chap 7 煤的物理性质和物化性质

1、第四部分第四部分 煤的性质煤的性质第七章第七章 煤的物理性质和物理化学煤的物理性质和物理化学性质性质第七章第七章 煤的物理性质和物理化学性质煤的物理性质和物理化学性质 煤的密度（煤的密度（真密度、视密度、堆积密度真密度、视密度、堆积密度） 煤的机械性质（煤的机械性质（硬度、可磨性硬度、可磨性） 煤的热性质（煤的热性质（比热、导热性、热稳定性比热、导热性、热稳定性） 煤的电性质（煤的电性质（介电常数介电常数、导电性导电性） 煤的光学性质（煤的光学性质（折射率和透光率折射率和透光率） 煤的磁性质煤的磁性质 煤的润湿性煤的润湿性 煤的孔隙度和比表面积煤的孔隙度和比表面积 第一节第一节 煤的密度煤的密

2、度1. 真(相对)密度 true relative density, TRD (真比重) 1.1 真(相对)密度的概念：20时，单位体积煤的质量煤的体积: 不包括煤的所有孔隙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： 纯煤真密度的计算公式纯煤真密度的计算公式式中：dA灰的平均真密度，无数据时可取为3.0g/cm3； Ad干燥基灰

3、分产率，。 有时用下式估算纯煤的真密度： (TRD)dafTRD0.01 Ad， dAdAdafTRD100)100(TRD(TRD)AdAd1.4 影响煤真密度的因素影响煤真密度的因素 影响煤真密度的因素有煤岩组成、矿物质、煤化程度等。 惰质组的密度最大，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。褐煤0.81.35；烟煤1.251.50；无烟煤1.31.9第一节第一节 煤的密度煤的密度煤化程度对煤的真密度的影响煤化程度对煤的真密度的影响 从低煤化度开始，随煤化

4、程度的提高，煤的真密度缓慢减小，到碳含量为8689之间的中等煤化程度时，煤的真密度最低，约为1.30g/cm3左右，此后，煤化程度再提高，煤的真密度急剧提高到1.90g/cm3左右。 煤真密度随煤化程度的变化是煤分子结构变化和化学煤真密度随煤化程度的变化是煤分子结构变化和化学组成变化的宏观表现。从化学结构的角度看，煤的真密度组成变化的宏观表现。从化学结构的角度看，煤的真密度反映了煤分子结构的紧密程度和化学组成的特点。反映了煤分子结构的紧密程度和化学组成的特点。煤化程度对煤的真密度的影响煤化程度对煤的真密度的影响原因：原因： 煤结构的变化；煤结构的变化； 化学（元素）化学（元素）组成的变化。组成

5、的变化。2 2 煤的视煤的视( (相对相对) )密度密度 （apparent relative density, apparent relative density, ARD ARD ）2.1 2.1 视密度的概念：视密度的概念： 20时，单位体积煤的质量。 煤的体积仅包括煤粒的内部孔隙。煤的体积仅包括煤粒的内部孔隙。2.2 2.2 视密度的用途视密度的用途煤的视密度可用于计算煤的埋藏量。煤的视密度可用于计算煤的埋藏量。计算煤的孔隙率计算煤的孔隙率， TRDARDTRD 孔隙度第一节第一节 煤的密度煤的密度3 3 . 煤的堆密度煤的堆密度(bulk relative density， BRD)

6、3.1 煤的堆积密度：20时，单位体积煤的质量。 煤的体积煤的体积包括煤的内外孔隙和煤粒间的空隙。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。3.2 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。 第一节第一节 煤的密度煤的密度第二节第二节 煤的机械性质煤的机械性质 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

7、碎、燃烧、气化和成型等，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。等工艺过程有实用意义。1. 煤的硬度煤的硬度 刻划硬度刻划硬度显微硬度显微硬度1.1 1.1 煤的刻划硬度煤的刻划硬度 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，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，煤的硬度一般为根据莫氏硬度的划分，煤的硬度一般为14。煤的硬度与煤。煤的硬度与煤化程度有关，中等煤化程度的焦煤，硬度较小，约为化程度有关，中等煤化程度的焦煤

8、，硬度较小，约为22.5，随，随着煤化程度的提高，硬度增加，无烟煤的硬度最大，约为着煤化程度的提高，硬度增加，无烟煤的硬度最大，约为4左右。左右。 同一煤化程度的煤，惰质组的硬度最大，稳定组最小，镜质同一煤化程度的煤，惰质组的硬度最大，稳定组最小，镜质组居中。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。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。 煤的刻划硬度煤的刻划硬度表表43 标准矿物的莫氏硬度标准矿物的莫氏硬度矿矿 物物硬度级别硬度级别矿矿 物物硬度级别硬度级别滑滑 石石1长长 石石6石石 膏膏2石石 英英7方解石方解石3黄黄 晶晶8氟氟 石石4刚刚 玉玉9

9、磷灰石磷灰石5金刚石金刚石101.2 煤的煤的显微硬度显微硬度 显微硬度属于压入硬度的一种。一般采用特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殊形状（如角锥形、圆锥形等）而又非常坚硬的压入器，施加器，施加一定的压力一定的压力，使压入器压入到样品表面，形，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，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：即可计算出显微硬度值： 1.2 1.2 煤的显微硬度煤的显微硬度2

10、22sindPH 式中式中 H显微硬度，显微硬度，MPa； P加在压入器上的负荷，加在压入器上的负荷，N； d压痕对角线长度，压痕对角线长度，mm； 方形棱锥体两相对锥面的夹角，一般为方形棱锥体两相对锥面的夹角，一般为136 。 显微硬度随煤化程度的变化显微硬度随煤化程度的变化 从褐煤开始，显微硬度从褐煤开始，显微硬度随煤化程度提高而上升，在随煤化程度提高而上升，在碳含量为碳含量为75 % 80 %(长焰长焰煤、气煤煤、气煤)之间有一个极大值；之间有一个极大值；此后，显微硬度随煤化程度此后，显微硬度随煤化程度提高而下降，提高而下降，在碳含量达到在碳含量达到85%左右最低左右最低；煤化程度再；煤

11、化程度再提高，显微硬度又开始上升，提高，显微硬度又开始上升，到无烟煤阶段，显微硬度几到无烟煤阶段，显微硬度几乎随煤化程度提高而直线增乎随煤化程度提高而直线增加。加。 1.3 1.3 煤的可磨性煤的可磨性 煤的可磨性是指煤磨碎成粉的难易程度。煤的可磨性是指煤磨碎成粉的难易程度。目前，国际上普遍采用目前，国际上普遍采用哈德葛罗夫法哈德葛罗夫法评定煤评定煤的可磨性的可磨性(Hardgrove grindability index , HGI )。 将标准煤烟煤可磨件指数定为100。实测的煤的可磨性指数越大则容易粉碎，反之则较难粉碎 在实验室中测定煤可磨性有不同的方法。中国国家标准(GB2565)和国

12、际标准(ISO5074)规定用哈德格罗夫法测定。煤的可磨性煤的可磨性 哈德格罗夫的要点是哈德格罗夫的要点是: :称取称取0.63-1.25mm0.63-1.25mm的煤样的煤样50g50g，放在内装放在内装8 8个钢球的哈氏可磨仪中，研磨环以个钢球的哈氏可磨仪中，研磨环以20201r/min1r/min转转3min3min后，过后，过0.071mm(2000.071mm(200目）筛子，由目）筛子，由筛上煤样量计算可磨性指数筛上煤样量计算可磨性指数HGIHGI： HGI=13+6.93(m-m1)HGI=13+6.93(m-m1) 式中，式中，m m：煤样总质量；：煤样总质量； m1 m1：2

13、00200目筛上煤样质量。目筛上煤样质量。煤的可磨性煤的可磨性可磨性与煤化程度的关系 在低煤化度阶在低煤化度阶段，随煤化程度的段，随煤化程度的增加，煤的可磨性增加，煤的可磨性缓慢增加，在碳含缓慢增加，在碳含量为量为87%87%90%90%时，可磨性迅速增时，可磨性迅速增大 ，大 ， 在 碳 含 量 为在 碳 含 量 为90%90%左右达到最大左右达到最大值，值，此后随煤化程此后随煤化程度的进一步提高而度的进一步提高而迅速下降。迅速下降。 HGI,%第三节第三节 煤的热性质煤的热性质 煤的热性质比热，导热性，热稳定性煤的热性质比热，导热性，热稳定性 1 1、热稳定性、热稳定性 煤的热稳定性的概念

14、：煤的热稳定性的概念： 煤的热稳定性是块煤在煤的热稳定性是块煤在高温下保持原来粒度的能力，用高温下保持原来粒度的能力，用TS（Thermal Stability）表示。）表示。 热稳定性的用途：固定床燃烧或气化用燃煤的重热稳定性的用途：固定床燃烧或气化用燃煤的重要指标。要指标。第三节第三节 煤的热性质煤的热性质 热稳定性的测定热稳定性的测定（GB/T 1573-2001 ） 取取613mm的煤样在的煤样在850下加热并保温下加热并保温15min，取出冷却后用，取出冷却后用6mm的筛子筛分（往复式振动的筛子筛分（往复式振动筛），计算筛上物质量占焦渣总质量的百分数，用筛），计算筛上物质量占焦渣总质

15、量的百分数，用TS+6表示，表示，TS+6值越大，则煤的热稳定性越好。一般值越大，则煤的热稳定性越好。一般褐煤的热稳定性最差，其次是无烟煤，烟煤则较好。褐煤的热稳定性最差，其次是无烟煤，烟煤则较好。 2 2、煤的比热容、煤的比热容( (Specific Heat Capacity) ) 单位质量的煤温度升高单位质量的煤温度升高1K1K所需的热量称为煤的所需的热量称为煤的质量热容，室温下煤的质量热容为质量热容，室温下煤的质量热容为1.00-11.00-126kJ26kJ(kg(kgK)K)。煤的质量热容因煤化度、水分、灰分及温。煤的质量热容因煤化度、水分、灰分及温度而变化。度而变化。350前随温

16、度的增加而增加；350后随温度的增加而降低Specific heat as a function of pyrolysis temperature第四节第四节 煤的电性质煤的电性质 导电性和介电常数导电性和介电常数1、煤的导电性、煤的导电性1.1 煤的导电性的概念煤的导电性的概念 煤的导电性是指煤传导电流的能力。导电性常用电阻率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（即比电阻m）或导电率）或导电率 （电阻率的倒数）表示。导电率（电阻率的倒数）表示。导电率越大，煤的导电能力越强。越大，煤的导电能力越强。 煤的导电有离子导电和电子导电两种形式，无烟煤以电煤的导电有离子导电和电

17、子导电两种形式，无烟煤以电子导电为主，褐煤是离子导电为主。子导电为主，褐煤是离子导电为主。 1、煤的导电性、煤的导电性1.2 煤导电性的随煤化程度的变化煤导电性的随煤化程度的变化规律规律 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（高阶无烟煤）的范围。第四节第四节 煤的电性质煤的电性质 2、煤的介电常数、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

18、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。(81.5)第四节第四节 煤的电性质煤的电性质 第五节第五节 煤的光学性质煤的光学性质 煤的光学性质主要有可见光照射煤的光学性质主要有可见光照射下的下的反射率反射率、折射率和透光率。、折射率和透光率。第五节第五节 煤的光学性质煤的光学性质 煤的透光率是指煤样与混合酸(硝酸：磷酸

19、：水1：1：9)在100的温度下加热90min后产生的有色溶一定波长(475nm)的光透过的百分率。 实际操作中是根据溶液颜色的深浅，以不同浓度的重铬酸钾硫酸溶液作为标准溶液、用目视比色法来测定煤样的透光率。 褐煤与稀硝酸反应后产生红棕色的溶液、其透光率低，M50：多数低煤化度褐煤的M30，高煤化度褐煤M为30-50； 长焰煤与稀硝酸反应后产生浅黄色至黄色溶液，M50；气煤的M90； 肥煤至贫煤及无烟煤与稀硝酸反应均生成无色溶液，透光率为100。 煤的透光率是区分褐煤与长焰煤的重要指标。第五节第五节 煤的光学性质煤的光学性质 PM的用途的用途 ：年轻煤煤化程度指标，用于分类。：年轻煤煤化程度指

20、标，用于分类。 2、煤的折射率、煤的折射率 根据煤在空气和雪松油两种介质中所测出的入射光的反射率，可以用上述方程联立求解出煤的折射率和吸收率。煤的镜质组折射率与煤化度的关系如图所示。 折射率随煤化度的提高而增加，当碳含量高于85时增加的幅度较大。 2、煤的折射率、煤的折射率褐煤在光学上是各向同性的，随着煤化度的增加由烟煤向无烟煤阶段过渡，煤的各向异性越趋明显。反射率的变化规律与折射率的变化一样，都是由煤质内部结构决定的。即随煤化度的提高，在平行或垂直于芳香层片的两个方向上光学性质出现了异性现象。 2、煤的折射率、煤的折射率第六节 煤的磁性质 煤的有机质一般具有抗磁性，即在外磁场的作用下产生的附

21、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。 将物质放入磁场将比现两种情况，与磁场相吸或相斥相吸叫顺磁性，相斥叫抗磁性。具顺磁性的物质叫顺磁质，具抗磁性的物质叫抗磁质顺磁性特大的物质具强磁件，称为铁磁性物质。第六节第六节 煤的磁性质煤的磁性质研究表明研究表明: :大部分煤均具有抗磁性。煤的比磁化率与煤大部分煤均具有抗磁性。煤的比磁化率与煤化度的关系如图。化度的关系如图。第六节第六节 煤的磁性质煤的磁性质 煤的比磁化率随煤化程度的提

22、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。 第七节第七节 煤的润湿性煤的润湿性 1、 煤的润湿性煤的润湿性 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，则固体可被液体润湿，反之，则不能润湿。 通常采用接触角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。第七节第七节

23、煤的润湿性煤的润湿性 g-sg-ll-s2、 煤的润湿性的随煤化程度变化规律对水而言对水而言：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。 第七节 煤的润湿性 3、 煤的润湿热 3.1 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

24、。 3.2 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。 第七节 煤的润湿性 3.3 润湿热的影响因素润湿热的影响因素 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，煤的润湿热大致要与比表面积有关。试验表明，煤的润湿热大致为为0.390.42J/m0.390.42J/m2 2。利用润湿热可以大致估计煤的。利用润湿热可以大致估计煤的比表面积，但不准确。比表面积，但不

25、准确。 第七节 煤的润湿性 3、 煤的润湿热 第八节第八节 煤的孔隙率和比表面积煤的孔隙率和比表面积1、 煤的孔隙率（煤的孔隙率（porosity ）：煤内部孔隙的体积）：煤内部孔隙的体积占煤的整个体积的百分数，称为孔隙率。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，分别用小将其划分为大孔、中孔和微孔，分别用Vmac、Vmes和和Vmic表示，总孔容用表示，总孔容用Vt表示。孔径表示。孔径 的划分如的划分如下表所示：下表所示： 第八节 煤的孔隙度和比表面积孔类型孔类型孔径孔径 ( (nm) )大

26、孔大孔( (macropore) )中孔中孔( (mesopore) )微孔微孔( (micropore) )50502 2505022煤的孔隙率随煤化程度的变化规律。煤的孔隙率随煤化程度的变化规律。煤的孔径分布煤的孔径分布 煤中的孔分布有一定的规律：煤中的孔分布有一定的规律：C Cdafdaf7575的褐煤大孔占优势，的褐煤大孔占优势，过渡孔基本没有；过渡孔基本没有；C Cdafdaf为为75758282的煤，过渡孔持别发达，的煤，过渡孔持别发达，孔隙总体积主要由过渡孔和微孔所决定；孔隙总体积主要由过渡孔和微孔所决定；C Cdafdaf为为8888一一9191的的煤微孔占优势，其体积占总体积

27、的煤微孔占优势，其体积占总体积的7070以上，过渡孔一般很以上，过渡孔一般很少。可见少。可见, ,随煤化度的提高，煤的孔径渐小，且孔体积中微孔随煤化度的提高，煤的孔径渐小，且孔体积中微孔所占的比例渐大，反映了煤的物理结构渐趋紧密化。所占的比例渐大，反映了煤的物理结构渐趋紧密化。2、煤的比表面积（、煤的比表面积（specific area ）：）： 单位质量的煤内部孔隙的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煤比表面积最简单的方法是甲醇润湿热法甲醇润湿热法，这一方法误差，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，较大，已不再使用，现在多用吸附法测定煤的比表面积，常用的吸附介质是氮、氦、氪、氙和二氧化碳。吸附介质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，见表不同时，测定结果差别很大，见表47。从孔的可接近性从孔的可接近性和扩散活化能来看，多数人认为和扩散活化能来看，多数人认为-78下用二氧化碳测定下用二氧化碳测定的结果较为可靠。的结果较为可靠。第八节 煤的孔隙度和比表面积纯煤真密度的计算公式纯煤真密度的计算公式式中：式中：dA灰的平均真密度，无数