煤化学第3章煤的结构-第4章煤的岩相学与物理化学性质课件

第三章煤的结构本章主要内容：

(1)煤的分子结构是如何构成的？

(2)煤的分子结构模型？

(3)煤的分子结构理论。由于煤的结构具有特别的复杂性、多样性和不均匀性，迄今无法分离或鉴别出煤中的全部化合物。目前的研究水平仅限于：定性地描述其整体的统计平均结构及模型；定量地计算一系列结构参数，如芳香度。距完全揭示煤的真实结构还有相当大的距离。煤结构的研究方法分为三类：

(1)物理方法—仪器分析法，统计结构解析法。例如高性能的物理分析方法：X射线衍射（XRD）；红外光谱（IR）；核磁共振谱（NMR）；电子透射/扫描显微镜（TEM/SEM）等。

(2)物化方法—溶剂抽提，吸附性能等。例如利用溶剂抽提将萃取分离组分进行分析测定，了解煤结构的信息；

(3)化学方法—氧化、加氢、卤化等化学处理，对产物进行分析，了解母体煤的结构。此外，还可以对煤的官能团进行化学分析。各种现代仪器用于煤结构研究及其提供的信息方法所提供的信息密度测定比表面积测定小角X射线散射（SAXS）计算机断层扫描（CT）核磁共振成像孔容、孔结构、气体吸附与扩散、反应特征电子投射/扫描显微镜（TEM/SEM）扫描隧道显微镜（STM）原子力显微镜（AFM）形貌、表面结构、孔结构、微晶石墨结构X射线衍射（XRD）紫外-可见光谱（UV-Vis)红外光谱（IR）-Raman光谱核磁共振谱（NMR）顺磁共振谱（ESR）微晶结构、芳香结构的大小与排列、键长、原子分布芳香结构大小官能团、脂肪和芳香结构、芳香度C、H原子分布、芳香度、缩合芳香结构自由基浓度、未成对电子分布各种现代仪器用于煤结构研究及其提供的信息（续）方法所提供的信息X光电子能谱（XPS）X射线吸收近边结构谱（XANES）原子的价态与成键、杂原子分布Mossbauer谱含铁矿物原子光谱（发射/吸收）X射线能谱（EDS）矿物质成分质谱（MS）碳原子数分布、碳氢化合物类型、分子量电学方法（电阻率）半导体特性、芳香结构大小磁学方法（磁化率）自由基浓度光学方法（折射率、反射率）煤化程度、芳香层大小与排列煤分为有机物和无机物两部分，煤的结构包括煤有机质的化学结构和煤的物理空间结构。研究煤的结构，不仅具有重要的理论意义，而且对于煤炭加工利用具有重要的指导意义。第1节煤的有机大分子结构煤的有机质可以大体分为两部分：一部分是具有芳香结构的环状化合物，一般占煤有机质的90%以上，另一部分是具有非芳香结构的化合物，又称低分子化合物，一般含量较少，主要存在于低煤化程度的煤中。煤的大分子结构非常复杂，一般认为它具有高分子聚合物的结构，但它没有统一的聚合单体。是由多个结构相似的“基本结构单元”通过桥键连接而成的。基本结构单元由规则部分和不规则部分组成，规则部分由几个或十几个苯环、脂环、氢化芳香环及杂环（含N、S、O等元素）缩聚而成，称为基本结构单元的核或芳香核；不规则部分则是连接在核周围的烷基侧链和各种官能团。随着煤化程度的提高，构成核的环数增多，连接在核周围的侧链和官能团数量则不断变短和减少。石油胶质/沥青质可能的复杂的分子结构(单元结构)示意图

提出了用结构族组成的概念来描述这种复杂的化合物或者混合物的结构。按照此种概念，任何烃类化合物，不论其结构如何复杂，都可以看成是由烷基、环烷基和芳香基三种结构单元所构成的。结构族组成只表示在分子中这三种结构单元的含量，而不涉及它们在分子中的结合方式。结构族组成%CA：芳香碳数占总碳数的百分数%CN：环烷碳数占总碳数的百分数%CP：烷基碳数占总碳数的百分数RT：总环数RA：芳香环数RN：环烷环数结构族组成%CA：前者1#为30%；后者2#为30%%CN：1#-20%；2#-40%%CP：1#-50%；2#-30%RT：分别为2和3RA：两者均为1RN：环烷环数分别为1和2对于煤有机大分子结构或者石油馏分这样的混合物，也可以用结构族组成来表示，只是在此处将煤有机大分子或者复杂混合物用一种能代表其平均结构组成的“平均分子”来表示。煤的结构参数为了便于描述煤的结构，采用了一些结构参数如芳碳率、芳氢率、芳环率等。芳碳率（fcar)：是指煤的基本结构单元中属于芳香结构的碳原子数与总碳原子数之比fcar=Car/C。芳氢率（fHar）：是指煤的基本结构单元中属于芳香族结构的氢原子数与总氢原子数之比，fHar=Har/H。芳环率：是指煤的基本结构单元中芳香环数与总环数之比。煤的基本结构单元的核基本结构单元的核主要由不同缩合程度的芳香环构成，也含有少量的氢化芳香环和氮、硫杂环。低煤化程度煤基本结构单元的核以苯环、萘环和菲环为主；中等煤化程度的烟煤基本结构单元的核以菲环、蒽环和吡环为主；无烟煤阶段，基本结构单元核的芳香环数急剧增加，逐渐向石墨结构转变。表1-2-12减压渣油的平均结构参数原油名称fPfNfARNRART大庆0.730.110.162.33.05.3胜利0.610.170.223.13.26.3辽河0.480.220.305.14.19.2科威特0.520.150.333.05.08.0委内瑞拉0.510.140.355.02.57.5表1-7-5胶质及沥青质的平均结构参数项目fAfNfPRA*RN*RT*n胶质大庆0.310.150.545.13.08.12.1胜利0.320.150.534.93.07.92.1孤岛0.360.170.474.83.07.81.9华北0.320.130.556.53.19.61.9中原0.350.130.526.32.89.13.0双喜岭0.370.140.497.43.210.61.1庚烷沥青质胜利0.410.170.427.13.410.53.9孤岛0.470.180.359.54.013.55.8单家寺0.420.160.427.93.411.310.5双喜岭0.500.120.3814.04.518.55.3中国原油减压渣油的化学组成和特性

以胜利减渣为例：ARnC7-AT

H/C1.631.451.28(N+S+O)%2.95.56.9Mn(VPO)85017303410fA

0.230.320.41fP

0.560.520.42HAU/CA

0.800.590.512.芳香分，胶质，C7沥青质结构参数比较芳香分胶质C7-ATMn~10001000~30003500~7000N~12~34~6USW~1000~1000~1000fA0.2~0.30.3~0.40.4~0.5fP

0.5~0.7~0.5~0.4RT*5~67~1011~18RA*2~45~77~14RN*2~3~3~4RA/RN~1~22~3H/C1.5~1.71.4~1.51.1~1.3烷基侧链和官能团烷基侧链：连接在基本结构单元缩合环的甲基、乙基、丙基等基团。烷基侧链的长度随煤化程度的提高而迅速缩短。Cdaf/%65.174.380.484.3侧链的长度（碳原子数）5.02.32.21.8煤的基本结构单元中烷基侧链的平均长度含氧官能团煤分子上的含氧官能团有羟基（-OH）、羧基（-COOH）、羰基（＞C=O）、甲氧基（-OCH3）和醚键（-O-）等。煤中含氧官能团随煤化程度的提高而减少，其中甲氧基消失的最快，其次是羧基，羧基是褐煤的典型特征，到了烟煤阶段羧基的数量大为减少，中等煤化程度的烟煤，羧基基本消失。羟基和羰基在整个烟煤阶段都存在。羰基在煤中的含量虽少，但随煤化程度的提高减少的幅度不大。煤中的氧有相当一部分是以非活性状态？存在，主要是醚键和杂环中的氧。煤中的含硫和含氮官能团煤中的含硫官能团包括硫醇、硫醚、二硫醚、硫醌及杂环硫等（有机硫）。煤中的氮含量一般在1%~2%之间，主要以六元杂环、吡啶环或喹啉环等形式存在，此外，还有胺基、亚胺基、腈基和五元杂环吡咯和咔唑等。连接基本结构单元的桥键煤的大分子是由若干基本结构单元通过桥键连接而成的三维结构；桥键类型有:次甲基键-CH2-、-CH2-CH2-、-CH2-CH2-CH2-；醚键-O-；硫醚键-S-、-S-S-；次甲基醚-CH2-O-、-CH2-S-，以及芳香碳-碳键Car-Car等；随煤化程度的提高，煤分子的结构单元呈规律性变化，侧链、官能团数量减少，结构单元中缩合环数增加。煤中的低分子化合物煤的低分子化合物是指分散在煤的缩聚芳香结构中独立存在的非芳香化合物，分子量在500左右，可用普通溶剂如苯、醇等萃取出来。其性质与煤主体有机质有很大不同。低分子化合物与煤大分子主要通过氢键力和范德华力结合。在褐煤和烟煤中，低分子化合物可达煤有机质的10%~23%，它们的存在对煤的粘结性能、液化性能等影响很大；煤中低分子化合物分为两类：烃类和含氧化合物。烃类主要指正构烷烃和少量环烷烃和长链烯烃。含氧化合物有长链脂肪酸、醇、酮等。煤的结构模型由于煤的非晶态和结构的高度复杂性，目前尚不能了解煤大分子结构的全貌，以已经获得的煤结构的信息为基础，建立煤结构模型来研究煤。煤的结构模型包括化学结构模型和物理结构模型。第2节煤的化学结构模型福克斯(Fuchs)模型，经克瑞威仑(Krevelen)修改吉文（Given）模型威斯（Wiser）模型本田模型希尔（Shinn）模型福克斯(Fuchs)模型福克斯(Fuchs)模型是20世纪60年代以前德国科学家W.Fuchs提出的煤的化学结构模型的代表。该模型将煤描绘成由很大的蜂窝状缩合芳香环和在其周围任意分布着以含氧官能团为主的基团所组成，缩合芳香核很大，模型中没有含硫结构，含氧官能团的种类不全面。总的来说，该模型比较片面，不能全面反映煤结构的特征。吉文（Given）模型吉文（Given）模型是20世纪60年代初英国科学家P.H.Given提出的一种煤结构模型。它是一种低煤化程度烟煤（含碳82%）的结构，主要由环数不多的芳香核（主要是萘环）构成，芳香环之间由氢化芳香环(即环烷结构)连接，构成无序的三维空间大分子。该模型氮原子以杂环形式存在，含氧官能团有羟基、醌基等，结构单元之间交联键的主要形式是邻位亚甲基。但模型中没有硫的结构，也没有醚键和两个碳原子以上的次甲基桥键。C82%威斯（Wiser）模型威斯(Wiser)模型是20世纪70年代美国科学家W.H.Wiser提出的煤结构模型，被认为是比较全面、合理的一个模型，基本反映煤分子结构的现代概念。该模型包含了1~5个环的芳香结构。模型中的元素组成与烟煤中的元素组成一致，其中芳香碳约占65%~75%。模型中的氢大多存在于脂肪结构中，如氢化芳环、烷基结构和桥键等，芳香氢较少。模型中含有酚、硫酚、芳基醚、酮以及含O、N、S的杂环结构。模型中还含有一些不稳定的结构，如醇羟基、氨基和羧基等。结构单元之间的桥键主要是短烷键(-(CH2)1~3-)、醚键(-O-)、和硫醚键(-S-)等弱键以及两芳环直接相连的芳基碳碳键(ArC-ArC)。模型中还含有羟基、羰基、硫醇和噻吩基团。本田模型

本田模型的特点是考虑了低分子化合物的存在，缩合环以菲为主，他们之间有较长的次甲基键相连。模型中氧的存在形式比较全面，但没有考虑氮和硫的结构。希尔(Shinn)模型希尔(Shinn)模型是目前广为人们接受的煤的大分子模型，是根据煤在一段和二段液化产物的分布提出来的，所以又叫做反应结构模型。它以烟煤为对象，以分子量10000为基础，将考察结构单元扩充至C=661，通过数据处理和优化，得分子式为C661H561O74N11S6。该结构假设：芳环和氢化芳环单元由较短的脂链和醚键相连，形成大分子的聚集体，小分子镶嵌于聚集体孔洞或空穴中，可通过溶剂抽提萃取出来在高挥发分煤中，简单的脂环和脂肪侧链占绝对优势，每个结构单元由5~6个环连接而成。第3节煤的物理结构模型煤的物理结构是指分子间的堆垛结构和孔隙结构。煤的堆垛（堆砌）结构模型种类如下：Hirsch模型：包括敞开式结构、液体结构和无烟煤结构交联模型两相模型单相模型(1)Hirsch模型：Hirsch模型是Hirsch1954年利用双晶衍射技术对煤的小角X衍射线漫射进行了研究，认为煤中有紧密堆积的微晶、分散的微晶、直径小于500nm的孔隙。不同的煤化程度的煤可以分为三种物理结构：敞开式结构、液体结构和无烟煤结构。低煤化程度烟煤（敞开式结构）中等煤化程度烟煤（液体结构）芳香层片部分定向无烟煤芳香层片定向程度大有序结构明显敞开式结构：属于低煤化程度烟煤，其特征是芳香层片小，不规则的“无定型结构”比例较大。芳香层片间由交联键连接，并或多或少在在所有方向上任意取向，形成多孔的立体结构。液态结构：属于中等煤化程度烟煤，其特征是芳香层片在一定程度上定向，并形成包含两个或两个以上层片的微晶。层片之间的交联大大减少，故活动性大。这种煤的孔隙率小，机械强度低，热解时易形成胶质体。无烟煤结构：属于无烟煤，其特征是芳香层片增大，定向程度增强。由于缩聚反应剧烈，使煤体积收缩，故形成大量孔隙。(2)交联模型交联模型由Larsen等于1982年提出，此模型中分子间由交联键连接，类似于高分子化合物的交联。这种模型很好地解释了煤不能被完全溶解的现象。(3)两相模型两相模型又称为主-客模型。模型认为煤中有机物大分子多数是交联的大分子网络结构，为固定相；低分子因非共价键力的作用陷在大分子网络结构中，为流动相。煤的多聚芳环是主体，对于相同煤种主体是相似的，而流动相小分子是作为客体掺杂于主体之中。在低阶煤中，非共价键的类型主要是离子键和氢键；在高阶煤中，π-π电子相互作用和电荷转移力起主要作用。(4)单相模型单相模型又称缔合模型，是1992年Nishioka（西冈雅治）提出的，他认为存在连续分子量分布的煤分子，煤中芳香族之间的连接是静电型和其它型的连接力，不存在共价键。煤中的芳香族由于这些力堆积成更大的联合体，然后形成多孔的有机质。(5)煤结构的综合模型综合模型是将煤的化学结构模型与物理结构模型结合起来对煤进行描述，主要有Oberlin模型（1989）和球(Sphere)模型（1990）。Oberlin模型是用高分辨率透射电镜研究煤结构并结合Fuchs和Hirsh的工作提出来的，其特点是稠环个数较多，最大有8个苯环。球(Sphere)模型是Grigoriew等用X射线衍射径向分布函数法研究煤的结构后提出的，其最大特点是首次提出煤中具有20个苯环的稠环芳香结构。第4节煤大分子结构的现代概念煤是三维空间高度交联的非晶质的高分子缩聚物，是由若干结构相似但不完全相同的结构单元通过桥键连接而成。结构单元的核心是缩合芳香核，其它为缩聚的芳环、氢化芳环或各种杂环，环数随煤化程度提高而增加;C70%~83%，环数平均为2；C83%~90%环数3~5；C90%以上，环数急增；C95%时，环数大于40。结构单元的不规则部分，包括烷基侧链和官能团。烷基侧链的长度随煤化程度提高而缩短；官能团主要是含氧官能团，包括羟基、羧基、羰基、甲氧基等；另外，煤分子上还有少量的含硫和含氮官能团。4.连接结构单元的桥键：主要是次甲基键、醚键、次甲基醚键、硫醚键和芳香碳-碳键等,低煤化程度的煤中桥键最多，主要是前三种；中等煤化程度的煤中桥键最少主要是前两者；无烟煤阶段时桥键有所增加，主要形式是最后一种5.氧、硫、氮的存在形式：氧的存在形式除了官能团外，还有醚键和杂环；硫的存在形式有巯基、硫醚和噻吩等；氮的存在形式有吡啶、吡咯环、胺基和亚胺基等6.低分子化合物：它们主要是脂肪族化合物，如褐煤、泥炭中广泛存在的树脂和蜡等煤化程度对煤结构的影响低煤化程度的煤含有较多的非芳香结构和含氧基团，芳香核的环数较少，除化学交联键外，分子内和分子间的氢键力对煤的性质也有较大影响。年轻煤的规则部分小，侧链长而多，官能团也多，因此形成比较疏松的空间结构，具有较大的孔隙率和较高的比表面积；中等煤化程度的煤（肥煤和焦煤）含氧官能团和烷基侧链少，芳核有所增大，结构单元之间的桥键减少，使煤的结构较为致密，孔隙率低。年老煤的缩合环显著增大，大分子排列的有序化增强，形成大量的类似石墨结构的芳香层片，芳香层片排列的更加紧密，产生了收缩应力，形成了新的裂隙。因此，无烟煤阶段孔隙率和比表面积增大。第四章煤的岩相学与物理化学性质煤的岩相学特征煤的物理性质和物理化学性质煤的工业分析与煤的元素组成煤的工艺性质煤岩学概况煤岩学是一门用肉眼或运用光学仪器研究可燃岩石的学科，即从岩石学的角度来研究煤的组成、类型及性质。意义：运用煤岩学确定煤的岩石组成和煤化程度，是正确评价煤质、确定煤的合理应用途径的重要依据，也是研究煤的成因和变质程度的基础。煤岩学研究方法是在不破坏煤的原生结构、表面性质的情况下，采用以物理方法为主，直接对煤的各方面性质进行研究。研究方法分为宏观研究法和微观研究法。一门宏观研究法是利用肉眼或放大镜来观察，根据煤的颜色、条痕色、光泽、硬度、断口和密度等物理性状，确定煤岩类型和煤的光泽岩石类型，判断煤化程度，初步评定煤的性质和用途。微观研究法是采用显微镜来研究煤，有两种研究方法，一种是在透射光下研究煤的薄片，鉴定标志主要是根据透光色、形态和结构等；另一方法是在反射光下研究煤的光片，除了根据反光色、形态和结构外，还根据突起、反光性等进行鉴定。反射光下研究又分为普通反射光和油浸反射光，后者减少了空气中折射的影响。煤的显微组分显微组分（Maceral)是煤在显微镜下能够区别和辨识的最基本的组成成分，按其成分和性质又可分为有机显微组分和无机显微组分。有机显微组分，是在显微镜下能观察到的煤中成煤原始植物残体转变而成的成分；无机显微组分是在显微镜下能观察到的煤中矿物质。煤的显微组分最早由英国学者M.C.司托普丝1935年提出；1956年通过由国际煤岩学术委员会提出的显微组分分类草案；几经修改成为目前的分类方案。我国国家标准（GB/T15588-1995），将煤的显微组分划分为镜质组、半镜质组、壳质组和惰质组四个组分，目前与国际分类方案接轨国际煤岩学术委员会的显微组分分类方案依据颜色、形态、结构和突起等特征将煤的显微组分分为镜质组、壳质组（稳定组和类脂组）和惰质组三大类根据各种成因标志在显微组分中进一步细分为亚组分。显微组分（有机）分类和命名国际硬煤显微组分分类（Stopes-Heerlen系统）国际褐煤显微组分分类中国烟煤显微组分分类（GB/T15588-1995）美国蒂逊-矿务局分类前苏联分类方案显微组分组显微组分显微亚组分显微组分种镜质组V结构镜质体结构镜质体1结构镜质体2科达树结构镜质体真菌结构镜质体木质结构镜质体鳞木结构镜质体封印木结构镜质体无结构镜质体均质镜质体胶质镜质体基质镜质体团块镜质体镜屑体壳质组E孢子体薄壁孢子体厚壁孢子体小孢子体大孢子体角质体树脂体镜质树脂体木栓质体藻类体结构藻类体皮拉藻类体、轮奇藻类体层状藻类体荧光体沥青质体渗出沥青体壳屑体惰性组I半丝质体丝质体火焚丝质体氧化丝质体粗粒体菌类体真菌菌类体密丝组织体团块菌类体假团块菌类体微粒体惰屑体国际硬煤的显微组分分类方案显微组分组显微组分显微亚组分显微组分种1-镜质组Vitrinite结构镜质体结构镜质体1结构镜质体2科达树结构镜质体真菌结构镜质体木质结构镜质体鳞木结构镜质体封印木结构镜质体无结构镜质体均质镜质体胶质镜质体基质镜质体团块镜质体镜屑体2-惰性组Inertinite半丝质体丝质体火焚丝质体氧化丝质体粗粒体菌类体真菌菌类体密丝组织体团块菌类体假团块菌类体微粒体惰屑体显微组分组显微组分显微亚组分显微组分种3-壳质组Exinite孢子体薄壁孢子体厚壁孢子体小孢子体大孢子体角质体树脂体镜质树脂体木栓质体藻类体结构藻类体皮拉藻类体轮奇藻类体层状藻类体荧光体沥青质体渗出沥青体壳屑体国际硬煤的显微组分分类方案中国烟煤显微组分分类方案组代号组分代号亚组分代号

镜质组V结构镜质体T结构镜质体1结构镜质体2T1T2无结构镜质体C均质镜质体基质镜质体团块镜质体胶质镜质体C1C2C3C4碎屑镜质体VD

半镜质组SV结构半镜质体ST无结构半镜质体SC均质半镜质体基质半镜质体团块半镜质体SC1SC2SC3碎屑半镜质体SVD

惰质组I半丝质体SF丝质体F微粒体Mi粗粒体Ma粗粒体1粗粒体2Ma1Ma2菌类体Scl菌类体1菌类体2Scl1Scl2碎屑惰质体ID壳质组E孢子体Sp大孢子体小孢子体Sp1Sp2角质体Cu树脂体Re木栓质体Sub树皮体Ba沥青质体Bt渗出沥青体Ex荧光体FI藻类体Alg结构藻类体层状藻类体Alg1Alg2碎屑壳质体ED中国烟煤显微组分分类GB/T15588，经历了（1978，1988，1995，2001）几次修订;以前的版本中将过渡组分命名为半镜质组单独划出国际交流、测试主观误差、显微煤岩类型划分方面带来诸多不便目前的标准实际上等效采用了国际标准（ISO7404-1:1994）煤的有机显微组分的差别组别名称镜质组惰质组稳定组英文名VitriniteInertiniteExinite成因凝胶化作用丝炭化作用稳定部分透光色橙红—红棕黑黄—橙红薄片透光性透明—半透明不透明或微透明透明—半透明反光色深灰—浅灰白—亮白黑灰—浅灰突起无高略有结构细胞腔从无到有细胞腔从无到有较完整、特殊镜质组（Vitrinite)镜质组是由植物的木质纤维组织受凝胶化作用转化形成的，是煤中最常见和最重要的显微组分，我国多数煤田的镜质组含量约为60%~80%。在低煤化烟煤中，镜质组的透光色为橙色-橙红色，油浸反射光下呈深灰色，无突起。反射率介于壳质组和惰质组之间。随煤化程度增加，反射力增大，反射色变浅，可由深灰色变为白色；透光色变深，可由橙红色变为棕色，直至不透明；随煤级增加而增加，各向异性增强。

与其它两组分相比，镜质组氧的含量较高，碳氢含量介于二者之间。结构镜质体在油浸反射光下呈深灰至浅灰色，无突起结构镜质体在油浸透射光下，呈橙红色至棕红色。惰质组（Inertinite)惰质组包括丝质体、半丝质体、微粒体、粗粒体、菌类体和惰屑体等显微组分。与其它两个显微组分相比，惰质组含碳量最高，氢含量最低，挥发分产率最少，没有粘结性（微粒体除外）。惰质体在反射光下呈白色至亮白色，具有较高突起和较高反射率；透射光下呈棕黑色到黑色，微透明或不透明；丝质体（惰质体的一种）在油浸反射光下呈白色至亮白色，具有较高突起和较高反射率丝质体（惰质体的一种）在油浸透射光下呈棕黑色到黑色，微透明或不透明壳质组（Exinite)壳质组是成煤植物中，化学稳定性强的组成部分，在泥炭化和成岩阶段保存在煤中的组分几乎没有发生质的变化。壳质组包括孢子体、角质体、树脂体、木栓质体、藻类体和壳屑体等显微组分，来源于植物的孢子、角质层、木栓、树脂、蜡、脂肪和油。壳质组与镜质组、惰质组相比，具有较高氢含量和挥发分产率。多数壳质组组分具有粘结性。壳质组在在油浸透射光下呈柠檬黄色—黄色—桔黄色—红色，大多轮廓清楚。上图为小孢子体在油浸透射光下呈桔黄色蠕虫状、细短的线条状或似三角形状。外缘一般平整光滑

树皮体

三大显微组分之间的区别对比代号物质起源形成过程物质特征一般含量镜下特征透射光反射光荧光镜质组

V木质素纤维素等腐殖化作用凝胶化作用富氧，反射率作为煤级指标50%-80%橙红色灰色深灰色弱荧光或不具荧光类脂组E角质层木栓层树脂等几乎没发生实质性变化而保存于煤中富氢、高焦油和气体产出率较低黄色橙红色黑色灰黑色明显荧光性惰质组I木质素纤维素等丝炭化作用火焚化作用富碳10%-20%黑色深灰色白色亮白色弱荧光或不具荧光均质镜质体煤中的矿物质煤是由有机成分和无机成分组成。煤的有机成分是指煤的显微组分。煤的无机成分是指在显微镜下能观察到的煤中矿物，以及与有机质相结合的各种金属、非金属元素和化合物（无机质）按成因划分煤中矿物质可分为三类：①植物成因的原生矿物质：来自原始植物的无机成分。②陆源碎屑成因的矿物质：煤化作用第一阶段或煤矿床形成时由水或风带入其中的无机成分。③化学和生物化学成因的矿物质：煤化作用第一阶段的同生—成岩矿物和煤化作用第二阶段形成的次生、后生矿物。煤中矿物质分类按矿物成分和性质将煤中矿物质分为：①粘土类矿物：高岭石、水云母、伊利石，在煤中粘土类矿物常呈透镜状、薄层状，也有的呈细分散的微粒状。②硫化物类矿物：多为不透明矿物，在反射光下具有耀眼的金属光泽，如黄铁矿、白铁矿等，在煤中常呈晶粒、透镜体、鲕状和球状结构。煤中矿物质分类③碳酸盐类矿物：主要包括方解石、菱铁矿。方解石镜下观察多呈脉状；菱铁矿多呈球状或粒状分布在基质中。④氧化物类矿物：主要是石英等，最常见的是陆源碎屑沉积的石英，多呈粉砂状，棱角状存在于煤中。⑤硫酸盐类矿物：主要是石膏。往往沿裂隙或层面呈微小晶粒出现。我国煤灰成分的一般范围煤灰成分褐煤硬煤最低值最高值最低值最高值SiO2106015＞80Al2O3535850Fe2O3425165CaO5400.535MgO0.13＜0.15TiO20.240.16SO30.635＜0.115P2O30.042.50.015K2O+Na2O0.0910＜0.110我国部分产地煤的煤灰成分*碱酸比=（Fe2O3+CaO+MgO+K2O+Na2O)/(SiO2+Al2O3+TiO2)煤产地SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOTiO2K2O+Na2OSO3碱酸比*阳泉无烟煤52.733.67.00.21.30.82.00.40.10晋城无烟煤47.433.64.76.50.90.93.32.70.19西山贫瘦煤56.331.46.92.20.51.00.51.20.11灵武不粘煤37.914.516.410.95.00.92.511.80.65长广气煤46.129.715.23.50.51.61.12.40.26大同弱粘煤57.818.413.13.40.71.3-3.20.16扎来诺尔煤41.113.612.414.03.01.23.09.50.6煤岩显微组分的反射率同一强度的入射光照射到矿物光片后，不同的矿物对入射光的反射能力是不同的。用矿物反射光强度（Ir）与入射光强度（Ii）的百分比表示，称为矿物的反射率（R）

R=Ir/Iix100%煤岩显微组分的反射率是鉴定煤的煤化程度的重要指标。目前常用高灵敏度的光电倍增管光度计精确测定镜质组的反射率。煤岩组分的定量方法显微镜下组分含量测定原理：先测定各组分所占面积百分比，此百分数与体积百分数成正比，根据各组分的密度，即可换算成质量百分数。目前测定煤岩组分常用的方法是计点法，使用电动计点器测定。根据不同显微组分在显微镜下所具有的不同颜色和结构进行定量分析，一般用粉煤制成的光片。显微镜放大倍数为400~500倍。在一个光片上测定400~500个点，按显微组分组计数，再计算百分比。宏观煤岩煤的显微组分宏观煤岩成分？根据颜色、光泽、断口、裂隙、硬度等性质的不同，用肉眼可将煤层中的煤分为镜煤、亮煤、暗煤和丝炭四种宏观煤岩成分。其中镜煤和丝炭是简单的宏观煤岩成分，亮煤和暗煤是复杂的宏观煤岩成分,它们是煤中宏观可见的基本单位。镜煤亮煤暗煤丝炭颜色黑黑灰黑灰黑光泽光亮、强光亮、次暗淡丝绢断口贝壳状贝壳状粗糙裂隙发育次之不发育结构均匀性均一次之非均一胞腔结构、透镜体赋存状态透镜状、条带状等分层厚分层厚不连续薄层组成单一复杂复杂单一粘结性强较强弱无四种宏观煤岩成分的性质对比丝炭有丝绢光泽、纤维状结构、性脆单一的宏观煤岩成分在成煤过程中，丝炭是由成煤植物的木质纤维组织经丝炭化作用而成。(氧化作用的产物)丝炭外观像木炭，灰黑色，质疏松多孔，性脆、易碎，故在煤粉中含量较多。丝炭含氢量低，含碳量高，没有粘结性。丝炭孔隙度大，吸氧性强，容易发生氧化自燃。丝炭含量高的煤可选性也差。1---丝炭（fusain):2---镜煤（Vitrain):镜煤色泽光亮、结构均一，常具有内生裂隙的宏观煤岩成分。在成煤过程中，镜煤是由成煤植物的木质纤维组织经过凝胶化作用形成的。镜煤呈黑色、深黑色，光泽强，结构均匀，性脆、具有贝壳状断口，镜煤内生裂隙发育。2---镜煤（Vitrain):随煤化程度加深，镜煤的颜色由深变浅，光泽变强，内生裂隙增多。镜煤具有强粘结性和膨胀性，挥发分和氢含量高，矿物质含量一般较少。在煤层中镜煤呈透镜状或条带状，厚度不超过20mm。镜煤的裂隙常垂直于层理。亮煤光泽仅次于镜煤、具有微细层理的宏观煤岩成分。亮煤呈黑色，断口有时呈贝壳状，表面隐约可见微细纹理。(偏还原作用的产物)在显微镜下观察，亮煤是一种复杂的、非均一的宏观煤岩成分。在中等变质阶段，亮煤具有较强粘结性和膨胀性。在煤层中亮煤常组成较厚的分层，甚至整个煤层。3---亮煤（Clarain):暗煤是光泽暗淡、坚硬、表面粗糙的宏观煤岩成分暗煤呈灰黑色、内生裂隙不发育、密度大、坚硬且具有韧性。暗煤的层理不清晰，呈粒状结构，断口粗糙。暗煤在显微镜下观察是一种复杂的、非均一的宏观煤岩成分。暗煤由于组成不同，其性质差异很大，如富含惰质组的暗煤，挥发分低，粘结性弱；富含树皮的暗煤，挥发分和氢含量较高，粘结性较好。(偏氧化作用的产物)4---暗煤（durain):腐殖煤的煤岩成分和显微组分之间的关系通过显微镜的观察可知：腐植煤的四种宏观煤岩成分（镜煤、亮煤、暗煤和丝炭）是由三种显微煤岩组分（镜质组？、壳质组？和惰质组？）以不同的比例组合而成的；镜煤和丝炭的显微组分是单一的，暗煤和亮煤是由三种显微组分的不同含量组合而成的；我国煤岩成分的特点是：镜煤和亮煤的含量很高，丝炭和暗煤的含量低。丝质体半丝质体丝炭镜质体结构凝胶体无结构凝胶体树脂体壳质体不透明基质体亮煤暗煤镜煤镜质体结构凝胶体无结构凝胶体壳质体腐殖煤的煤岩成分和显微组分之间的关系腐泥煤的煤岩成分腐泥煤：在显微镜下。腐泥煤呈均一状结构，以缺乏层理而区别于腐植煤，强度和韧性很大。低级腐泥煤的化学特征是氢含量和挥发分高，干馏时气体和焦油产率高。腐泥煤主要是藻煤，有时也把腐泥腐植煤烛煤也归为腐泥煤的一种。藻煤光泽暗淡，均一块状，韧性较大，贝壳状断口，灰分低时密度小，易燃，有沥青味。宏观上藻煤可以根据其淡褐色和褐色条痕而区别于烛煤。显微镜下藻煤，显微组分以密集的藻类体为主，显微层理不明显。藻煤挥发分、氢含量和焦油产率高，有时灰分也高。山西浑源、山东肥城、兖州均有藻煤。烛煤宏观上，为黑色（藻煤宏观上有淡褐色和褐色条痕）；色泽暗淡有时具有弱油脂光泽。均一致密，贝壳状断口，韧性大，镜下烛煤一般显示规则的显微层理。烛煤易燃，燃烧时发出明亮的火焰，像蜡烛一样，故名烛煤残植煤概念：是一种特殊类型的煤，主要由高等植物中壳质组分富集而成，残植煤常呈薄层或透镜体夹在腐植煤中。残植煤光泽暗淡，或具有油脂光泽，挥发分、氢含量和焦油产率高。煤的光泽岩石类型（宏观煤岩类型）按总体相对光泽强度和光亮成分的含量依次划分为：光亮煤、半亮煤、半暗煤和暗淡煤。（镜煤+亮煤）%光泽光亮型煤＞75亮半亮型煤50~75次亮半暗型煤25~50较暗暗淡型煤＜25暗光亮煤主要由镜煤和亮煤组成，占75%以上。光泽很强。内生裂隙发育，脆度较大，机械强度较小，易破碎，常具有贝壳状断口。半亮煤中镜煤和亮煤含量在50%~75%之间，光泽也较强，最大特点是条带状结构明显，内生裂隙发育，常具有棱角状或阶梯状断口，是煤中常见的煤岩类型。半暗煤中镜煤和亮煤占组成的25%~50%，是由暗煤和亮煤组成，丝炭含量也较多。光泽较弱，硬度和韧性大，条带状、线理状或透镜状结构。内生裂隙不发育，断口参差不齐，矿物质含量较高，煤质较差。暗淡煤中镜煤和亮煤含量小于25%,主要由暗煤和丝炭组成。光泽暗淡，通常呈块状构造，致密、坚硬、比重大、韧性强，层理不明显，呈粒状结构，矿物含量很高，煤的类型和煤岩类型煤的类型煤岩类型肉眼可识别的特征腐植煤镜煤亮煤暗煤丝炭光亮、黑色，一般很脆，常具裂隙半亮、黑色，极薄层状暗淡、黑色或灰黑色，坚硬、表面粗糙丝绢光泽、黑色，纤维状，软，极易碎腐泥煤烛煤藻煤暗淡或弱油脂光泽，黑色，均一状，非层状，很坚硬，贝壳状断口，黑色条痕像烛煤，但外观略带褐色，褐色条痕显微煤岩类型显微煤岩类型是指在显微镜下所能见到的各组显微组分的典型共生组合国外在评价煤的工艺性质时，大多数采用国际煤岩学会委员会提出的显微煤岩类型分类。显微煤岩类型与煤的成因有密切的关系，它反映成煤泥炭沼泽的覆水深浅、水介质的酸碱性、水动力条件、植物分解的氧化还原程度等特征。因此研究显微煤岩类型具有重要意义。显微煤岩类型还与煤的炼焦工艺特性有很好的相关性。煤的一般物理性质和结构、构造煤的一般物理性质指：光泽、颜色、断口、硬度等；光泽：指煤的表面反光能力，是用肉眼鉴定煤的主要标志之一。颜色：指新鲜煤块表面的自然色彩，它随煤化程度的增加而变化，褐煤由褐色变到深褐色、黑褐色；烟煤为黑色；无烟煤为灰黑色，常带有古铜色或钢灰色色彩。不同煤化程度煤的光泽、颜色和粉色（条痕色）煤化程度光泽颜色条痕色褐煤无光泽或暗淡的沥青光泽褐色、深褐色、黑褐色浅棕色长焰煤沥青光泽黑色带褐色深棕色气煤强沥青光泽、玻璃光泽黑色棕黑色肥煤玻璃光泽黑色带焦煤强玻璃光泽黑棕色瘦煤黑色贫煤金刚光泽黑色带灰色黑色无烟煤似金属光泽灰黑色带有古铜色灰黑色断口：是煤受外力打击，断开后呈现凹凸不平的表面，但不包括沿层面或裂隙面断开的表面。裂隙：是指成煤过程中，煤受到自然界各种应力的影响所造成的裂开现象，按成因不同分为内生裂隙和外生裂隙内生裂隙常见于镜煤和亮煤中，垂直于层理面；外生裂隙以各种角度与煤层层理相交。煤的结构：是指宏观或显微镜下所见各种煤岩类型或显微组分单体的形态、大小所表现的特征。常见的煤的宏观结构有：条带状、线理状结构、透镜状结构、均一状结构、粒状结构、木质结构、纤维状结构、叶片状结构、碎屑结构。褐煤显微组分分类中国尚未建立自己的褐煤显微组分分类方案国际褐煤显微组分分类方案中，将显微组分划分为腐植组(相当于烟煤的镜质组)、稳定组（相当于壳质组）、惰质组三组。年老褐煤显微组分划分实际上可按照烟煤显微组分分类进行。年轻褐煤显微组分，尤其是腐植组组分识别较困难，其中植物残余较多。煤岩组分的成因和性质镜质组：腐植化作用＋凝胶化作用；相对富氧、变化均匀、对氧敏感惰质组：丝炭化作用、缓慢氧化作用；富碳贫氢、变化缓慢壳质组：植物器官、组织的残植化作用；富氢贫碳、对热敏感、对氧化不敏感过渡组分：凝胶化作用或丝炭化作用进行不彻底、或者交替进行性质复杂，实际上其分类位置不明确煤化作用过程中煤岩组分性质的变化不同组分、不同煤化阶段的变化；对煤化学工艺性质的影响显微煤岩类型的分类与命名显微煤岩类型实质上是描述显微组分间结合特征的指标。显微煤岩类型主要取决于泥炭沼泽条件。国际煤岩学委员会（ICCP）分类。中国地质科学院矿床所分类（1966）。中国显微煤岩类型分类国家标准（GB/T15589-1996）。煤岩学的应用煤的成因及煤质特征煤岩学与煤的分类选煤：矿物赋存特征焦化：混煤鉴定、煤岩配煤、焦炭显微结构燃烧：煤自燃、难燃组分、飞灰残炭气化：难转化组分液化：煤岩组分液化性能、残渣显微组成煤岩学在煤分类中的应用目前煤工业分类：以煤的工艺性质为基础，未采用煤岩学指标煤的工业-成因分类：以煤的成因因素作为煤分类的基础，一般采用镜质组反射率和惰性组分总和作为分类指标。煤岩学指标相对更精确，工艺指标相对更直观。煤工业-成因分类的现状：有科学根据，但没有获得理想的结果。随着煤岩测试设备的普及和标准化，煤的工业-成因分类应用会日趋广泛。煤岩学在选煤中的作用煤的可选性不在于灰分高低，而在于煤中矿物赋存状态。煤岩成分的强度、比重等性质差异对颗粒分级和选煤的意义。工业选煤可部分改变煤的岩相组成。评价煤可选性的煤岩学方法。煤岩学在焦化工业中的应用混煤鉴定以颗粒为单位进行测试，得到混煤样品的“煤种组成”。煤岩配煤活性组分和惰性组分的划分各种煤岩配煤方法方法和原理可以引用，但相关参数需实验测定用煤岩学方法和原理来理解煤质，指导配煤！煤岩学在煤燃烧中的应用煤自燃:目前对显微组分自燃特性观点不一致煤的发热量取决于煤变质程度和煤岩组成飞灰中未燃炭与煤岩组成的关系按燃烧特性可将煤岩组分分为活性组分、惰性组分和过渡组分三类。煤中矿物组成对煤灰成分和熔融性的影响。煤岩学在煤气化中的应用不同显微组分气化活性存在差异。现有的气化工艺大多采用高温、高压，实际上是“照顾”煤中难转化组分。煤岩学在煤气化中应用不广泛，但相关基础研究比较活跃。煤岩学在煤直接液化中的应用各种显微组分的液化性能有明显差异；煤岩组分的组合（显微煤岩类型）对煤的液化性能有影响；煤中硫铁矿及微量元素对煤液化的催化作用；煤液化转化率、油收率的煤岩学预测方法；液化残渣的成分、性质和岩石学分类；煤的岩相学特征煤的物理性质和物理化学性质煤的工业分析与煤的元素组成煤的工艺性质概论（物理性质和物化性质）煤的物理性质主要包括：煤的机械性质（密度和硬度，煤的光学性质，煤的电磁性质，煤的热性质等。煤的物理化学性质主要指煤的润湿性、润湿热和孔隙率等。研究煤的物理性质和物理化学性质与煤的各种用途有密切相关。煤的物理性质煤的真密度：是指在20℃时，单位体积（不包括煤中所有孔隙）煤的质量，用TRD(truereletivedensity)表示。可用比重瓶法（GB217-）或其它置换法求得。煤的视密度：是指20℃时单位体积（仅包括煤的内部孔隙）煤的质量，用ARD表示。煤的视密度可用于计算煤的埋藏量。Apparent煤的堆积密度：是指20℃时单位体积（包括煤的内外孔隙和煤粒之间的空隙）煤的质量，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。堆积密度对煤炭生产和加工利用都有很大实用意义。Bulk煤的孔隙率根据煤的真密度和视密度即可算出孔隙率：

TRD—ARD孔隙率=——————，%TRD影响煤真密度的因素成因类型的影响：不同成因的煤其密度是不同的，腐植煤的真密度比腐泥煤大，除去矿物质的纯腐植煤的真密度在1.25g/cm3以上，而纯腐泥煤的真密度一般小于1.2g/cm3。影响煤真密度的因素煤化程度的影响：煤化程度较低时，煤的真密度随煤化程度的提高而缓慢减小，到中等变质程度时，煤的真密度最低，约1.30g/cm3左右，此后随煤化程度提高，煤的真密度急剧提高至1.90g/cm3

。各类型煤的真密度范围大致如下：泥炭0.72g/cm3,褐煤0.8-1.35g/cm3,烟煤1.25-1.50g/cm3,无烟煤为1.3-1.90g/cm3。煤岩组成的影响：腐植煤中的丝炭密度最大1.37-1.52g/cm3，暗煤为1.30~1.37g/cm3，镜煤为1.38-1.30g/cm3显微组分的影响：丝质体、微粒体的真密度最高，镜质组次之，壳质组最低；当C%含量大于90%后，三者的真密度逐渐趋于一致，并且急剧上升。矿物质的影响：煤中矿物质密度比煤的密度大得多，例如粘土的密度为2.4-2.6g/cm3，石英的密度为2.655g/cm3,黄铁矿密度为5.0g/cm3。因此煤中矿物质的含量和组成对煤的真密度影响很大。灰分每增加1%，则煤的密度增加0.01%g/cm3煤的机械性质煤的机械性质是指煤在机械力作用下表现出来的各种特性，如硬度、脆度、可磨性等。煤的硬度：是指在外来机械力作用下煤抵抗变形或破坏的能力。煤硬度表示方法有：刻划硬度（莫氏硬度）、弹性回跳硬度（肖氏硬度）、压痕硬度（努普硬度、显微硬度）和耐磨硬度（凸起）等常用和较重要的是刻划硬度和显微硬度。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。煤的莫氏硬度一般为1~4。中等煤化程度的焦煤，硬度较小，约为2~2.5，随煤化程度提高，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，惰质组硬度最大，壳质组最小，镜质组居中。表6-2标准矿物的莫氏硬度矿物硬度级别矿物硬度级别滑石石膏方解石氟石磷灰石12345长石石英黄晶刚玉金刚石678910显微硬度显微硬度是采用特殊形状（如角锥形、圆锥形等）而又非常坚硬的压入器，施加一定压力，在样品表面形成压痕，然后在显微镜下测量压痕的尺寸。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：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；α—方形棱锥体两相对锥面的夹角，一般为136度。煤的可磨性煤的可磨性是指煤磨碎成粉的难易程度。在火力发电厂、水泥厂、粉煤气化、型焦生产等领域测定煤的可磨性具有重要意义.国际上普遍采用哈特葛罗夫法评定煤的可磨性。其基本原理是研磨煤粉所消耗的功与新产生的表面积成正比。国标（GB2565）规定同国际标准（ISO5074）。测定要点：将美国某矿区烟煤作为标准煤，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（峰峰煤矿烟煤），在哈氏可磨仪上研磨，以标准煤的200网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，此直线称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。煤的脆度煤的脆度是表征煤被粉碎的难易程度。煤的脆度有两种方法表示：抗压强度和抗碎强度。抗碎强度是与脆度相反一种性质。煤岩类型的脆变按下列次序排列：丝炭最脆，镜煤、亮煤居中，而暗煤最硬。煤的热特性煤的热特性包括：煤的比热容、煤的导热性和煤的热稳定性等。煤的比热容是指在一定温度范围内，单位质量的煤，温度升高1℃所需要的热量，用c表示。煤的比热容与煤化程度、水分含量、灰分和温度变化等因素有关。煤的比热容随煤化程度提高而降低；随水分增大而提高；煤的灰分增加时比热容则减小，因为灰分的比热容一般小于0.72J/(g.℃)；当<350℃时比热容随温度提高而增加；在350℃-1000℃时比热容随温度增加而下降.煤的导热性煤的导热性包括导热系数λ[W/m.K]和导温系数α(m2/h)两个基本常数。他们之间的关系可用下式表示：

α=λ/c•γ

式中

c—煤的比热容，J/(kg•K);

γ—煤的密度，kg/m3

从上式可看出，导温系数α与导热系数λ成正比，而与热容c•γ成反比，λ可表示煤的散热能力，热容c•γ表示煤的蓄热能力。煤的热稳定性煤的热稳定性(TS)是指块煤在高温下保持原来粒度的能力。煤的热稳定性(TS)测定方法：取6-13mm的煤样850℃下加热15min，取出冷却后用6mm的筛筛分，计算筛上物重量占焦渣总重量的百分数，用TS+6表示，TS+6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，烟煤则最好。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。我国国标采用目视比色法测定透光率（PM）。透光率在反映年轻煤的煤化程度时非常灵敏，因此在我国煤炭分类中将PM列为划分长焰煤和褐煤的主要指标以及褐煤划分小类的指标。一般年轻褐煤的PM<30%，年老褐煤PM在30%-50%之间；长焰煤的PM通常>50%；气煤的PM一般>90%。煤的润湿性当液体和固体接触时，如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。润湿性是指液体与固体接触时，固体被液体润湿的程度，通常用接触角表示煤润湿性的大小，接触角越大，煤的润湿性越差。煤的润湿性取决于煤表面的分子结构特点。通常分别用水和苯作为液体介质测定煤的接触角，来反映煤的亲水性和亲油性。在煤的浮选脱灰过程中，利用煤和矸石亲水性不同进行分离，煤矸石表面亲水，煤表面表现为疏水性。煤的润湿热煤被液体润湿时会放出热量，通常用1g煤被润湿时释放出的热量作为煤的润湿热。润湿热大小主要与煤的表面性质和液体种类有关。常用润湿剂是甲醇。润湿热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。试验表明煤的润湿热大致为0.39-0.42J/m2,利用润湿热可估算煤的比表面积，但不准确。碳含量/%cosθ氮—水系统氮—苯系统74.078.179.181.181.983.183.989.791.30.6100.6040.5620.4430.5080.4320.3410.4530.4160.7260.7380.7360.8410.7060.8130.8860.8630.900煤的孔隙度和比表面积煤的孔隙度：孔隙体积占煤总体积的百分数.通常根据煤中孔隙的孔径大小将其分为大孔、中孔和微孔，分别用Vmac、Vmes和Vmic表示总孔容用Vt

。随煤化程度加深，总孔容积呈下降趋势，到碳含量>88%以后，煤的总孔容积又有所提高碳含量<75%的褐煤，大孔占优势；碳含量75%~82%之间煤中孔占优势；碳含量为88%~91%的煤，微孔占优势。表6-6煤中孔容积分布与煤化程度的关系C/%孔容积/mL·g-1Vmac/Vt/%Vmes/Vt/%Vmic/Vt/%VtVmacVmesVmic63.371.271.775.576.577.279.981.383.888.389.590.80.0730.1050.1140.2220.1050.1580.0830.1440.0330.0420.0520.0760.0640.0620.0880.0400.0220.0310.0170.0360.0170.0160.0140.0090.0000.0000.0040.1220.0130.0610.0270.0650.0000.0000.0000.0100.0090.0430.0220.0700.0700.0660.0390.0430.0160.0260.0380.05787.759.177.217.220.919.620.525.051.538.127.011.9003.552.612.438.632.545.100013.112.340.919.330.266.741.847.029.9

48.561.973.075.0煤炭和焦炭的孔隙率对其反应性有重大影响？一般泥炭和褐煤孔隙率很大，而中等变质程度的煤孔隙率为4%-5%，无烟煤块为2%-4%。一般型煤（煤球）的孔隙率为14%-27%，焦炭的孔隙率为45%-55%，型焦的孔隙率为20%-30%，木炭的孔隙率为70%。孔隙率%煤的比表面积煤的比表面积是煤内部孔隙的表面积的反映。目前采用吸附法测定煤的比表面积，常用的吸附剂是氮、氦、氪和二氧化碳。吸附介质不同，测定结果差别较大。多数人认为-78℃下用二氧化碳测定得结果较可靠。煤的比表面积随煤化程度的变化而变化一般呈抛物线形，最小值出现在碳含量90%左右处。

用不同吸附介质在不同温度下测得的煤比表面积Cdaf/%N2(-196℃)Kr(-78℃)CO2(-78℃)CO2(25℃)Xe(0℃)95.090.086.283.679.272.7340001112176963420178424614610780921982241461251041321392261411096284149煤的岩相学特征煤的物理性质和物理化学性质煤的工业分析与煤的元素组成煤的工艺性质（一）煤的工业分析工业分析是在规定条件下，将煤的组成近似看成水分、灰分、挥发分和固定碳四种组分的化学测定方法。工业分析是一种条件实验，除了水分以外，灰分、挥发分和固定碳是煤在测定条件下的转化产物，不是煤中的固有成分，其测定结果依测定条件变化而变化。煤中水分包括游离水分和化合水分。煤中的水分煤中游离水是指与煤呈物理状态结合的水，吸附在煤的外表面和内部孔隙中。煤的颗粒越细，内部孔隙越发达，煤中吸附的水分越高。煤中游离水分可分为两种：外在水分Mf和内在水分Minh

，二者之和称为煤的全水分Mt或Mar。（1）外在水分Mf（freemoisture)是指煤在开采、运输和洗选过程中吸附在煤粒的外表面和较大的毛细孔隙中的水分，即在常温大气中易于失去的水分。（2）内在水分Minh（inherentmoisture)是指以物理化学方式与煤结合，即以吸附和凝聚方式存在于煤中，其蒸汽压小于纯水的蒸汽压，在常温大气中不易失去的水分。也称为风干煤样水分。最高内在水分:当环境的相对湿度为96%，温度为30℃。且煤样内部毛细孔吸附的水分达到平衡时，内在水分达到最大值，此时的内在水分称为最高内在水分（moistureholdingcapacity,MHC)，

MHC能较好地区分低煤化度煤的煤化度。煤的全水分Mt（totalmoisture)

=外在水分+内在水分。代表煤刚开采出来，或使用者刚收到或即将投入使用状态下煤中的全水分（游离水）。煤的化合水（waterofconstitution)包括结晶水和热解水。（1）结晶水是指煤中含结晶体的矿物质所具有的，如石膏（CaSO4∙2H2O)、高岭石(2Al2O3•4SiO2•4H2O)中的结晶水，通常煤中的结晶水不多。（2）热解水是煤在高温热解条件下，煤中的氧和氢结合生成的水。煤样的概念收到煤样：将应用煤样送到化验室后称为收到煤样，它含有的水分即全水分或称收到基水分（Mt或Mar)。风干煤样（也叫空气干燥煤样）：指煤样在空气中放置一定时间，煤中的水分在不断蒸发，当煤中水的蒸汽压与大气中水蒸气分压达到平衡时的煤样，此时失去的水分是收到基外在水分，用Mf,ar

表示。空气干燥基内在水分：残留在风干煤样中的全部水分占风干煤样质量的百分数称为空气干燥基内在水分，用Minh,ad表示。空气干燥煤样的水分也称为空气干燥基水分，用Mad表示，它的大小与Minh,ad相同。为了应用方便将收到基外在水分和空气干燥基内在水分简称为外在水分和内在水分，符号也分别简化为Mf和Minh。在煤的工业分析中，水分一般指的是空气干燥基水分。而外在水分、内在水分、最高内在水分和收到基全水分不属于工业分析范围。煤的全水分（即收到基水分）、外在水分和内在水分三者关系：煤中水分测定的基本原理煤中水分的测定方法很多，如加热干燥法、共沸蒸馏法、微波加热法等。煤中水分概念不同，测定方法也不同，但测定的原理相同。加热干燥法：分为干燥失重法和直接重量法。干燥失重法通常是将煤加热到105℃~110℃并保持恒温，直至煤样处于恒重时，煤样的失重即为煤样水分的质量。该法对于容易氧化的年轻煤，测定结果偏低，实际过程中采用在氮气流中加热或提高温度缩短加热时间的办法来解决。直接重量法：是在105℃~110℃干燥的氮气流中加热煤样，煤样中的水分被氮气流带走，流经装有吸水剂的吸收管，根据吸收管的增重计算水分含量。共沸蒸馏法：将煤样悬浮在一种与水不互溶的有机溶剂（通常是甲苯或二甲苯），放入水浴中加热，煤中的水分受热形成蒸气，与有机溶剂蒸气一同经冷凝冷却，油水分离从而测定煤样含水量。微波加热法：煤在微波作用下，煤中的水分高速振动，产生摩擦热，使水分蒸发，根据煤样的失重计算水分的含量。微波加热速度快、均匀，能防止煤样因加热时间过长而氧化。但因无烟煤和焦炭的导电性强，不适合用该法测定水分。煤中水分与煤化程度的关系MHC测定条件：30℃，相对湿度为96%；煤的最高内在水分与煤化程度呈规律性的变化。随煤化程度提高，煤的内在水分逐渐降低，到中等煤化程度的肥煤和焦煤阶段，内在水分最低；此后随煤化程度的提高内在水分又有所上升。煤种无烟煤贫煤瘦煤焦煤肥煤气煤弱粘煤不粘煤长焰煤褐煤MHC/%1.5-101-3.51-30.5-40.5-41-63-105-205-2015-35煤的最高内在水分与煤化程度的关系煤的水分测定国家标准煤中全水分的测定方法：GB/T211-1996煤的工业分析方法：GB/T212-1991煤的最高内在水分测定方法：GB4632-1997煤中灰分的测定灰分来源：煤的灰分不是煤中固有的成分，而是煤中所有可燃物质完全燃烧以及煤中矿物质在一定温度下产生一系列分解、化合等复杂反应后剩下的残渣。测定意义：是煤炭贸易计价的主要指标；在煤炭洗选工艺中作为洗选效率指标；在炼焦工业中，是评价焦炭质量的重要指标；锅炉燃烧中，根据灰分计算热效率，考虑排渣工作量；在煤质研究中，根据灰分可以估算煤的发热量和矿物质等。煤灰分的测定原理将煤在815℃的条件下完全燃烧后所得的残渣作为煤的灰分，残渣占煤样质量的百分数，称为煤的灰分产率，用A表示。测定灰分时所用的煤样是粒度小于0.2mm的空气干燥煤样，因此，测定结果是空气干燥基的灰分产率，用Aad表示在实际使用上空气干燥基的灰分产率只是个中间数据，一般还需换算为干燥基的灰分产率Ad，换算公式如下：煤中矿物质≠灰分按矿物质的成因或来源可分为以下几种：原生矿物质指存在于成煤植物中，与有机质紧密结合，约占灰分总量的1%~2%。次生矿物质主要指植物遗体在沼泽中堆积时，外来水流和风带来的细粘土、沙粒或水中钙、镁离子及硫铁矿的沉淀。次生矿物质的存在形态，决定了煤的可选性难易程度。外来矿物质这种矿物质来源于采煤过程中混入煤中的顶、底板和夹矸层中的矸石。按来源形式煤中矿物质的分类：泥炭化作用阶段形成和煤化作用阶段形成。内在矿物质煤中矿物的分类矿物组泥炭化作用阶段形成煤化作用阶段形成水或风运移化学反应形成沉积在空隙中（松散共生）共生矿物的转变（紧密共生）粘土矿物高岭石、伊利石、绢云母、蒙脱石伊利石、绿泥石碳酸盐矿物菱铁矿、铁白云石、白云石、方解石、菱镁矿等铁白云石、白云石、方解石等硫化物黄铁矿结核、胶黄铁矿、白铁矿等黄铁矿、白铁矿、闪锌矿、方铅矿、黄铜矿、丝炭中黄铁矿共生FeCO3结合转变为黄铁矿氧化物赤铁矿针铁矿、纤铁矿石英石英粒子玉髓和石英、来自风化的长石和云母石英磷酸盐磷灰石磷钙土、磷灰石重矿物和其他矿物金岩石、金红石、电气石、正长石、黑云母氯化物、硫酸盐和硝酸盐煤灰成分≠矿物质煤灰是煤中矿物质在煤燃烧后形成的残渣，其化学成分非常复杂，很难测定其中的化合物，煤灰中的元素有几十种，一般用主要元素的氧化物形式表示，最主要的是SiO2、Al2O3、CaO、MgO、Fe2O3几种，一般占95%以上。我国煤中的矿物组分大多以硅酸盐类为主，因此，煤中SiO2含量最大，其次是Al2O3。表5-3我国煤灰成分的一般范围煤灰成分褐煤硬煤最低值最高值最低值最高值SiO2106015＞80Al2O3535850Fe2O3425165CaO5400.535MgO0.13＜0.15TiO20.240.16SO30.635＜0.115P2O30.042.50.015K2O+Na2O0.0910＜0.110表5-4我国部分产地煤的煤灰成分煤产地SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOTiO2K2O+Na2OSO2碱度比*阳泉无烟煤52.733.67.00.21.30.82.00.40.10晋城无烟煤47.433.64.76.50.90.93.32.70.19西山贫瘦煤56.331.46.92.20.51.00.51.20.11灵武不粘煤37.914.516.410.95.00.92.511.80.65长广气煤46.129.715.23.50.51.61.12.40.26大同弱粘煤57.818.413.13.40.71.3-3.20.16扎费诺尔煤41.113.612.414.03.01.23.09.50.6*碱度比=（Fe2O3+CaO+MgO+K2O+Na2O)/(SiO2+Al2O3+TiO2)煤灰熔融性和煤灰粘度煤灰熔融性：是指煤灰在高温条件下软化、熔融、流动时的温度特性。它是动力用煤和气化用煤的重要性能指标。测定方法：通常采用角锥法进行测定，即将煤灰中加入淀粉糊，制成三棱锥