煤具体组成以及性质之基本性质

1、第二节 煤的一般性质 煤的密度（真密度、视密度、堆积密度） 煤的机械性质（硬度、可磨性） 煤的热性质（比热、导热性、热稳定性） 煤的电性质（介电常数、导电性） 煤的光学性质（折射率和透光率） 煤的磁性质 煤的润湿性 煤的孔隙度和比表面积 煤的氧化（氧化和风化） 煤的加氢 1. 真(相对)密度 true relative density, TRD (真比重) 1.1 真密度的概念：20时煤的质量与同体积(不包括煤的 所有孔隙)水的质量之比。 1.2 真密度的用途： 真密度是煤的主要物理性质之一，在研 究煤的分子结构、确定煤化程度、制定煤的分选密度时， 都会用到煤的真密度。 1.3 纯煤真密度的概

2、念：在研究煤质时，为了排除煤中矿物 质的影响，有时用到纯煤真密度的概念。它是指煤的有机 质的真密度，用(TRD)daf表示。可从TRD和煤的灰分等进行 计算，公式如下： 煤的一般性质之煤的密度 煤的一般性质之煤的密度 影响煤真密度的因素 影响煤真密度的因素有成因类型、煤岩组成、矿物质、 煤化程度等。 腐植煤的真密度一般不低于1.25g/cm3，而腐泥煤仅为 1.00g/cm3左右； 丝质组的密度最大，镜质组次之，稳定组最低，随煤 化程度的提高这种差别减小，到无烟煤阶段趋于一致； 矿物质的密度较煤的有机质高，因而，煤中矿物质含 量高则真密度大； 对煤的真密度影响最大的是煤化程度。 煤的一般性质之

3、煤的密度 2 煤的视(相对)密度 apparent relative density, ARD 2.1 视密度的概念：20时煤的质量与同体积（仅包括煤的 内部孔隙）水的质量之比。 2.2 视密度的用途 煤的视密度可用于计算煤的埋藏量。 计算煤的孔隙率 ， TRD ARDTRD 孔隙度 煤的一般性质之煤的密度 3 . 煤的堆积密度(bulk relative density， BRD) 3.1 堆积密度的概念： 煤的堆积密度是指20下煤的质量 与同体积包括煤的内外孔隙和煤粒间的空隙） 水的质量之 比。用BRD表示。堆积密度的大小除了与煤的真密度有关 外，主要决定于煤的粒度组成和堆积的密实度。 3

4、.2 堆积密度的用途：堆积密度对煤炭生产和加工利用部 门在设计矿车、煤仓、估算煤堆重量、炼焦炉炭化室和气 化炉的装煤量等都有很大的实用意义。 煤的一般性质之煤的机械性质 机械性质的概念：煤的机械性质是指煤在机械力 作用下，所表现的各种特性，如硬度、脆度、可 磨性等，这些性质对煤的开采、破碎、燃烧、气 化和成型等工艺过程有实用意义。 1. 煤的硬度 刻划硬度 显微硬度 煤的一般性质之刻划硬度 采用一套具有标准硬度的矿物刻划煤，得到粗略的相对硬 度，称为刻划硬度，又叫莫氏硬度。标准矿物的莫氏硬度 见表43。根据莫氏硬度的划分，煤的硬度一般为14。 煤的硬度与煤化程度有关，中等煤化程度的焦煤，硬度较

5、 小，约为22.5，随着煤化程度的提高，硬度增加，无烟 煤的硬度最大，约为4左右。同一煤化程度的煤，丝质组的 硬度最大，稳定组最小，镜质组居中。刻划硬度的准确性 较差，在科学研究上采用显微硬度的指标 煤的一般性质之显微硬度 显微硬度属于压入硬度的一种。一般采用特殊形状（如角 锥形、圆锥形等）而又非常坚硬的压入器，施加一定的压 力，使压入器压入到样品表面，形成压痕，卸除压力后用 显微镜测量压痕的尺寸，如用方形棱锥形金刚石压入器时， 测量压痕对角线的长度，即可计算出显微硬度值： 式中 H显微硬度，MPa； P加在压入器上的负荷，N； d压痕对角线长度，mm； 方形棱锥体两相对锥面的夹角，一般为13

6、6。 2 2 2sin d P H 煤的一般性质之显微硬度随煤化程度的变化 从褐煤开始，显微硬度随 煤化程度提高而上升，在 碳含量为75 % 80 %之 间有一个极大值；此后， 显微硬度随煤化程度提高 而下降，在碳含量达到 85%左右最低；煤化程度 再提高，显微硬度又开始 上升，到无烟煤阶段，显 微硬度几乎随煤化程度提 高而直线增加。 煤的一般性质之可磨性 煤的可磨性是指煤磨碎成粉的难易程度。目前，国际上普遍采用 哈特葛罗夫法评定煤的可磨性(Hardgrove grindability index , HGI )。其基本依据是研磨煤粉所消耗的功与新产生的表面积成 正比。测定要点是：将美国某矿区

7、的烟煤作为标准煤，其可磨性 指数定为100。测定时，先将四个一组可磨性指数各不相同的标 准煤样，在哈氏可磨仪上研磨，该标准煤样在规定条件下，经过 一定破碎功的研磨，以标准煤的200目筛下物质量为纵坐标，相 应的可磨性指数为横坐标得一直线，此直线就是该哈氏可磨仪的 校准图。被测煤样在哈氏可磨仪上研磨后，根据200目筛下物的 质量在校准图上即可查出相应的可磨性指数，用HGI表示。HGI 越大，表示煤的可磨性越好，煤越容易被磨碎。 煤的一般性质之可磨性与煤化程度的关系 煤的可磨性随煤化 程度呈现规律性 的变化。在低煤 化度阶段，随煤 化程度的增加， 煤的可磨性缓慢 增加，在碳含量 为8790 时，可

8、磨性迅速 增大，在碳含量 为90左右达到 最大值，此后随 煤化程度的进一 步提高而迅速下 降。 HGI, % 煤的一般性质之热性质 煤的热性质比热，导热性，热稳定性 重点讲热稳定性，其他的自学。 煤的热稳定性的概念： 煤的热稳定性是块煤在高温下保 持原来粒度的能力，用TS（Thermal Stability）表示。 热稳定性的用途：固定床燃烧或气化用燃煤的重要指标。 热稳定性的测定要点：煤的热稳定性测定要点：取6 13mm的煤样在850下加热并保温15min，取出冷却后用 6mm的筛子筛分，计算筛上物重量占总焦渣质量的百分数， 用TS+6表示，TS+6值越大，则煤的热稳定性越好。一般褐 煤的热

9、稳定性最差，其次是无烟煤，烟煤则较好。 煤的一般性质之电性质 煤的电性质包括导电性和介电常数。 1、煤的导电性：煤的导电性是指煤传导电流的能力。导电性常用 电阻率（即比电阻m）或导电率（电阻率的倒数）表示。导 电率越大，煤的导电能力越强。利用导电性可以进行选煤。 煤的导电有离子导电和电子导电两种形式，无烟煤是电子导 电，褐煤是离子导电。 褐煤的电阻率较低，随着煤化程度的加深电阻率增加，到长 焰煤时达到最大，此后煤化程度加深，煤的电阻率呈缓慢下降趋 势，到碳含量达到90以上的无烟煤时，电阻率迅速下降。煤的 导电性属于半导体或导体的范围。 在中、低变质程度阶段：煤的电阻率随矿物质含量的增加而减 少

10、;在高变质程度阶段：煤的电阻率随矿物质含量的增加而增大。 煤的一般性质之电性质 2、煤的介电常数 物质的介电常数是指当物质介于电容器两极板间的蓄 电量和两板间为真空时的蓄电量之比。 是综合反映物质极 化行为的宏观物理量。物质在电场作用下极化能力越强， 介电常数的值越大，导电性越好。 煤化程度是影响煤的介电常数的主要因素，随煤化程 度的加深，煤的介电常数减少，在含碳87左右达到最小， 然后又急剧增大。因为年轻煤的极性含氧官能团多，极性 大，所以较大；随煤化程度的加深，含氧官能团减少，介 电常数也减少；而年老煤的增大是因为其导电性增大之故。 水分对介电常数影响很大。 煤的一般性质之光学性质 煤的光

11、学性质主要有可见光照射下的反射率、折射率和透光率 以及不可见光照射下的X射线、红外光谱、紫外光谱和荧光 性质等。这里只介绍煤的透光率。 煤的透光率：是指煤样在100的稀硝酸溶液中处理90min， 所得有色溶液对一定波长（475nm）的光的透过率。有色溶液 透光率的测定有分光光度计法和目视比色法两种。分光光度计 法因其重现性差，一般用得不多，我国国家标准采用目视比色 法测定有色溶液的透光率，用PM表示。 PM的用途 ：年轻煤煤化程度指标，用于分类。一般年轻褐 煤的PM小于30，年老褐煤在3050之间；长焰煤的PM 通常大于50；气煤的PM一般大于90。 煤的一般性质之磁性质 煤的有机质一般具有抗

12、磁性，即在外磁场的作用下产生的附加 磁场与外磁场的方向相反。磁化率是指磁化强度I（抗磁性物 质是附加磁场强度）与外磁场强度H之比，用K表示：K=I/H。 在化学上常用比磁化率表示物质磁性的大小。比磁化率 是指在1高斯磁场强度下，1g物质的磁化率。 煤的比磁化率随煤化程度的提高而直线增加，在碳含量 在7991之间出现转折，增大幅度减缓，此后则急剧增 大。即煤的比磁化率在烟煤阶段增大幅度较小，无烟煤阶段最 大，褐煤阶段居中。 利用煤与矿物质在磁性上的差异，将它们分离开来，即 磁选法选煤。 煤的一般性质之润湿性 当液体和固体接触时，如果固体分子与液体间的作用力大于液体分 子间的作用力，则固体可被液体

13、润湿，反之，则不能润湿。通常采 用接触角表示煤的润湿性的大小，接触角越大，煤的润湿性越差。 接触角是指通过三相接触周边(三相接触点的连线)的任何一点，经 气液界面作切线(即气液界面张力)，构成液体与固体表面的夹 角，即为接触角。 g-s g-s l-s 煤的一般性质之润湿性 煤的润湿性的随煤化程度变化规律 对水而言：随煤化程度加深，接触角增大，润湿性降低； 对苯而言：随煤化程度加深，接触角减小，润湿性提高。 通常，年轻煤对水介质的亲和性较强，中等以上煤化程 度的煤对水的亲和性较差。在煤的浮选脱灰过程中，就是利用 煤与矿物质亲水性的差异进行分离的。矿物质表现为亲水性， 而煤一般表现为疏水性，但年

14、轻煤由于分子中含有大量的极性 含氧官能团，表现为较强的亲水性，因而其可浮性较差，不宜 采用浮选工艺。 煤的一般性质之润湿热 润湿热的概念：煤被液体润湿时会释放出热量，通常用1g煤 被润湿时释放出的热量作为煤的润湿热。 润湿热的本质：年轻煤的润湿热较高，但随着煤化程度的提 高而急剧下降，在碳含量为90左右达到最低值，以后又有 所上升。润湿热的产生实际上是液体在煤的孔隙内表面上发生 吸附作用的结果。吸附作用越强，比表面积越大，润湿热就越 高。 润湿热的影响因素：介质的种类、矿物质的含量等均有影响， 但主要与比表面积有关。试验表明，煤的润湿热大致为 0.390.42J/m2。利用润湿热可以大致估计煤

15、的比表面积，但 不准确。 煤的一般性质之孔隙度和比表面积 煤的孔隙率：煤是一种固态胶体物质，其内部存在着很多毛细管和孔隙。 煤内部孔隙的体积占煤的整个体积的百分数，称为孔隙率。 煤中孔隙的孔径并不均匀，通常根据孔径大小将其划分为大孔、中孔 和微孔，分别用Vmac、Vmes和Vmic表示，总孔容用Vt表示。孔径 的划分如下 表所示： 煤的孔隙率随煤化程度的变化规律。 煤的一般性质之孔隙度和比表面积 煤的比表面积：单位质量的煤内部孔隙的面积，m2/g。 煤的比表面积是煤内部孔隙的表面积的反映。测定煤 比表面积最简单的方法是甲醇润湿热法，这一方法误差较 大，已不再使用，现在多用吸附法测定煤的比表面积

16、，常 用的吸附介质是氮、氦、氪、氙和二氧化碳。吸附介质不 同时，测定结果差别很大，见表47。从孔的可接近性和 扩散活化能来看，多数人认为78下用二氧化碳测定的 结果较为可靠。 煤的一般性质之煤的氧化 煤的氧化是研究煤结构和性质的重要方法，同时又是煤炭 加工利用的一种工艺。煤的氧化是煤分子结构从复杂到简 单的转化过程。氧化的温度越高、氧化剂越强、氧化的时 间越长，氧化产物的分子结构就越简单，从结构复杂的腐 植酸到较简单的苯羧酸，直至最后被完全氧化为二氧化碳 和水。常用的氧化剂为：高锰酸钾、重铬酸钠、双氧水、 空气、纯氧、硝酸等。一般将煤的氧化分为表面氧化、轻 度氧化、中度氧化、深度氧化和完全氧化

17、，见表。 煤的一般性质之煤的风化 煤的风化是指离地表较近的煤层，经受风、雪、 雨、露、冰冻、日光和空气中氧等的长时间作用， 使煤的性质发生一系列不利变化，如发热量下降、 灰分增加、粘结性消失等，这种现象称为煤的风 化。 被开采出来存放在地面上的煤，经长时间 与空气作用，也会发生缓慢的氧化作用，使煤质 发生变化，这一过程也称为风化作用。 煤风化的本质是煤的氧化作用过程。 煤的一般性质之煤的风化 经风化作用后，煤的性质主要发生以下一些变化： 化学组成的变化：碳元素和氢元素含量下降，氧含量增 加，腐植酸含量增加； 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

18、增大； 工艺性质的变化：干馏时的焦油产率下降、发热量降低， 粘结性煤的粘结性下降甚至消失，煤的可浮性变差，浮选 回收率下降，精煤脱水困难。 煤的一般性质之煤的自燃 煤风化过程的实质是煤的氧化过程，也就是一个放热过 程。如果煤氧化释放的热量不能及时散发，则会被煤吸收 而使煤的温度提高。温度的提高又促使了煤更加剧烈的氧 化，放出的热量就更多。当温度达到煤的着火点时就会发 火燃烧，这一过程称为煤的自燃。煤的自燃一般发生在较 高的煤堆内部或通风不畅的采空区。因为这些地方的通风 散热不好，易使氧化产生的热量积聚，促使煤堆或煤层温 度缓慢上升而自发燃烧。 防止煤自燃的措施是隔离空气或增强通风，不使热量积

19、聚。 煤的一般性质之煤的加氢 煤加氢的概念：在一定条件下，通过化学反应在煤的有机 质分子上增加氢元素的比例，以改变煤的分子结构和性质。 煤加氢的主要目的：液体燃料。人们研究了煤和石油的 化学组成后发现，固体的煤与液体的石油在化学元素的组 成上几乎没有区别，仅仅是各元素含量的比例不同而已， 特别是H/C原子比。此外从分子结构来看，煤主要是由结构 复杂的芳香烃组成，分子量高达5000以上，而石油则主要 由结构简单的直链烃组成，分子量小得多，仅为200左右。 通过对煤加氢，可以破坏煤的大分子结构，生成分子量小、 H/C原子比大、结构简单的烃，从而将煤转化为液体油。煤 与烃类的元素组成典型数据见表。 煤的可磨性校准图 3 6 9 12 15 20406080100120 筛下物重,g 可磨性指数 可磨