煤化学 第三章 煤的结构

第三章煤的结构

煤的结构包括煤有机质的化学结构(大分子结构)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。由于煤炭组成的复杂性、多样性、非晶质性和不均匀性，所以将煤分离成为简单的化合物并研究其结构是一件非常困难的事情。虽然科学家对煤的结构做了长期、大量的研究工作，并取得了长足进展，但遗憾的是，迄今为止尚未明了煤结构的全貌，只是根据实验结果和分析推测，提出了若干煤的结构模型。本书重点介绍煤分子结构研究的结论。

第一节煤的大分子结构

一、煤大分子结构的基本概念

煤的有机质是由大量相对分子质量不同、分子结构相似但又不完全相同的“相似化合物”组成的混合物。根据实验研究，煤的有机质可以大体分为两部分:一部分是以芳香结构为主的环状化合物，称为大分子化合物;另一部分是以链状结构为主的化合物，称为低分子化合物。前者是煤有机质的主体，一般占煤有机质的90%以上，后者含量较少，主要存在于低煤化程度的煤中。煤的分子结构通常是指煤中大分子芳香族化合物的结构。煤的大分子结构十分复杂，一般认为它具有高分子聚合物的结构，但又不同于一般的聚合物，它没有统一的聚合单体。

研究表明，煤的大分子是由多个结构相似的“基本结构单元”通过桥键连接而成的。这种基本结构单元类似于聚合物的聚合单体，它可分为规则部分和不规则部分。规则部分由几个或十几个苯环、脂环、氢化芳香环及杂环(含氮、氧、硫等元素)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;桥键则是连接相邻基本结构单元的原子或原子团。随着煤化程度的提高，构成核的环数不断增多，连接在核周围的侧链和官能团数量则不断变短和减少。

二、煤大分子基本结构单元的核

(一)煤的结构参数

煤大分子基本结构单元的核具缩合环结构，称为芳香环或芳香核。煤的基本结构单元不是一个均匀、确切的结构，但可以通过结构参数评价核的平均结构。煤的结构参数有芳碳率、芳氢率、芳环率等。

(1)芳碳率

芳碳率(f c ar)是指煤的基本结构单元中属于芳香族结构的碳原子数与总碳原子数之比

f c ar =C ar/C。

(2)芳氢率

芳氢率(f H ar)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，

f H ar=H ar/H。

(3)芳环数

芳环数(R a)是指煤的基本结构单元中芳香环数的平均数量。

不同煤化程度煤的结构参数列于表3-1。

(二)煤分子基本结构单元的核随煤化程度的变化规律

煤分子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;中等煤化程度烟煤基本结构单元的核以菲环、蒽环和芘环为主;在无烟煤阶段，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。

从褐煤开始，随煤化程度的提高，煤大分子基本结构单元的核缓慢增大，核中的缩合环数逐渐增多，当碳含量超过90%以后，基本结构单元核的芳香环数急剧增大，逐渐向石墨结构转变。研究表明，碳含量为70%～83%时，平均环数为2左右;碳含量为83%～90%时，平均环数为3～5;碳含量大于90%时，环数急剧增加，碳含量大于95%时，平均环数大于40。煤的芳碳率，烟煤一般小于0.8，无烟煤则趋近于1。

三、基本结构单元周围的烷基侧链和官能团

基本结构单元的缩合环上连接有数量不等的烷基侧链和官能团。

(一)烷基侧链

连接在缩合环上的烷基侧链是指甲基、乙基、丙基等基团。日本学者滕井修治等将煤在缓和的条件下氧化，把烷基转化为羧基，然后通过元素分析和红外光谱测定，研究了不同煤

种烷基侧链的平均长度，见表3-2。

表3-2数据表明，烷基侧链的平均长度随煤化程度提高而迅速缩短。

(二)含氧官能团

煤分子上的含氧官能团有羟基(一OH)、羧基(-COOH)、羰基()、甲氧基(-OCH3)和

醚键(一0一)等。

煤中含氧官能团随煤化程度提高而减少。其中甲氧基消失得最快，在年老褐煤中就几乎不存在了;其次是羧基，羧基是褐煤的典型特征，到了烟煤阶段，羧基的数量大大减少，到中等煤化程度的烟煤时，羧基基本已消失;羟基和羰基在整个烟煤阶段都存在，甚至在无烟煤阶段还有发现。羰基在煤中的含量虽少，但随煤化程度提高而减少的幅度不大，在不同煤化程度的煤中均有存在。煤中的氧有相当一部分以非活性状态存在，主要是醚键和杂环中的氧。

(三)含硫和含氮官能团

煤中的含硫官能团与含氧官能团的结构类似，包括硫醇、硫醚、二硫醚醌、硫酿及杂环硫等。煤中的氮含量一般在1%～2%，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、五元杂环吡咯及咔唑等。理论上，含硫和含氮官能团随煤化程度提高有减少趋势，但由于煤有机质中氮、硫含量不高，其他因素往往掩盖了煤化程度的影响。但从一些数据也可以看出，氮含量随煤化程度的提高而下降。

四、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化学键连接而成的三维结构，结构单元之间的连接是通过次甲基键一CH2一、一CH2一CH2一、一CH2一CH2一CH2一;醚键一O一;硫醚键一S一、-S-S 一;次甲基醚键一CH2一0-、一CH2-S一;芳香碳一碳键C ar-C ar，等桥键实现的。

不同煤化程度煤的结构单元模型见表3-3。

从表3-3中可以看出，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。

五、煤中的低分子化合物

在煤的缩聚芳香结构中还分散着一些独立存在的非芳香化合物，它们的相对分子质量在500左右，可用普通有机溶剂如苯、醇等萃取出来。它们的性质与煤主体有机质有很大的不同，通常称它们为低分子化合物。

煤中的低分子化合物来源于成煤植物(如树脂、树蜡、萜烯等)、成煤过程中形成的未参与聚合的化合物以及形成的低分子聚合物。低分子化合物与煤大分子主要通过氢键力和范德瓦耳斯力结合。煤中低分子化合物的含量一般不超过5%，但有的人认为实际含量远远大于此数值，在褐煤和烟煤中，低分子化合物可达煤有机质的lO%～23%。实际测值低是由于萃取时间短以及低分子化合物与煤的大分子结合太紧密而萃取不出来所致。煤中低分子化合物的含量虽然不多，但它们的存在对煤的黏结性能、液化性能等影响很大。

煤中低分子化合物可分为两类，即烃类和含氧化合物。煤中的烃类主要是正构烷烃，此外还有少量的环烷烃和长链烯烃。含氧化合物有长链脂肪酸、醇和酮、甾醇类等。

第二节煤的结构模型

为了解释煤的性质和煤炭加工转化过程中的现象，人们试图从煤的结构上找答案。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。在这种情况下，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。

一、煤的化学结构模型

建立煤的结构模型是研究煤的化学结构的重要方法。煤的结构模型是根据煤的各种煤结构的信息和数据进行推断和假想而建立的，用来表示煤的平均化学结构的分子图示。实际上，这种分子模型并不是煤中真实分子结构的实际形式，它只是一种统计平均的结果，并不完全准确。尽管如此，这些模型在解释煤的某些性质时仍然得到了成功应用。

(一) Fuchs模型

Fuchs模型是20世纪60年代以前提出的煤的化学结构模型的代表，图3-1所示的模型是由

德国科学家W. Fuchs提出并经Van Krevelen在1957年修改过的模型。这一时期对于煤结构的研究方法主要是化学法，得出的是一些定性的概念，而定量的数据较少， Fuchs模型就是基于这种研究水平而提出来的。从图中可以看出，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。总而言之，该模型比较片面，不能全面反映煤结构的特征。

(二) Given模型

20世纪60年代以来，在煤的结构研究中采用了各种新型的现代化仪器，如傅立叶变换红外光谱和高分辨率核磁共振波谱等，得到了更多更准确的煤结构信息，为更合理的煤结构模型的提出奠定了基础。英国的P.H. Given于20世纪60年代初提出了一种煤结构模型，如图3-2所示。这是一种低煤化程度烟煤(碳含量82%)的结构，主要由环数不多的芳香核构成。在这些环之间由氢化芳香环连接，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。

(三) Wiser模型

美国的W. H. Wiser于20世纪70年代中期提出的煤结构模型(见图3-3)被认为是比较全面合理的一个模型，该模型是针对年轻烟煤(碳含量82%～83%)，它展示了煤大分子结构的大部分现代概念，可以合理解释煤的液化和其他化学反应性质。

该模型芳香环数分布较宽，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，而芳香氢较少。模型中含有酚、硫酚、芳基醚、酮以及含0、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、氨基及羧基等。模型中结构单元之间的桥键主要是短烷键()、醚键(一0一)和硫醚(一S一)等弱键以及两芳环直接相连的芳基碳碳键(ArC-CAr)。模型中还含有羟基、羰基、硫醇和噻吩等基团。

(四)本田模型

如图3-4所示，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，它们之间有较长的次甲基键相连接。模型中氧的存在形式比较全面，但没有考虑氮和硫的结构。

(五) Shinn模型

如图3-5所示，此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，以相对分子质量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，得出分子式为C66l H561074 N1l S6。该结构假设:芳环或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。

二、煤的物理结构模型

煤的化学结构反映了煤的大分子中各原子之间的相互联系，这些原子之间是通过化学键联系起来的。煤的物理结构是指分子间的堆垛结构和孔隙结构。煤的孔隙结构在第六章阐述。

(一) Hirsch模型

1954年Hirsch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500 nm的孔隙，据此建立了Hirsch煤结构模型。该模型将不同煤化程度的煤划分为三种物理结构，如图3-6所示。

(1)敞开式结构[图3-6(a)]:属于低煤化程度烟煤，其特征是芳香层片小，不规则的“无定形结构”比例较大。芳香层片间由交联键连接，并或多或少在所有方向上任意取向，形成多孔的立体结构。

(2)液态结构[图3-6(b)]: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。

(3)无烟煤结构[图3-6(c)]:属于无烟煤，其特征是芳香层片增大，定向程度增大。由于

缩聚反应剧烈，使煤体积收缩并产生收缩应力，导致形成大量裂隙。

(二)交联模型

由Larsen等于1982年提出，如图3-7所示。此模型中，分子之间由交联键连接，类似于高分子化合物之间的交联。这种模型很好地解释了煤不能完全被溶解的现象。

(三)两相模型

两相模型又称为主一客模型。此模型是由Given等1986年根据NMR氢谱发现煤中质子的弛豫时间有快、慢两种类型而提出的，如图3-8所示。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状结构中，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。采用不同溶剂抽提可以将主客体分离。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。

(四)单相模型

单相模型又称缔合模型，是Nishioka于1992年提出来的。他是在分析了溶剂萃取实验结果后，认为存在连续相对分子质量分布的煤分子，煤中芳香族间的连接是静电型和其他型的连接力，不存在共价键。煤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，如图3-9所示。

三、煤结构的综合模型

近年来，还有一些模型把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，它是近年来煤结构模型的特点，主要有Oberlin模型(1989)和球(Sphere)模型(1990)。前者是

Oberlin用高分辨率透射电镜(TEM)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，对煤中卟啉的存在有重点描述;后者是Grigonew等用X射线衍射径向分布函数法研究煤的结构后提出来的，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，这一模型可以解释煤的电子光谱和颜色。

第三节煤结构的研究方法简介

归纳起来，煤结构的研究方法主要有三类，即物理研究法、化学研究法和物理化学研究法。

一、物理研究法

物理研究法主要是利用高性能的现代分析仪器，如红外光谱仪、核磁共振仪、X射线衍射仪、扫描电镜等对煤结构进行测定和分析，从中获取煤结构的信息。表3-4列举了各种现代仪器用于煤结构研究及其提供的信息情况。

二、化学研究法

对煤进行适当的氧化、氢化、卤化、水解等化学处理，对产物的结构进行分析测定，并据此推测母体煤的结构。此外煤的元素组成和煤分子上的官能团，如羟基、羧基、羰基、甲氧基、醚键等也可以采用化学分析的方法进行测定。

三、物理化学研究法

利用溶剂萃取手段，将煤中的组分分离并进行分析测定，以获取煤结构的信息。

第四节煤分子结构理论的基本观点

经过许多科学家的大量研究，虽然还没有彻底了解煤分子结构的全貌，但对煤的分子结构也有了基本的和较深入的认识。以下是科学界公认的几个基本观点。

1.煤是三维空间高度交联的非晶质的高分子缩聚物

煤不是由均一的单体聚合而成，而是由许多结构相似但又不完全相同的基本结构单元通过桥键连接而成。结构单元由规则的缩合芳香核与不规则的、连接在核上的侧链和官能团两部分构成。

2.煤分子基本结构单元的核心是缩合芳香核

缩合芳香核为缩聚的芳环、氢化芳环或各种杂环，环数随煤化程度的提高而增加。碳含量为70%～83%时，平均环数为2;碳含量为83%～90%时，平均环数为3～5;碳含量大于90%时，环数急剧增加，碳含量大于95%时，平均环数大于40。煤的芳碳率，烟煤一般小于0.8，无烟煤则趋近于1。

3.基本结构单元上的不规则部分

连接在缩合芳香核上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的提高而缩短;官能团主要是含氧官能团，包括羟基(-OH)、羧基(-COOH)、羰基(=C=0)、甲氧基(一OCH3)等，随煤化程度的提高，甲氧基、羧基很快消失，其他含氧基团在各种煤化程度的煤中均有存在;另外，煤分子上还有少量的含硫官能团和含氮官能团。

4.连接基本结构单元的桥键

连接基本结构单元之间的桥键主要是次甲基键、醚键、次甲基醚键、硫醚键以及芳香碳一碳键等。在低煤化程度的煤中桥键最多，主要形式是前三种。

5.氧、氮、硫的存在形式

氧的存在形式除了官能团外，还有醚键和杂环;硫的存在形式有硫基、硫醚和噻吩等;氮的存在形式有吡咯环、胺基和亚胺基等。

6.低分子化合物

在煤的高分子化合物的缝隙中还独立存在着具有非芳香结构的低分子化合物，它们主要是脂肪族化合物，如褐煤、泥炭中广泛存在的树脂、蜡等。

7.煤化程度对煤结构的影响

低煤化程度的煤含有较多非芳香结构和含氧基团，芳香核的环数较少。除化学键外，分子内和分子间的氢键力对煤的性质也有较大的影响。由于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，芳核数有所增大，结构单元之间的桥键减少，使煤的结构较为致密，孔隙率低，故煤的物化性质和工艺性质在此处发生转折，出现极大值或极小值。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，同时由于有序化增强，使得芳香层片排列得更加紧密，产生了收缩应力，以致形成了新的裂隙。这是无烟煤阶段孔隙率和比表面积增大的主要原因。

复习思考题

1.煤分子结构单元是如何构成的?结构单元之间如何构成煤的大分子？

2.煤分子中有哪些官能团?

3.反映煤分子结构的参数有哪些?

4.研究煤分子结构的方法有哪些?

5.煤分子结构理论的主要观点有哪些?

6.随煤化程度的提高，煤分子结构呈现怎样的规律性变化?

煤化学 第三章 煤的结构

第三章煤的结构 煤的结构包括煤有机质的化学结构(大分子结构)与煤的物理空间结构。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。由于煤炭组成的复杂性、多样性、非晶质性与不均匀性,所以将煤分离成为简单的化合物并研究其结构就是一件非常困难的事情。虽然科学家对煤的结构做了长期、大量的研究工作,并取得了长足进展,但遗憾的就是,迄今为止尚未明了煤结构的全貌,只就是根据实验结果与分析推测,提出了若干煤的结构模型。本书重点介绍煤分子结构研究的结论。 第一节煤的大分子结构 一、煤大分子结构的基本概念 煤的有机质就是由大量相对分子质量不同、分子结构相似但又不完全相同的“相似化合物”组成的混合物。根据实验研究,煤的有机质可以大体分为两部分:一部分就是以芳香结构为主的环状化合物,称为大分子化合物;另一部分就是以链状结构为主的化合物,称为低分子化合物。前者就是煤有机质的主体,一般占煤有机质的90%以上,后者含量较少,主要存在于低煤化程度的煤中。煤的分子结构通常就是指煤中大分子芳香族化合物的结构。煤的大分子结构十分复杂,一般认为它具有高分子聚合物的结构,但又不同于一般的聚合物,它没有统一的聚合单体。 研究表明,煤的大分子就是由多个结构相似的“基本结构单元”通过桥键连接而成的。这种基本结构单元类似于聚合物的聚合单体,它可分为规则部分与不规则部分。规则部分由几个或十几个苯环、脂环、氢化芳香环及杂环(含氮、氧、硫等元素)缩聚而成,称为基本结构单元的核或芳香核;不规则部分则就是连接在核周围的烷基侧链与各种官能团;桥键则就是连接相邻基本结构单元的原子或原子团。随着煤化程度的提高,构成核的环数不断增多,连接在核周围的侧链与官能团数量则不断变短与减少。 二、煤大分子基本结构单元的核 (一)煤的结构参数 煤大分子基本结构单元的核具缩合环结构,称为芳香环或芳香核。煤的基本结构单元不就是一个均匀、确切的结构,但可以通过结构参数评价核的平均结构。煤的结构参数有芳碳率、芳氢率、芳环率等。 (1)芳碳率 芳碳率(f c ar)就是指煤的基本结构单元中属于芳香族结构的碳原子数与总碳原子数之比 f c ar =C ar/C。 (2)芳氢率 芳氢率(f H ar)就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,f H ar=H ar/H。 (3)芳环数 芳环数(R a)就是指煤的基本结构单元中芳香环数的平均数量。 不同煤化程度煤的结构参数列于表3-1。

第三章 给煤系统教材

第三章给煤系统 第一节系统概述 3.1.1输煤系统介绍 1、汽车缝隙式煤槽到煤场： 汽车缝隙式煤槽叶轮给煤机 1号A、B带式输送机 2号A、B 带式输送机 7号带式输送机斗轮机堆取料机煤场。 2、汽车缝隙式煤槽到原煤仓： 1号A、B带式输送机 2号A、B 3号A、B带式输送机一级筛分、破碎系统（粗碎室）4号A、B带式输送机二级筛分、破碎系统（细碎室） 5号A、B带式 6号A、B带式输送机犁煤器原煤仓。 3、煤场到原煤仓: 煤场斗轮机堆取料机 7 3号A、B带式输送机 4号A、B带式输送机二级筛分、破碎系统（细碎室） 5号A、B带式输送机 6号A、B带式输送机 煤器原煤仓。 4、输煤系统是给煤仓提供质量和数量满足要求的煤质。汽车来煤要经过两级筛分和两级破碎。本工程燃料主要来源于美锦能源集团有限公司所属的六个洗选煤公司的煤矸石、洗中煤及煤泥。年耗煤量253.83×104t。设计煤种的混烧比例煤矸石：洗中煤：煤泥为0.5：0.3：0.2；校核煤种的混烧比例煤矸石：洗中煤：煤泥为0.5：0.1：0.4（煤泥烘干，成块后与洗中煤、煤矸石一起通过细粒碎煤机）。 3.1.2给煤系统介绍 给煤系统是将破碎后的原煤（粒度范围dmax=9mm,d50=1500μm）经输煤皮带进入炉前的原煤仓，然后经落煤管由给煤机送入锅炉的八个给煤口，送入炉膛燃烧。每台锅炉的原煤供给系统由4 个原煤仓、8 台给煤机供应。每个原煤仓对应2 台给煤机，每台给煤机相对独立，6 台给煤机的给煤量可以满足锅炉满负荷运行。 采用微机控制称重式计量给煤机，可对入炉煤进行精确计量；给煤机驱动电

机采用变频调速电动机，可随时调节给煤量。 原煤供给系统采用正压给料，冷一次风机将密封空气送至给煤机，以防止炉膛内的高温烟气反窜入给煤系统污染环境和烧坏给煤机皮带。锅炉采用炉前8 点分布式给煤，每炉8 台给煤机沿炉膛宽度方向均匀布置，给煤流量按每个给煤点均分，使单台给煤机故障造成的不均衡大为降低。 第二节技术规范 2.1 煤斗设计要求 第三节给煤机结构

第三章参考答案

第三章区域自然资源综合开发利用 第一节能源资源的开发 P41 【思考】 1、我国与世界的能源消费结构有哪些不同? 答：（1）、我国的能源消费结构以发热量较低的煤炭为主，世界能源消费结构以发热量较高的石油为主。 （2）、我国的能源消费结构中天然气的比重小于世界。 （3）、我国的能源消费结构核能比重小于世界。 （4）、我国的能源消费结构中水电的消费结构小于世界。 2、我国能源消费结构对山西省煤炭资源开发有什么意义? 答：我国的能源消费结构以煤炭为主，并且这种消费结构在相当长时间里不会改变，这使得我国对煤炭的需求量较大，从而使山西省的煤炭资源具有广阔的市场，必然会加速山西省煤炭资源的开发。 山西省煤炭资源的开发对于我国提高能源的自给率，具有重大现实意义。 P43 【活动】 1、根据下面的资料展开讨论：对于山西省来说，是输煤好还是输电好? 答： (1)从环境效益来看，向外输电，会改善能源消费地区的环境，但燃煤发电会造成当地大气环境的污染。 (2)从运输成本来看，输电的成本较低，而输煤需要建设铁路、公路等交通设施。煤炭在运输过程中还会有损耗，运输成本较高。 (3)山西省是缺水省份，而燃煤发电要消耗大量的水资源。 2、阅读下面的资料，分析山西省煤炭的市场将面临哪些方面的挑战?山西省应采取什么对策实现煤炭工业的持续发展? 答：挑战： （1）、“西气东输”将使晋煤失去部分市场； （2）、“西气东输”将使晋煤在东部的市场份额进一步减少。 （3）、今后核电和水电的比重将大幅度上升，国内对晋煤的需求减少。 （4）、山西煤的开采田因种种原因不再具有优势。（自身的开采条件下降、开采成本上升、技术和设备更新慢。） 措施： （1）、加快技术改造和技术革新，降低开采成本； （2）、加强煤炭的深加工和转换，变成电能、煤气、液化产品等，增强市场的适应性和竞争力； （3）、加强煤炭为原料的化工产品的开发，增加附加值。 P45 【思考】 1、（1）、依赖煤炭和铝矿资源，构筑煤—电—铝产业链，输出电力和铝制品。 （2）、依赖优质的焦煤，构筑煤—焦—化产业链，输出焦炭（钢铁工业的燃料）、化工产品、煤焦油（化学工业原料）、水泥、煤渣（建筑材料）。 （3）、依赖煤炭和铁矿构筑煤—铁—钢产业链，主要输出钢材。 2、煤炭的综合利用使山西省输出产品有何变化？这种变化是否有利于提高经济效益？答：煤炭的综合利用使得山西的输出产品以煤炭为主到以煤炭为动力、为原料的工业制成品为主，如：电力、铝制品、钢材、煤气等。提高了产品的附加值，有利于本地的资源优势转化为经济优势。

煤化学 第三章 煤得结构

第三章煤得结构 煤得结构包括煤有机质得化学结构(大分子结构)与煤得物理空间结构。研究煤得结构,不仅具有重要得理论意义,而且对于煤炭加工利用具有重要得指导意义。由于煤炭组成得复杂性、多样性、非晶质性与不均匀性,所以将煤分离成为简单得化合物并研究其结构就是一件非常困难得事情。虽然科学家对煤得结构做了长期、大量得研究工作,并取得了长足进展,但遗憾得就是,迄今为止尚未明了煤结构得全貌,只就是根据实验结果与分析推测,提出了若干煤得结构模型。本书重点介绍煤分子结构研究得结论。 第一节煤得大分子结构 一、煤大分子结构得基本概念 煤得有机质就是由大量相对分子质量不同、分子结构相似但又不完全相同得“相似化合物”组成得混合物。根据实验研究,煤得有机质可以大体分为两部分:一部分就是以芳香结构为主得环状化合物,称为大分子化合物;另一部分就是以链状结构为主得化合物,称为低分子化合物。前者就是煤有机质得主体,一般占煤有机质得90%以上,后者含量较少,主要存在于低煤化程度得煤中。煤得分子结构通常就是指煤中大分子芳香族化合物得结构。煤得大分子结构十分复杂,一般认为它具有高分子聚合物得结构,但又不同于一般得聚合物,它没有统一得聚合单体。 研究表明,煤得大分子就是由多个结构相似得“基本结构单元”通过桥键连接而成得。这种基本结构单元类似于聚合物得聚合单体,它可分为规则部分与不规则部分。规则部分由几个或十几个苯环、脂环、氢化芳香环及杂环(含氮、氧、硫等元素)缩聚而成,称为基本结构单元得核或芳香核;不规则部分则就是连接在核周围得烷基侧链与各种官能团;桥键则就是连接相邻基本结构单元得原子或原子团。随着煤化程度得提高,构成核得环数不断增多,连接在核周围得侧链与官能团数量则不断变短与减少。 二、煤大分子基本结构单元得核 (一)煤得结构参数 煤大分子基本结构单元得核具缩合环结构,称为芳香环或芳香核。煤得基本结构单元不就是一个均匀、确切得结构,但可以通过结构参数评价核得平均结构。煤得结构参数有芳碳率、芳氢率、芳环率等。 (1)芳碳率 芳碳率(f c ar)就是指煤得基本结构单元中属于芳香族结构得碳原子数与总碳原子数之比 f c ar =C ar/C。 (2)芳氢率 芳氢率(f H ar)就是指煤得基本结构单元中属于芳香族结构得氢原子数与总氢原子数之比,f H ar=H ar/H。 (3)芳环数 芳环数(R a)就是指煤得基本结构单元中芳香环数得平均数量。 不同煤化程度煤得结构参数列于表3-1。

第三章燃料组成分析

第三章燃料组成分析 煤的化学组成和结构十分复杂，但作为能源使用，只要了解它与燃烧有关的组成，例如工业分析组成和元素分析组成，就能满足电厂燃烧技术和有关热力计算等方面的要求。 第一节煤的工业分析 煤的工业分析组成包括水分、灰分、挥发分和固定碳四项成分。根据工业分析，可初步判断煤的种类、性质和工业用途。在火电厂中，工业分析数据是锅炉运行人员调节燃烧工况、计算热效率和提高锅炉运行的安全性和经济性不可缺少的依据。 一、煤中水分的测定 （一）煤中水分对燃烧的影响 煤的水分，是煤炭计价中的一个辅助指标。它的水分直接影响煤的使用、运输和储存。 煤的水分增加，煤中有用成分相对减少，且水分在燃烧时变成蒸汽要吸热，因而降低了煤的低位发热量。水分含量过高，会使煤着火困难，影响燃烧速度，降低炉膛温度，增加化学和机械不完全燃烧热损失。同时使炉烟体积增加，从而增加炉烟排走的热量和引风机的耗能量。 煤的水分增加，还增加了无效运输，并给卸车带来了困难。特别是冬季寒冷地区，经常发生冻车，影响卸车。同时，由于流动性变坏，在输煤过程中容易造成煤仓、输煤管路堵塞。 但是，当煤中含有适量水分时，可以防止储运、装卸过程中煤粉损失，减少对环境的污染。在燃烧时，火焰中有一定量水蒸气，则有利于残碳气化，有利于燃烧。同时还可以加强传热。所以煤中有适量水分能改善燃烧工况和提高炉膛辐射效果。 （二）煤中水分的在形态 1．煤中游离水和化合水 煤中水分按存在形态的不同分为两类，既游离水和化合水。游离水是以物理状态吸附在煤颗粒内部毛细管中和附着在煤颗粒表面的水分；化合水也叫结晶水，是以化合的方式同煤中矿物质结合的水。如硫酸钙（CaSO4·2H2O）和高龄土（Al2O3·2SiO2·2H2O)中的结晶水。游离水在105～110℃的温度下经过1～2小时可蒸发掉，而结晶水通常要在200℃以上才能分解析出。 煤的工业分析中只测试游离水，不测结晶水。 2．煤的外在水分和内在水分 煤的游离水分又分为外在水分和内在水分。 外在水分（M f），是附着在煤颗粒表面和大毛细管孔（直径>10-5cm）中的水分。外在水分很容易在常温下的干燥空气中蒸发，蒸发到煤颗粒表面的水蒸气压与空气的湿度平衡时就不再蒸发了。它的含量多少与煤的性质无关，而主要取决于外界条件，如大气温度、湿度等。

煤化学答案

第二章习题 1. 煤是由什么物质形成的？P6 答：煤是由植物生成的。 在煤层中发现大量保存完好的古代植物化石和炭化了的树干；煤层底板岩层中发现了大量的根化石、痕木化石等植物化石；在显微镜下观察煤制成的薄片可以看到植物细胞的残留痕迹以及孢子、花粉、树脂、角质层等植物残体；在实验室用树木进行的人工煤化试验，也可以得到外观和性质与煤类似的人造煤。这就有力地证实了腐植煤是由高等植物变来的。 2. 按成煤植物的不同，煤可以分几大类？ P12 答：按成煤植物的不同，煤主要分为腐植煤、腐泥煤、腐植腐泥煤。腐植煤：高等植物腐泥煤：低等植物 腐植腐泥煤：高等植物+低等植物 3. 简述成煤条件。P20-21 答：煤的形成必须具备古植物、古气候、古地理和古构造等条件。古植物：大量植物的持续繁殖古气候：温暖、潮湿的气候环境 古地理：沼泽和湖泊古构造：合适的地壳升降运动 4. 由高等植物形成煤，要经历哪些过程和变化？P22 答：由高等植物形成煤，要经历泥炭化作用和煤化作用两个过程。 泥炭化作用过程：高等植物→泥炭 煤化作用过程又分为成岩作用和变质作用两个阶段。成岩作用阶段：泥炭→褐煤；变质作用阶段：褐煤→无烟煤。 5. 泥炭化作用、成岩作用和变质作用的本质是什么？P22、P25、P26 答：泥炭化作用是指高等植物残骸在泥炭沼泽中，经过生物化学和地球化学作用演变成泥炭的过程。 成岩作用：泥炭在沼泽中层层堆积，越积越厚，当地壳下沉的速度超过植物堆积速度时，泥炭将被黏土、泥砂等沉积物覆盖。无定形的泥炭在上覆无机沉积物的压力作用下，逐渐发生压紧、失水、胶体老化硬结等物理和物理化学变化，转变为具有岩石特征的褐煤的过程。变质作用：褐煤沉降到地壳深处，受长时间地热和高压作用，组成、结构、性质发生变化，转变为烟煤和无烟煤的过程。 6. 按煤化程度，腐植煤可以分为几大类？它们有哪些区分标志？答：按煤化程度，腐植煤可以分为泥炭、褐煤、烟煤和无烟煤四个大类。 泥炭与褐煤的区分标志：外观上，泥炭有原始植物残体，呈土状；褐煤无原始植物残体，无明显条带。褐煤与烟煤的区分标志：颜色，褐煤呈褐色或黑褐色；烟煤呈黑色。 烟煤与无烟煤的区分标志 特征与标志烟煤无烟煤 颜色黑色灰黑色 光泽有一定光泽金属光泽 外观呈条带状无明显条带 燃烧现象多烟无烟 7. 影响煤变质作用的因素有哪些，对煤的变质程度有何影响？P28 答：影响煤变质作用的因素主要有：温度、时间和压力。 温度是影响煤变质作用的主要因素，存在一个煤变质的临界温度。转变为不同煤化阶段所需的温度大致为：褐煤：40～50 ℃，长焰煤：<100 ℃，典型烟煤：<200 ℃，无烟煤：<350 ℃。时间是影响煤的重要因素，这里所说的时间是指煤在一定温度和压力条件下作用时间的长短。作用时间影响的重要性表现在：温度、压力相同，时间越长，变质程度越高；温度不同，短时间较高温度与长时间较低温度可达到相同的变质程度。

煤化学课后习题答案

第一章习题 1. 中国能源结构、煤炭资源的分布特点及生产格局、能源发展战略是什么？P1 答：中国能源结构：煤炭资源比较丰富，油气资源总量偏少。（富煤、贫油、少气） 煤炭资源的分布：东少西多，南贫北丰，相对集中。 生产格局：北煤南运，西煤东调。 能源发展战略：节能优先、结构多元、环境友好。 2. 煤炭利用带来的环境问题有哪些？ 答：煤炭利用带来的环境问题如酸雨、臭氧减少、全球气候变暖、烟雾等。 3. 何谓洁净煤技术？有哪些研究内容？ 答：洁净煤技术是指从煤炭开发到利用的全过程中旨在减少污染排放与提高利用效率的加工、燃烧、转化及污染控制等新技术。 洁净煤技术的主要包括：煤炭开采、煤炭加工、煤炭燃烧、煤炭转化、污染排放控制与废弃物处理等。如：选煤，型煤，水煤浆，超临界火力发电，先进的燃烧器，流化床燃烧，煤气化联合循环发电，烟道气净化，煤炭气化，煤炭液化，燃料电池等。 4. 煤化学的主要研究内容？P4 答：煤化学是研究煤的生成、组成（包括化学组成和岩相组成）、结构（包括分子结构和孔隙结构）、性质、分类以及它们之间相互关系的科学。广义煤化学的研究内容还包括煤炭转化工艺及其过程机理等问题。 第二章习题 1. 煤是由什么物质形成的？P6 答：煤是由植物生成的。 在煤层中发现大量保存完好的古代植物化石和炭化了的树干；煤层底板岩层中发现了大量的根化石、痕木化石等植物化石；在显微镜下观察煤制成的薄片可以看到植物细胞的残留痕迹以及孢子、花粉、树脂、角质层等植物残体；在实验室用树木进行的人工煤化试验，也可以得到外观和性质与煤类似的人造煤。这就有力地证实了腐植煤是由高等植物变来的。 2. 按成煤植物的不同，煤可以分几大类？ P12 答：按成煤植物的不同，煤主要分为腐植煤、腐泥煤、腐植腐泥煤。 腐植煤：高等植物 腐泥煤：低等植物 腐植腐泥煤：高等植物+低等植物 3. 简述成煤条件。P20-21 答：煤的形成必须具备古植物、古气候、古地理和古构造等条件。 古植物：大量植物的持续繁殖 古气候：温暖、潮湿的气候环境

越崎教材煤田地质学第三章煤岩学基础

第三章煤岩学基础 煤岩学（Coal Petrology）是一门研究可燃岩石的学科，是用肉眼或运用光学仪器来研究自然状态下固体可燃矿产并作为有机岩石加以研究的学科。狭义地讲，它仅从岩石学的角度来研究煤的组成、成分、类型及性质等，它的主要研究领域是煤的显微镜学。至今煤岩学存在两大派系，即理论煤岩学和应用煤岩学。 从岩石学的观点，煤是一种特殊的沉积岩——可燃有机岩。其物质组成较为复杂。当用肉眼仔细观察时，就可以看到它的物质组成，常显示明显的不均一性。其主要表现为煤是有机物质和无机物质(矿物质)的混合物。即使有机物质本身也因成煤原始物质的不同和聚积条件的不同，呈现出复杂性和多样性。 如果用显微镜对煤进行观察，其不均一性就显得更加明显。这种不均一性，对煤的物理化学性质和加工工艺特性均有很大的影响。运用煤岩学的方法，确定煤的岩石组成和煤化程度，是正确评价煤质，确定煤的合理利用途径的重要依据，也是研究煤的成因和变质程度的基础。 3.1 煤的显微组分 显微组分（Maceral）是指煤在显微镜下能够区别和辨识的最基本的组成成分，是显微镜下能观察到的煤中成煤原始植物残体转变而成的有机成分。煤不是均一的物质，而是由各种不同的组分所组成。与矿物组成的形式相同，煤由显微组分组成，但有差别。一种矿物特征是有非常确定的化学成分，其物质是均一的，而且大多数矿物实际上是晶质的。反之，煤的一种显微组分在其化学成分和物理性质上相近，但有很大变化，并且是非晶质的。 目前国际煤岩学术委员会的显微组分分类方案（表３-１）是侧重于化学工艺性质的分类，按其成因和工艺性质的不同，大致可分为镜质组、类脂组（壳质组或稳定组）和惰质组三大类。其分类原则，以化学工艺性质划分三大组：镜质组、类脂组、惰质组；按植物组织的凝胶化与破碎程度划分亚组；显微镜下依据颜色、形态、结构和突起等特征划分显微组分；根据各种成因标志，在显微组分中进一步细分出亚组分，如丝质体可按成因划分为火焚丝质体pyrofusinite,氧化丝质体Degradofusinite(Oxyfusinite), 原有丝质体primary fusinite, 后生丝质体rank fusinite；有的显微组分根据形态和结构特征，以及它们所属的植物种类和植物器官，进一步又划分出若干显微组分的种，如结构镜质体可细分为科达树结构镜质体、真菌质结构镜质体，木质结构镜质体，鳞木结构镜质体和封印木结构镜质体等五种；运用特殊方法，如浸蚀法、电子显微镜法、荧光法，还可以在某些组分中发现显微镜下无法识别的结构及细微特征，根据这些特征所确定的称为隐组分（Cryptomaceral）, 如镜质组中可分出隐结构镜质体、隐团块镜质体、隐胶质镜质体和隐碎屑镜质体。 按照上述分类方案，各显微组分的特征如下： 1.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组。从低煤级到高煤级煤中，镜质组在油浸反射光下呈深灰至浅灰色，无突起到微突起。反射率介于类脂组和惰质组，并随煤级增高而增加，各向异性增强。在透射光下呈橙红色—棕红色—棕黑色—黑色。部分低煤级烟煤中镜质组在蓝光激发下发暗褐色到褐色荧