第六章煤的物理性质和物化性质解析.ppt

1、第6章 煤的物理性质和固态胶体性质 Physical and physicochemical properties of coal,第一节 煤的密度density,1.煤密度的几个概念 1. 1 真(相对)密度 True Relative Density, TRD (真比重) 真密度的概念：20时煤的质量与同体积(不包括煤中孔隙)水的质量之比。 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。,1.2 煤的视(相对)密度 apparent relative density, ARD 视密度的概念：20时煤的质量与同体积（仅

2、包括煤粒的内部孔隙）水的质量之比。 视密度的用途煤的视密度可用于计算煤的埋藏量及煤的运输、粉碎、燃烧等。计算煤的孔隙率,100，,第一节 煤的密度,1.3 煤的堆积密度(bulk relative density， BRD) 堆积密度的概念： 指用自由堆积方法装满容器的煤粒质量与容器容积之比 (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。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,煤的真密度随煤化程度的变化,

3、从低煤化度开始，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,解释图3-4,为什么在Cdaf为87%时,d420出现最小值?,2 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、煤化程度rank、煤岩组成petrological constituents、矿物质minerals等。 成因类型的影响： 腐植煤humic coals

4、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,煤岩组成petrological constituents的影响 显微组成：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； 宏观煤岩成分：丝炭暗煤镜煤亮煤,第一节 煤的密度,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； 水分及风化的影响 （1）水分和风化使煤的密度增加 （2）煤层露头水分和灰分增加，密度增加 对煤的真密度影响最大的是煤化程度,第一节

5、 煤的密度,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,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、弹性。 1. 煤的硬度 刻划硬度 scratch ha

6、rdness/ Mohs hardness 显微硬度 Microhardness,1.1 煤的刻划硬度scratch 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

7、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Microhar

8、dness,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。,煤的显微硬度与碳含量的关系,解释靠背椅曲线 “椅背”, “椅面”, “椅脚”,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，显微硬度几乎随煤化程度提高而直线增加。,1.3 脆度,抗压强度法和抗碎强度法 煤的抗脆强度与煤化度的关系 呈抛物线变化趋势 岩相组成的关系

9、丝炭最脆，镜煤、亮煤居中而暗煤最韧,1.4 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 )。其基本依据是磨碎定理：研磨煤粉所消耗的功与新产生的表面积成正比。 实际上是利用球磨法将一定粒度的煤在磨机中在给定转速和转数的情况下，测定物料粒度组成的变化。,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，在哈氏可磨

10、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。,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，此后随煤化程度的进一步提高而迅速下降。,1.4 弹性 1 测定方法：

11、静态法和动态法 2 杨氏弹性模量、刚性模量与煤化度的关系 见图6-5 3 煤的弹性与塑性,第三节 煤的热性质,煤的热性质比热，导热性，热稳定性（已讲） 比热：单位质量的煤温度升高1K所需的热量。 导热性：热扩散率a表示散热能和蓄热能之比。,第四节 煤的光学性质optical properties,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X-ray、红外光谱infrared spectrum、紫外光谱Ultraviolet spectrum和荧光性质等。,第四节 煤的光学性质optical properties, 煤的透光率：是指煤样在100的稀硝酸溶液中

12、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。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。 为什么用Romax作为煤分类中煤化度的指标? 煤中哪些组分具有荧光性?,第四节 煤的光学性质optical properties, PM的用途 ：年轻煤煤化程度指标，用于区分褐煤和长焰煤。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。,第五节 煤的电性质,煤的电性质包括导电性和介电常数dielectric constant

13、。 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；（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。,

14、第五节 煤的电性质与磁性质,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。,第五节 煤的电性质,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

15、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,cos=Pgr/2,2、 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,煤的浮选示意图,3、

16、 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,1 煤的比表面积specific surface area： 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。测定煤比表面积最简单的方法是甲醇润湿热法，但这一方法误差较大，已不再使用，现在多用吸附法测定煤的比表面积，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。 煤的比表面积与煤化度的关系,第八节 煤的孔隙度和比表面积,第八节 煤的比表面积和孔隙率Sur