煤的物理化学性质及煤岩学.pptx

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1、主要内容1 煤的形成过程和煤化程度2 煤岩学基础3 煤的化学组成4 煤的分类方法和种类5 煤的物理化学性质6 煤的工艺性质第1页/共170页1 煤的形成和煤化程度1.1成煤作用煤是植物遗体经过复杂的生物、地球化学、物理化学作用转变而成的。从植物死亡、堆积到转变为煤经过了一系列的演化过程，这个过程称为成煤作用。第2页/共170页1 煤的形成和煤化程度1.1成煤作用成煤作用大致可分为两个阶段。第一阶段是植物在泥炭沼泽中不断繁衍，其遗体在微生物参加下不断分解、化合、聚集的过程。在这个过程中起主导作用的是生物地球化学作用，在这个作用下低等生物形成腐泥，高等植物形成泥炭。因此可称为腐泥化阶段或泥炭化阶段

2、。当泥炭和腐泥由于地壳下沉等原因被上覆沉积物掩埋时，就转入第二阶段煤化作用阶段，即泥炭、腐泥在以温度和压力起主导作用下转变为煤的过程。这个阶段包括成岩作用和变质作用，起主导作用的是物理化学作用。泥炭先变成褐煤（成岩阶段），再由褐煤变成烟煤（变质阶段）。第3页/共170页1煤的形成和煤化程度1.1成煤作用煤的形成过程：高等植物：植物 泥炭 褐煤 烟煤 无烟煤低等植物：植物 腐泥 腐泥煤成煤原始物质主要是植物，植物界可分为低等植物和高等植物两大类。属于低等植物的有菌类和藻类；属于高等植物的有苔藓植物、蕨类植物、裸子植物和被子植物。根据成煤植物、成因、化学性质和岩石组成的不同，可划分出以高等植物为主

3、形成的腐植煤腐植煤和以低等植物为主形成的腐泥煤腐泥煤。自然界腐泥煤很少见，而工业开采的绝大多数是腐植煤。第4页/共170页泥碳的形成高等植物死亡后变成泥炭的生物化学过程称为泥炭化作用。一般认为，泥炭化过程的生物化学作用大致分为两个阶段：第一阶段，植物遗体中的有机化合物经过氧化分解和水解作用，转化为简单化学活性活泼的化合物；第二阶段，分解产物进一步合成为新的化合物，如腐殖酸沥青等。第5页/共170页煤化作用泥炭经过褐煤、烟煤的各种煤级直到无烟煤、超级无烟煤的发展叫煤化作用。温度、压力和时间是促使煤变化的因素，其中温度是主要因素。压力促进煤的物理结构变化。煤在较高温度下持续的时间越长，煤化程度越高

4、。第7页/共170页成煤作用的阶段划分第8页/共170页泥碳 褐煤从泥炭向褐煤转化的早期煤化作用是有机质分解作用和合成缩聚平行发展的过程。分解作用主要表现是泥炭中纤维素和木质素含量相对富集，主要发生在埋藏泥炭的初期阶段，是微生物参与下的生物化学煤化作用的结果；合成缩聚作用在早期煤化作用过程中起主要作用，是一种地球化学煤化作用过程。植物遗体泥碳褐煤烟煤无烟煤超无烟煤第9页/共170页褐煤 无烟煤从烟煤向无烟煤演化有4 次显著的跃变。第一次跃变发生在长焰煤开始阶段，特点是沥青化作用发生并进入最明显阶段。第二次跃变出现在肥煤焦煤阶段，第二次煤化作用又叫煤化作用转折。第三次煤化跃变发生在烟煤与无烟煤的

5、分界附近。第四次煤化跃变出现在无烟煤与超无烟煤的交界附近。植物遗体泥碳褐煤烟煤无烟煤超无烟煤第10页/共170页2 煤岩学煤是一种固体可燃有机岩，由于自然界成煤物质的不同及聚积环境的多样化和各自不同的煤化途径，其岩石组成比较复杂。用肉眼观察时，可以看出煤大多数是不均一的，通常可分出不同的煤岩成分和煤岩类型；在显微镜下，更可以揭示煤组成的细节，进一步区分出各种显微组分和显微煤岩类型。应用煤岩学方法确定煤的煤岩组成、煤化特征等特征，是评价煤的性质和用途的重要依据，是解决实际问题的重要基础。第13页/共170页2 煤岩学2.1煤的宏观特征煤岩成分煤岩成分是指肉眼可区分的基本组成单元，亦称煤岩组分。在

6、条带状烟煤中有镜煤、亮煤、暗煤和丝炭4 种煤岩成分。其中，镜煤和丝炭是简单的煤岩成分，亮煤和暗煤是复杂的煤岩成分。镜煤是煤中颜色最黑、光泽最亮的成分，质地均匀，具有贝壳状断口，以垂直于条带的内生裂隙发育为特征。内生裂隙面常呈眼球状。镜煤性脆，易破碎成棱角状小块。在煤层中常呈透镜状或条带状。在4 种煤岩成分中，镜煤的挥发分高，黏结性强。亮煤是最常见的煤岩成分，不少煤层以亮煤为主组成较厚的分层，甚至整个煤层。它的光泽仅次于镜煤，较脆，内生裂隙也较发育，但程度次于镜煤，密度较小，有时也有贝壳状断口。亮煤的均一程度不如镜煤，表面隐约可见细微的纹理。显微镜下观察，亮煤组成以镜质组为主，含有一定数量的惰质

7、组和壳质组。第14页/共170页2 煤岩学2.1煤的宏观特征暗煤一般呈灰黑色，光泽暗淡，密度大，内生裂隙不发育，断面粗糙，致密坚硬具韧性。常以较厚的分层出现，甚至单独成层。显微镜下观察，暗煤的组成复杂多样，其特征和性质取决于显微组成。富含惰质组的暗煤，往往略带丝绢光泽，挥发分低，黏结性弱；富含壳质组的暗煤，略带油脂光泽，挥发分和含氢量较高，黏结性较好；含大量矿物的暗煤，则密度大，灰分产率高。丝炭外观像木炭，颜色灰黑，具有明显的纤维状结构和丝绢状光泽。它疏松多孔，性脆易碎，能染指。丝炭的空腔常被矿物充填成矿化丝炭，坚硬致密，密度大。在煤层中，一般丝炭的数量不多，常呈扁平透镜状沿层理面分布，大多厚

8、12mm到几个毫米，有时也能形成不连续的薄层。丝炭的氢含量低，碳含量高，不具黏结性；由于孔隙度大，吸氧性强，容易受氧化而自燃。第15页/共170页2 煤岩学2.1煤的宏观特征宏观煤岩类型宏观煤岩类型是按煤的总体相对光泽划分的类型。它是煤岩成分的自然共生组合的反映。中国通常用宏观煤岩类型作为肉眼观察研究煤层的单位，共划分为光亮煤、半亮煤、半暗煤和暗淡煤4种类型。宏观煤岩类型划分依据是根据煤中“光亮成分”镜煤和亮煤在分层中的含量及其反映出来的总体相对光泽强度。第16页/共170页2 煤岩学2.1煤的宏观特征宏观煤岩类型的划分指标宏观煤岩类型的划分指标第17页/共170页2 煤岩学2.1煤的宏观结构

9、和构造煤的宏观结构是指煤岩成分的形态、大小所表现的特征，最常见的有以下几种。（1）条带状结构煤岩成分多呈条带在煤层中相互交替组成条带状结构。按条带的宽度，可分为：细条带状，宽13mm；中条带状，宽35mm；宽条带状，大于5mm。条带状结构在烟煤中表现明显，尤其在半亮煤和半暗煤中最常见。（2）线理状结构镜煤、丝炭及黏土矿物等常以厚度小于1mm的线理断续分布在煤层中，呈现出线理状结构，常见于半暗煤、暗淡煤。（3）透镜状结构镜煤、丝炭及黏土矿物、黄铁矿透镜体散布在比较均一的暗煤或亮煤中，呈现透镜状结构，常见于半暗煤、暗淡煤。第18页/共170页2 煤岩学2.1煤的宏观结构和构造（4）均一状结构组成较

10、均一。镜煤的均一状结构较典型，某些腐泥煤、腐植腐泥煤也具有均一状结构。（5）粒状结构由于煤中散布着大量壳质组组分或矿物而呈粒状。某些暗淡煤中含有大量小孢子和树皮体而呈粒状结构，有些半亮煤中含有同生黄铁矿而呈粒状结构。此外，还可见到木质结构，多见于褐煤中的木煤和低煤化烟煤中的镜煤；纤维状结构，见于丝炭；叶片状结构，当煤中大量的角质层沿层面分布，具有纤细的页理，能分成叶片状或纸状。中国泥盆纪角质残植煤具有典型的叶片状结构。第19页/共170页2 煤岩学2.1煤的宏观结构和构造宏观结构宏观结构条带状结构、线理状结构、条带状结构、线理状结构、透镜状结构、均一状结构、透镜状结构、均一状结构、粒状结构、木

11、质结构、粒状结构、木质结构、纤维状结构、叶片状结构纤维状结构、叶片状结构宏观煤岩类型宏观煤岩类型光亮煤、半亮煤、光亮煤、半亮煤、半暗煤、暗淡煤半暗煤、暗淡煤煤岩成分煤岩成分镜煤、亮煤、暗煤、丝炭镜煤、亮煤、暗煤、丝炭描述其形态不同煤岩成分组成煤岩类型表面特征结构特征第20页/共170页2 煤岩学2.2煤的显微组成在显微镜下才能识别的煤中基本有机组成单元，称为显微组分。煤中的矿物质是煤中无机组成部分。显微镜下通常用两种方法鉴定煤片：一种是透射光下观察煤的薄片，鉴定标志主要是透光色、形态和结构等；另一种是在反射光下观察煤的光片和煤砖光片，鉴定标志除反射色、形态和结构外，还有突起等。反射光下常用油浸

12、物镜进行观察。20 世纪80 年代以后广泛使用了荧光显微镜，发现了一些新的仅在荧光下才能识别的显微组分，获得了荧光色、荧光强度、荧光变化的新的标志，深化了对显微组分的认识。第21页/共170页2 煤岩学2.2煤的显微组成1 1国际硬煤的显微组分分类国际煤岩学会（ICCP）的硬煤显微组分分类方案是国际上广泛应用的分类，已被国际标准化组织（ISO）在煤岩分析中采用，适用于烟煤和无烟煤。该分类将所有的显微组分分为3 个组：镜质组、壳质组和惰质组。每个组都包括一系列成因，物理性质和化学工艺性质相近的显微组分，但3 个显微组分组之间在其化学成分和性质上有相当明显的区别。第22页/共170页2 煤岩学2.

13、2煤的显微组成国际硬煤的显微组分分类国际硬煤的显微组分分类第23页/共170页2 煤岩学2.2煤的显微组成国际硬煤的显微组分分类（续）国际硬煤的显微组分分类（续）第24页/共170页2 煤岩学2.2煤的显微组成国际硬煤的显微组分分类（续）国际硬煤的显微组分分类（续）第25页/共170页2 煤岩学2.2煤的显微组成2 2中国烟煤的显微组分分类（GB/T 15588-2001GB/T 15588-2001）中国烟煤显微组分分类是总结了中国煤岩工作的经验，采用成因与工艺性质相结合的原则，以显微镜油浸反射光下的特征为主，结合透射光和荧光特征进行分类。首先根据煤中有机成分的颜色、反射力、突起、形态、结构

14、特征，划分出显微组分组；再根据细胞结构保存程度、形态、大小以及光性特征的差别，将显微组分组进一步划分为显微组分和显微亚组分。中国烟煤显微组分包括3 3 个显微组分组、20 20 个显微组分、1212个显微亚组分。与国际硬煤显微组分分类的区别在于：没有进一步划分显微组分种；在惰质组中删去了菌类体，增加了真菌体和分泌体；在壳质组中增加了树皮体。第26页/共170页2 煤岩学2.2煤的显微组成中国烟煤的显微组分分类中国烟煤的显微组分分类第27页/共170页2 煤岩学2.2煤的显微组成中国烟煤的显微组分分类（续）中国烟煤的显微组分分类（续）第28页/共170页2 煤岩学2.2煤的显微组成中国烟煤的显微

15、组分分类（续）中国烟煤的显微组分分类（续）第29页/共170页2 煤岩学2.2煤的显微组成3 3褐煤的显微组分分类褐煤在世界煤炭储量中占有相当大的比例。中国内蒙东部、云南第三纪煤田的褐煤占该地区储量的大部分，而且褐煤煤田多属于巨厚煤层，宜于露天开采，有极大的经济价值。显微组分分类是研究褐煤组成和性质的基础，中国目前尚未建立自己的分类系统，大多应用国际煤岩学委员会的褐煤显微组分分类。该分类中的腐植组、稳定组和惰质组分别与硬煤分类中的镜质组、壳质组和惰质组相当。第30页/共170页2 煤岩学2.2煤的显微组成国际褐煤的显微组分分类国际褐煤的显微组分分类第31页/共170页2 煤岩学2.2煤的显微组

16、成国际褐煤的显微组分分类（续）国际褐煤的显微组分分类（续）第32页/共170页2 煤岩学2.2煤的显微组成国际褐煤的显微组分分类（续）国际褐煤的显微组分分类（续）第33页/共170页2 煤岩学2.2煤的显微组成褐煤腐植组与硬煤镜质组的对比褐煤腐植组与硬煤镜质组的对比第34页/共170页2 煤岩学2.2煤的显微组成white=inertinite grey=vitrinite dark grey=exinite.第35页/共170页2 煤岩学2.2煤的显微组成4.4.显微组分的化学性质在煤的三大显微组分组中，镜质组是世界大多数煤田煤中最主要的显微组分，也是决定煤的工艺性质的主要成分。镜质组与惰质

17、组相比，挥发分、氢含量、氧含量高，同时水分、氮含量、焦油产率亦高。在煤化过程中，随着煤级增高，镜质组的挥发分、氧含量、氢碳原子比和氧碳原子比明显减少，而碳含量、芳香度增高。由于反射率和挥发分这两个参数都与镜质组结构单元的芳构化程度有关，因而烟煤中镜质组的反射率增高和挥发分降低的程度几乎相同，都是很好的煤级指标。在煤化过程中，镜质组随着芳香稠环侧链羟基、羧基、甲氧基、羰基，以及环氧的脱落和芳香稠环缩合程度的增高碳含量随之增高。第36页/共170页2 煤岩学2.2煤的显微组成中国煤中镜质组中国煤中镜质组（腐木质体）的工业分析和元素分析的数据（腐木质体）的工业分析和元素分析的数据第37页/共170页

18、2 煤岩学2.2煤的显微组成中国煤中镜质组中国煤中镜质组（腐木质体）的工业分析和元素分析的数据（腐木质体）的工业分析和元素分析的数据(续续)第38页/共170页2 煤岩学2.2煤的显微组成4.4.显微组分的化学性质在三大显微组分组中，惰质组的挥发分、氢含量和氢碳原子比最低，而碳含量最高。在煤化过程中，随着煤级增高，惰质组的挥发分、氢含量、氧含量、氢碳原子比亦降低，碳含量、芳香度增高，但与镜质组相比，其变化幅度小。在三大组中，壳质组化学性质的特点是挥发分和氢含量最高，氢碳原子比大多在以上，而芳香度低。在中煤级烟煤中，壳质组的化学性质变化很快，逐渐与镜质组的化学性质趋于一致。第39页/共170页2

19、 煤岩学2.2煤的显微组成中国煤中惰质组的工业分析和元素分析数据中国煤中惰质组的工业分析和元素分析数据第40页/共170页2 煤岩学2.2煤的显微组成中国煤中壳质组的工业分析和元素分析数据中国煤中壳质组的工业分析和元素分析数据第41页/共170页通常把煤中矿物质理解为煤中伴生的一切无机组分，既包括肉眼和显微镜下可识别的矿物，又包括镜下难以鉴别的且与有机质结合的金属和阴离子。煤中矿物质的多少，一方面不仅直接影响煤炭发热量的高低，还影响到煤炭的加工利用特性。中国大多数煤中矿物质含量较高，全国原煤平均灰分大多在20以上，对煤的合理利用和环境保护有极其不利的影响；另一方面，煤中所富集的达到工业品位要求

20、的稀有元素、放射性元素是伴生的有用矿产，有的矿物和伴生元素在煤炭加工利用中起催化作用，提高了煤的经济技术价值。2 煤岩学煤岩学2.3煤中的矿物质煤中的矿物质第42页/共170页1煤中矿物质的分类据Finkelman（1981）资料，煤中已鉴定出来的矿物达125 种以上。（1）按成因分类煤中的矿物质按成因可分为3 类，即：植物成因的矿物质、陆源碎屑成因的矿物质、化学成因和生物化学成因的矿物质。2 煤岩学煤岩学2.3煤中的矿物质煤中的矿物质第43页/共170页矿物质是植物生长必不可少营养物质，植物细胞壁的矿质化，主要是硅质化和钙质化，可以增强植物本身的机械支撑能力。赋存在沼泽植物中的矿物质成煤后，

21、形成了煤中植物成因的矿物质。植物成因的矿物质很少，难以用物理方法脱除。陆源碎屑成因的矿物质是指由风力和水流搬运到泥炭沼泽，并沉积的陆源碎屑矿物和岩屑。煤中常见的陆源碎屑矿物有黏土矿物，石英，以及长石、云母，并有锆石、电气石、磷灰石、石榴子石、独居石、重晶石、锡石、磷钇矿等副矿物，还有火山碎屑。化学成因的矿物是在水溶液中直接化学沉淀形成，和溶液与泥炭有机质反应，以及煤中的有机质和无机质反应后形成的。常见的化学成因矿物有高岭石、硫化物矿物、菱铁矿和部分石英。2 煤岩学煤岩学2.3煤中的矿物质煤中的矿物质第44页/共170页（2）按形成时期分类煤中矿物质按形成时期可分为同生矿物和后生矿物两类。同生矿

22、物是指在成煤作用的第一阶段泥炭聚积期和早期成岩作用阶段形成的矿物。它既有新形成的矿物，又包括风力和水流带来的陆源碎屑矿物。同生矿物主要有高岭石、石英、黄铁矿、菱铁矿等。后生矿物是指在成煤作用第二阶段，在煤层中形成的矿物。主要是由地下水（包括热液）带来的矿物质，如黄铁矿、石英、高岭石、方解石、菱铁矿等；也包括在后生作用过程中，由于温度、压力的增高，原有的同生矿物，特别是黏土矿物，发生变化形成的矿物；还包括煤系地层重新接近地表，在表生作用下在煤层中形成的矿物，如石膏、褐铁矿等。2 煤岩学煤岩学2.3煤中的矿物质煤中的矿物质第45页/共170页2 煤岩学煤岩学2.3煤中的矿物质煤中的矿物质第48页/

23、共170页3 煤的化学组成煤的工业分析煤的元素分析第49页/共170页3 煤的化学组成3.1 煤的工业分析煤的工业分析(proximate analysis)也叫技术分析或实用分析，包括煤中水分、灰分、挥发分的测定及固定碳的计算。煤的工业分析是了解煤质特征的基础指标也是评价煤质的基本依据，根据工业分析的各项测定结果可以初步判断煤的性质、种类及其工业利用途径。第50页/共170页根据水在煤里面的存在状态，将煤中水分分别称为外在水分、内在水分以及同煤中矿物质结合的结晶水、化合水。外在水分是附着在煤的表面和被煤的表面大毛细管吸附的水。内在水分是指吸附和凝聚在煤颗粒内部的毛细管中的水。结晶水和化合水是

24、指煤中矿物质里以分子形式和离子形式参加矿物晶格构造的水分，如石膏（CaSO42 H2O）、高岭土Al4Si4O10(OH)83 煤的化学组成煤的化学组成3.1 煤的工业分析煤的工业分析水分（水分（M）第51页/共170页煤的灰分是指煤完全燃烧后剩下来的残渣，这些残渣几乎全部来自煤中的矿物质。煤中矿物质来源有三：原生矿物质成煤植物中所含的无机元素；次生矿物质煤形成过程中混入或与煤伴生的矿物质；外来矿物质煤炭开采和加工处理中混入的矿物质。3 煤的化学组成煤的化学组成3.1 煤的工业分析煤的工业分析灰分（灰分（A）第53页/共170页工业分析测定的挥发分，不是煤中原来固有的挥发性物质，而是在严格的规

25、定条件下加热煤炭时，产生的热分解产物所占百分数。挥发分主要由热解水、氢、碳的氧化物和碳氢化合物组成，但煤中物理吸附水（包括外在水分和内在水分）和矿物质CO2不属挥发分之列，必须从中扣除。碳酸盐含量大于2的，还要测定碳酸盐，以便对挥发分进行校正。3 煤的化学组成煤的化学组成3.1 煤的工业分析煤的工业分析挥发分（挥发分（V）第55页/共170页测定煤的挥发分时，剩下的不挥发物称为焦渣。焦渣减去灰分称为固定碳。固定碳就是煤在隔绝空气的高温加热条件下，煤中有机质分解的残余物。固定碳含量可以用计算方法算出（以空干基为例）：FCad100(MadAadVad)3 煤的化学组成煤的化学组成3.1 煤的工业

26、分析煤的工业分析固定碳（固定碳（FC）第57页/共170页当分析煤样中碳酸盐CO2含量为212（质量分数）时：FCad100(MadAadVad)CO2ad(煤)当分析煤样中碳酸盐CO2含量大于12 时：FCad100(MadAadVad)CO2ad(煤)CO2ad(焦渣)式中FCad空干基煤样的固定碳，；Mad空干基煤样的水分，）；Aad空干基煤样的灰分，；Vad空干基煤样挥发分，；CO2ad(煤)空干煤样中碳酸盐二氧化碳含量，；CO2ad(焦渣)焦渣中二氧化碳占煤中的含量，。3 煤的化学组成煤的化学组成3.1 煤的工业分析煤的工业分析固定碳固定碳第58页/共170页煤的工艺用途主要是由煤中

27、有机质的性质决定的。有机质主要有碳、氢、氧、氮、硫等5 种元素。煤的元素组成，是指组成煤的有机质的一些主要元素，即碳、氢、氧、氮、硫等5个元素。煤的元素分析，就是确定煤中有机物的碳、氢、氧、氮、硫等含量的百分比，作为煤的有机质特性。由于在煤的无机质中也含有少量碳、氢、氧、硫等元素，因此在了解煤中有机质的元素组成及进行煤的分类时，应以在重液（相对密度为1.4）中洗选后的精煤来测定，采用干燥无灰基指标。（不同于锅炉燃烧上的元素分析）3 煤的化学组成煤的化学组成3.2 煤的元素分析煤的元素分析第59页/共170页碳是煤中最重要的组成部分，是组成煤炭的大分子骨架，是煤在燃烧过程中产生热量的重要元素之一

28、。煤的碳含量随煤化程度的加深而增高。泥炭：5060褐煤：6077烟煤：7492无烟煤：9098在煤化程度相同的煤中，镜质组的碳含量比惰质组低。3 煤的化学组成煤的化学组成3.2 煤的元素分析煤的元素分析碳（碳（C）第60页/共170页氢是煤中的第二个重要组成元素，也是煤中可燃部分，其燃烧时可放出大量的热量。氢含量与成煤原始物质密切有关。腐泥煤的氢含量普遍比腐植煤高，一般都在6以上，有时达11。在腐植煤中，稳定组分的氢含量最高，镜质组次之，而惰质组最低。随着煤化程度逐渐加深，氢含量有逐渐减少的趋势。3 煤的化学组成煤的化学组成3.2 煤的元素分析煤的元素分析氢（氢（H）第61页/共170页煤中氧

29、含量变化很大，并随着煤化程度加深而降低。当煤受到氧化时，氧含量迅速增高，而碳、氢含量则明显降低。氧元素在煤的燃烧过程中不产生热量，但能与产生热量的氢生成水，使燃烧热量降低，是动力用煤的不利的因素。同时氧是煤中反应能力最强元素。因此，当煤用于热加工时，煤中氧含量对热加工影响较大。煤中氧一般都不进行直接测定，而用差额法计算得出。3 煤的化学组成煤的化学组成3.2 煤的元素分析煤的元素分析氧（氧（O）第62页/共170页煤的有机质中氮的含量比较少，它主要来自成煤植物中的蛋白质。煤中氮含量多在0.81.8的范围内变化，通常也是随煤化程度增高而稍有降低，随煤化程度而变化的规律性不很明显。3 煤的化学组成

30、煤的化学组成3.2 煤的元素分析煤的元素分析氮（氮（N）第63页/共170页硫是煤中最有害的杂质。作动力燃烧时，煤中硫燃烧生成二氧化硫，它不仅腐蚀金属设备，而且污染环境，造成“公害”。作为合成氨原料气时，由含硫煤产生的H2S不仅腐蚀金属设备，且使催化剂中毒，影响操作及产品质量。作为生产冶金焦用原料时，煤中的硫大部分转入焦炭，直接影响钢铁质量。各项工业用煤对硫含量都有严格的要求。煤中硫分赋存状态可分为有机硫和无机硫两大类，有时也有微量的元素硫。煤中各种硫分的总和称为全硫含量。煤中的无机硫又分为硫化物硫及硫酸盐硫两种。煤质有机质中所含的硫称为有机硫。3 煤的化学组成煤的化学组成3.2 煤的元素分析

31、煤的元素分析硫（硫（S）第64页/共170页3 煤的化学组成煤的化学组成3.2 煤的元素分析煤的元素分析硫（硫（S）第65页/共170页1.煤灰成分煤中矿物质成分极其复杂，完全燃烧后煤灰成分也变得复杂。(1)煤灰主要成分煤中的无机矿物质，经高温灼热均变为金属和非金属的氧化物及盐类，主要成分是SiO2、Al2O3、CaO、MgO，还有少量K2O、Na2O、SO3、P2O5等化合物。(2)煤灰成分分析的应用推测原煤的矿物组成判断煤灰熔点的高低判断煤在燃烧时对锅炉燃烧室的腐蚀情况预测焦炭灰分在高炉炼铁过程中的影响3 煤的化学组成煤的化学组成3.3 煤的灰分特性煤的灰分特性第69页/共170页2煤灰的

32、熔融性煤灰熔融性是煤灰在高温下达到熔融状态的温度，习惯上称作灰熔点。加热时物理状态的变化：变形、软化、半球和流动。3 煤的化学组成煤的化学组成3.3 煤的灰分特性煤的灰分特性煤灰锥熔融特征示意图煤灰锥熔融特征示意图第70页/共170页2煤灰的熔融性特征熔融温度变形温度DT(T1)：灰锥尖端或棱开始变圆和弯曲时的温度；软化温度ST(T2)灰锥弯曲至触及锥尖托板和灰锥变呈球形时的温度；半球温度HT灰锥形变至近似半球形，即高约等于底长的一半时的温度；流动温度FT(T3)灰锥融化展开成高度在1.5mm以下的薄层的温度。在锅炉设计中，大多采用软化温度作为灰分熔点。3 煤的化学组成煤的化学组成3.3 煤的

33、灰分特性煤的灰分特性第71页/共170页3结渣性煤的结渣性是指煤在气化和燃烧过程中的灰渣是否会结成块以及结块的程度。煤灰的结渣性以煤灰的结渣率来量度。在一定鼓风强度下使煤燃尽，其灰渣中粒度大于6mm的量占总灰量的质量百分数，即为该煤在规定鼓风条件下的结渣率。灰结渣性是评价煤热加工利用过程的重要指标。煤燃烧和气化过程中，选用何种结渣性的煤，取决于锅炉（气化炉）的排渣方式。3 煤的化学组成煤的化学组成3.3 煤的灰分特性煤的灰分特性第72页/共170页4煤灰的黏度灰黏度是指煤灰在熔融状态下的内摩擦系数，表征煤灰在高温熔融状态下流动时的物理特性，以符号表示。两个相对移动的液层之间的相互作用力称内摩擦

34、力f，它与液面层之间垂直于层面的速度梯度和液面的面积S成正比。f内摩擦力，dyn(1dyn105N)；液面层之间的速度梯度；流体的内摩擦系数或叫动力黏度，PaS。3 煤的化学组成煤的化学组成3.3 煤的灰分特性煤的灰分特性第73页/共170页4煤灰的黏度长渣短渣3 煤的化学组成煤的化学组成3.3 煤的灰分特性煤的灰分特性第74页/共170页在煤质分析中得到煤质指标，可采用不同的基准来表示。“基”表示化验结果是以什么状态下的煤样为基础而得出的，常用的基准有以下四种：收到基：以收到状态的煤样为基准，也是锅炉炉前使用的燃 料，包 括 全 部 灰 分 和 水 分。表 示 符 号 为 ar（as rec

35、eived）空气干燥基：以与空气湿度达到平衡状态的煤为基准，即在实验室内进行燃料分析时的试样成分。表示符号为ad（air dry basis）；3 煤的化学组成煤的化学组成3.4 煤质分析的基准煤质分析的基准第75页/共170页干燥基：以假想无水状态下的煤为基准，即去掉全部水分的成分，干燥基更能反映出灰分的多少，表示符号为d（dry basis）干燥无灰基：以假想无水、无灰状态的煤为基准，即去掉水分和灰分的成分。表示符号为daf（dry ash free）3 煤的化学组成煤的化学组成3.4 煤质分析的基准煤质分析的基准第76页/共170页干燥无矿物质基 以假想无水、无矿物质状态的煤为基准，表示

36、符号为dmmf（dry mineral matter free）3 煤的化学组成煤的化学组成3.4 煤质分析的基准煤质分析的基准第77页/共170页煤质指标与各种不同基准的关系3 煤的化学组成煤的化学组成3.4 煤质分析的基准煤质分析的基准第78页/共170页煤的成分相互关系3 煤的化学组成煤的化学组成3.4 煤质分析的基准煤质分析的基准第79页/共170页4 煤的分类方法和种类4.1-煤的分类标准煤的分类指标一般应能反映煤的煤化程度（或变质程度）、煤岩类型和工艺性质。中国煤炭分类：现行中国煤炭分类是按煤的煤化程度先将煤分成褐煤、烟煤和无烟煤3大类，再按煤化程度的深浅及工业利用的要求，将褐煤分

37、成2个小类，无烟煤分成3个小类，而烟煤有20个小类。第81页/共170页4 煤的分类方法和种类4.1-煤的分类标准中国煤炭分类总表中国煤炭分类总表p褐煤最低品味的煤，形成年代最短，热值较低p烟煤形成年代较褐煤长，碳含量75%90。成焦性较强，适宜工业一般应用p无烟煤煤化时间最长，含碳量最高（高于93），成焦性差，发热量大第82页/共170页4 煤的分类方法和种类4.1-煤的分类标准中国煤炭分类国家标准表中国煤炭分类国家标准表第83页/共170页1光泽光泽是指煤的表面的反光能力。光泽首先与成煤原始物质及其聚积环境有关。随着煤化程度的增高，各种宏观煤岩成分中的光泽有不同程度的增强，暗煤的光泽变化不

38、明显，而镜煤和较纯净的亮煤变化显著。观察煤的光泽时，要选择煤的光洁的新鲜断面作为标准，严格注意观察条件。一、煤的表面性质一、煤的表面性质5 煤的物理化学性质煤的物理化学性质5.1-煤的物理性质煤的物理性质第97页/共170页2.颜色暗褐煤可由褐色变成深褐色、黑褐色，烟煤呈黑色，无烟煤呈灰黑色常带有古铜色和钢灰色色彩。一、煤的表面性质一、煤的表面性质5 煤的物理化学性质煤的物理化学性质5.1-煤的物理性质煤的物理性质第98页/共170页3条痕色煤的条痕色又叫粉色，是指将煤在磁板上画出条痕色的颜色，它反映了煤的真正颜色。随着煤化程度的增高，各种宏观煤岩成分的光泽有不同程度的增强，而镜煤和较纯净亮煤

39、变化显著。一、煤的表面性质一、煤的表面性质5 煤的物理化学性质煤的物理化学性质5.1-煤的物理性质煤的物理性质第99页/共170页不同煤化程度煤的光泽、颜色和条痕色一、煤的表面性质一、煤的表面性质5 煤的物理化学性质煤的物理化学性质5.1-煤的物理性质煤的物理性质第100页/共170页1煤的润湿性所谓润湿性是指液体与固体接触时，固体被液体所润湿的程度。煤的润湿性可应用于选煤。二、煤的固态胶体性质二、煤的固态胶体性质5 煤的物理化学性质煤的物理化学性质5.1-煤的物理性质煤的物理性质液体与固体的接触角液体与固体的接触角(a)液滴能润湿固体(b)液滴不能润湿固体第103页/共170页3.煤的孔隙度

40、和孔径分布作为固态胶体的煤，其内部存在许多空隙，孔隙体积占煤的总体的百分数为煤的孔隙度或孔隙率。也可用单位质量煤包含的孔隙体积（cm3/g）来表示。二、煤的固态胶体性质二、煤的固态胶体性质5 煤的物理化学性质煤的物理化学性质5.1-煤的物理性质煤的物理性质置换法：置换法：真假相对密度法：真假相对密度法：第105页/共170页孔隙度与煤化程度的关系二、煤的固态胶体性质二、煤的固态胶体性质5 煤的物理化学性质煤的物理化学性质5.1-煤的物理性质煤的物理性质v孔隙度大小受 成煤条件、煤岩显微组成等因素的影响。v同一煤化程度的煤，其孔隙度都有一个波动的范围第106页/共170页3.煤的孔隙度和孔径分布

41、 煤的孔径大小并不是均一的。微孔，小于10010-10m过渡孔：(1001000)10-10m 中孔：(100010000)10-10m大孔：大于1000010-10m孔径分布的测定方法有压汞法、氮气等温吸附法此法只能测定过渡孔(12300)10-10m 孔的体积，再换算成孔径。二、煤的固态胶体性质二、煤的固态胶体性质5 煤的物理化学性质煤的物理化学性质5.1-煤的物理性质煤的物理性质第107页/共170页4.煤的比表面积所谓煤的比表面积是指单位质量煤的总表面积。煤是多孔物质，其比表面积包括外表面积和内表面积两部分。比表面积的测定方法由润湿热法、法、气相色谱法和水银压入法等。B.E.T.法是经

42、典的测定方法，其原理是在一定条件下，测定对煤吸附的气体质量。二、煤的固态胶体性质二、煤的固态胶体性质5 煤的物理化学性质煤的物理化学性质5.1-煤的物理性质煤的物理性质第109页/共170页4.煤的比表面积煤化程度低和高的煤：大，中等煤化程度的煤：小 二、煤的固态胶体性质二、煤的固态胶体性质5 煤的物理化学性质煤的物理化学性质5.1-煤的物理性质煤的物理性质BETBET全自动物理化学吸附分析仪全自动物理化学吸附分析仪 第110页/共170页1.煤的真（相对）密度煤的真密度，是指在20时单位体积（不包括煤的内部孔隙、裂隙）煤的质量和同温度、同体积水的质量之比。以符号TRD来表示。煤的真密度测定国

43、家标准中用的是密度瓶法，以水作置换介质，根据阿基米德定律进行计算。式中：干燥基煤的真密度；Gd干燥基煤样质量，g；G0充满水及浸润剂的密度瓶的质量，g；G1加了煤样后充满水及浸润剂的密度瓶的质量，g。三、煤的密度三、煤的密度5 煤的物理化学性质煤的物理化学性质5.1-煤的物理性质煤的物理性质第111页/共170页2煤的视（相对）密度煤的视密度是，在20时煤（包括煤的内外表面孔隙和裂隙）的质量与同温度、同体积水的质量之比。测定煤的视密度的基本原理和测定真密度的基本原理是一样的。3煤的散密度煤的散密度又叫煤的堆积密度和堆密度，它是单位容积所装载的散装煤炭的质量。三、煤的密度三、煤的密度5 煤的物理

44、化学性质煤的物理化学性质5.1-煤的物理性质煤的物理性质第112页/共170页1.硬度2.脆度3.煤的可磨性4.煤的弹性四、煤的机械性质四、煤的机械性质5 煤的物理化学性质煤的物理化学性质5.1-煤的物理性质煤的物理性质第113页/共170页煤的化学性质是指煤与各种化学试剂，在一定条件下产生不同化学反应的性质。煤的化学性质包括：煤的氧化、加氢、卤化、磺化、水解和烷基化等。5 煤的物理化学性质煤的物理化学性质5.2-煤的化学性质煤的化学性质第117页/共170页煤的氧化过程是指煤同氧互相作用的过程。同时，氧化过程使煤的结构从复杂到简单，是一个逐渐降解的过程，也可称为氧解。缓慢氧化、深度氧化、燃烧

45、根据煤氧化程度的不同，煤的氧化过程可分为以下5个阶段。第阶段：表面氧化阶段第阶段：再生腐殖酸阶段第、阶段：苯羧酸阶段第V 阶段：燃烧一、煤的氧化一、煤的氧化5 煤的物理化学性质煤的物理化学性质5.2-煤的化学性质煤的化学性质轻度氧化轻度氧化深度氧化深度氧化第118页/共170页一、煤的氧化一、煤的氧化5 煤的物理化学性质煤的物理化学性质5.2-煤的化学性质煤的化学性质煤氧化的阶段煤氧化的阶段第119页/共170页煤加氢分为轻度加氢和深度加氢两种。轻度加氢是在反应条件温和的条件下，与少量氢结合。深度加氢是煤在激烈的反应条件下与更多的氢反应，转化为液体产物和少量气态烃。煤的加氢反应包括：热解反应、

46、供氢反应、脱杂原子反应、脱氧反应、脱硫反应、脱氮反应、加氢裂解反应、缩聚反应等。二、煤的加氢二、煤的加氢5 煤的物理化学性质煤的物理化学性质5.2-煤的化学性质煤的化学性质第120页/共170页煤的一些其他化学反应三、煤的其它化学性质三、煤的其它化学性质5 煤的物理化学性质煤的物理化学性质5.2-煤的化学性质煤的化学性质(1)卤代:(2)磺化(3)硝化第122页/共170页煤的一些其他化学反应三、煤的其它化学性质三、煤的其它化学性质5 煤的物理化学性质煤的物理化学性质5.2-煤的化学性质煤的化学性质(4)氧化烟碱烟酸烟酰胺(Vpp类)第123页/共170页6 煤的分子结构煤的分子结构6.1-煤

47、的基本结构单元煤的基本结构单元煤是以有机质为主，并有不同分子量、不同化学结构的一组“相似化合物”的混合物。构成煤的大分子聚合物的“相似化合物”被称为基本结构单元。规则部分：苯环、脂环、氢化芳香环及杂环（含氮、氧、硫）不规则部分：含氧基团和烷基侧链第125页/共170页6 煤的分子结构煤的分子结构6.1-煤的基本结构单元煤的基本结构单元第126页/共170页6 煤的分子结构煤的分子结构6.1-煤的基本结构单元煤的基本结构单元煤化程度的提高，苯核逐渐增多，而不规则部分逐渐减少第127页/共170页6 煤的分子结构煤的分子结构6.2-煤基本结构单元的边缘基团煤基本结构单元的边缘基团.含氧官能团 羧基

48、（COOH）。它是褐煤的特性官能团，有酸性，且比乙酸强。羟基（OH）。它们存在于泥炭、褐煤和烟煤中，是烟煤的主要含氧官能团。第128页/共170页6 煤的分子结构煤的分子结构6.2-煤基本结构单元的边缘基团煤基本结构单元的边缘基团.含氧官能团 羰基（）。无酸性，从泥炭到无烟煤都含有羰基。甲氧基（OCH3）。仅存在于泥炭和软褐煤中。第129页/共170页6 煤的分子结构煤的分子结构6.2-煤基本结构单元的边缘基团煤基本结构单元的边缘基团.含氧官能团 醌基（）。羰基的另一种形式，有氧化性。醚键（O）。严格的讲它不属于官能团，但可以测定第130页/共170页6 煤的分子结构煤的分子结构6.2-煤基本

49、结构单元的边缘基团煤基本结构单元的边缘基团2.煤中的含硫和含氮官能团硫的性质与氧相似，所以煤中含硫官能团种类与含氧官能团差不多。煤中有机硫的主要存在形式是噻吩。其次是硫醚键和巯基（SH）。煤中含氮12，大约5075的氮存在于吡啶环或喹啉环形式中，此外还有胺基、亚胺基、腈基和五元杂环等。吡啶吡啶噻吩噻吩喹啉喹啉第132页/共170页6 煤的分子结构煤的分子结构6.2-煤基本结构单元的边缘基团煤基本结构单元的边缘基团3.烷基侧链煤的红外光谱、核磁共振、氧化和热裂解的研究都已确认煤的结构单元上连接有烷基侧链。煤中烷基侧链的平均长度煤中烷基侧链的平均长度第133页/共170页6 煤的分子结构煤的分子结

50、构6.2-煤基本结构单元的边缘基团煤基本结构单元的边缘基团4.桥键桥键是连接结构单元化学键 次甲基键：CH2，CH2CH2，CH2CH2CH2等；醚键和硫醚键：O，S，SS等；次甲基醚键：CH2O，CH2S等；芳香碳-碳键：CarCar。第134页/共170页6 煤的分子结构煤的分子结构6.3-煤的结构参数煤的结构参数1.芳碳率（）煤的基本结构单元中，属于芳香族结构的碳原子数Car与总的原子数Ctotal之比。2.芳氢率（）煤的基本结构单元中，属于芳香族结构上的氢原子数Har与总的氢原子数Htotal之比。第135页/共170页6 煤的分子结构煤的分子结构6.3-煤的结构参数煤的结构参数3.芳