第四章 煤的有机质的结构

1、 第四章第四章 煤有机质的化学结构煤有机质的化学结构 第一节第一节 煤结构单元核心部分的结构煤结构单元核心部分的结构 第二节第二节 煤结构单元外围部分的结构煤结构单元外围部分的结构 第二节第二节 煤的结构模型煤的结构模型 第三节第三节 煤的分子结构概念煤的分子结构概念 第一节第一节 煤结构单元核心部分的结构煤结构单元核心部分的结构 一、煤的基本结构单元一、煤的基本结构单元 1.定义定义 构成煤的大分子聚合物的构成煤的大分子聚合物的“相似化合相似化合 物物”被称作基本结构单元。被称作基本结构单元。 煤是许许多多的基本结构单元组合而煤是许许多多的基本结构单元组合而 成的大分子结构。基本结构单元包括

2、规则成的大分子结构。基本结构单元包括规则 部分和不规则部分。部分和不规则部分。 2.基本结构单元的规则部分基本结构单元的规则部分 指结构单元的核心部分，由几个或十指结构单元的核心部分，由几个或十 几个苯环、脂环、氢化芳香环及杂环（含几个苯环、脂环、氢化芳香环及杂环（含 氮、氧、硫）所组成。随煤化程度的增大，氮、氧、硫）所组成。随煤化程度的增大， 苯环逐渐增多。苯环逐渐增多。 二、煤的结构参数二、煤的结构参数 1.芳碳率芳碳率 指煤的基本结构单元中，属于芳香族指煤的基本结构单元中，属于芳香族 结构的碳原子数结构的碳原子数Nar(C)与总的碳原子数与总的碳原子数 Ntotal(C)之比。之比。 c

3、 ar f Ntotal(C) Nar(C) c ar f 2.芳氢率芳氢率 煤的基本结构单元中，属于芳香族结构的煤的基本结构单元中，属于芳香族结构的 氢原子数氢原子数Nar (H) 与总的氢原子数与总的氢原子数Ntotal (H) 之比。之比。 Ntotal(H) Nar(H) H ar f H ar f 3.芳环率芳环率 是指煤的基本结构单元中，芳香环数是指煤的基本结构单元中，芳香环数 Nar (R) 与总环数与总环数Ntotal (R) 之比。之比。 R ar f Ntotal(R) Nar(R) R ar f 4.环缩合度指数环缩合度指数 中中N(R)为基本结构单元中缩合环的为基本结构

4、单元中缩合环的 数目，数目，N(C)为基本结构单元中的碳原子数。为基本结构单元中的碳原子数。 环缩合度指数与芳碳率之间有如下的关系：环缩合度指数与芳碳率之间有如下的关系： )( 1)( 2 CN RN )( 1)( 2 CN RN )( )( )( 1)( 22 CN HNc arCN RN f 第二节第二节 煤结构单元外围部分的结构煤结构单元外围部分的结构 煤结构单元的外围部分主要是含氧官煤结构单元的外围部分主要是含氧官 能团、含硫官能团、含氮官能团和烷基侧能团、含硫官能团、含氮官能团和烷基侧 链。链。 n 通常它们的数量随着煤化程度增加而通常它们的数量随着煤化程度增加而 减少。减少。 一、

5、含氧官能团一、含氧官能团 1. 氧的存在形式可分为两类：氧的存在形式可分为两类： 一类是含氧官能团，如羧基、酚羟基、羰一类是含氧官能团，如羧基、酚羟基、羰 基、醌基和甲氧基等，煤化程度越低，这一部基、醌基和甲氧基等，煤化程度越低，这一部 分的比例越大；分的比例越大； 另一类是醚键和呋喃环，它们在年老煤中另一类是醚键和呋喃环，它们在年老煤中 占优势。占优势。 2.煤中含氧官能团随煤化程度的变化 由图可见：由图可见： n1）煤中的含氧官能团随煤化程度增加而）煤中的含氧官能团随煤化程度增加而 急剧降低，其中以羟基为最多，其次是急剧降低，其中以羟基为最多，其次是 羰基和羧基，在煤化过程中，甲氧基首羰基

6、和羧基，在煤化过程中，甲氧基首 先消失，接着是羧基，它在典型烟煤中先消失，接着是羧基，它在典型烟煤中 已不再存在，而羟基和羰基仅在数量上已不再存在，而羟基和羰基仅在数量上 减少，即使在无烟煤中也还存在。减少，即使在无烟煤中也还存在。 n2) 图中其余含氧主要指醚键和杂环氧，图中其余含氧主要指醚键和杂环氧， 它们所占的比例对低变质程度的煤是相它们所占的比例对低变质程度的煤是相 当大的。当大的。 3.煤中的含硫和含氮官能团煤中的含硫和含氮官能团 n煤中有机硫的主要存在形式是噻吩，其次煤中有机硫的主要存在形式是噻吩，其次 是硫醚键和巯基（是硫醚键和巯基（SH）。）。 n煤中含氮量多在煤中含氮量多在1

7、%2%，大约，大约50%75% 的氮以吡啶环或喹啉环形式存在，此外还的氮以吡啶环或喹啉环形式存在，此外还 有胺基、亚胺基、腈基和五元杂环等。有胺基、亚胺基、腈基和五元杂环等。 二、烷基侧链二、烷基侧链 烷基侧链随煤化程度增加开始很快缩短，烷基侧链随煤化程度增加开始很快缩短， 然后变化渐趋平缓。对年老褐煤和年轻烟煤的然后变化渐趋平缓。对年老褐煤和年轻烟煤的 烷基碳原子数平均为烷基碳原子数平均为2左右，无烟煤则减少到左右，无烟煤则减少到1， 即主要含甲基。另外，烷基碳占总碳的比例也即主要含甲基。另外，烷基碳占总碳的比例也 随煤化程度增加而减少，煤中随煤化程度增加而减少，煤中C为为70%时，烷时，烷

8、 基碳占总碳的基碳占总碳的8%左右；左右；80%时约占时约占6%；90% 时，只有时，只有3.5%左右。左右。 三、桥键三、桥键 桥键是连接结构单元的化学键：桥键是连接结构单元的化学键： 1.次甲基键次甲基键 CH2，CH2CH2，CH2 CH2CH2等；等； 2.醚键和硫醚键醚键和硫醚键 O，S，SS等；等； 3.次甲基醚键次甲基醚键 CH2O，CH2S等；等； 4.芳香碳芳香碳-碳键碳键 CarCar。 在低煤化程度煤中桥键发达，其类型主要是前面三种，尤以长在低煤化程度煤中桥键发达，其类型主要是前面三种，尤以长 的次甲基键和次甲基醚键为多；中等煤化程度的煤桥键数目最少，的次甲基键和次甲基醚

9、键为多；中等煤化程度的煤桥键数目最少， 主要形式是主要形式是CH2和和O；至无烟煤阶段桥键又增多，主要是；至无烟煤阶段桥键又增多，主要是 芳香碳芳香碳-碳键。碳键。 第三节第三节 煤的结构模型煤的结构模型 一、煤的化学结构模型一、煤的化学结构模型 1.威斯化学结构模型威斯化学结构模型 该模型（图）是目前公认为比较合理的一该模型（图）是目前公认为比较合理的一 种化学结构模型，基本上反映了煤化学结构的种化学结构模型，基本上反映了煤化学结构的 新进展，可以解释煤的热解、氢化、氧化、酚新进展，可以解释煤的热解、氢化、氧化、酚 解聚和水解等一些化学反应。解聚和水解等一些化学反应。 图中箭头指处为键能较低

10、、结合薄弱的桥图中箭头指处为键能较低、结合薄弱的桥 键。键。 （二）本田化学结构模型（二）本田化学结构模型 该模型的特点是最早在有机结构部分该模型的特点是最早在有机结构部分 设想存在着低分子化合物，考虑到煤的设想存在着低分子化合物，考虑到煤的 低分子化合物的存在，缩合芳香环以菲低分子化合物的存在，缩合芳香环以菲 为主，它们之间有比较长的次甲基键连为主，它们之间有比较长的次甲基键连 接，对氧的存在形式考虑比较全面。接，对氧的存在形式考虑比较全面。 不足之处是没有包括硫和氮的结构。不足之处是没有包括硫和氮的结构。 第四节第四节 煤分子结构的近代概念煤分子结构的近代概念 1.煤的主体是三维空间的高分

11、子物质煤的主体是三维空间的高分子物质 煤的大分子不是由均一的煤的大分子不是由均一的“单体单体”聚合而成，聚合而成， 而是由许多结构相似但又不完全相同的结构单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。元通过桥键联结而成。 2.煤结构单元的核心为缩合芳香环煤结构单元的核心为缩合芳香环 煤结构的缩合芳香环数随煤化程度增加 而增加。 3.煤结构单元的外围为烷基侧链和官煤结构单元的外围为烷基侧链和官 能团能团 烷基中主要是烷基中主要是CH3和和CH2CH2， 官能团主要是酚羟基和羰基等。官能团主要是酚羟基和羰基等。 4.煤中氧、氮和硫的存在形式煤中氧、氮和硫的存在形式 煤中氧的存在形

12、式除含氧官能团外，还煤中氧的存在形式除含氧官能团外，还 有醚键和杂环；硫的存在形式有巯基、硫有醚键和杂环；硫的存在形式有巯基、硫 醚和噻吩等；氮的存在形式有吡啶和吡咯醚和噻吩等；氮的存在形式有吡啶和吡咯 环、胺基和亚胺基等。环、胺基和亚胺基等。 5.结构单元之间的桥键结构单元之间的桥键 不同长度的次甲基键、醚键、次甲基醚不同长度的次甲基键、醚键、次甲基醚 键和芳香碳键和芳香碳-碳键等都可以是结构单元之间碳键等都可以是结构单元之间 的桥键。的桥键。 煤分子间通过交联键缠绕在空间以一定煤分子间通过交联键缠绕在空间以一定 方式排列，形成不同的立体结构。方式排列，形成不同的立体结构。 交联键有化学键、

13、非化学键。交联键有化学键、非化学键。 化学键，化学键， 如桥键如桥键 ； 非化学键，如氢键、电子给予非化学键，如氢键、电子给予-接受键和接受键和 范德华力等。范德华力等。 6.低分子化合物低分子化合物 煤中的低分子化合物主要是指分子量小于煤中的低分子化合物主要是指分子量小于 500的有机化合物。的有机化合物。 煤中低分子化合物的含量随煤化程度的增煤中低分子化合物的含量随煤化程度的增 高而降低。高而降低。 7.不同煤化程度煤的结构差异不同煤化程度煤的结构差异 低煤化程度的煤含有较多的非芳香结构和含氧基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。团，芳香核心较小。 中等变质程度的

14、烟煤（肥煤和焦煤）的含氧基团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和烷基侧链减少，结构单元间的平行定向程度有所 提高。提高。 更高煤化程度的煤向高度缩合的石墨化结构发展，更高煤化程度的煤向高度缩合的石墨化结构发展， 芳香碳芳香碳-碳交联增加，物理上出现各向异性，化学上碳交联增加，物理上出现各向异性，化学上 具有明显的惰性。具有明显的惰性。 综上所述，煤的分子结构可以这样概括：综上所述，煤的分子结构可以这样概括： 煤的分子结构的基本单元是大分子芳香族煤的分子结构的基本单元是大分子芳香族 稠环化合物，也称大分子六碳环平面网格。在稠环化合物，也称大分子六碳环平面网格。在 大分子稠环