《煤化学》PPT课件.ppt

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1、“煤化学”与煤炭利用的关系？,（1 ）煤的用途与其组成、性质密切相关； （2）煤的组成、性质与其结构密切相关； （3）煤的结构与生成过程有关。 煤化学的主要内容就是研究煤的“生成”、“结构”、“组成”和“性质”。学习煤化学的目的就是在煤化学理论的指导下对煤炭进行高效加工利用。,第一节 成煤物质,1、煤是由植物形成的 煤是由植物遗体经过生物化学作用和物理化学作用演变而成的沉积有机岩。 1.1 植物的演化及种类 按进化论的观点，植物是由低级向高级逐步演化的，植物界传统划分为四大类：藻菌植物、苔藓植物、蕨类植物和种子植物，或将第一种称为低等植物，后三种称为高等植物。前三种又称为孢子植物，就是植物用孢

2、子繁殖。而种子植物则能产生种子，用种子繁殖。低等植物与高等植物的组成差别较大，且对成煤的性质有较大影响。,1.2 低等植物和高等植物的特点 低等植物：包括菌类和藻类，是由单细胞和多细胞构成的丝状体或叶状体植物，没有根、茎、叶等器官的分化。如：海带、地衣、蘑菇等。 高等植物：包括苔藓、蕨类、裸子植物和被子植物。进化论认为，高等植物由低等植物长期进化而来，构造复杂，有根、茎、叶的区别。如：华南毛蕨、松树等。,1.3 植物演化史和主要聚煤期 植物演化史：见教材P6。 我国主要聚煤期： 新 生 代 新近纪-古近纪（约0.240.65亿年） 中 生 代 晚侏罗世-早白垩世（约1.44亿年） 早、中侏罗世

3、（约2.03亿年） 晚三叠世（约2.5亿年） 晚古生代 晚二叠世（约3亿年） 晚石炭世-早二叠世（约33.54亿年） 早石炭世（约3.54亿年） 早古生代 早寒武世（约5.45亿年）,1.4 植物的主要化学组成,（1）碳水化合物（包括纤维素、半纤维素及果胶质 ） （2）木质素 （3）蛋白质 （4）脂类化合物,包括纤维素、半纤维素及果胶质。 纤维素：是构成植物细胞壁的主要成分。纤维素的分子式是(C6H10O5)n，具长链状结构，其分子量约为100万200万。纤维素一般不溶于水，在溶液中能生成胶体，容易水解。在活的植物中，纤维素对于微生物的作用很稳定，但当植物死亡后，在氧化性条件下，易受微生物作用

4、而分解成CO2、CH4和水。在泥炭沼泽的酸性介质中，纤维素可以分解为纤维二糖和葡萄糖等简单化合物。 半纤维素：的化学组成和性质与纤维素相近，但比纤维素更易分解或水解为糖类和酸。 果胶：糖的衍生物，呈果冻状。在生物化学作用下，水解成一系列单糖和糖醛酸。,1.4.1 碳水化合物,1.4.2 木质素,木质素也是植物细胞壁的主要成分，常分布在植物根、茎部的细胞壁中。木本植物的木质素含量高，木质素是具有苯基丙烷芳香结构的高分子聚合物，含甲氧基、羟基等官能团。木质素的单体以不同的链连接成三度空间的大分子，比纤维素稳定，不易水解，易于保存下来。在泥炭沼泽中，在水和微生物作用下发生分解，与其他化合物共同作用生

5、成腐植酸类物质，这些物质最终转化成为煤。所以木质素是植物转变为煤的原始物质中最重要的有机组分。 木质素，其组成因植物的种类不同而异，见图。,1.4.3 脂类化合物,脂类化合物是指不溶于水而溶于醚、苯、氯仿等有机溶剂的有机化合物。在植物中脂类化合物主要有以下几种。 脂肪：属于长链脂肪酸的甘油酯。高等植物中含量少(1-2%)，低等植物含量高(20%左右)。在生化作用下在酸性或碱性溶液中分解生成脂肪酸和甘油，参与成煤作用。 蜡质：主要是长链脂肪酸与含有2426个碳原子的高级一元醇形成的脂类，化学性质稳定，不易受细菌分解。 树脂: 树脂是植物生长过程中的分泌物，当植物受伤时，胶状的树脂不断分泌出来保护

6、伤口。针状植物含树脂较多，低等植物不含树脂。树脂不溶于有机酸，不易氧化，微生物也不能破坏它，因此能很好地保存在煤中。 角质和木栓质、孢粉质：化学性质十分稳定，不溶于有机酸，微生物也难以作用，在成煤过程中能保存下来。,1.4.4 蛋白质,蛋白质：由若干个氨基酸结合而形成的结构复杂的高分子。由于含羧基和羟基，蛋白质具有酸性和碱性官能团，强烈亲水性胶体。 高等植物中蛋白质含量少；低等植物中蛋白质含量高。 植物死亡后，完全氧化条件下，蛋白质完全分解为气态物质；在泥炭沼泽和湖泊的水中，蛋白质分解成氨基酸、喹啉等含氮化合物，参与成煤作用，但对煤的性质没有决定性的影响。 煤中硫、氮元素的来源之一。,1.4.

7、5 不同植物化学组成的差异性,1.5 煤炭的成因类型,根据形成煤炭的物质基础划分煤炭的类型称为成因类型。主要是：腐植煤、腐泥煤、残植煤。 （1）腐植煤： 由高等植物经过成煤过程中复杂的生化和地质变化作用生成。自然界中分布最广，蕴藏量最大。煤化学的主要研究对象。 （2） 腐泥煤： 主要由湖沼或浅水海湾中藻类等低等植物形成。储量大大低于腐植煤，工业意义不大。 （3） 残植煤： 由高等植物残骸中对生物化学作用最稳定的组分(孢子、角质层、树皮、树脂)富集而成。残植煤在自然界中的储量很少，常呈薄层或透镜体夹在腐植煤中。 （4）腐植腐泥煤：由高等植物、低等植物共同形成的煤。,第二节 成煤的条件和环境,煤炭

8、的生成，必须有气候、生物、地理、地质等条件的相互配合，才能生成具有工业利用价值的煤炭矿藏。这些条件包括： （1） 大量植物的持续繁殖(生物、气候的影响) （2）植物遗体不能完全氧化适合的堆积场所(沼泽、湖泊等) （3）地质作用的配合（地壳的沉降运动形成上覆岩层和顶底板多煤层）,第三节 成煤作用过程,由高等植物转化为腐植煤要经历复杂而漫长的过程，一般需要几千万年到几亿年的时间。整个成煤作用可划分为两个阶段：即泥炭化作用过程和煤化作用。图示如下：,煤化程度的概念：在褐煤向烟煤、无烟煤转化的进程中 ，由于地质条件和成煤年代的差异，使煤处于不同的转化阶段。煤的这种转化阶段称为煤化程度，有时称为变质程度

9、，或煤级(Rank)。按煤化程度由低到高依次是：褐煤、烟煤（长焰煤、气煤、肥煤、焦煤、瘦煤、贫煤）、无烟煤。,1 泥炭化作用,泥炭化作用的概念：高等植物死亡后，在生物化学作用下，变成泥炭的过程称为泥炭化作用。 在这一阶段，植物首先在微生物作用下，分解和水解为分子量较小的性质活泼的化合物，然后小分子化合物之间相互作用，进一步合成新的较稳定的有机化合物，如腐植酸、沥青质等。植物经泥炭化作用成为泥炭，在两方面发生巨大变化： （1）组织器官（如皮、叶、茎、根等）基本消失，细胞结构遭到不同程度的破坏，变成颗粒细小、含水量极大、呈胶泥状的膏状体泥炭； （2）组成成分发生了很大的变化，如植物中大量存在的纤维

10、素和木质素在泥炭中显著减少，蛋白质消失，而植物中不存在的腐植酸却大量增加，并成为泥炭的最主要的成分之一，通常达到40%以上。,植物变成泥炭后组成的变化,2 煤化作用,煤化作用包括成岩作用和变质作用两个连续的过程。 2.1 成岩作用 泥炭在沼泽中层层堆积，越积越厚，当地壳下降速度较大时，泥炭将被泥沙等沉积物覆盖。在上覆沉积物的压力作用下，泥炭发生了压紧、失水、胶体老化、固结等一系列变化，微生物的作用逐渐消失，取而代之的是缓慢的物理化学作用。这样，泥炭逐渐变成了较为致密的岩石状的褐煤。,2.2 变质作用,当褐煤层继续沉降到地壳较深处时，上覆岩层压力不断增大，地温不断增高，褐煤中的物理化学作用速度加

11、快，煤的分子结构和组成产生了较大的变化。碳含量明显增加，氧含量迅速减少，腐植酸也迅速减少并很快消失，褐煤逐渐转化成为烟煤。随着煤层沉降深度的加大，压力和温度提高，煤的分子结构继续变化，煤的性质也发生不断的变化，最终变成无烟煤。,变质作用的因素： 促成煤变质作用的主要因素是温度。温度过低（5060），褐煤的变质就不明显了，如莫斯科煤田早石炭世煤至今已有3亿年以上，但仍处于褐煤阶段。通常认为，煤化程度是煤受热温度和持续时间的函数。温度越高，变质作用的速度越快。因为变质作用的实质是煤分子的化学变化，温度高促进了化学反应速度的提高。,3、腐泥煤的生成,腐泥化作用：在停滞缺氧的滞水盆地中，浮游生物和菌藻

12、类等低等植物死亡后，在缺氧的环境中，由厌氧细菌的作用，低等植物中的蛋白质、碳水化合物、脂肪受到分解，再经聚合和缩合作用，形成一种含水很多的棉絮状胶体物质。这种物质再经过脱水、致密，比重增大，逐渐形成腐泥。 腐泥经煤化作用而成腐泥煤。随煤化程度的增加，腐泥煤发生的变化与腐植煤相似。,4、瓦斯和煤层气的生成,瓦斯突出和瓦斯爆炸是煤炭开采过程中的主要危害形式，但瓦斯又是宝贵的资源。煤中的瓦斯主要是在煤化作用过程中形成的。在煤化作用过程中，煤分子上的侧链和官能团不断分解和脱落，生成低分子气体，即煤层气，其主要成分为甲烷（70%96%）。在自然条件下，生成1吨褐煤可产生68 m3甲烷，生成1吨肥煤、瘦煤

13、、无烟煤分别可产生甲烷230 m3、330 m3和400m3。 如果煤层周围的围岩不透气，在煤化作用过程中产生的气体或被吸附在煤的孔隙中，或逐渐聚积形成煤层气田。,成煤作用过程小结,什么是沼泽? 沼泽是在一定的气候、地貌和水文条件下，常年积水或极其潮湿的地段，内有大量植物生长和堆积。 沼泽的分类 （1）按水分补给来源的不同，可划分为三种类型： 低位沼泽：主要由地下水补给、潜水面较高的沼泽； 高位沼泽：主要以大气降水为补给来源的泥炭沼泽； 中位沼泽或过渡沼泽：兼有低位沼泽和高位沼泽的特点，其水源部分由地下水补给，部分又由大气降水补给的沼泽。 （2）根据沼泽距离海岸的远近，分为近海泥炭沼泽与内陆泥

14、炭沼泽。 （3）根据水介质的含盐度，沼泽又可分为淡水的、半咸水的和咸水的。,大地构造（地壳运动）：,提供成煤作用缓慢而均匀的沉降运动（均衡补偿）和成煤坳陷。地壳的剧烈或过缓沉降运动都不利于厚层泥炭层的形成，植物的堆积和地壳的沉降的平衡，决定泥炭层形成厚度。 影响煤性质因素： 堆积方式(原地生成的、异地生成的)；形成泥炭的植物群落；沉积环境（浅沼的，湖沼的，微咸水-咸水，富含钙质的）；养分供给（富养分的，贫养分的）；pH值，细菌活动性，硫的供给；氧化还原电位（需氧的，厌氧的）。,研究煤结构的方法主要有,（1）物理研究法 主要是利用高性能的现代分析仪器，如红外光谱仪、核磁共振仪、X射线衍射仪、扫描

15、电镜等对煤结构进行测定和分析，从中获取煤结构的信息。 （2）物理化学研究法 利用溶剂萃取手段，将煤中的组分分离并进行分析测定，以获取煤结构的信息。 （3）化学研究法 对煤进行适当的氧化、氢化、卤化、水解等化学处理，对产物的结构进行分析测定，推测母体煤的结构。此外煤分子上的官能团也可以采用化学分析的方法进行测定。,可用于研究煤结构的仪器主要有：,第二节 煤的大分子结构,1. 煤的大分子构成 煤是由分子量不同、分子结构相似但又不完全相同的一组“相似化合物”的混合物组成的。煤的结构十分复杂，一般认为它具有高分子聚合物的结构，但又不同于一般的聚合物，它没有统一的聚合单体。煤的大分子是由多个结构相似的“

16、基本结构单元”通过桥键连接而成。这种基本结构单元类似于聚合物的聚合单体，它可分为规则部分和不规则部分。,1.1 煤大分子规则部分： 由几个或十几个苯环、脂环、氢化芳香环及杂环（含氮、氧、硫等元素）缩聚而成，称为基本结构单元的核或芳香核。,不同煤化程度煤的结构单元变化规律,1.2基本结构单元的不规则部分,基本结构单元的缩合环上连接有数量不等的烷基侧链、官能团和桥键。,连接在缩合环上的烷基侧链是指甲基、乙基、丙基等基团。烷基侧链的平均长度随煤化程度提高而迅速缩短。,1.2.1 烷基侧链,1.2.2 官能团,煤分子上的官能团主要是含氧官能团，有羟基（OH）、羧基（COOH）、羰基（=C=O）、甲氧基

17、（OCH3）等。 煤中含氧官能团随煤化程度提高而减少。其中甲氧基消失得最快，在年老褐煤中就几乎不存在了；其次是羧基，到中等煤化程度的烟煤时，羧基已基本消失；羟基和羰基在整个烟煤阶段都存在，甚至在无烟煤阶段还有发现。 煤中除含氧官能团外，还有少量的含氮官能团和含硫官能团。含氮官能团主要是吡啶和喹啉的衍生物和胺基（NH2）等；含硫官能团多以硫醇（SH）、硫醚（RSR）、和二硫化物（SS）等形式存在。,1.2.3 桥键,煤的大分子是由若干基本结构单元连接而成，结构单元之间的连接是通过次甲基键CH2、CH2CH2；醚键O；硫醚键S、 SS； 次甲基醚键 CH2O、CH2S；以及芳香碳碳键CarCar等

18、桥键实现的。,2. 煤的结构参数,（1）芳碳率（fa）：是指煤的基本结构单元中属于芳香族结构的碳原子数与总碳原子数之比，faCa/C。 （2） 芳氢率（fH）：是指煤的基本结构单元中属于芳香族结构的氢原子数与总氢原子数之比，faHa/H。 （3）芳环率（fRa）：是指煤的基本结构单元中芳香环数与总环数之比，fRaRa/R。 （4）环缩合度指数为2(R1)/C：其中R为基本结构单元中缩合环的数目，C为基本结构单元中的碳原子数。,3. 煤中的低分子化合物,煤中低分子化合物主要是指游离或镶嵌在煤大分子主体结构中的一些相对分子质量小于500的有机化合物。业已确定的有烃类和含氧化合物等，也有含硫化合物存

19、在的报道。煤中烃类主要是一些正构烷烃，碳链长度从C1C30以上不等，甚至还有发现C70的报道，此外还有少量环烷烃、长链烯烃以及16环的芳烃，但主要是以12环芳烃为主。含氧化合物有长链脂肪酸、醇、酮和甾醇类化合物等。含硫化合物主要是噻吩、苯并噻吩、二苯并噻吩、萘并噻吩以及它们的C1-4 烷基取代衍生物。 低分子化合物含量随煤化程度增高而降低，通常认为，褐煤和年轻烟煤中含量约为10-20 。,第三节 煤的结构模型,1、化学结构模型 1.1 Wiser模型：被认为是比较全面合理的一个模型，该模型也是针对年轻烟煤（碳含量82%83%），它展示了煤结构的大部分现代概念，可以合理解释煤的液化和其他化学反应

20、性质。缺点是没有考虑小分子化合物。 1.2 本田模型：本田模型的特点是考虑了低分子化合物的存在，缩合环以菲为主，它们之间有较长的次甲基键相连接。模型中氧的存在形式比较全面，但没有考虑氮和硫的结构。 其余自学。,2、物理结构模型,2.1 Hirsch模型 Hirsch模型将不同煤化程度的煤划分为三种物理结构。 （1）敞开式结构：属于低煤化度烟煤，其特征是芳香层片小，不规则的“无定形结构”比例教大。芳香层片间由交联键连接，并或多或少在所有方向上任意取向，形成多孔的立体结构。 （2）液态结构：属于中等煤化度烟煤，其特征是芳香层片在一定程度上定向，并形成包含两个或两个以上层片的微晶。层片间的交联大大减

21、少，故活动性大。这种煤的孔隙率小，机械强度低，热解时易形成胶质体。 （3）无烟煤结构：属于无烟煤，其特征是芳香层片增大，定向程度增大。由于缩聚反应剧烈，使煤体积收缩，故形成大量孔隙。,2.2 两相模型 两相模型又称为主客模型。认为煤中有机物大分子多数是交联的大分子网络结构，为固定相；低分子因非共价键力的作用陷在大分子网状结构中，为流动相。煤的多聚芳环是主体，对于相同煤种主体是相似的，而流动相小分子是作为客体搀杂于主体之中。采用不同溶剂抽提可以将主客体分离。在低阶煤中，非共价键的类型主要是离子键和氢键；在高阶煤中，-电子相互作用和电荷转移力起主要作用。,第四节 煤分子结构理论的基本内容,经过科学

22、家的大量研究，虽然还没有彻底了解煤的分子结构，但对煤的分子结构有了一个较为准确的认识： (1) 煤分子是由多个基本结构单元构成的高分子 (2) 基本结构单元的核心是缩合芳香核 (3) 基本结构单元有不规则部分：侧链和官能团 (4) 连接基本结构单元的是桥键 (5) 氧、氮、硫以官能团形式存在 (6) 低分子化合物的存在 (7) 煤化程度对煤结构的影响规律,(1)煤分子是由多个基本结构单元构成的高分子,煤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基本结构单元通过桥键连接而成。结构单元由规则的缩合芳香核与不规则的、连接在核上的侧链和官能团两部分构成。,(2) 结构单元的核心是缩合

23、芳香核,缩合芳香核为缩聚的芳环、氢化芳环或各种杂环，环数随煤化程度的提高而增加。碳含量为70%83%时，平均环数为2；碳含量为83%90%时，平均环数为35；碳含量为大于90%时，环数急剧增加，碳含量大于95%时，平均环数大于40。煤的芳碳率，烟煤一般小于0.8，无烟煤则趋近于1。,(3)结构单元的不规则部分,连接在缩合芳香核上的不规则部分包括烷基侧链和官能团。烷基侧链的长度随煤化程度的提高而缩短；官能团主要是含氧官能团，包括羟基（OH）、羧基（COOH）、羰基（=C=O）、甲氧基（OCH3）等，随煤化程度的提高，甲氧基、羧基很快消失，其它含氧基团在各种煤化程度的煤中均有存在；另外，煤分子上还

24、有少量的含硫官能团和含氮官能团。,(4)连接结构单元的桥键,连接结构单元之间的桥键主要是次甲基键、醚键、次甲基醚键、硫醚键以及芳香碳碳键等。在低煤化程度的煤中桥键最多，主要形式是前三种；中等煤化程度的煤中桥键最少，主要形式是CH2和O；到无烟煤阶段时桥键有所增多，主要形式是最后一种。,(5)氧、氮、硫的存在形式,氧的存在形式除了官能团外，还有醚键和杂环；硫的存在形式有巯基、硫醚和噻吩等；氮的存在形式有吡咯环、胺基和亚胺基等。,(6) 低分子化合物,在煤的高分子化合物的缝隙中还独立存在着具有非芳香族结构的低分子化合物，它们主要是脂肪族化合物，如褐煤、泥炭中广泛存在的树脂、蜡等。,(7)煤化程度对

25、煤结构的影响,低煤化程度的煤含有较多非芳香结构和含氧基团，芳香核的环数较少。除化学交联键外，分子内和分子间的氢键力对煤的性质也有较大的影响。由于年轻煤的规则部分小，侧链长而多，官能团也多，因此形成比较疏松的空间结构，具有较大的孔隙率和较高的比表面积。中等煤化程度的煤（肥煤和焦煤）含氧官能团和烷基侧链少，芳核有所增大，结构单元之间的桥键减少，使煤的结构较为致密，孔隙率低，故煤的物化性质和工艺性质在此处发生转折，出现极大值或极小值。年老煤的缩合环显著增大，大分子排列的有序化增强，形成大量的类似石墨结构的芳香层片，同时由于有序化增强，使得芳香层片排列得更加紧密，产生了收缩应力，以致形成了新的裂隙。这

26、是无烟煤阶段孔隙率和比表面积增大的主要原因。,1、什么是煤岩学？ 用岩石学的观点和方法研究煤的组成和性质。 2、煤岩学研究方法 宏观方法用肉眼或放大镜观察煤，根据其颜色、条痕色、光泽、硬度、断口等特征，识别煤岩类型、判断煤的性质。 微观方法用显微镜研究煤,第一节 概述,微观方法用显微镜研究煤 透射光下：薄片 22 cm，厚 0.02 mm。 根据颜色、形态和结构识别显微煤岩组分、判断煤的性质； 反射光下：光片 直径 2 cm，厚1.5-2 cm 圆柱体。在普通反射光或油浸反射光下，根据颜色、形态、结构、突起、反光性等特征识别煤岩组分、判断煤的性质。 光片分为煤光片和粉光片（砖光片）。,第二节

27、煤的显微组分,煤的显微组分(maceral, micropetrological unit)，是指煤在显微镜下能能够区别和辨识的基本组成成分。分为： 有机显微组分：在显微镜下能观察到的煤中成煤原始植物组织转变而成的显微组分。 无机显微组分：在显微镜下能观察到的无机矿物质。,1、煤的有机显微组分,腐植煤的有机显微组分包括：镜质组、惰质组和壳质组。在显微镜下的特征是： 镜质组：透射光下呈橙红色，透明或半透明，较均一，不含或少含矿物质，见垂直裂纹。普通反射光下呈灰色，油浸反射光下呈深灰色，无突起。 惰质组：透射光下呈黑色，不透明。反射光下突起高，呈白色，油浸反射光时呈亮白色。 壳质组：透射光下透明到

28、半透明，呈黄色或橙红色，轮廓清晰，外形特殊。普通反射光下大多有突起，呈深灰色，油浸反射光下灰黑色或黑灰色。,1.1 镜质组（又称凝胶化组分）的成因,通过凝胶化作用形成。成煤植物的组织在气流闭塞、积水较深的沼泽环境下，产生极其复杂的变化。一方面是植物组织在微生物作用下，分解、水解、化合形成新的化合物并破坏植物组织器官的细胞结构；另一方面植物组织在沼泽水的浸泡下吸水膨胀，使植物细胞结构变形、破坏乃至消失，或进一步再分解为凝胶的过程。植物组织经凝胶化作用并经煤化作用后形成凝胶化组分（镜质组）。镜质组是煤中最主要煤岩组分，含量5080，甚至90。 根据凝胶化程度的不同，镜质组还可细分为：结构镜质体，无

29、结构镜质体和碎屑体。,1.2、惰质组（又称丝质组）的成因,惰质组是通过丝炭化作用或火焚作用形成。 丝炭化作用：成煤植物的组织在积水较少、湿度不足的条件下，木质纤维组织经脱水作用和缓慢的氧化作用后，又转入缺氧的环境，进一步经煤化作用后转化为惰质化组分。丝炭化作用也可以作用于已经受不同程度凝胶化作用的组分上，但经丝炭化作用后的组分不能再发生凝胶化作用成为凝胶化组分。 火焚作用：有的丝炭化组分是由于古代沼泽森林火灾后，由烧焦的炭化组织转化而来的，称为火焚丝质体。在显微镜下观察，该类丝炭化组分细胞结构完整清晰，且由于没有经受凝胶化作用，细胞壁没有发生吸水膨胀，因此，胞壁薄。煤中含量在1020，对煤的性

30、质有重要影响。,1.3、壳质组（又称稳定组）的成因,壳质组又称稳定组，是由成煤植物中化学稳定性强的组织器官转化而来的。在泥炭化作用阶段，因化学稳定性强，没有遭受生物化学作用的破坏而保存在煤中，经煤化作用后转化为稳定组分。 煤中常见的稳定组分有：孢子体、花粉体、树脂体、角质体、木栓体等。稳定组分在透射光下透明到半透明，呈现黄色到橙红色，轮廓清楚，外形特殊；在反射光下呈现深灰色，大多数有突起。 稳定组分在煤中的含量不大，对煤的性质影响很小。个别情况下，有稳定组分富集的煤出现，如乐平树皮煤、抚顺烛煤。稳定组分的氢含量高，发热量高。,2、 煤中的矿物质无机显微成分,煤的无机显微成分主要是指粘土矿物、黄

31、铁矿、石英、方解石等，在显微镜下可以进行区分。 粘土类矿物：高岭石，伊利石，水云母， 硫化物类矿物：黄铁矿，白铁矿， 碳酸盐类矿物：方解石，菱铁矿， 氧化物类矿物：石英， 硫酸盐类矿物：石膏，,第三节 显微煤岩组分的反射率,在反射光下，显微组分表面的反射光强度和入射光强度之比称为反射率。反射率可以在空气中即干物镜下测定，以R(%)表示；也可以在油浸物镜下测定，以Ro(%)表示。从长焰煤到无烟煤，Ro增加十几倍，而R只增加两三倍。在与煤层层面成任意交角的切面上最大反射率不变，而最小反射率则随交角不同而变化。在三种有机显微组分中，随煤化程度的变化，只有镜质组呈现较为均匀的变化，因此，一般将油浸物镜

32、下测定的镜质组最大反射率Romax作为分析比较的指标。 煤的反射率是煤岩学定量研究煤性质的重要指标，特别是在反映煤的变质程度、预测煤的粘结性，用于煤炭分类、指导煤炭加工利用等方面，具有十分重要的实用价值。,第四节 煤的岩石类型,根据颜色、光泽、硬度、裂隙和断口等，利用肉眼或放大镜可以区分的煤的基本组成单位，包括镜煤、亮煤、暗煤和丝炭。在显微镜下观察，镜煤和丝炭是单一成分，亮煤和暗煤是混合成分。,1、 腐植煤的煤岩类型,1.1 镜煤 镜煤呈黑色，光泽最强，质地均匀，性脆，断口多呈贝壳状，内生裂隙特别发育。在煤层中镜煤常呈透镜状或条带状，大多厚几毫米到12cm，有时呈线理状夹在亮煤或暗煤中。镜煤的

33、显微组成单一，主要是植物的木质纤维组织经凝胶化作用形成的镜质组。 性质：V、H高，粘结性强，矿物质含量少,1.2 丝炭,丝炭外观象木炭，颜色灰黑，具有明显的纤维状结构和丝绢光泽。丝炭疏松多孔，性脆易碎，碎后成为纤维状或粉末状，能染指。在煤层中丝炭的数量一般不多，常呈扁平透镜体，大多厚12mm至几mm，有时也能形成不连续的薄层。在显微镜下观察，丝炭的显微组成也是单一的，是简单的煤岩成分，主要是植物经受火灾后的木炭转化而来的惰质组构成。 性质：致密坚硬、比重大，H低、C高，V低，无粘结性，可选性差，孔隙大。,1.3 亮煤,颜色深黑，光泽较强，仅次于镜煤，性较脆，内生裂隙发育。亮煤的均一程度不如镜煤

34、，表面隐约可见微细纹理，内生裂隙发育程度不及镜煤。在显微镜下观察，亮煤组成比较复杂，它以镜质组为主，并含有不同数量的惰质组、壳质组和矿物质。亮煤是最常见的宏观煤岩成分，不少煤层是以亮煤为主组成的，有的整个煤层都是亮煤组成的。 性质：亮煤的性质接近镜煤，但由于惰质组和矿物质的存在，质量比镜煤差。,1.4 暗煤,光泽暗淡，一般呈灰黑色，致密，比重大，内生裂隙不发育，坚硬而具韧性，断面粗糙。暗煤也是煤层中常见的宏观煤岩成分，在煤层中，可以由暗煤为主形成较厚的分层，甚至单独成层。在显微镜下观察，暗煤组成复杂，一般镜质组较少，矿物质含量较高。 性质：取决于各组分的含量，如富含壳质组分，V、H高，粘结性强

35、；富含惰质组分，矿物含量高，密度大，V低、弱粘结。,腐植煤的岩石类型与显微组分之间的关系,2、煤的光泽岩石类型,煤的光泽岩石类型一般按平均光泽强度把煤的光泽岩石类型依次划分为光亮煤、半亮煤、半暗煤和暗淡煤四种基本类型。,3 煤岩学的应用,（1）煤的成因研究 在显微镜下观察煤的薄片,可以确定成煤植物的种类， 根据煤中保存的植物遗体(表皮,孢子,花粉)，确定成煤植物的种属。 （2）煤的可选性研究 煤中矿物质的种类、粒度、数量及其分布特征对煤的可选性影响极大。通过研究显微组分(包括无机显微组分)的组成与其可选性关系的研究，可以预测煤的可选性，选择合理的破碎粒度、选煤工艺和流程。 （3）评价煤质、指导

36、煤炭加工利用 在煤质评价和指导煤炭加工利用时，经常出现一些仅用化学分析的方法所不能解释的现象，而需应用煤岩学的方法才能解决。,第一节 煤的工业分析 1、煤的工业分析的定义：在人为规定条件下粗略测定煤化学组成的一种方法。 2、工业分析法划分的煤的组成：工业分析可以将煤的组成区分为水分、灰分、挥发分和固定碳。 3、工业分析的特点：工业分析是一种条件实验，除了水分以外，灰分、挥发分和固定碳都是煤中的原始组分在一定条件下的转化产物。理论上，灰分来源于煤中的矿物质；挥发分和固定碳来源于煤中的有机质。测定结果依测定条件变化而变化。,1、 煤中的水分,1.1 煤中水分的特点： 水分是煤中的重要组成部分，是煤

37、炭质量的重要指标。煤中的水分一般是指与煤呈物理态结合的水，它吸附在煤的外表面和内部孔隙中。因此，煤的颗粒越细、内部孔隙越发达，煤中吸附的水分就越高。 在煤的进一步研究中，有时也用到结晶水和热解水。结晶水是指煤中含结晶水的矿物质所具有的，如CaSO42H2O中的结晶水，通常煤中结晶水含量不大；热解水是煤炭在高温热解条件下，煤中的氧和氢结合生成的水，它取决于热解的条件和煤中的氧含量。如果不作特殊指明，煤中的水分均是指煤中的物理吸附态的水。,1.2 煤中水分的 来源,（1）成煤过程中，环境中的水随着成煤过程进入煤中； （2）煤层形成后，地下水进入煤层的裂隙、孔隙中； （3）开采、洗选、运输、储存过程

38、中进入煤中。,1、 煤中的水分,1.3 外在水分、内在水分等重要概念,1.3.1 外在水分和内在水分： 煤中的水分可分为两类，即在常温的大气中易于失去的水分和不易失去的水分，前者称为外在水分，后者称为内在水分。内在水分和外在水分之和称为全水分。 严格地说，外在水分是指煤放置在大气中使水分不断蒸发，当煤中水的蒸气压与大气中水蒸气分压达到平衡时，煤中水分不再变化。这时所失去的水分占煤样质量的百分数就是外在水分，用Mf表示。而残留在煤内部孔隙中没有蒸发出来的水分称为内在水分，用Minh表示。,1.3 外在水分、内在水分等重要概念,煤失去外在水分后所处的状态称为风干状态或空气干燥状态，失去外在水分的煤

39、样称为风干煤样或空气干燥煤样。风干煤中水分占风干煤样质量的百分数称为内在水分。 通常，煤质分析化验采用的煤样均是粒度小于0.2mm的空气干燥煤样（又称分析煤样），空气干燥煤样的水分也可称为空气干燥基(air dried basis)水分，用Mad表示，它的大小与Minh相同。,1.3.2 收到煤样和收到基水分,按照一定的采样标准从商品煤堆、商品煤运输工具或用户煤场等处所采煤样，称为应用煤样，将应用煤样送到化验室后称为收到煤样，它含有的水分占收到煤样质量的百分数称为收到基(as received basis)水分，也称全水分，用Mt或Mar表示。外在水分和内在水分构成了收到基水分，它们的关系可用

40、下式表示：,，%,1.3 外在水分、内在水分等重要概念,1.4 测定煤中水分的基本方法,测定煤中水分含量的方法很多，如蒸馏法、电解法、烘烤失重法等，本课要求掌握烘烤失重法的基本原理，其他方法可参阅有关专门书籍。 烘烤失重法的原理是：煤中水分是以物理态吸附在煤的表面或孔隙中，只要将煤加热到高于100，即可使煤中的水分析出。在加热过程中，煤本身不发生任何变化，煤的失重即认为是水分失去所引起的。通常是将煤加热到105110并保持恒温，直至煤处于恒重时，煤样的失重即为煤样在干燥中失去的水分。 水分测定时使用的仪器设备有分析天平、干燥箱、称量瓶等。 还有自动化的仪器设备。,自动水分测定仪的特点： （1）

41、采用微波或红外干燥，自动称量。 （2）计算机自动控制、测量准确，性能稳定。 （3）分析速度快，操作简便。 技术参数： （1）分析试样数：个/次 （2）分析时间：约20min （3）测定精度：0.4%（全水）；0.2%（空干水） （4）试样质量：10-12g(全水)；0.9-1.1g(空干水) （5）试样粒度：6mm(全水)；80目(空干水),1.4 测定煤中水分的基本方法,1.5 煤的最高内在水分,1.5.1 定义 煤的最高内在水分是指煤样在30，相对湿度达到96%的条件下吸附水分达到饱和时测得的水分，用符号MHC (moisture holding capacity)表示。这一指标反映了年青

42、煤的煤化程度，用于煤质研究和年青煤的分类。,1.5.2煤的最高内在水分的测定 将饱浸水分的煤样用恒湿纸处理，以除去大部分外在水分并使煤团 分散开，然后放在温度为30，相对湿度为96%(硫酸钾结晶及其饱和溶液)的充氮调湿器内，在常压和不断 搅动气氛的情况下使其达到湿度平衡，然后在105110的温度下烘干，以其减量的重量百分数表示最高内在水分。一般需要2448小时。,1.5 煤的最高内在水分,1.5 煤的最高内在水分,充氮常压法最高内在水分测定仪,1.5 煤的最高内在水分,充氮烘箱,1烘箱；2金属盒；3干燥塔；4氮气瓶；5硅胶管；6孔径0.25mm 的铜网；7金属托盘；8氮气出口；9样皿；10氮气

43、入口,1.6 煤中水分与煤化程度的关系,MHC,%,年轻褐煤的最高内在水分多在25%以上，少数的如云南弥勒褐煤最高内在水分达31%。最高内在水分小于2%的烟煤，几乎都是强粘结性和高发热量的肥煤和主焦煤。无烟煤的最高内在水分比烟煤有所提高。,1.6 煤中水分与煤化程度的关系,原因？ （1）这是由于煤的内在水分吸附于煤的孔隙内表面上，内表面积越大，吸附水分的能力就越强，煤的水分就越高。（2）此外，煤分子结构上极性的含氧官能团的数量越多，煤吸附水分的能力也越大。 低煤化程度的煤内表面积发达，分子结构上含氧官能团的数量也多，因此内在水分就较高。随煤化程度的提高，煤的内表面积和含氧官能团均呈下降趋势，因

44、此，煤中的内在水分也是下降的。到无烟煤阶段，煤的内表面积有所增大，因而煤的内在水分也有所提高。,2 煤的灰分,2.1 煤灰分的定义 煤的灰分(ash) ：煤样在规定条件下完全燃烧后所得的残渣。该残渣的质量占测定煤样质量的百分数称为灰分产率，简称为灰分。,2 煤的灰分,2.2 煤灰分的来历 煤的灰分不是煤中的固有组成，而是由煤中的矿物质转化而来的。煤的灰分与矿物质有很大的区别，首先是灰分的产率比相应的矿物质含量要低，其次是在成分上有很大的变化。矿物质在高温下经分解、氧化、化合等化学反应之后才转化为灰分。矿物质转化为灰分的过程中发生的有代表性的反应是： CaCO3CaO+CO2 FeS2+O2 S

45、O2+Fe2O3 CaSO4.H2O CaSO4+ H2O ,2.3 煤中矿物质的来源,2 煤的灰分,指存在于成煤的植物中，主要是碱金属、碱土金属的盐类，与有机质分子紧密结合，很难用机械方法分开。,主要是植物遗体在沼泽中堆积时，由于水流和风带来的细粘土、沙粒或水中钙、镁离子沉淀及硫铁矿的形成，与泥炭掺混，有的均匀分散在泥炭的有机质中，有的则形成独立的包裹体，呈透镜状、条带状、薄片状等；此外，煤层形成后，地下水中溶解的矿物质由于条件变化而沉淀并充填在煤的裂隙中，主要有方解石、石膏等矿物。次生矿物质的存在形态，决定了煤的可选性难易程度。煤中的原生矿物质和次生矿物质合称为内在矿物质。,这种矿物质原来

46、不含于煤层中，它是在采煤过程中混入煤中的顶、底板和夹矸层中的矸石所形成的。它与煤是独立存在的，几乎不影响煤的可选性。,2.4 煤灰分产率的测定,2.4.1 灰分产率的测定要点： 煤的灰分产率是指煤在815的条件下完全燃烧后的残渣占煤样质量的百分数，用A表示。测定灰分时所用的煤样是粒度小于0.2mm的空气干燥煤样，因此，测定结果是空气干燥基的灰分产率，用Aad表示。测定灰分用的仪器设备有马弗炉、分析天平和灰皿等。 连续灰分测定仪。,2.4 煤灰分产率的测定,2.4.2 灰分产率的计算 由于空气干燥煤样中的水分是随空气湿度的变化而变化的，因而造成灰分的测值也随之发生变化。但就绝对干燥的煤样来说，其

47、灰分产率是不变的。所以，在实用上空气干燥基(dry basis)的灰分产率只是个中间数据，一般还需换算为干燥基的灰分产率Ad。换算公式如下：,，%,3 挥发分和固定碳,3.1 挥发分和固定碳的定义： 在高温条件下，将煤隔绝空气加热一定时间，煤的有机质发生热解反应，形成部分小分子的化合物，在测定条件下呈气态析出，其余有机质则以固体形式残留下来。呈气态析出的小分子化合物称为挥发分，以固体形式残留下来的称为固定碳。实际上，固定碳不能单独存在，它与煤中的灰分一起形成焦渣，从焦渣中扣除灰分就是固定碳了。挥发分用V表示，固定碳用FC表示。,3.2 挥发分的测定要点 称取1g空气干燥煤样放入挥发分坩埚，在9

48、00的马弗炉内隔绝空气加热7min取出，冷却后称量，认为失重由挥发分和水分蒸发所致，因此，按下式计算挥发分：,，,空气干燥基的固定碳FCad按下式计算： FCad100MadAadVad，,3 挥发分和固定碳,3.2.1 挥发分的测定仪器,3.3 Vad的校正： 在煤隔绝空气加热的情况下，煤中的矿物质也发生分解反应，产生一些气态产物逸出，主要是碳酸盐分解产生CO2，影响到挥发分测定的准确性，需校正。 当碳酸盐CO2含量2时， Vdaf,校正Vdaf (CO2) daf 式中(CO2 ) daf 干燥无灰基碳酸盐CO2的含量，,3 挥发分和固定碳,说明： 在新国标GB/T 212- 2001中，

49、规定干燥基和空气干燥基挥发分无须进行碳酸盐二氧化碳的校正，只有干燥无灰基挥发分需要校正，这么做的原因是因为“挥发分是指从挥发物中扣除水分后的量”，在干燥基和空气干燥基下，其物质中包含了碳酸盐。而干燥无灰基定义为假想无水、无灰状态，而在假想无灰状态时，煤中是不存在碳酸盐的。故计算干燥无灰基挥发分时，应从空气干燥基挥发分中扣除煤中碳酸盐二氧化碳含量。,3 挥发分和固定碳,3 挥发分和固定碳,3.4 挥发分的基准换算 挥发分是由煤的有机质热解而产生的，挥发分的高低反映了煤的有机质的特性。但挥发分的测定结果用空气干燥基表示时，既不能正确反映这种特性，由于水分和灰分的影响，也不能准确表达挥发分的大小。因此，排除水分和灰分，采用无水无灰的基准（dry ash free bas