《煤化学》PPT课件

1、“煤化学”与煤炭利用的关系？（1 ）煤的用途与其组成、性质密切相关；（2）煤的组成、性质与其结构密切相关；（3）煤的结构与生成过程有关。 煤化学的主要内容就是研究煤的“生成”、“结构”、“组成”和“性质”。学习煤化学的目的就是在煤化学理论的指导下对煤炭进行高效加工利用。第一节 成煤物质1、煤是由植物形成的 煤是由植物遗体经过生物化学作用和物理化学作用演变而成的沉积有机岩。 1.1 植物的演化及种类 按进化论的观点，植物是由低级向高级逐步演化的，植物界传统划分为四大类：藻菌植物、苔藓植物、蕨类植物和种子植物，或将第一种称为低等植物，后三种称为高等植物。前三种又称为孢子植物，就是植物用孢子繁殖。而

2、种子植物则能产生种子，用种子繁殖。低等植物与高等植物的组成差别较大，且对成煤的性质有较大影响。1.2 低等植物和高等植物的特点 低等植物：包括菌类和藻类，是由单细胞和多细胞构成的丝状体或叶状体植物，没有根、茎、叶等器官的分化。如：海带、地衣、蘑菇等。 高等植物：包括苔藓、蕨类、裸子植物和被子植物。进化论认为，高等植物由低等植物长期进化而来，构造复杂，有根、茎、叶的区别。如：华南毛蕨、松树等。1.3 植物演化史和主要聚煤期 植物演化史：见教材P6。 我国主要聚煤期：新 生 代 新近纪-古近纪（约0.240.65亿年）中 生 代 晚侏罗世-早白垩世（约1.44亿年） 早、中侏罗世（约2.03亿年）

3、 晚三叠世（约2.5亿年）晚古生代 晚二叠世（约3亿年） 晚石炭世-早二叠世（约33.54亿年） 早石炭世（约3.54亿年）早古生代 早寒武世（约5.45亿年） 1.4 植物的主要化学组成 （1）碳水化合物（包括纤维素、半纤维素及果胶质 ）（2）木质素（3）蛋白质（4）脂类化合物包括纤维素、半纤维素及果胶质。 纤维素：是构成植物细胞壁的主要成分。纤维素的分子式是(C6H10O5)n，具长链状结构，其分子量约为100万200万。纤维素一般不溶于水，在溶液中能生成胶体，容易水解。在活的植物中，纤维素对于微生物的作用很稳定，但当植物死亡后，在氧化性条件下，易受微生物作用而分解成CO2、CH4和水。在

4、泥炭沼泽的酸性介质中，纤维素可以分解为纤维二糖和葡萄糖等简单化合物。 半纤维素：的化学组成和性质与纤维素相近，但比纤维素更易分解或水解为糖类和酸。 果胶：糖的衍生物，呈果冻状。在生物化学作用下，水解成一系列单糖和糖醛酸。 1.4.1 碳水化合物 1.4.2 木质素 木质素也是植物细胞壁的主要成分，常分布在植物根、茎部的细胞壁中。木本植物的木质素含量高，木质素是具有苯基丙烷芳香结构的高分子聚合物，含甲氧基、羟基等官能团。木质素的单体以不同的链连接成三度空间的大分子，比纤维素稳定，不易水解，易于保存下来。在泥炭沼泽中，在水和微生物作用下发生分解，与其他化合物共同作用生成腐植酸类物质，这些物质最终转

5、化成为煤。所以木质素是植物转变为煤的原始物质中最重要的有机组分。 木质素，其组成因植物的种类不同而异，见图。1.4.3 脂类化合物 脂类化合物是指不溶于水而溶于醚、苯、氯仿等有机溶剂的有机化合物。在植物中脂类化合物主要有以下几种。 脂肪：属于长链脂肪酸的甘油酯。高等植物中含量少(1-2%)，低等植物含量高(20%左右)。在生化作用下在酸性或碱性溶液中分解生成脂肪酸和甘油，参与成煤作用。 蜡质：主要是长链脂肪酸与含有2426个碳原子的高级一元醇形成的脂类，化学性质稳定，不易受细菌分解。 树脂: 树脂是植物生长过程中的分泌物，当植物受伤时，胶状的树脂不断分泌出来保护伤口。针状植物含树脂较多，低等植

6、物不含树脂。树脂不溶于有机酸，不易氧化，微生物也不能破坏它，因此能很好地保存在煤中。角质和木栓质、孢粉质：化学性质十分稳定，不溶于有机酸，微生物也难以作用，在成煤过程中能保存下来。 1.4.4 蛋白质 蛋白质：由若干个氨基酸结合而形成的结构复杂的高分子。由于含羧基和羟基，蛋白质具有酸性和碱性官能团，强烈亲水性胶体。 高等植物中蛋白质含量少；低等植物中蛋白质含量高。 植物死亡后，完全氧化条件下，蛋白质完全分解为气态物质；在泥炭沼泽和湖泊的水中，蛋白质分解成氨基酸、喹啉等含氮化合物，参与成煤作用，但对煤的性质没有决定性的影响。 煤中硫、氮元素的来源之一。1.4.5 不同植物化学组成的差异性植 物碳

7、水化合物木 质 素蛋 白 质脂类化合物细 菌绿 藻苔 藓蕨 类草 类松柏及阔叶树122830403050506050706070001020302030203050804050152010155101752010208103551013木本植物的不同部分木质部叶木 栓孢粉质原生质6075656052020302010001825702358253090101.5 煤炭的成因类型 根据形成煤炭的物质基础划分煤炭的类型称为成因类型。主要是：腐植煤、腐泥煤、残植煤。（1）腐植煤： 由高等植物经过成煤过程中复杂的生化和地质变化作用生成。自然界中分布最广，蕴藏量最大。煤化学的主要研究对象。（2） 腐泥煤

8、： 主要由湖沼或浅水海湾中藻类等低等植物形成。储量大大低于腐植煤，工业意义不大。（3） 残植煤： 由高等植物残骸中对生物化学作用最稳定的组分(孢子、角质层、树皮、树脂)富集而成。残植煤在自然界中的储量很少，常呈薄层或透镜体夹在腐植煤中。（4）腐植腐泥煤：由高等植物、低等植物共同形成的煤。第二节 成煤的条件和环境 煤炭的生成，必须有气候、生物、地理、地质等条件的相互配合，才能生成具有工业利用价值的煤炭矿藏。这些条件包括： （1） 大量植物的持续繁殖(生物、气候的影响) （2）植物遗体不能完全氧化适合的堆积场所(沼泽、湖泊等) （3）地质作用的配合（地壳的沉降运动形成上覆岩层和顶底板多煤层）第三节

9、 成煤作用过程 由高等植物转化为腐植煤要经历复杂而漫长的过程，一般需要几千万年到几亿年的时间。整个成煤作用可划分为两个阶段：即泥炭化作用过程和煤化作用。图示如下：煤化程度的概念：在褐煤向烟煤、无烟煤转化的进程中 ，由于地质条件和成煤年代的差异，使煤处于不同的转化阶段。煤的这种转化阶段称为煤化程度，有时称为变质程度，或煤级(Rank)。按煤化程度由低到高依次是：褐煤、烟煤（长焰煤、气煤、肥煤、焦煤、瘦煤、贫煤）、无烟煤。植物泥炭化泥炭成岩作用褐煤变质作用烟煤、无烟煤煤化作用1 泥炭化作用 泥炭化作用的概念：高等植物死亡后，在生物化学作用下，变成泥炭的过程称为泥炭化作用。 在这一阶段，植物首先在微

10、生物作用下，分解和水解为分子量较小的性质活泼的化合物，然后小分子化合物之间相互作用，进一步合成新的较稳定的有机化合物，如腐植酸、沥青质等。植物经泥炭化作用成为泥炭，在两方面发生巨大变化：（1）组织器官（如皮、叶、茎、根等）基本消失，细胞结构遭到不同程度的破坏，变成颗粒细小、含水量极大、呈胶泥状的膏状体泥炭；（2）组成成分发生了很大的变化，如植物中大量存在的纤维素和木质素在泥炭中显著减少，蛋白质消失，而植物中不存在的腐植酸却大量增加，并成为泥炭的最主要的成分之一，通常达到40%以上。表26 植物与泥炭化学组成的比较元素组成，%有机组成，%植物与泥炭CHNO+S纤维素半纤维素木质素蛋白质沥青腐植酸

11、莎草47.205.611.6139.3750.0020305105100木本植物50.156.201.0542.1050.6020.3017130桦川草本泥炭55.876.352.9034.9719.690.7503.5043.58合浦木本泥炭65.466.531.2026.75o.890.390042.88植物变成泥炭后组成的变化2 煤化作用 煤化作用包括成岩作用和变质作用两个连续的过程。2.1 成岩作用 泥炭在沼泽中层层堆积，越积越厚，当地壳下降速度较大时，泥炭将被泥沙等沉积物覆盖。在上覆沉积物的压力作用下，泥炭发生了压紧、失水、胶体老化、固结等一系列变化，微生物的作用逐渐消失，取而代之的

12、是缓慢的物理化学作用。这样，泥炭逐渐变成了较为致密的岩石状的褐煤。 2.2 变质作用 当褐煤层继续沉降到地壳较深处时，上覆岩层压力不断增大，地温不断增高，褐煤中的物理化学作用速度加快，煤的分子结构和组成产生了较大的变化。碳含量明显增加，氧含量迅速减少，腐植酸也迅速减少并很快消失，褐煤逐渐转化成为烟煤。随着煤层沉降深度的加大，压力和温度提高，煤的分子结构继续变化，煤的性质也发生不断的变化，最终变成无烟煤。 变质作用的因素： 促成煤变质作用的主要因素是温度。温度过低（ 镜质组 丝质组第六章 煤的族组成五、煤溶剂萃取的影响因素（4）辅助手段理对煤溶解性的影响超声振荡：在煤-溶剂固液体系中引起的特殊空

13、化作用及附加产生的4 个效应-湍动效应、微扰效应、界面效应、聚能效应，能大大加快传统溶剂萃取的速率并提高过程的收率；微波辐射：经常用来代替加热，因为它能使溶剂快速升温，并且与极性分子的选择性作用而使萃取效率提高。第六章 煤的族组成第七章 煤的物理性质 和物理化学性质 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 第一节 煤的密度1. 真(相对)密度 True Relative Density, TRD (真比重) 1.1 真密度的概念：2

14、0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： 1.4 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。成因类型的影响： 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；第一节 煤的密度1.4 影响煤真密度的因素

15、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。煤岩组成的影响 惰质组的密度最大，镜质组次之，壳质组最低，随煤化程度的提高这种差别减小，到无烟煤阶段趋于一致；第一节 煤的密度1.4 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。矿物质的影响 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；第一节 煤的密度1.4 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。 煤化程度的影响：对煤的真密度影响最大的是煤化程度。 第一节 煤的密度煤化程度对煤的真密度的影响 从低煤化度开始，随煤化程度的提高，煤的真密度缓慢

16、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。壳质组镜质组惰质组煤化程度对煤的真密度的影响 煤真密度随煤化程度的变化是煤分子结构变化的宏观表现。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。其中分子结构的紧密程度是影响煤真密度的关键因素。（1）分子结构的影响（2）化学组成的影响 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（仅包括煤粒的内部孔隙）水的质量之比。2.2 视密度

17、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， 第一节 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。3.2 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 煤的密度第二节 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

18、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1.1 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，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，惰质组的硬度最大，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。 1.2 煤的显微硬度 显微硬度属于压入硬度的一种。一般采用特殊形状

19、（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： 1.2 煤的显微硬度 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136。 P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 %(长焰煤、气煤)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

20、微硬度几乎随煤化程度提高而直线增加。 1.3 煤的可磨性 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。1.3 煤的可磨性 哈特葛罗夫法评定煤可磨性的测定要点是：将美国某矿区的烟煤作为标准煤，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

21、。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。 可磨性与煤化程度的关系 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87%90%时，可磨性迅速增大，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,%第三节 煤的热性质 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

22、重要指标。第三节 煤的热性质 热稳定性的测定要点： 取613mm的煤样在850下加热并保温15min，取出冷却后用6mm的筛子筛分，计算筛上物质量占焦渣总质量的百分数，用TS+6表示，TS+6值越大，则煤的热稳定性越好。一般褐煤的热稳定性最差，其次是无烟煤，烟煤则较好。 第四节 煤的电性质 煤的电性质包括导电性和介电常数。1、煤的导电性1.1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（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，无烟煤以电子导电为主，褐煤是离子导电为主。 1、煤的

23、导电性1.2 煤导电性的随煤化程度的变化规律 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;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。第四节 煤的电性质 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

24、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。第四节 煤的电性质 第五节 煤的光学性质 煤的光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。 第五节 煤的光学性质 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

25、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。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。 第六节 煤的磁性质 煤的比磁化率随煤化程度的提高而直线增加，

26、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 煤的润湿性 1、 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 煤的润湿性 g-sg-sl-s2、 煤的润湿性的随煤化

27、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。 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

28、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 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的比表面积，但不准确。 第七节 煤的润湿性 3、 煤的润湿热 第八节 煤的孔隙率和比表面积1、 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

29、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： 第八节 煤的孔隙度和比表面积孔类型孔径 (nm)大孔(macropore)中孔(mesopore)微孔(micropore)5025014.6kJ/g，或St, ad 4%。硝酸生成热校正系数。试验证明，与Qb, ad 有关，取值如下： Qb, ad 16.7kJ/g时，=0.0010 16.7kJ/g 25.10 kJ/g时，=0.0016第一节 煤的发热量六、对水不同状态热效应的校正恒容低位发热量 从恒容高位发热量中扣除水（煤中的吸附水和氢燃烧生成的水）的汽化热，称为恒容低位发热量，简

30、称低位发热量，用符号Qnet, v, ad表示，计算公式如下：Qnet, v, ad = Qgr, v, ad206Had23Mad 式中：Qnet, v, ad空气干燥基的恒容低位发热量，J/g；Mad煤样的空气干燥基水分，%；2060.01g氢生成的水的汽化热，J；230.01g吸附水的汽化热，J。第一节 煤的发热量七、恒湿无灰基高位发热量 恒湿无灰基是指煤样含有最高内在水分但不含灰分的一种假想状态，这时煤样中只含有可燃质和最高内在水分。煤的恒湿无灰基高位发热量不能直接测定，需用空气干燥基的高位发热量进行换算，公式如下：式中： Qgr, maf 恒湿无灰基高位发热量，kJ/g； MHC煤样

31、的最高内在水分，%。第一节 煤的发热量八、发热量基准换算发热量基准换算的目的换算公式（1）弹筒发热量和高位发热量的基准换算公式第一节 煤的发热量八、发热量基准换算成因类型的影响 ：腐泥煤、残植煤 和腐植煤 煤岩组成的影响 ：镜质组、稳定组、丝质组 矿物质的影响：矿物质分解吸热、矿物质不发热 风化的影响 ：氧含量增加、灰分增加 煤化程度的影响：元素组成的变化 第一节 煤的发热量九、影响煤发热量的因素 煤的发热量是煤质特性的综合指标，许多因素对煤的发热量有不同程度的影响。 第二节 煤的热解和粘结成焦性质一 、煤的热解概念煤在隔绝空气的条件下进行加热，发生一系列的物理变化和化学反应，生成气体(煤气)

32、、液体(焦油)、固体(半焦或焦炭)的过程，称为煤的热解(pyrolysis)、干馏或炭化(carbonization)。热解分类 按热解终温 低温干馏(500-600)以液体产物为目标 中温干馏(700-800)制取燃料煤气 高温干馏(950-1050)炼焦第二节 煤的热解和粘结成焦性质二 、煤热解过程主要的反应类型 煤的热解中的裂解反应 一次热解产物的二次热解反应 煤热解中的缩聚反应 第二节 煤的热解和粘结成焦性质二 、煤热解过程主要的反应类型 煤的热解中的裂解反应结构单元之间的桥键断裂生成自由基碎片；脂肪侧链受热易裂解，生成气态烃，如：CH4C2H6等；含氧官能团的裂解，含氧官能团的热稳定

33、性顺序为： OH C=O COOH OCH3。 煤中低分子化合物的裂解，是以脂肪化合物为主的低分子化合物，其受热后，可分解成挥发性产物。 第二节 煤的热解和粘结成焦性质二 、煤热解过程主要的反应类型一次热解产物的二次热解反应 C2H6 C2H4H2 裂解反应，如 脱氢反应 ，如 加氢反应 ，如 缩合反应 ，如第二节 煤的热解和粘结成焦性质二 、煤热解过程主要的反应类型煤热解中的缩聚反应 胶质体固化过程的缩聚反应，主要是在热解生成的自由基之间的缩聚，其结果生成半焦。半焦分解，残留物之间缩聚，生成焦炭。缩聚反应是芳香结构脱氢。第二节 煤的热解和粘结成焦性质三、粘结性烟煤热解过程（1）干燥脱吸阶段（

34、室温300）（2）胶质体的生成和固化阶段（300550） （3）半焦转化为焦炭的阶段第二节 煤的热解和粘结成焦性质三、粘结性烟煤热解过程（1）干燥脱吸阶段（室温300） 120：煤炭脱水、干燥 120200：解吸，脱除吸附的CH4、CO、CO2等气体。 300：低变质程度的煤开始热解，生成CO2、CO等，生成放出热解水和微量的焦油。qa第二节 煤的热解和粘结成焦性质三、粘结性烟煤热解过程（2）胶质体的生成和固化阶段（300550） 300480：煤分解、解聚，析出大量焦油和气体 其中：在450左右的温度区间，焦油的析出量最大。在该阶段由于热解，生成了气(煤气和呈气态的焦油)、液、固(未分解的煤

35、)三相共存的物质，称为胶质体。 450550(600)胶质体固化成为半焦：胶质体分解加速，开始缩聚，生成分子量很大的物质，胶质体固化为半焦。 第二节 煤的热解和粘结成焦性质三、烟煤热解过程（3）半焦转化为焦炭的阶段 （550 1000 ） 该阶段以缩聚反应为主，由半焦转化为焦炭。550750，半焦分解析出大量的气体，主要是H2和少量的CH4，成为热解的二次气体。半焦分解释放出大量气体后，体积收缩产生裂纹。在此阶段基本上不产生焦油。 7501000，半焦进一步分解，继续析出少量气体，主要是H2，同时半焦发生缩聚，使芳香碳网不大增大，结构单元的排列有序化进一步增强，最后半焦转化成为焦炭。第二节 煤

36、的热解和粘结成焦性质四、非粘结性煤热解过程 煤化程度低的非粘结性煤如褐煤、长焰煤等，其热解过程与烟煤大体类似，同样有分解、裂解和缩聚等反应发生，生成大量气体和焦油，只是在热解过程中没有胶质体生成，不会产生熔融、膨胀等现象，热解前后煤粒仍然呈分离状态，不会粘结成块。煤化程度高的非粘结性煤，如贫煤、无烟煤，其热解过程较为简单，以裂解为主，释放出少量的热解气体，其中热值高的烃类如甲烷含量较低，氢含量则较高，煤气热值相对较低。第二节 煤的热解和粘结成焦性质五、煤热解产生胶质体的性质 胶质体的概念胶质体的热稳定性（温度间隔 ）胶质体的透气性胶质体的流动性胶质体的膨胀性第二节 煤的热解和粘结成焦性质六、煤

37、粘结性的评定方法（一）粘结性和结焦性的概念定义：煤的粘结性是指烟煤在干馏时产生的胶质体粘结自身和/或惰性物料的能力。煤的结焦性是指单种煤或配合煤在工业焦炉或模拟工业焦炉的炼焦条件下（一定的升温速度、加热终温等），粘结成块并最终形成具有一定块度和强度的焦炭的能力。研究煤的粘结性和结焦性的意义： 煤的粘结性是评价烟煤能否用于炼焦的主要依据，也是评价低温干馏、气化、或动力用煤的重要依据。第二节 煤的热解和粘结成焦性质六、煤粘结性的评定方法（二）罗加指数R.I. 测定：称取1g煤样与5g标准无烟煤放入特制坩埚内搅拌均匀并铺平，放上钢质砝码，在6kg负荷下压实30秒，加盖，连同砝码一起放入已预热至850

38、的马弗炉灼烧15分钟，取出，冷却后称量焦渣总质量为m0，用孔径为1mm的圆孔筛筛分，称量筛上物质量为m，然后进行每次5分钟的转鼓转磨（转鼓转速为502rpm），共3次，每次转磨结束后将焦渣用1mm圆孔筛筛分，并称量筛上物质量，分别得到m1、m2和m3。 计算：罗加指数RI用下式进行计算：第二节 煤的热解和粘结成焦性质六、煤粘结性的评定方法（二）罗加指数R.I. 优缺点优点：罗加指数法具有明显的优点，表现在设备简单快速、所需试验煤样少、它不但能反映煤的粘结能力还能在一定程度上反映焦炭的强度。 缺点：但罗加指数也有缺点，如加热速度远远高于工业炼焦的加热速度，使粘结性测值偏高，对强粘结性煤区分能力差

39、，对弱粘结性煤的重现性差，不同的标准无烟煤导致测定结果的不一致，使得各国间的测值不具可比性。适用性：中等粘结性的煤六、煤粘结性的评定方法（三）粘结指数GR.I. 1、来历：针对罗加指数的缺点改进而来的。 2、测定要点：原理和仪器与罗加指数法完全相同。标准无烟煤、配比、测定步骤等有不少变化和改进。第二节 煤的热解和粘结成焦性质六、煤粘结性的评定方法（三）粘结指数GR.I. 3、改进点及优点：（1）将标准无烟煤的粒度降为0.10.2mm，一方面与试验煤样粒度接近，可防止发生煤样粒度偏析，影响测定结果，另一方面，降低无烟煤粒度，可增加其吸纳胶质体的能力，有利于提高对强粘结性煤的区分能力；（2）根据煤

40、样的粘结性强弱灵活改变配比，粘结性较强的煤用1:5的比例，粘结性较弱的煤用3:3的比例，可以提高强粘结性煤的区分能力和弱粘结性煤的测定准确性和重现性；（3）转鼓试验由3次改为2次，提高了测定效率。结果计算公式：第二节 煤的热解和粘结成焦性质六、煤粘结性的评定方法（四）胶质层指数Y 1、测定要点是：将煤样装入特制的煤杯中，并在上面加一可移动压盘，压盘通过杠杆和重锤相连，使压盘对煤样产生0.1MPa的压力。然后模拟煤样在焦炉中的受热过程，以3/min的升温速度从煤杯底部单侧加热，使煤杯中的煤样形成一系列温度不同的等温层。等温层的温度从上到下依次递增。当温度升到煤的软化点时，煤开始软化形成具有塑性的

41、胶质体，当温度升到固化温度时，胶质体开始固化形成半焦。这样，煤杯中的煤样就逐层软化、熔融再固化。在试验过程中要用特制的探针定时测量胶质层的厚度，以胶质层最大厚度作为Y值。 第二节 煤的热解和粘结成焦性质a第二节 煤的热解和粘结成焦性质六、煤粘结性的评定方法（四）胶质层指数Y 2、胶质层指数测定得到的体积曲线。 优点：其优点是Y值具有可加性。 缺点：（1）胶质层厚度只能反映胶质体的数量，不能反映胶质体的质量；（2）测定过程的规范性强，影响测定结果的因素多；（3）测定时所需煤样量大； （4）对弱粘煤(Y7 mm)和胶质体流动性大的煤(Y25 mm)测定的精度差、重现性差。适用性：胶质层指数法较适合

42、于中等粘结性的煤，第二节 煤的热解和粘结成焦性质六、煤粘结性的评定方法（四）胶质层指数Y 3、胶质层指数之优缺点 测定要点：将煤样按规定方法制成形状和大小类似于粉笔的煤笔，放入专用膨胀管内，煤笔上部放置一根能自由滑动的膨胀杆。将上述装置放入专用电炉后，在膨胀杆上端连接一枝记录笔，记录笔与卷在匀速转动的转筒上的记录纸相接触，以3/min的升温速度加热，在记录纸上就记录下膨胀杆上下移动的位移曲线。测量并计算位移的最大距离占煤笔原始长度的百分数，作为煤样的膨胀度，即奥亚膨胀度指标（b） 。第二节 煤的热解和粘结成焦性质六、煤粘结性的评定方法（五）奥亚膨胀度b第二节 煤的热解和粘结成焦性质六、煤粘结性

43、的评定方法（五）奥亚膨胀度b仪器（五）奥亚膨胀度b 膨胀管第二节 煤的热解和粘结成焦性质六、煤粘结性的评定方法（五）奥亚膨胀度b 体积曲线第二节 煤的热解和粘结成焦性质六、煤粘结性的评定方法（五）奥亚膨胀度b 优缺点 优点：奥亚膨胀度对中、强粘结性煤的区分能力强，对强粘结性煤，区分能力好于Y值，测定时人为误差小，结果重现性好。 缺点：对弱粘结性煤区分能力差，以及实验仪器加工精度要求高，规范性太强。 适用性：强粘结性煤第三节 煤炭气化与燃烧的工艺性质 与煤炭气化、燃烧有关的工艺性质，主要包括煤的发热量、煤与气化介质的反应活性、煤的着火点、煤的机械强度、煤灰性质（灰熔点，结渣性和灰粘度）、煤的热稳

44、定性等。这里主要介绍煤的机械强度、二氧化碳反应性。 一、概述第三节 煤炭气化与燃烧的工艺性质 煤的机械强度的意义测定要点：煤的机械强度测定方法是取粒度为60100mm的煤块25kg，放在带有活动底板的铁箱中。在地面上放置一块厚度20mm的钢板，在其上方将装有煤块的铁箱升高到2m的高度，然后打开活门使煤块跌落到钢板上。用2525的筛子过筛，然后将筛上物重新按上法作跌落试验并筛分，再将筛上物依上法跌落并筛分。将大于25mm的块煤称重，计算它占原始煤块重量的百分数，这就是煤炭的机械强度。二、煤的机械强度 1、煤的反应性的定义：是指在一定温度条件下，煤炭与不同气体介质（CO2、O2、H2O等）相互作用

45、的反应能力。 2、测定要点：煤炭反应性的表示方法很多，如用活化能、反应速度、反应物分解率等。比较简便准确的方法是CO2还原率（分解率）。CO2还原率测定方法要点是：先将煤进行干馏，取一定粒级的焦渣装入特制的刚玉反应管中，通入CO2气在一定温度下反应，取反应后气体分析其中的CO2浓度，根据公式计算出CO2还原率。第三节 煤炭气化与燃烧的工艺性质 三、煤的反应性 第三节 煤炭气化与燃烧的工艺性质 三、煤的反应性 3、煤的反应性的影响因素 煤炭反应性与煤化程度、煤中的矿物质等因素有关。煤化程度高，煤的反应性低，煤灰中钾、钠、钙等含量高，由于它们对反应过程有催化作用，使煤的反应性就高。 煤炭反应性与煤

46、化程度关系4 煤灰成分4.1 煤灰中的元素 煤灰中的元素有几十种，地球上所有天然存在的元素几乎在煤灰中均可发现，但常见的只有硅、铝、铁、钙、镁、钛、钾、钠、硫、磷等，在一般的灰成分测定中也只分析这几种。第四节 煤炭气化与燃烧的工艺性质4.2 煤灰成分的表示方法 煤灰化学组成十分复杂，很难测定其中的化合物，一般用主要元素的氧化物形式表示，如SiO2、Al2O3、CaO、MgO、Fe2O3、TiO2、K2O、Na2O、SO3、P2O5。其中，最主要的是SiO2、Al2O3、CaO、MgO、Fe2O3几种。灰分中各成分的含量取决于原始的矿物组成。 第四节 煤炭气化与燃烧的工艺性质5、煤灰熔融性 煤灰

47、熔融性是指煤灰在高温条件下软化、熔融、流动时的温度特性。通常，煤灰熔融性采用角锥法进行测定，即将煤灰制成三棱锥形状的灰锥，放入高温炉，在一定气氛下加热，观察在加热过程中灰锥的变形情况，依此确定煤灰熔融性。如下图所示。第四节 煤炭气化与燃烧的工艺性质5.1 煤灰熔融性的表示： 变形温度(Deformation temperature, DT)煤灰锥体尖端开始弯曲或变圆时的温度。 软化温度(Softening temperature, ST)煤灰锥体弯曲至锥尖触及底板变成球形或半球形时的温度。 半球温度(Half ball temperature, HT)试样形变至近似半球形，即高等于底长的一半时

48、的温度。 流动温度(Flow temperature, FT)煤灰锥体完全熔化展开成高度小于1.5 mm薄层时的温度。 一般以煤灰软化的温度ST作为衡量煤灰熔融性的主要指标，即灰熔点。第四节 煤炭气化与燃烧的工艺性质5.2 影响煤灰熔融性的因素5、煤灰熔融性成组学分灰化氛气部渣灰位煤灰熔融性主要取决于煤灰成分的组成比例，灰成分中SiO2和Al2O3含量高，灰熔点也高。而CaO、MgO、Fe2O3、K2O、Na2O等碱性成分高则灰熔点就低。 氧化、弱还原和强还原气氛下，Fe元素分别以Fe2O3、FeO和Fe的形式存在，其熔点也各不同。Fe2O3的熔点是1560，FeO是1535，Fe是1420。

49、在弱还原性气氛下， FeO能与SiO2形成一系列低共熔混合物，如4FeOSiO2，2FeOSiO2和FeOSiO2等，它们的熔融范围均在11381180之间。在工业条件下，煤炭燃烧或气化成渣部位的气氛一般是弱还原性的，因此，在测定煤灰熔融性时，一般模拟弱还原性气氛进行。半焦分解，残留物之间缩聚，生成焦炭胶质体固化过程的缩聚反应煤化程度对煤的发热量的影响表5-1 各种煤的发热量煤种Qgr, v, daf, kJ/g泥 炭2024年青褐煤2428 年老褐煤2830.6长 焰 煤3033.5气 煤32.235.6肥 煤34.336.8焦 煤35.237.1瘦 煤3536.6贫 煤34.836.4年青

50、无烟煤34.836.2典型无烟煤34.335.2年老无烟煤32.234.3Qnet,dafVdaf , % 发热量测定示意图胶质体的形成 粘结性烟煤在热解过程中，在300550范围内，煤粒会软化熔融，在煤粒的表面形成含有气泡的液相膜，大量煤粒聚积时，液相相互融合在一起，形成气、液、固三相一体的粘稠的混合物，即所谓的“ 胶质体” I 软化开始阶段 II 开始形成半焦阶段 III 煤粒强烈软化和半焦破裂阶段 在结焦过程的不同阶段单个煤粒的变化示意图1煤；2含有气泡的液态物质；3半焦罗加指数的计算 式中：RI罗加指数，%；m0焦化后焦渣总质量，g；m转磨前大于1mm焦渣的质量，g；m1第一次转磨后大于1mm焦渣的质量，g；m2第二次转磨后大于1mm焦渣的质量，g；m3第三次转磨后大于1mm焦渣的质量，g。 粘结