煤化学基础.ppt

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1、1煤化工工艺学煤化工工艺学徐绍平徐绍平Tel:13500797040Email：课程内容与参考资料课程内容与参考资料n课程内容：煤化学基础；煤热解化学；煤干馏工艺；煤气化工艺；课程内容：煤化学基础；煤热解化学；煤干馏工艺；煤气化工艺；煤液化工艺煤液化工艺n参考资料：徐绍平，殷德宏，仲剑初：参考资料：徐绍平，殷德宏，仲剑初：煤化工工艺学煤化工工艺学；郭崇涛：郭崇涛：煤化学煤化学；郭树才：郭树才：煤化工工艺学煤化工工艺学；Elliot,M.A.：煤利用化学煤利用化学；Wen CY：Coal Conversion Technology。燃料化学学报；燃料化学学报；煤炭转化；煤炭转化；Fuel；Fue

2、l Processing Technology；Energy&Fuel 序：煤与人类历史序：煤与人类历史 美美 巴巴拉巴巴拉.弗里兹著弗里兹著/时娜译时娜译/中信出版社中信出版社/2005 煤煤毫毫不不起起眼眼，肮肮脏脏丑丑陋陋，缺缺少少石石油油带带来来的的一一夜夜暴暴富富和和一一掷掷千千金金，却却身身系人类的繁荣与衰落、自然的祝福与诅咒。系人类的繁荣与衰落、自然的祝福与诅咒。它它作作为为科科技技时时代代的的奠奠基基者者，提提供供了了文文明明开开化化所所需需的的光光明明、温温暖暖和和能能量量，却又造成了环境污染和贫富悬殊。却又造成了环境污染和贫富悬殊。煤煤已已经经成成为为一一把把双双刃刃剑剑：

3、既既富富于于创创造造性性，又又具具有有破破坏坏性性。整整个个社社会会围围绕着能量创造的物质财富所进行的搏奕和抗衡，使得煤的故事如此引人注目。绕着能量创造的物质财富所进行的搏奕和抗衡，使得煤的故事如此引人注目。如如果果没没有有煤煤铺铺就就的的这这条条黑黑色色之之路路，我我们们的的命命运运将将不不得得而而知知。但但可可以以肯肯定的是，世界将与现在完全不同。定的是，世界将与现在完全不同。以自然之力征服自然，成就工业革命的宏大画卷。以自然之力征服自然，成就工业革命的宏大画卷。唤唤醒醒地地底底沉沉睡睡已已久久的的力力量量，冲冲破破中中世世纪纪的的黑黑暗暗与与荒荒蛮蛮，引引导导人人类类走走上上一条从野蛮到

4、优雅的黑色之路。一条从野蛮到优雅的黑色之路。序：煤与人类历史序：煤与人类历史 美美 巴巴拉巴巴拉.弗里兹著弗里兹著/时娜译时娜译/中信出版社中信出版社/2005 Coal:A Human Historyby Barbara Freese，Perseus Publishing,2003 Publisher Comments:The fascinating,often surprising story of how a simple black rock has altered the course of history.Prized as the best stone in Britain by

5、 Roman invaders who carved jewelry out of it,coal has transformed societies,powered navies,fueled economies,and expanded frontiers.It made China a twelfth-century superpower,inspired the writing of the Communist Manifesto,and helped the northern states win the American Civil War.Yet the mundane mine

6、ral that built our global economy and even today powers our electrical plants has also caused death,disease,and environmental destruction.As early as 1306,King Edward I tried to ban coal(unsuccessfully)because its smoke became so obnoxious.Its recent identification as a primary cause of global warmi

7、ng has made it a cause clbre of a new kind.In this remarkable book,Barbara Freese takes us on a rich historical journey that begins three hundred million years ago and spans the globe.From the Great Stinking Fogs of London to the rat-infested coal mines of Pennsylvania,from the impoverished slums of

8、 Manchester to the toxic city streets of Beijing,Coal is a captivating narrative about an ordinary substance that has done extraordinary things a simple black rock that could well determine our fate as a species.序：布什与戈尔的故事序：布什与戈尔的故事在2000年的总统选举中，美国的煤炭工业曾面临极大的危险。用一位煤炭公司经理的话说：“阿尔伯特戈尔想让我们破产。”自从戈尔1993年发表

9、著作均衡中的地球)(Earth in the Balance)之后，全球变暖已被他定义为一个政治问题。戈尔与(京都议定书关系密切，因为他曾参与了相关讨论。大受刺激的煤炭工业界把用于以前总统竞选的捐款增加了两倍，慷慨地给了乔治W布什，因为布什原先是得克萨斯州的一位石油商，而且已经表示赞成他们在环境方面的观点。在大多数地区，气候变暖和煤都不是影响2000年美国总统选举的要素，只有一个地方例外-西弗吉尼亚。在那里，这两个因素都非常重要。布什阵营原先根本不相信能够战胜强大的民主党阵营，但是西弗吉尼亚的煤炭工业改变了他们的这种想法。问题不只是气候变暖，这个州的“切除山顶”式的采矿行为也受到了法律的挑战，

10、而且克林顿-戈尔政府已经决定把注意力集中到反对煤炭工业上。华尔街日报(The Wall Street Journal)详细报道了西弗吉尼亚的煤炭工业界率先为布什提供了何等空前的资金和支持，使布什最终以52的选票率取得了胜利。根据华尔街日报的报道，白宫的高级职员承认“这是一场建立在燃煤基础上的胜利”。如果不是因为西弗吉尼亚的5张选票，戈尔已经入主白宫了。布什上任5个月后，他发表了一份支持使用煤能源的计划，削减了环境保护局对煤发电厂实行强制制裁的势头，放松了对山顶采矿的限制，而且更重要的是，它表示坚决反对京都议定书或国内一些规定中对二氧化碳的限制，西弗吉尼亚煤炭联合会的负责人称之为“回报”，并解释

11、说，布什已经跟他说过“他对我们心存感激，他也知道如果不是因为我们，他就当不成总统”。近年来，其他发达国家的 序：布什与戈尔的故事序：布什与戈尔的故事燃煤量纷纷急速下降，在过去的15年间，西欧的燃煤量减少了42，英国减少得更多。然而在美国，煤炭工业却正欣欣然复苏着。在煤炭工业的行业报刊上，出现了各式各样的头版新闻标题，欢喜之情溢于言表，例如“煤君主重返政坛”或者“又是一个煤的高产年”。美国的燃煤量比2001年还多，而且关于工业的新闻也不再是坏消息了。几年来，美国几乎没有建设新的煤发电厂，燃煤量的增长完全是因为现有的发电厂在更高效地运转。煤一石三鸟：布什当选了，天然气的价格暂时但却戏剧化地稳定了，

12、加利福尼亚的电力危机震慑了整个国家。如今，很多州已经启用了新的燃煤发电厂，每个厂都拥有好几十年的生产潜力。据一项官方数字，美国正在计划兴建大约90座煤发电厂，这将耗资64亿美元。自从1973年和1979年的石油危机之后，作为一种在美国被广泛使用的燃料，煤已经不虚此名-有了这种可靠的国内能源，美国就不那么容易受到外部纷乱世界的侵扰了。当石油价格暴涨时，美国人开始称自己的国家是“煤的沙特阿拉伯”，称煤是“救苦救难的菩萨”。不但一些原本使用石油的发电厂不得不遵照法律的规定，改为使用煤，而且所有新建的炼油厂和气体发电厂按规定也必须可以燃煤。维护空气质量的法律被放宽或者搁置，联邦政府把煤作为能源策略的顶

13、梁柱，在许多领域，煤被视为美国能源独立的象征。这段不太久远的燃煤历史使国际社会限制温室气体的努力与美国国内许多燃煤拥护者的摩擦升级。燃煤不仅再一次受到了环保事业的威胁，而且这一次，这些威胁有一部分来自国外，问题不仅仅关乎环境保护，还涉及国家主权。美国大部分煤炭公司都是国家矿业联合会的成员，该联合会的新负责人声称，批准京都议定书不亚于“单 序：布什与戈尔的故事序：布什与戈尔的故事方面的经济制裁”。根据此项协议，“美国有史以来将第一次允许一个国外的组织，一个由发展中国家掌控的组织，来约束和限制美国经济。商业往哪里投资，去哪里发展，美国的主权应当由谁控制，这些都要由联合国的官僚们来决定”。事实上，京

14、都议定书中并没有这些规定，但它的的确确威胁到了煤的使用，而且，上述引文也确实突出了气候变暖的争论中隐藏的令人不悦却无法避免的问题-世界上贫富国家之间的关系问题。布什政府反对京都议定书的一个原因，其实也是这个协议的反对者们所持有的首要论点，就是他们认为京都议定书不公平，因为它一方面要求美国和其他发达国家减少自己的温室气体排放量，另一方面却允许发展中国家毫无节制地加速排放温室气体。早在京都议定书1997年商定之前，美国参议院就已经正式决定，不会认可一个不包含第三世界国家实体组成部分的协议。他们还指出，新兴国家的温室气体排放量正在越来越快地攀升，在未来几十年里，将会超过发达国家。发展中国家对公平的问

15、题有着完全不同的看法。在世界二氧化碳排放总量中，单是美国就占14，富裕国家总共占23还多，而付出最多代价的却是贫穷国家。发展中国家的二氧化碳排放量也许是在增加，但这只不过因为这些国家正在努力效仿他们富裕的表兄弟们-用化石燃料构筑一个现代经济体系。若按人均计算，他们的温室气体排放量仍然是非常适度的。因此，为了实现贫穷国家期待已久的工业化，他们请求富裕国家运用化石燃料已经创造出来的财富，来带头解决温室气体的问题。序：布什与戈尔的故事序：布什与戈尔的故事n难以忽视的真相难以忽视的真相戈尔成为一名世界著名的环境学家，经常以全球暖化问题作为他在公开场合演讲的主题。2006年，他推出了自己参与制作和演出的

16、纪录片难以忽视的真相（An Inconvenient Truth），讲述了工业化对全球气候变暖和人类生存的影响。此片在西方国家引起了广大回响，并获得第79届奥斯卡金像奖的最佳纪录片与最佳电影歌曲奖。在他的组织下，于2007年7月7日举行了Live Earth全球抗暖化明星接力演唱会，深获全球好评。n20072007年度诺贝尔和平奖年度诺贝尔和平奖2007年10月，戈尔和联合国组织政府间气候变化专门委员会一起获得诺贝尔和平奖，理由是他“唤醒了对由气候变化所带来的危险的意识”。戈尔在其个人网站表示会将奖金全数捐予由他创办的环保教育组织-气候保护联盟。Oil:Proved reservesThous

17、andmilliontonnesShareof totalR/PratioUS 3.72.4%12.4Russian Federation10.86.3%21.8China2.11.2%11.1India0.80.5%20.7Statistical Review of World Energy 2009序：煤与中国能源经济安全序：煤与中国能源经济安全Natural gas:Proved reserves at end 2008TrillioncubicmetresShareof totalR/PratioUS6.733.6%11.6Russian Federation43.3023.4%72.

18、0China2.461.3%32.3India1.090.6%35.6Statistical Review of World Energy 2009序：煤与中国能源经济安全序：煤与中国能源经济安全Statistical Review of World Energy 2009Coal:Proved Reserves at end 2008Million tonnesShare of TotalR/P RatioUS23830828.9%224Russian Federation15701019.0%481China11450013.9%41India586007.1%114序：煤与中国能源经济安

19、全序：煤与中国能源经济安全Statistical Review of World Energy 2009Consumption by fuel 2008/Million tonnes oil equivalentOilNatural GasCoalNuclear EnergyHydro electricTotalUS884.5600.7565.0192.056.72299.0Russian 130.4378.2101.336.937.8684.6China375.772.61406.315.5132.42002.5India135.037.2231.43.526.2433.3序：煤与中国能源经

20、济安全序：煤与中国能源经济安全序：煤转化利用的必要性序：煤转化利用的必要性中国能源构成：煤炭占中国能源构成：煤炭占70%70%。煤煤炭炭消消结结构构特特点点：8080以以上上直直接接燃燃烧烧。主要用于：发电，耗煤量占1/3-1/2；中小型锅炉，包括工业用锅炉和生活用锅炉；各类工业窑炉等。装备技术水平和效率低，污染严重。燃燃煤煤污污染染排排放放：烟尘的70、二氧化硫的90、氮氧化物的67、二氧化碳的70都来自于燃煤。出出路路：煤煤的的高高效效、清清洁洁利利用用和和煤煤转转化化，其中煤转化利用是经过化学加工使煤转化为气体、液体、固体燃料和化学品的过程，包括热解/干馏，气化，液化等。一一.煤化学基础

21、煤化学基础1.1 1.1 煤的特征与生成煤的特征与生成1.1.1 1.1.1 煤的种类和特征煤的种类和特征1.1.2 1.1.2 煤的生成煤的生成1.1.31.1.3 煤岩学基础煤岩学基础1.2 1.2 煤有机质的化学组成与结构煤有机质的化学组成与结构1.2.1 1.2.1 煤的元素组成煤的元素组成1.2.2 1.2.2 煤有机质化学结构煤有机质化学结构1.3 1.3 煤的一般性质煤的一般性质1.3.1 1.3.1 煤的工业分析和元素分析煤的工业分析和元素分析1.3.2 1.3.2 煤的宏观织构煤的宏观织构1.3.3 1.3.3 煤的溶剂抽提煤的溶剂抽提1.3.4 1.3.4 煤的化学性质煤的

22、化学性质1.3.5 1.3.5 煤的工艺性质煤的工艺性质1.4 1.4 煤的分类煤的分类1.1 1.1 煤的特征与生成煤的特征与生成n煤煤是是由由远远古古时时代代植植物物残残骸骸在在适适宜宜的的地地质质环环境境下下经经过过漫漫长长岁岁月月的的天天然然煤煤化作用而形成的生物岩。化作用而形成的生物岩。n腐植煤、残植煤和腐泥煤：腐植煤、残植煤和腐泥煤：高等植物腐植煤；高等植物中稳定组分（树皮、树脂等）残植煤；低等植物（以藻类为主）和浮游生物腐泥煤，包括藻煤、胶泥煤和油页岩。油页岩是带有大量矿物质（矿物质含量40以上）的藻煤。自然界中分布最广最常见的是腐植煤。根据煤化程度的不同，腐植煤类又可分为泥炭泥

23、炭、褐煤褐煤、烟煤烟煤及无烟煤无烟煤四个大类。1.1.1 1.1.1 煤的种类和特征煤的种类和特征腐植煤类和腐泥煤类的主要特征腐植煤类和腐泥煤类的主要特征 特特 征征种种 类类腐植煤类腐植煤类腐泥煤类腐泥煤类颜色颜色光泽光泽用火柴点燃用火柴点燃有机物的氢含量有机物的氢含量,wt.%,wt.%低温干馏焦油产率低温干馏焦油产率,wt.%,wt.%褐色和黑色褐色和黑色光亮的居多光亮的居多不燃烧不燃烧一般一般 6 6一般一般 20 6 6，可达，可达11.511.5一般一般 25 251.1.1 1.1.1 煤的种类和特征煤的种类和特征腐植煤的主要特征腐植煤的主要特征 特征特征泥炭泥炭褐煤褐煤烟煤烟煤

24、无烟煤无烟煤颜色颜色光泽光泽外部条带外部条带燃烧现象燃烧现象自然水分自然水分相对密度相对密度硬度硬度棕褐色为主棕褐色为主无无有原始植物残体有原始植物残体有烟有烟多多-很低很低褐色、黑褐色褐色、黑褐色大多数暗大多数暗不明显不明显有烟有烟较多较多1.1-1.41.1-1.4低低黑色黑色有一定光泽有一定光泽呈条带状呈条带状多烟多烟少少1.2-1.51.2-1.5较高较高灰褐色灰褐色有金属光泽有金属光泽无明显条带无明显条带无烟无烟较少较少1.4-1.81.4-1.8高高1.1.1 1.1.1 煤的种类和特征煤的种类和特征n煤由植物生成。煤由植物生成。植物主要由4类有机化合物组成：1）碳水化合物（糖类）

25、及其衍生物，包括纤维素、半纤维素及果胶质等；2）木质素；3）蛋白质；4）脂类化合物，包括脂肪、蜡质、树脂等。n植植物物组组成成不不同同，植植物物在在成成煤煤过过程程中中经经历历的的化化学学和和物物理理化化学学作作用用千千变变万万化，造成化，造成煤的多样性煤的多样性特征。特征。1.1.2 1.1.2 煤的生成煤的生成n主要成煤期和成煤植物：主要成煤期和成煤植物：从植物残骸的堆积到煤层的形成，必须有适宜的气候、生物、地理和地质条件。在整个地质年代中，有3个主要的称煤期和相应的成煤植物：(1)古生代的石炭纪（距今约3亿年）和二叠纪，孢子植物，40.6%；(2)中生代的侏罗纪(距今约1亿5千7百万年)

26、和白垩纪,裸子植物，4.3%；(3)新生代的第三纪，被子植物，54.4%。n 对应的成煤的气候、地理和地质条件：对应的成煤的气候、地理和地质条件：(1)均匀的温度和潮湿的气候,适宜于地上的植物一代一代地繁茂生长；(2)地形的起伏形成大的沼泽地带，有利于植物群的发展及残体堆积在水中；(3)地壳的运动与死亡植物堆积速度相适应使之有可能保存植物残体，并转变沉积状态。1.1.2 1.1.2 煤的生成煤的生成n腐殖煤的生成过程：腐殖煤的生成过程：植物残骸植物残骸泥炭泥炭褐煤褐煤烟煤烟煤无烟煤（无烟煤（石墨）石墨）（1 1）泥泥炭炭化化阶阶段段 沼泽中的植物残体堆积，逐渐与空气隔绝而出现弱氧化环境和还原环

27、境，促使厌氧细菌所参与的各种合成作用占主导地位，在泥炭中产生了新的物质。植物转变成泥炭后，蛋白质消失，木质素、纤维素等大为减少，产生了植物中原先没有的大量的腐植酸（有时可高达40）。1.1.2 1.1.2 煤的生成煤的生成部分氧化过程中植物主要有机组分的变化部分氧化过程中植物主要有机组分的变化1.1.2 1.1.2 煤的生成煤的生成植物与泥炭化学组成比较植物与泥炭化学组成比较植物残体的分解过程植物残体的分解过程1.1.2 1.1.2 煤的生成煤的生成（2 2）煤煤化化阶阶段段：成成岩岩作作用用阶阶段段（无定形泥炭岩石状褐煤）+变变质质作用阶段作用阶段（褐煤烟煤无烟煤）当在泥炭上面形成了岩石层顶

28、板以后，成煤进入煤化阶段。这一阶段包括由泥炭变成褐煤烟煤无烟煤的整个阶段。这一系列变化是在不同深度的地壳内进行的，作用的主要因素是地壳温度、压力、作用时间等。成成岩岩作作用用阶阶段段发生在地表浅层，压力及作用时间对泥炭的成岩起主导作用。成岩过程中，泥炭中残留的植物成分逐渐消失，组成中出现腐殖酸，氢、氧和碳等也发生明显变化。1.1.2 1.1.2 煤的生成煤的生成u变质作用类型变质作用类型变质作用阶段发生地壳较深处，温度、时间和压力是变质的主要影响因素。根据热源及其作用方式，变质作用可划分成三种类型：深成变质作用、岩浆变质作用和动力变质作用。深成变质作用深成变质作用/区域变质作用区域变质作用：煤

29、在地下较深处受地热和上覆岩系静压力的作用引起的煤的变质作用，随煤的深度增加，这种变质作用愈明显。这种作用对煤的影响最为广泛。希尔特（Hilt）定律：随着埋藏深度的增加，煤的挥发分有规律地减少。大约每下降100m，煤的挥发分Vdaf减少23%。岩浆变质作用：岩浆变质作用：当岩浆侵人、穿过或靠近煤层或含煤岩系时，由于受岩浆本身带来的高温、挥发性气体产生的压力的影响引起煤变质程度增高。极端例：天然焦的生成。动力变质作用：动力变质作用：由于地壳构造变动促使煤发生变质作用，它主要是由压性或压扭性断裂引起的，其影响范围不大，也没有规律性。1.1.2 1.1.2 煤的生成煤的生成成煤过程成煤过程1.1.2

30、1.1.2 煤的生成煤的生成成煤过程的化学组成变化成煤过程的化学组成变化1.1.2 1.1.2 煤的生成煤的生成n煤的岩相组成煤的岩相组成从地质学观点看，煤是一种生物岩石。根据煤岩学的宏观研究法和微观研究法，煤岩可分为4种宏观煤岩成分宏观煤岩成分和3种煤岩显微组分煤岩显微组分。u宏观煤岩成分宏观煤岩成分 用肉眼观察煤的颜色、光泽、断口等来确定：镜煤镜煤 呈黑色，光泽强，质均匀而脆，具有贝壳状断口；亮煤亮煤 亮煤是最常见的煤岩成分。不少煤层以亮煤为主，甚至全部由亮煤构成。亮煤的光泽仅次于镜煤；但性较脆、相对密度小、均匀程度不如镜煤、表面隐约可见微细纹理；暗煤暗煤 暗煤光泽暗淡，一般呈灰黑色，致密

31、、相对密度大、坚硬而具韧性；丝炭丝炭 外观像木炭，呈灰黑色，有纤维状结构和丝绢光泽，疏松多孔，性脆易碎。丝炭因空腔常被矿物质充填，变成矿化丝炭，坚硬致密。1.1.3 1.1.3 煤岩学基础煤岩学基础u煤煤岩岩（有有机机）显显微微组组分分：利用显微镜来识别煤的显微组分。腐植煤的显微组分可以分为三类：凝凝胶胶化化组组分分（镜镜质质类类）、丝丝炭炭化化组组分分（丝丝质质类类）和稳定组分（稳定类）和稳定组分（稳定类）。凝凝胶胶化化组组分分（镜镜质质组组）是最主要的显微组分。它是植物木质纤维组织经凝胶化作用形成的各种凝胶体。凝凝胶胶化化作作用用：植物残体的木质纤维组织在积水较深和无空气进入的沼泽中受到厌

32、氧微生物的作用逐渐分解，细胞壁不断吸水膨胀，细胞腔则逐渐缩小，以至完全失去细胞结构，形成无结构的胶态物质或进一步分解为溶胶，成煤后就成为镜质类显微组分。由于凝胶化程度的不同，所以形成的显微组分从细胞结构完整清晰的木煤经木镜质体和结构镜质体等到无结构镜质体或透明基质，其中还夹杂着一定量的稳定组分。透射光下凝胶化组分透明，具有橙红色（指低变质程度的烟煤而言，下同），反光色为灰色，油浸反光色为深灰色。中国大多数煤田的煤都以凝胶化组分为主，一般为50 80，有些中生代的煤甚至达到 90以上。1.1.3 1.1.3 煤岩学基础煤岩学基础丝丝炭炭化化组组分分（丝丝质质组组）也是煤中最常见的显微组分，由木质

33、纤维组织经丝炭化作用形成。丝丝炭炭化化作作用用：植物残体的木质纤维组织先处在氧化性环境下，细胞腔中的原生质很快被需氧微生物破坏，而细胞壁相对较稳定。仅发生氧化和脱水，残留物的碳含量大大提高。由于地质条件的变化，上述环境转变为还原性时，故这部分残留物没有完全破坏，而成为具有一定细胞结构的丝炭。另外，也有人认为一部分丝炭来自森林火灾留下的木炭，故称“火焚丝炭”。丝炭化组分在透射光下呈黑色不透明，反光下突起高，呈白色，油浸反光色为白色到亮黄色。中国大多数煤田中丝炭化组分含量在10一20左右。如同凝胶化组分一样，丝炭化组分也可细分为丝炭、木质镜煤丝炭、丝炭化基质等组分。凝胶化作用和丝炭化作用也可能交替

34、发生，除完全丝炭化的物质不可能再进行凝胶化外，处于丝炭化过程中的中间产物都可以再凝胶化；处于凝胶化任何阶段的产物也都可再进行丝炭化。1.1.3 1.1.3 煤岩学基础煤岩学基础稳稳定定组组分分（稳稳定定组组或或壳壳质质组组）是成煤植物中化学稳定性强的组成部分，包括树脂、孢子、花粉、角质膜、木栓层等。透射光下透明，呈黄色，轮廓清楚，外形特殊，反光下呈深灰色，大多具有突起，油浸反光下呈灰黑色至黑灰色。煤中除上述有机组分外，还有无机组分，常见的有粘土矿、黄铁矿、石英、方解石等，它们会给煤的燃烧、化学加工、环境保护等带来困难。1.1.3 1.1.3 煤岩学基础煤岩学基础三类煤岩显微组分的形成模式示意三

35、类煤岩显微组分的形成模式示意 1.1.3 1.1.3 煤岩学基础煤岩学基础煤岩显微组分在成煤过程的变化煤岩显微组分在成煤过程的变化1.1.3 1.1.3 煤岩学基础煤岩学基础三类煤岩显微组分与四种宏观煤岩成分的关系三类煤岩显微组分与四种宏观煤岩成分的关系 1.1.3 1.1.3 煤岩学基础煤岩学基础烟煤 =镜煤 +亮煤 +暗煤 +丝炭镜质类 稳定类 丝质类 煤岩组分性质与应用：煤岩组分性质与应用：反反射射率率：镜质类的R0max和煤中 C的存在近似线性关系-作为煤分类指标；化学组成和性质：化学组成和性质：对同一煤化程度的煤而言，碳含量以丝质类为最高，氢含量以稳定类为最高，随着煤化程度的增加，化

36、学组成和性质的差别逐渐缩小，最后趋于一致。干馏焦油产率干馏焦油产率：稳定类镜质类 丝质类。炼焦性质：炼焦性质：镜 质类稳定类丝质类（惰性组分）。加氢液化性质：加氢液化性质：稳定类和镜质类为活性组分，丝质类为惰性组分。煤岩学应用：煤岩学应用：阐明煤的成因、性质的变化规律；指导煤田勘探和开采；预测煤的可选性；煤分类；指导炼焦配煤和预测焦炭质量；油气勘探等。1.1.3 1.1.3 煤岩学基础煤岩学基础u煤的类型和煤化程度的关系煤的类型和煤化程度的关系煤化过程中原始物料有机官能团上的氧和氢从芳香碳网络骨架上脱去，并以H20、COx、CH4等形式逸出，其结果是造成碳含量随煤化过程发生有规律的变化，因而碳

37、含量可作为确定煤化程度的指标。源自化学组成各异的原始成煤物质的显微组分在煤化阶段所起的变化是完全不同，因此原始物料不同的煤即使经受相同的变质作用，其性质也是差别很大，在同一个煤层中可以观察到有明显区别的几类煤。同样地，含有同一原始成煤物质或相同煤岩显微组分的煤，由于经受的变质作用的差异，最终的煤产物也不相同。确确定定各各种种煤煤的的性性质质的的最最重重要要的的因因素素是是煤煤的的类类型型(type)(type)和和煤煤化化程程度度(rank)(rank)这这两两个个紧紧密密结结合合的的参参量量。煤的类型是由煤岩组分主要是有机显微组分的含量和形态所决定的；煤化程度主要是煤的变质作用所达到的程度。

38、煤的本性取决于这两种因素，即反映各种不同的显微组分的比例和组成的煤的类型，反映地球化学和地质学因素的变质作用。1.1.3 1.1.3 煤岩学基础煤岩学基础1.2.1 1.2.1 煤的元素组成煤的元素组成 煤中有机物主要由碳、氢、氧及少量氮、硫和磷等元素构成。随着煤化程度的增加，C、H和O含量均呈现出一定规律的变化，而N和S则无一定规律。C基本上是均匀增加；H在中等煤化程度以前大致不变或变化幅度很小，进入无烟煤阶段后则明显减少；O与C正好相反，它随煤化程度增加而逐渐降低。煤中的N和S与煤化程度基本无关，前者多在12，后者变化幅度较大，和成煤条件有关。种类种类组成组成泥炭泥炭褐煤褐煤烟煤烟煤无烟煤

39、无烟煤C,wt%60-7070-8080-9090-98H,wt%5-65-64-51-3O,wt%25-3515-255-151-31.2 1.2 煤有机质的化学组成与结构煤有机质的化学组成与结构（1 1）煤结构研究方法）煤结构研究方法 物理研究方法，如红外光谱、x射线衍射、核磁共振、密度、折射率等；物理化学研究方法，如溶剂抽提和吸附性能等；化学研究方法，如氧化、加氢、解聚、烷基化、热解和官能团分析等。煤不同于其他天然有机化合物，它具有特别的复杂性、多样性和不均一性，既使是在同一小块煤中也不存在统一的化学结构。因此对煤的化学结构研究而言，统计平均的概念显得特别重要。1.2.1 1.2.1 煤

40、有机质化学结构煤有机质化学结构（2 2）煤镜质组结构单元概念）煤镜质组结构单元概念 煤的显微组成中镜质组一般占大部分，它在煤化过程中变化比较均匀，所以一般多以镜质组作为研究对象。根据煤的许多物理性质，如不熔化、不溶解但能溶胀和具有一定粘弹性等，以及根据煤的化学性质，如解聚、水解、氧化和加氢等，可知煤的主体结构是三维空间聚合物结构。但煤与一般的聚合物又有所不同，煤的主体结构是三维空间聚合物结构。但煤与一般的聚合物又有所不同，后者是由具有单一化学结构的一种或几种单体聚合而成，而煤的单体仅后者是由具有单一化学结构的一种或几种单体聚合而成，而煤的单体仅仅彼此相似，具体组成并不完全相同。为区别起见，通常

41、称为结构单元仅彼此相似，具体组成并不完全相同。为区别起见，通常称为结构单元：-由核心和外围两部分构成；-结构单元构象是统计平均概念，不完全等于煤中实际存在的结构；-还不能认为完全准确可靠；-煤的实际结构远不是单用结构单元就能完全表述清楚。1.2.1 1.2.1 煤有机质化学结构煤有机质化学结构不同煤化程度煤的镜质组的结构单元 R一其他基团或结构单元1.2.1 1.2.1 煤有机质化学结构煤有机质化学结构煤的含氧官能团煤的含氧官能团 煤结构单元的外围部分主要是含氧（及少量硫和氮）官能团和烷基侧链，其数量随煤化程度增加而减少。煤中含氧官能团主要有羟基、羧基和羰基，以及少量甲氧基、醚键和杂环氧。1.

42、2.1 1.2.1 煤有机质化学结构煤有机质化学结构（3 3）煤的结构模型）煤的结构模型:希希尔尔施施（HirschHirsch）物物理理结结构构模模型型 是用x-射线衍射法对比研究煤和炭的基础上提出的。不同煤化程度的煤可区分为3种结构：敞开式结构敞开式结构 年轻煤的特征，芳香层片较小，不规则的“无定形物质”占比例较大。芳香层片间有交联键，并或多或少地在所有方向任意取向，形成多孔的三度空间结构。液体结构液体结构 中等变质烟煤的特征，芳香层片在一定程度上出现定向性，并形成包含2个或2个以上层片的微晶体。层片间交联键数目与前一种结构相比大为减少，局部变为二度结构（平面网），故活动性增大。这种煤的孔

43、隙度小，机械强度低，热解时只要破坏较少的键就能形成大量胶质体。无烟煤结构无烟煤结构 这是无烟煤的特点，芳香层片迅速增大，侧链和官能团很少，芳香层片间平行定向程度增加，趋于紧密的三度空间结构和更高的各向异性。表现为其化学反应性比前两种结构要低的多。孔隙度比前一种结构有所提高。1.2.1 1.2.1 煤有机质化学结构煤有机质化学结构希尔施（希尔施（HirschHirsch）物理结构模型）物理结构模型1.2.1 1.2.1 煤有机质化学结构煤有机质化学结构两相模型两相模型1.2.1 1.2.1 煤有机质化学结构煤有机质化学结构两相模型示意图威斯（威斯（WiserWiser）化学结构模型）化学结构模型

44、 1.2.1 1.2.1 煤有机质化学结构煤有机质化学结构Given Given 模型模型 1.2.1 1.2.1 煤有机质化学结构煤有机质化学结构本田化学结构模型本田化学结构模型1.2.1 1.2.1 煤有机质化学结构煤有机质化学结构 Shinn Shinn 模型模型 1.2.1 1.2.1 煤有机质化学结构煤有机质化学结构（4 4）煤分子结构的近代概念）煤分子结构的近代概念 （5）结结构构单单元元之之间间的的桥桥键键：不同长度的次甲基键、醚键、次甲基醚键和芳香碳一碳键等都可以是结构单元之间的桥键。不同煤化程度的煤，其桥键的类型和数量都不相同。（1）煤煤的的主主体体是是三三维维空空间间的的高

45、高分分子子化化合合物物：它不是由均一的单体聚合而成，而是由许多结构相似但又不完全相同的结构单元通过桥键联结而成。（2）结结构构单单元元的的核核心心为为缩缩合合芳芳香香环环：缩合芳香环数随煤化程度增加而增加，煤中碳C 7083时，平均环数为2；C 8390时，平均环数为5；C 90以上时环数急增；C95时环数40。煤中碳的芳香度，烟煤一般0.8，无烟煤趋近于1。（3）结结构构单单元元的的外外围围为为烷烷基基侧侧链链和和官官能能团团：烷基中主要是-CH3和 -CH2-CH2-，官能团主要是酚羟基和羰基等。（4）氧氧、氮氮和和硫硫的的存存在在形形式式：氧的存在形式除含氧官能团外，还有醚键和杂环；硫的

46、存在形式有巯基、硫醚和噻吩等；氮的存在形式有吡啶和吡咯环、胺基和亚胺基等。1.2.1 1.2.1 煤有机质化学结构煤有机质化学结构 （6）煤煤的的分分子子量量：煤分子到底有多大，至今尚无定论。有不少人认为在数千范围。煤分子间通过交联及分子间缠绕在空间以一定方式排列，形成不同的立体结构。交联键有化学键，如同上述桥键，还有非化学键，如氢键、电子给予一接受键和范德华力等。（7）低低分分子子化化合合物物：在煤的高分子结构中还分散着一定量的低分子化合物，尤其在年轻煤中。（8）不不同同煤煤化化程程度度煤煤的的结结构构差差异异：低煤化程度的煤含有较多的非芳香结构和含氧基团，芳香核心较小。除化学交联发达外，分

47、子内和分子间的氢键力对其也有重要影响，其结构无方向性，孔隙度和比表面积较大。中等变质程度的烟煤（肥煤和焦煤）的含氧基团和烷基侧链减少，结构单元间的平行定向程度有所提高。分子间交联最少，附在芳香结构上的环烷环较多，有较强的供氢能力。这种煤的许多性质在煤化过程中处于转折点。更高煤化程度的煤向高度缩合的石墨化结构发展，芳香碳-碳交联增加，物理上出现各向异性，化学上具有明显的惰性。1.2.1 1.2.1 煤有机质化学结构煤有机质化学结构1.3.1 1.3.1 煤的工业分析和元素分析煤的工业分析和元素分析（1 1）煤的工业分析）煤的工业分析 项目：水分（项目：水分（MM）、灰分（）、灰分（A A）、挥发

48、分（）、挥发分（V V）和固定碳（固定碳（FCFC）。n 水分水分 （MM）煤中水=游离水（=外在水分+内在水分）+结晶水 外外在在水水分分MMf f 自由水分或表面水分，附着于煤粒表面和直径10-5cm的毛细孔中的水分。除去外在水分的煤样称为分析煤样或空气干燥煤样分析煤样或空气干燥煤样。实验室中制取分析煤样的方法：4550 下放置数小时，使其与大气湿度相平衡以除去外在水分。内内在在水水分分MMinhinh或或MMadad 指吸附或凝聚在煤粒内部毛细孔（直径10-5cm）中的水分。一般是将空气干燥煤样加热到105-110所失去的水分（减重法，失重率即水分，表示为 MMadad ）。结晶水分结晶

49、水分 矿物质所含的结晶水或化合水，不计入煤的工业分析。1.3 1.3 煤的一般性质煤的一般性质n灰分灰分 (A)(A)将一克分析煤样在815土10 oC的温度下完全燃烧，剩余残渣的重量百分率即为煤的灰分（煤灰产率）。煤灰几乎全部来源于煤中的矿物质，但煤在燃烧时，矿物质大部分被氧化、分解，并失去结晶水，因此，煤灰的组成和含量与煤中矿物质的组成和含量差别很大。煤中矿物质和灰分的来源可分为三种：原原生生矿矿物物质质 来源于成煤植物的矿物质，与煤有机质紧密地结合在一起，难用机械方法将其分开。数量很小（约12）。次次生生矿矿物物质质 在成煤过程中进入煤层的矿物质。在煤中成包裹体存在，较难用一般洗选法去掉

50、。数量一般也不大（约10以下）。煤中的原生矿物质和次生矿物质合称为内在矿物质。外来矿物质外来矿物质 采煤过程中混人煤中的顶、底板和夹矸层中的矸石所形成。1.3.1 1.3.1 煤的工业分析和元素分析煤的工业分析和元素分析我国煤灰主要成分含量的一般范围我国煤灰主要成分含量的一般范围 1.3.1 1.3.1 煤的工业分析和元素分析煤的工业分析和元素分析u煤煤灰灰熔熔融融性性 煤灰熔融性是动力用煤和气化用煤的重要指标。煤灰熔融性习惯上称作煤煤灰灰熔熔点点，但严格来讲这是不确切的。因为煤灰是多种矿物质组成的混合物，并没有一个固定的熔点，而仅有一个熔化温度的范围。这些组分在一定温度下还能形成共熔体。u灰