煤化学-煤的物理性质和物化性质

1、第五部分 煤的性质 Coal properties 第七章 煤的物理性质和物理化学性质 Chapter 7 Physical and physicochemical properties of coal 第八章 煤的工艺性质 Chapter 8 Processing properties of coal,第一节 煤的密度density,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

2、煤的分选密度时，都会用到煤的真密度。,1.3 影响煤真密度的因素 factors affecting the density of coal 影响煤真密度的因素有成因类型genesic type、煤岩组成petrological constituents、矿物质minerals、煤化程度rank等。 成因类型的影响： 腐植煤humic coals的真密度一般不低于1.25g/cm3，而腐泥煤sapropelite 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factors affecting the density of coal 煤岩组成petrological

3、 constituents的影响 惰质组inertinite的密度最大，镜质组vitrinite次之，壳质组exinite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factors affecting the density of coal 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factors affecting the density of coal 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

4、低煤化度开始，随煤化程度的提高，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。,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compactness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

5、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,100，,第一节 煤的密度,100，,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

6、的实用意义。,第一节 煤的密度,第二节 煤的机械性质mechanical properties,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hardness、脆度brittleness/frangibility/friability、可磨性grindability等，这些性质对煤的开采、破碎crushing、燃烧combustion、气化gasification和成型briqueting等工艺过程有实用意义。 1. 煤的硬度 刻划硬度 scratch hardness/ Mohs hardness 显微硬度 Microhardness,1.1 煤的刻划硬度scra

7、tch hardness,1822 年Mohs 首先提出一个半定量概念：以滑石作为1 、金刚石作为10，采用一套具有标准硬度的矿物共分成10 个等级，称为莫氏硬度Mohs hardness，也称为刻划硬度scratch hardness 。标准矿物的莫氏硬度见表43。,1.1 煤的刻划硬度scratch hardness,1.1 煤的刻划硬度scratch hardness,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，此后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，壳质组最小，镜

8、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Microhardness的指标。,1.2 煤的显微硬度Microhardness,显微硬度属于压入硬度indentation hardness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大小，如用方形棱锥形金刚石压入器时，测量压痕对角线diagonal line的长度，即可计算出显微硬度值：,1.2 煤的显微硬度Microhardness,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

9、锥面的夹角，一般为136。,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maximum；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minimum；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。,1.3 煤的可磨性 grindability,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。

10、实际上是利用球磨法ball-mill method将一定粒度的煤a sized coal在磨机中在给定转速和转数的情况下at a given rate for a given number of revolutions，测定物料粒度组成的变化change in size consist 。,1.3 煤的可磨性,哈特葛罗夫法Hardgrove test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Standard reference samples ，在哈氏可磨仪Hardgrove grindability ma

11、chine 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undersize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The calibration chart。,1.3 煤的可磨性,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见下图。,HGI,%,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

12、，此后随煤化程度的进一步提高而迅速下降。,第三节 煤的热性质,煤的热性质比热specific heat，导热性heat conductivity，热稳定性thermal stability 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 Lump Coal 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。,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

13、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dielectric constant。 1、煤的导电性electric conductivity/ conductivity 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resistivity；（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electron导电为主，褐煤是离子ion导电为主。,1、煤的导电性 1.2 煤导电性的随煤化程度的

14、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semiconductor或导体conductor的范围。,第四节 煤的电性质,2、煤的介电常数dielectric constant 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。,第四节 煤的电性质,第五节 煤的光学性质optical properties,煤的光学性质主

15、要有可见光照射下的反射率reflectance、折射率refractive index和透光率以及不可见光照射下的X射线X-ray、红外光谱infrared spectrum、紫外光谱Ultraviolet spectrum和荧光性质等。这里只介绍煤的透光率transmittance of coal。,第五节 煤的光学性质optical properties, 煤的透光率transmittance of coal ：是指煤样在100的稀硝酸diluted nitric acid溶液中处理90min，所得有色溶液coloured solution对一定波长（475nm）的光的透过率。有色溶液透光

16、率的测定有分光光度计法spectrophotometry和目视比色法visual colorimetry两种。分光光度计法因其重现性reproducibility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。,第五节 煤的光学性质optical properties, 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。,第七节 煤的润湿性Wettability,1、 煤的润湿性Wettability 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

17、力，则固体可被液体润湿，反之，则不能润湿。通常采用接触角Contact angle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,2、 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

18、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 wetting heat,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 wetting heat,第八节 煤的孔隙率和比表面积Porosity and Surface Area,1、 煤的孔隙率Porosity：煤是一种固态胶体物质，其内部存在着很多毛细管capillary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macropore、中孔mesopore和微孔micropore ，分别用Vmac、Vmes和Vmic表示，总孔容用Vt表示。孔径 的划分如