个极大值；<br>之后随煤化程度的提高而下降，在Cdaf达到87%时最低；<br>再之后，随煤化程度的提高，显微硬度又开始上升，几乎呈直线上升<br>
原因：褐煤含腐殖酸和沥青质，这些物质硬度低，所以褐煤显微硬度低，<br>随煤化程度的提高，腐殖酸含量会下降，显微硬度则会上升，在78%左右又因为侧链减少，缩短，分子的交联作用减小，显微硬度也减小<br>在87%左右，煤分子结构的缩合程度急剧增大，结构更加致密，硬度也增大
透光率
年轻褐煤PM＜30%<br>年老褐煤PM30~50%<br>长焰煤PM>50%<br>气煤PM>90%
X射线衍射、红外光谱
煤的孔隙成因
原生孔
胞腔孔
屑间孔
胶体孔
次生孔
外生孔
变质孔
矿物质孔
煤孔隙率分析图
年轻煤中的孔隙主要是泥炭胶体的孔隙转化而来，由于成煤作用中受到的压力小，孔径就大；<br>中等煤化程度时，由于煤化程度的提高，煤的分子结构更加紧密，孔隙就变小；<br>高等煤化程度时，由于煤分子缩聚急剧加大，产生内应力，在局部出现裂隙，孔隙率就增大
煤的工艺性质
煤的热解性质（煤的干馏或炭化）
煤在无氧或惰性气氛条件下持续加热到较高温度时所发生的一系列化学反应的过程
分类
低温热解
制取液体焦油
中温热解
制取兰炭，燃料煤气
高温热解
获取冶金焦
黏结性煤
热解阶段
一、干燥脱吸阶段
二、胶质体的生成和固化阶段
三、半焦转化为焦炭阶段
黏结性和结焦性评定方法
罗加指数
黏结指数
胶质层指数
奥阿膨胀度
坩埚膨胀系数
格金焦型
热解过程
裂解
结构单元之间桥键的裂解
脂肪侧链的裂解
含氧官能团的裂解
缩聚
二次热解
1.裂解反应
2.脱氢反应
3.加氢反应
4.缩合反应
煤的燃烧和气化
煤的燃烧
在高温条件下有适当过量空气时，氧气和煤发生氧化反应并释放出光和热的过程
煤的气化
在高温条件下，煤与水蒸气，氧气，二氧化碳等气化剂反应，<br>生成以氢气，一氧化碳和甲烷为主要成分的可燃气体<br>
煤的高位发热量与碳含量的关系分析图
从低煤化程度的褐煤开始，随煤化程度的提高，氧元素含量迅速下降，碳含量逐渐增加，氢含量变化不大，所以煤的发热量是增加的
到中等变质程度的肥煤，焦煤达到最高值
此后，煤的氧含量的减少趋缓，而氢含量明显下降，碳含量明显增加，但他的发热量是氢的四分之一左右，所以，煤的发热量呈现下降趋势
煤灰熔融性
煤灰在高温下软化，熔融流动时的温度特性
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