煤结构研究方法.pptx
会计学1煤结构研究方法煤结构研究方法煤的组成煤的组成u煤的组成n有机质n矿物质u煤的结构n网络结构模型整体n平均结构单元模型有机质u化学结构一般以镜质组作为研究对象n含量多n组成均匀，变化平稳 Diagram of the major constituents in coal:organic material,fragments of plant debris(macerals),inorganic inclusions,and an extensive pore net work.第1页/共20页n n煤的大分子结构煤的大分子结构第2页/共20页不同煤化程度煤的结构单元不同煤化程度煤的结构单元褐煤次烟煤高挥发分烟煤石墨无烟煤低挥发分烟煤第3页/共20页 基本结构单元周围的烷基侧链和官能团基本结构单元周围的烷基侧链和官能团含氧官能团含氧官能团OHOH主要是酚羟基，烟煤的主要官能团主要是酚羟基，烟煤的主要官能团COOHCOOH 褐煤特性官能团，酸性比乙酸强褐煤特性官能团，酸性比乙酸强C=OC=O 无酸性，煤中分布很广无酸性，煤中分布很广OCHOCH3 3 存在于泥炭和软褐煤中存在于泥炭和软褐煤中OO 年老褐煤中占优势年老褐煤中占优势第4页/共20页 煤中的杂原子含硫官能团u 硫 醇（RSH）硫 醚（RSR）u 二硫醚（RSSR）u硫 醌u杂环硫第5页/共20页 含氮官能团含氮官能团n n主要以六元杂环、吡啶环或喹啉环等形式存在主要以六元杂环、吡啶环或喹啉环等形式存在 还有胺基、亚胺基、腈基等第6页/共20页煤结构的研究方法煤结构的研究方法（一）用X射线衍射方法研究煤和炭的结构（二）红外光谱在煤结构研究中的应用（三）用统计结构解析法研究煤的结构第7页/共20页用用用用X X X X射射射射线线线线衍射方法衍射方法衍射方法衍射方法研研研研究煤和炭的究煤和炭的究煤和炭的究煤和炭的结结结结构构构构 X射线衍射仪是应用面最广的X射线衍射分析仪器。X射线衍射仪主要应 用于样品的物相定性或定量分析、晶体结构分析、材料的结构宏观应力 的测定、晶粒大小测定、结晶度测定等，根据实际需要可以安装各种特 殊功能的附件及相应控制和计算机软件，组成具有特殊功能的衍射仪。第8页/共20页X-射线应用煤结构研究的主要特射线应用煤结构研究的主要特点点TD系列X射线衍射仪是国内唯一将进口可编程序控制器（PLC）技术及模块化设计理念融入到该产品设计中，它的三重无干扰隔离保护方案，使该仪器性能更加优堪，故障率极低，并延长整机使用寿命。它的设计精密，硬件、软件功能齐全，能灵活地适应物质微观结构各种测试、分析和研究工作。高精度的测角仪采用先进的轴编码器结构，最小步进角0.0001，是目前国内精度最高的测角仪。TD系列X射线衍射仪具有超强的低角度扫描功能，可从最低0.2开始，适用于对小角衍射的研究。第9页/共20页X X射线衍射法研究煤和炭的结构射线衍射法研究煤和炭的结构 用X射线衍射分析法研究物质的晶体结构时衍射方向与晶胞的形状和大小有关，衍射强度则与原子在晶胞中的排列方式又有联系。由此，它能很好地分析煤和石墨等物质。煤并不晶体，但x射线衍射分析亦能揭示出煤中碳原子排列的有序性。图为煤和石墨的x时线衍射谱。由图可见，石墨的衍射谱共有9个明显的衍射峰表明它是晶体排列的结构。不同煤化度煤的x射线衍时谱的衍射峰，不如石墨分得精细，衍射强度也不及石墨。仅仍可看出部分衍射峰，表明煤令确实存在着一部分有序碳。煤中碳原子排列的有序性随煤化度而变化，到烟煤阶段有对应石墨的主要衍射峰(002)和(100)；到无烟煤阶段，除有(002)和(100)两个峰外还显示有对应石墨的(004)和(110)峰，呈现明显的三维有序结构。煤中这部分二维有序的结构称为微晶，它是由若干芳香环层片以不同的平行程度堆砌而成。在煤的x射线衍射谱图中，(100)和(110)峰归因于芳香环的缩合程度，即芳香环碳网层片的大小；(002)和(004)峰归因于芳香环碳网层片在空间排列的定向程度，即层片堆砌高。第10页/共20页第11页/共20页采用采用采用采用x x射线衍射的实验结果，射线衍射的实验结果，射线衍射的实验结果，射线衍射的实验结果，根据布拉格方程式，可以推算出微晶的结构参数根据布拉格方程式，可以推算出微晶的结构参数根据布拉格方程式，可以推算出微晶的结构参数根据布拉格方程式，可以推算出微晶的结构参数：第12页/共20页第13页/共20页 在以上三式中：第14页/共20页 x射线衍射研究导出的煤结构信息 英国的赫希(PBHirsch)于1958年测定了镜煤的微晶结构参数随煤化度的变化(如图一所示)。我国也对各种煤样进行了x射线衍射研究(如表所示）上图分别为平均芳香环层直径随碳含量的变化和芳香环层平均炭原子随碳含量的变化图一第15页/共20页部分中国煤祥的x射线衍射研究结果第16页/共20页根据以上研究结果，可以得出如下规律根据以上研究结果，可以得出如下规律n n1 1）芳香层片的平均直径）芳香层片的平均直径LaLa随煤化度加深而增大。由图随煤化度加深而增大。由图一可见，一可见，煤的碳含量从煤的碳含量从8080增加到增加到91915 5时，时，LaLa缓慢增加；到无烟煤以缓慢增加；到无烟煤以后后(碳含量大于碳含量大于91915%)5%)，LaLa急剧增大。急剧增大。n n 2 2）芳香层片的堆砌高度亦随煤化度加深而增大。由表可见）芳香层片的堆砌高度亦随煤化度加深而增大。由表可见 ，对于低煤化度烟煤，对于低煤化度烟煤，LcLc仅为仅为1 12nm2nm左右，芳香层片的堆砌层左右，芳香层片的堆砌层数约为数约为3434层；随着煤化度加深，堆砌层数和高度逐渐增大，层；随着煤化度加深，堆砌层数和高度逐渐增大，到无烟煤阶段，到无烟煤阶段，LcLc可达可达2.0nm2.0nm以上，堆砌层数约为以上，堆砌层数约为5 57 7层层n n 3 3）层间距众随煤化度加深而逐渐减小。由表可以看出，平）层间距众随煤化度加深而逐渐减小。由表可以看出，平行堆砌芳香层片的层间距行堆砌芳香层片的层间距d002d002最大时最大时(对低煤化度煤对低煤化度煤)可达可达3 3810-1nm810-1nm以上；随煤化度加深，以上；随煤化度加深，Doo2Doo2逐渐减小到逐渐减小到 (3 (343435)l0-1nm5)l0-1nm，其极限值为，其极限值为 理想石墨的层间距理想石墨的层间距(3(3354xl0-1nm)354xl0-1nm)。这说明煤产微晶的晶体结构很不完善，这说明煤产微晶的晶体结构很不完善，但有向石思晶体结构转变的趋势。但有向石思晶体结构转变的趋势。第17页/共20页 4)芳香层片的芳香环数和碳原子数随煤化度加深而增大。从煤的x 射线衍射结构参数可以推算山微晶巾每一个芳香层片中的芳香环软和碳原子数。根据赫希的研究结果，在碳含量为78的煤中，微品内每层平均环数为2每层的碳原于数为14(如图一所示)；碳含量为90的煤，每层平均环数为4，碳原子数为18。随煤化度继续加深，环数急剧增加，到无烟煤时达到12个环。5)各种煤岩成分的微晶尺寸随煤化度有类似的变化规律。但对碳含量最相近的不同宏观煤岩成分而言，丝摊炭与镜煤相比，芳香层片的直径较大，但层间距d002也较大，层片堆砌高度却较小。第18页/共20页第19页/共20页
