煤化学.doc
煤化学
煤化学科技名词定义中文名称:煤化学英文名称:coal chemistry定义:研究煤的成因、组成、结构、性质、分类和反应及其相互关系,并阐明煤作为燃料和原料利用中的有关化学问题的学科。
所属学科:煤炭科技(一级学科);煤炭科技总论(二级学科)本内容由全国科学技术名词审定委员会审定公布《煤化学》煤化学(coal chemistry),研究煤的成因、组成、性质、结构、分类和反应,以及它们之间关系的一门学科,它同时阐明煤作为燃料和原料利用中的一些化学问题,是煤化工的理论基础。
目录编辑本编辑本段内容简介本书是教育部高职高专规划教材,是按照教育部对高职高专教育人才培养的指导思想,在广泛吸取近几年高职高专教育成功经验的基础上编写的。
本书系统地叙述了煤的特征和生成、工业分析、元素分析、煤的有机质的结构、工艺性质、煤炭分类及煤质评价、煤的综合利用等内容,并增加了煤质化验和实训部分,突出应用能力和综合素质的培养,重在培养学生的实际操作能力反映高职高专特色。
为了便于读者自学,在文字上尽量做到通俗易懂,并且在每章后附有复习思考题。
本书可作为高职煤化工、煤炭综合利用专业的教学、成人教育、职业培训教材,也可供从事能源、燃气、煤化工、煤炭综合利用等有关生产技术人员参考。
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编辑本段图书目录绪论第一章煤的外表特征和生成第二章煤的一般性质第一节煤的宏观特征和微观特征一、煤岩学的概念二、煤的宏观特征三、煤的微观特征四、煤岩学的应用第二节煤的物理性质一、煤的颜色和光泽二、煤的断口和裂隙三、煤的密度四、煤的机械性质五、煤的热性质六、煤的电性质与磁性质七、煤的光学性质第三节煤的固态胶体性质一、煤的润湿性及润湿热二、煤的表面积三、孔隙度和孔径分布……扩展阅读:∙1《煤化学》/zhuoyuewangtushu/13297∙2M.A.Elliott ed., Chemistry of Coal Utilization.2nd Sup. Vol., John Wiley & Sons,New York,1981.∙3汪寅人吴奇虎陈鹏∙4/html/chunmixiangguanxingye/huagongmingcijieshi/ran/2009/0114/ 268_2.html∙5新型煤化工的发展:/2005report/2005086mhg.htm。
煤化学
1.煤是植物遗体经过生物化学作用,又经过物理化学作用而转变成的沉积有机矿产,是多种高分子化合物和矿物质组成的混合物。
2.成岩作用:在温度和压力的影响下,泥炭进一步转变为褐煤的过程3.变质作用:由褐煤变为烟煤和无烟煤的过程。
4.成煤作用分为两个阶段:一是植物在泥炭沼泽、湖泊或浅海中不断繁殖,其遗体在微生物的参与下不断分解、化合,聚积的过程。
此阶段起主导作用的是生物地球化学作用。
低等植物经过生物地球化学作用形成腐泥,高等植物形成泥炭,因此成煤的第一阶段可称为腐泥化阶段或泥炭化阶段。
当已形成的泥炭或腐泥,由于地壳的下沉等原因而被上覆沉积物所掩埋时,成煤作用就转化为第二阶段(煤化作用阶段),即泥炭、腐泥在以温度和压力为主的作用下转变为煤的过程。
此阶段包括成岩阶段和变质阶段,此阶段起主要作用的是物理化学作用。
5.煤是由植物而且主要是由高等植物转化而来的。
6.从化学的观点看,植物的有机族组成可以分为四大类:糖类及其衍生物、木质素、蛋白质、脂类化合物。
7.糖类及其衍生物包括纤维素、半纤维素、果胶质等成分。
8.由高等植物形成的煤叫“腐植煤”,由低等植物形成的煤叫“腐泥煤”,由高等植物和低等植物共同形成的煤叫“腐植腐泥煤”。
9.从植物死亡、堆积到转变为煤经过了一系列复杂的演变过程,这个过程称为成煤作用。
包括两个阶段:①泥炭化作用阶段②煤化作用阶段10.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。
11.煤化作用:泥炭、腐泥在以温度和压力为主的作用下转变为煤的过程。
12.煤化作用阶段又包括:①成岩作用阶段②变质作用阶段13.根据变质条件和变质特征的不同,煤的变质作用可以分为:深成变质作用、岩浆变质作用、动力变质作用。
14.影响煤变质作用的因素有:温度、压力和时间。
15.煤层气是赋存在煤层中以甲烷为主要成分、以吸附在煤基质颗粒表面为主、部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中的烃类气体,是煤层本身自生自储式非常规天然气。
煤化学
复习思考题一煤的生成1、煤是由什么形成的?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。
2、成煤植物的主要化学组成是什么?它们各自对成煤的贡献如何?(1)碳水化合物(包括纤维素、半纤维素及果胶质)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。
(2)木质素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(3)蛋白质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。
(4)脂类化合物脂肪: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24~26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。
煤化学
二.煤的工业分析
水分对煤炭利用的影响
二.煤的工业分析
定义:煤中可燃物完全燃烧后,煤中矿物质在 一定温度下经过一系列分解、化合等复杂反应 剩下的残渣。 原生矿物质 成煤植物中的矿物质
2.灰分 A
次生矿物质 成煤过程中夹带的矿物质
外来矿物质 煤炭开采过程中带出的矿物质
二.煤的工业分析
煤中灰分或矿物质不利影响
五.煤的显微组分
3.有机显微组分 镜质组(凝胶化组分) 惰质组(丝质组) 稳定组(壳质组) 过度组分(半镜质组、半丝质组)
五.煤的显微组分
4.镜质组(凝胶化组分) 1.煤中主要显微组分 2.我国多数煤田含量约60%~80% 3.基本成分来源于植物的茎、叶等木质 纤维组分 4.泥炭化阶段经历凝胶化作用后形成
五.煤的显微组分
5.惰质组(丝质组) 1.煤中常见显微组分 2.我国多数煤田含量约10%~20% 3.基本成分是植物木质纤维组分 4.泥炭化阶段经历丝碳化作用后形成
五.煤的显微组分
6.稳定组(壳质组) 主要来源于植物的皮壳组织和分泌物, 以及与这些物质相关的次生物质,如:孢 子、角质、树皮、树脂及渗出沥青。
四.煤的粘结性、结焦性
五.煤的显微组分
1.概念 煤的显微组分指煤在显微镜下能够区分 和辨别的基本组成成分。 有机显微组分:在显微镜下能观察到煤 中由植物有机质转变而成的组分。 无机显微组分:在显微镜下能观察到的 煤中矿物质。
五.煤的显微组分
2.无机显微组分 黏土类矿物质 硫化物类矿物质 碳酸盐类矿物质 氧化物类矿物质 高岭土 黄铁矿 方解石 石英
煤化学
一、煤的种类和特性 二、煤的工业分析 三、煤的元素分析 四、煤的粘结性、结焦性 五、显微组分 六、结焦机理
煤化学 第二章
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。
五、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。
2、煤的介电常数
物质的介电常数 是ห้องสมุดไป่ตู้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
3 . 煤的堆积密度(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。 BRD 是条件性指标,受容器的大小、形状、装煤 方法、煤的水分、粒度等因素的影响。测定容器越大, 准确性越高。
●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 物的莫氏硬度划分,煤的硬度一般为 1 ~4 。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 2 ~ 2.5 ,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。
煤化学名词概念
第一章绪论煤化学的概念:煤化学是研究煤的生成、组成、结构、性质、分类以及他们之间的相互关系的科学。
煤的主要用途:燃烧、炼焦、气化、低温干馏、加氢液化以及其他深加工产品等。
煤炭的产量逐年增加的原因:钢材、水泥、焦炭、电力、电解铝。
CCT(洁净煤技术):是指在煤炭开采、加工、转化、利用的过程中减少污染和提高效率的新技术的总称。
主要包括①煤炭开采②煤炭加工③煤炭燃烧④煤炭转化⑤污染物排放控制与废弃物处理第二章煤的生成煤的定义:煤是植物遗体经过生物化学作用,又经过物理化学的作用而转变成的沉积有机矿产。
我国的主要聚煤期:新生代中生代古生代(晚古生代、早古生代)植物的有机族:可以分为四类1、糖类以及衍生物(碳水化合物)2、木质素3、蛋白质4、脂类化合物(包括脂肪、树脂、蜡质、角质、和孢粉质)成煤环境:1、首先需要大量的植物的持续繁衍2、其次是植物遗体不致全部被氧化分解3、地质作用的配合煤炭的成因类型:根据形成的物质基础而划分的煤炭的类型称为成因类型。
主要是:腐植煤、腐泥煤、残植煤、腐植腐泥煤。
煤炭的成煤过程:植物——泥炭——褐煤——烟煤、无烟煤泥炭化--煤化作用(这两个你们看放在那个位置,文档出错了)泥炭的有机组成主要包括:1、腐植酸2、沥青质3、未分解或未完全分解的纤维素、半纤维素、果胶质和木质素4、变化不多的壳质组,如角质膜和孢粉等变质作用因素:影响变质作用的因素主要有温度、压力和时间第三章煤的结构煤的分子结构模型: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煤的结构参数:1、芳碳率:芳碳率是指煤的基本结构中属于芳香族结构的碳原子数与总碳原子数之比。
2、芳氢率:芳碳率是指煤的基本结构中属于芳香族结构的氢原子数与总氢原子数之比。
3、芳环率:芳碳率是指煤的基本结构中芳香环数的平均数量。
研究煤分子结构时,一般采取镜质组作为研究对象,因为镜质组在成煤过程中,变化平稳,组成均匀,杂质含量低,而且在绝大多数煤中镜质组的含量占主导地位。
煤化学
1.植物的主要化学组成 (constituents)1)碳水化合物( carbohydrates )2)木质素( lignins ) 3)蛋白质( proteins )4)脂类化合物( lipids/fatty compounds )2.成煤环境重点煤炭的生成,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life-form、气候climate的影响)2)植物遗体不能完全腐烂--适合的堆积场所(沼泽、湖泊swamps and lakes 等)3)地质作用的配合(地壳的沉降运动subside--形成上覆岩层和顶底板--多煤层)3.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)。
4.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。
5.6.变质作用的类型:根据变质条件和变质特征的不同,煤的变质作用可以分为深成变质作用、岩浆变质作用和动力变质作用三种类型。
(1)深成变质作用:是指在正常地温状态下,煤的变质随煤层沉降幅度的加大、地温的升高和受热时间的持续而增高。
这种变质作用与大规模的地壳升降活度直接相关,具有广泛的区域性,常称为区域变质作用。
深成变质作用造成煤级与埋深产生关系,煤的变质程度具有垂直分布规律,这个规律称为希尔特定律,它是指在同一煤田大致相同的构造条件下,随着煤层埋深的增加,煤的挥发分逐渐减少,变质程度逐渐增加。
(2)岩浆变质作用:岩浆变质作用可分为区域岩浆热变质作用和接触变质作用两种类型。
区域岩浆热变质作用是指聚煤坳陷内有岩浆活动,岩浆及其所携带气液体的热量可使地温场增高,形成地热异常带,从而引起煤的变质。
煤的区域岩浆热变质作用是促成我国出现大量中、高变质烟煤和无烟煤的主要原因。
煤化学第一章绪论
结论:高能耗、高污染,单位产值能耗是美国的3倍,日本的7倍。
世界煤炭应用领域构成图
“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。
第一部分 第一章:绪论
Electricity Steam Turbin
Boiler
Dust Remover Generator
Air Heater Fan
coal
Condenser Ash Fan Ash Air Gypsum
发电厂
钢铁的制造
水泥的制造
煤变油工厂
煤的其他用途
一、煤炭产量(亿吨)
煤化学
Coal Chemistry
OH H SH H O H H H H2 CH2 O
OH
课(教材第1章)
第二部分:煤的生成(教材第2章) 第三部分:煤的结构(教材第4章) 第四部分:煤的组成(教材第3, 5章) 第五部分:煤的性质(教材第6- 8章) 第六部分:煤的分类(教材第9章)
3.陶著,煤化学,冶金工业出版社,1987.10, 4.钟蕴英,关梦缤,崔开仁,王惠中,煤化学, 中国矿业大学出版社,1994.10, 5.郭崇涛,煤化学,化学工业出版社,1992.4, 6.周师庸,应用煤岩学,冶金工业出版社, 1985.8, 7、中文期刊:煤炭转化,燃料化学学报 8、英文期刊:Fuel, Fuel & Energy,Carbon
91 94 96 97 98 99 00 9 01 11.1 02 03 04 05 06 23 11 12.1 13.7 13.3 12.2 11 13.9 16.7 19.6 21.9
煤化学
1、煤是由什么物质形成的?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?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。
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?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、影响煤变质作用的因素主要有:温度、时间和压力。
7、桥键主要是次甲基键、醚键、次甲基醚键、硫醚键以及芳香碳-碳键等。
8、什么是基本结构单元:构成煤的大分子聚合物的“相似化合物”被称作基本结构单元。
9、煤分子基本结构单元的规则部分规则部分(缩合芳香核):缩聚的芳环、氢化芳环或各种杂环。
煤化学煤的化学性质
第七章煤的化学性质第一节煤的氧化性质一、不同氧化条件下煤的氧化产物煤的氧化是研究煤结构和性质的重要方法,同时又是煤炭加工利用的一种工艺。
煤的氧化是在氧化剂作用下煤分子结构从复杂到简单的转化过程。
氧化的温度越高、氧化剂越强、氧化的时间越长,氧化产物的分子结构就越简单,从结构复杂的腐植酸到较简单的苯羧酸,直至最后被完全氧化为二氧化碳和水。
常用的氧化剂有:高锰酸钾、重铬酸钠、双氧水、空气、纯氧、硝酸等。
煤的氧化可以按其进行的深度或主要产品划分为表面氧化、轻度氧化中度氧化、深度氧化和完全氧化。
(一)煤的表面氧化氧化条件较弱,一般是在100 ℃以下的空气中进行,氧化反应发生在煤的内外表面,主要形成表面碳氧络合物。
这种络合物不稳定,易分解为CO、CO2和H2O等。
煤经氧化后易于碎裂,表面积增加,使氧化加快。
煤的表面氧化虽然氧化程度不深,但却使煤的性质发生较大的变化,如热值降低、黏结性下降甚至消失、机械强度降低等,对煤的工艺应用有较大的不利影响。
(二)煤的轻度氧化1.轻度氧化条件及产物氧化条件有所增强,一般是在100~300 ℃的空气或氧气中氧化、100~200 ℃的碱溶液中用空气或氧气氧化或在80~100 ℃的硝酸溶液中氧化。
氧化的产物主要是可溶于碱液的高分子有机酸,称为再生腐植酸。
再生腐植酸与煤中的天然腐植酸结构和性质相似,通过研究再生腐植酸可以得到煤结构的信息,同时,腐植酸又有许多用途,如作为肥料使用,可刺激植物生长、改良土壤、蔬菜病虫害防治、饲料添加剂等;在工业上可用做锅炉除垢剂、混凝土减水剂、硬水软化剂、型煤黏结剂、水煤浆添加剂等。
泥炭、褐煤、风化煤被碱所抽提的物质称为腐植酸。
腐植酸具有弱酸性,它不是单一的化合物,是由多种结构相似但又不相同的高分子羟基芳香酸所组成的复杂混合物。
它的组分既不具有塑性,也不具有弹性,而是一种高分子的非均一缩聚物。
它既不溶解于水,又不结晶,是一种无定形的高分子胶体。
按腐植酸在不同溶剂中的溶解度和颜色,一般可分成三个组分,即黄腐酸、棕腐酸和黑腐酸(见图7-1)。
煤化学
Coal chemistry
第一章 煤的外表特征和生成
一、煤的种类 腐殖煤类 煤的成因类型 腐泥煤类 腐殖腐泥类 泥炭 褐煤 烟煤 无烟煤
Coal chemistry
煤的定义:
煤是植物遗体以及浮游生物遗体覆盖在地层下, 经复杂的生物化学和物理化学作用,转化而成的固体 有机可燃沉积岩;
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。 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,
随着煤准备与炼焦工艺的发展, 扩大了炼焦用煤的资源。新的炼焦 技术已能使用所有的烟煤,甚至无 烟煤作为原料成分,不再仅仅局限 于这些传统炼焦煤。 Coal chemistry
4.无烟煤
是煤化程度最大的煤。无烟煤固定碳含量高,挥发分产率低, 密度大,硬度大,燃点高,燃烧时不冒烟。黑色坚硬,有金属 光泽。以脂摩擦不致染污,断口成介壳状,燃烧时火焰短而少 烟。不结焦。一般含碳量在90%以上,挥发物在10%以下。无胶 质层厚度。有时把挥发物含量特大的称做半无烟煤;特小的称 做高无烟煤。 无烟煤通常作民用和动力燃料;质 量好的无烟煤可作气化原料、高炉喷吹 和烧结铁矿石的燃料以及作铸造燃料等; 用优质无烟煤还可以制造碳化硅、碳粒 砂、人造刚玉、人造石墨、电极、电石 和炭素材料。
Coal chemistry
德国、澳大利亚等国有丰富的褐煤资源。 我国已探明的保有储量约1400 亿t,占全国煤炭储量的 17%。 华北又以内蒙古东部最多。以中生代的晚侏罗世时期形成 的为主,主要分布在内蒙古东部与东北三省,西南以云南省为 主,为新生代第三纪褐煤,主要有昭通、小龙潭和先锋等煤田。
Coal chemistry
煤化学
煤化学1.成煤的条件答:(1)物质条件主要是成煤的原始植物,包括高等植物和低等植物,植物遗体大量堆积是成煤的物质条件.(2) 煤的形成堆积条件或环境条件泥炭沼泽:常年积水,极其潮湿,内有大量植物生长、堆积,植物死亡后遗体被沼泽水覆盖,与氧呈半隔绝状态,使植物遗体不至于完全氧化分解,经生物化学作用形成泥炭.泥炭沼泽的形成取决于古植物、古气候、古地理和大地构造4个条件.(3) 煤的形成温度和压力条件温度和压力决定于埋藏深度.成煤应有一定的埋藏深度.煤化程度是煤受热温度和持续时间的函数.温度越高,变质作用的速度越快.(4)时间条件漫长的地质年代[宙、代、纪、世、期]一般需要几千万到几亿年的时间(5) 煤的形成地质条件也是必不可缺的.地壳运动.2.成煤作用过程?泥炭化作用?煤化作用?答:成煤过程大致可分为泥炭化作用阶段和煤化作用阶段。
(1)泥炭化作用阶段。
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。
在这个过程中,植物所有的有机组分和泥炭沼泽中的微生物都参加了成煤作用。
泥炭沼泽的聚积环境,如沼泽水体的含盐度、氧化还原电位和酸碱度,对泥炭的成分和性质有很大影响,甚至影响煤的猫结性、含硫量和煤焦油产率等。
(2)煤化作用阶段。
在地下深部的温度和压力的长时间作用下,泥炭向褐煤、烟煤、无烟煤演化的过程。
在这一过程中,煤的分子结构,元素组成,化学、物理和工艺性质不断发生变化,煤化作用逐步加深。
根据化学作用类型和主要影响因素.煤化作用阶段包括成岩作用和变质作用两个连续的过程。
1)成岩作用。
煤的成岩作用使泥炭转变为褐煤。
当泥炭被其他沉积物覆盖后或处在泥炭层深部时,生物化学作用逐渐减弱以至停止。
泥炭在上覆沉积物的压力下,发生了压紧、失水、胶体老化和固结等一系列变化,疏松的泥炭转变为结构致密的褐煤。
压力和时间是在这个阶段起主导作用的因素。
泥炭转变成褐煤后,碳含量增加,氧和氢含量逐渐降低。
2)变质作用。
煤化学-第5章煤的化学性质
第五章
二、煤的加氢
煤的化学性质
煤加氢的主要化学反应: 3.煤的脱杂原子反应 煤中的O、N、S等杂原子与供氢溶剂反应, 生成H2O、NH3、H2S等低分子化合物,使杂原 子从煤中脱出的过程。
第五章
二、煤的加氢
煤的化学性质
煤加氢的主要化学反应:
4.煤的加氢裂解反应
5.煤的缩聚反应 加氢中,若供氢量不足,温度太高,或反应时间太长, 都会发生加氢的逆反应。生成相对分子量大的产物。
含氧官能团的分析
羧基的测定: RCOOH+Ca(CH3COO)2 Ca(RCOO)2↓+CH3COOH CH3COOH+NaOH= CH3COONa+H2O析
煤的化学性质
含氧官能团的分析 羟基的测定:酚羟基和醇羟基
酚羟基的测定:
第五章
一、煤中的官能团分析
煤的化学性质
含氧官能团的分析 羰基的测定:
第五章
一、煤中的官能团分析
煤的化学性质
含氧官能团的分析 甲氧基的测定:
第五章
一、煤中的官能团分析
煤的化学性质
含氧官能团的分析 非活性氧的测定:
第六章
一、煤中的官能团分析
煤的化学性质
含氧官能团随煤化度的变化
第五章
二、煤的加氢
煤的化学性质
在一定的条件下,通过化学反应在煤的
第五章
煤的化学性质
指煤在一定条件下与各种化学试剂发生化学反应 的性质。 意义: 1.煤的化学性质的研究是 研究煤的化学结构的 主要方法; 2.煤的化学性质是研究煤的化学转化技术和直 接加工利用的基础。
第五章
煤的化学性质
煤中的官能团分析
煤的加氢
煤的氧化 煤的磺化 煤的卤化 煤的水解
第四章(煤化学)
850—2000)
分级范围(Mt,%) ≤6.0 >6.0~8.0 >8.0~12.0 >12.0~20.0 >20.0~40.0
试验方法
GB/T 211
6
特高全水分煤
SHM
>40.0
(六)煤中水分对煤利用的影响 一般来说,水分是煤中的有害成分,对煤的工业利用是不 利的;但水分对煤的工业利用也有好的一方面。 1.水分对煤工业利用的危害 (1)在煤的运输中,增加了无效运输量和运输成本; (2)燃烧时,降低了煤的发热量; (3)贮存时,使煤易碎裂、加速煤的氧化和自燃,在冬季 使煤装卸困难; FeS2+H2O+O2→FeSO4+H2SO4+Q (4)炼焦时,延长炼焦时间,并使焦炉的使用寿命缩短; (5)机械加工中,水分高的煤难于破碎和筛分,不仅降低 生产效率,还可能损坏设备。 2.水分对煤工业利用的益处 (1)在燃烧粉煤时,煤中含有适量的水分,可以防止粉煤 的散失,并适当改善炉膛的辐射能; (2)水分可作为加氢液化和气化的供氢体。
M t ,ar M f ,ar M inh,ad
100 M f ,ar 100
(4-6)
进行基准换算时要注意以下三个问题: (1)换算的煤质分析指标必须含于对方的基准中,否则就不能 换算。如:St,ad中包含了St,d,它们之间可用公式4-1进行换算; Ad和Adaf之间就不能换算,因为干燥无灰基中不存在灰分。 (2)用以上公式换算时各煤质分析测定结果不代入百分符号, 但写答案时要把百分号加上。 (3)基准不相同的数据不能直接加减。 4.常用煤质指标的基准 (1)在用煤的灰分、硫分、磷分、发热量来表示煤质时,常 用干燥基为基准,即Ad、St,d、Pd、Qgr,d; (2)在研究煤的有机质特性时,常用干燥无灰基为基准,如 Vdaf、Cdaf、Hdaf等。 (3)在计算物料平衡、热平衡、煤炭计量计价时,常用收到 基为基准,如Mt,ar、Qnet,ar、Aar、Har等。
煤化学
⒊煤中含硫官能团
①煤中的硫比氧含量低 ②煤中有机硫的主要存在形式是噻吩、硫醚键和巯基 (―SH)
⒋煤中含氮官能团
煤中含氮量多在1%-2%,大约50%-75%的氮以吡啶 环或喹啉环形式存在,此外,还有氨基、亚氨基、腈基 和五元杂环等。
二.烷基侧链
①煤的红外光谱、核磁共振、氧化和热裂解的研究都 已确认煤的结构单元上连接有烷基侧链 ②烷基侧链的类型、数量与煤化程度有关
三.煤的宏观特征和微观特征
(一)四种宏观煤岩成分
镜煤、丝炭、亮煤、暗煤
(二)煤的显微特征
煤的显微成分的分析方法(光学分析法) ①光片法(反射光显微镜分析方法) ②薄片法(透射光显微镜分析方法) ③显微组分的定量分析(镜质组、惰质组、壳质组) ④煤岩学的应用和发展
第二章 煤的一般性质
一.煤的工业分析和元素分析
植物的主要有机组分的含量
植物 细菌 绿藻 苔鲜 蕨类 糖类物质 木质素% 蛋白质% 脂类化合 % 物% 12-18 0 50-80 5-20 30-40 30-50 50-60 0 10 20-30 40-50 15-20 10-15 10-20 8-10 3-5
草类
50-70
20-30
20-30
煤化学
煤化学的主要内容和特点
1)煤的生成、组成、结构、分析、性质和分 类等; 2)煤的各种转化过程及其机理; 3)煤的各种加工产物的组成和性质、煤及其 加工产品的合理利用
第一章 煤的外表特征和生 成
一.煤的种类和外表特征
(一)煤的成因类型
腐植煤: 何种成煤植物? 腐泥煤:何种成煤植物? 腐植腐泥煤: 植物的族组成(纤维素、半纤维素、木质素、蛋白质、 脂肪等)
煤化学
煤的族组成
第六章 煤的溶剂抽提
主要内容: 主要内容:
• • • • (1)煤的族组成的概念及研究方法 ) (2)煤溶剂萃取机理 ) (3)煤溶剂萃取方法 ) (4)煤溶剂萃取的影响因素 )
第六章 煤的溶剂抽提
一、煤的族组成的概念及研究方法
煤的族组成是指在一定条件下, 煤的族组成是指在一定条件下 , 对煤的分子结构没 有破坏的情况下,进行分子分离后得到的组成。 分子分离后得到的组成 有破坏的情况下, 进行 分子分离后得到的组成 。 通常利 用的手段就是溶剂萃取, 即通过对煤有一定溶解能力的 用的手段就是溶剂萃取, 溶剂萃取 溶剂进行萃取分离的过程。通过不同溶解能力的溶剂分 溶剂进行萃取分离的过程。 级处理,可以得到组成不同的组分。 级处理 , 可以得到组成不同的组分。 虽然同一溶剂萃取 得到的组分结构类似,但也不是纯净组分, 得到的组分结构类似 , 但也不是纯净组分, 仍然是一族 的混合物,因此,这种组分称为煤的族组成。 的混合物,因此,这种组分称为煤的族组成。 ① 在分子水平上对煤进行分离 科学意义; ② 科学意义;工业意义
第六章 煤的溶剂抽提
三、煤溶剂萃取的溶剂
(1) 中性溶剂: 中性溶剂: 脂肪烃类—石油醚; 脂肪烃类 石油醚; 石油醚 芳香烃类—四氢萘、 芳香烃类 四氢萘、苯、甲苯、二甲苯等; 四氢萘 甲苯、二甲苯等; 含氧化合物—乙醚、丙酮等; 含氧化合物 乙醚、丙酮等; 乙醚 含氯化合物—氯仿 含氯化合物 氯仿(CHCl3)、四氯化碳; 氯仿 、四氯化碳; (2) 碱性溶剂:含氮化合物 吡啶、喹啉等; 碱性溶剂:含氮化合物—吡啶 喹啉等; 吡啶、 (3) 酸性溶剂:各种酚类; 酸性溶剂:各种酚类; (4) 混合溶剂:焦油馏分、蒽油等或上述各种溶剂的混合(工业应用)。 混合溶剂:焦油馏分、蒽油等或上述各种溶剂的混合(工业应用)
煤化学
腐植煤与腐泥煤的主要特征
特 颜色 光泽 用火柴点火 氢含量(%) 低温干馏焦油产率 征 腐 植 煤 腐 泥 煤
多数为黑色 光亮者居多 不燃烧 一般 < 6% 一般<20%
多数为褐色 暗 燃烧,有沥青味 一般 >6% 一般 > 25%
2. 腐植煤的分类(1) 分
煤化程度/碳含量 高 水含量 高
泥炭
6. 煤化阶段
成岩分阶 成岩分阶段
压紧、失水、 压紧、失水、胶结 固化无定形 固化无定形 生物岩
变质分 变质分阶段
长时间高温高压下的化学作 组成、 用 组成、结构和性质改变
煤化阶 煤化阶段
实质: 实质:泥炭被沉积物覆盖,生化作用减弱或停止,受温度和 压力 为主的物理和化学作用
变质作用类型 — 深层变质作用(普遍性)
抚顺、桦甸、 油页岩 胶泥煤的变种(Ad 50~70%) 抚顺、桦甸、茂 低品位多金属共生矿 南秦岭地区
腐植腐泥煤
高、低等植物混合
火柴点燃, 浑源、大同, 烛煤 火柴点燃,火焰明亮如蜡烛 浑源、大同,
新滇、 新滇、兖州和枣庄
致密、质轻, 煤精 致密、质轻,有韧性 抚顺
2-反向断层(门头沟)
煤层发生断层的示意图
变质作用的原因(影响因素) 变质
主要因素 因素) 化学组 ➢ 温度(主要因素)——化学组成和结构变化 化学 成和结
– 地热梯度:深度每增加100m,温度升高的值 梯度 现代地壳平均地热梯度 2~4 ºC – 煤的变质程度随深度增加递增 ☞ 含煤系的深钻孔 ☞ 人工煤化实验 – 天然煤化作用大致温度: 褐煤40~ 50 ºC,长焰煤<100 ºC,典型烟煤<200 ºC, 无烟煤 ≯ 350 ºC
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1煤化学的发展阶段,1 萌芽阶段-煤的主要起源2启蒙阶段-提出以元素组成为基础的煤的分类3经典阶段-逐步深入到组成,结构一些本质问题的研究,2煤化学的研究内容1煤的生成,组成,结构,性质分析和分类,2煤的转化过程及其机理,3煤的加工产物的组成与性质,加工产品的合理利用第二章1成煤作用的阶段,1腐泥化阶段或泥化作用阶段,2煤化作用阶段2 从化学角度看,植物的有机组成分类,糖类及其衍生物,木质类,蛋白质类,脂类化合物,3什么是腐植煤和腐泥煤高等植物形成的煤叫腐植煤,低等植物形成的叫腐泥煤4根据水分补给来源的不同,沼泽可以分为几类,1低位泥炭沼泽,2中位泥炭沼泽,3高位5泥碳化作用的定义,煤化作用的定义泥碳化作用是指,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,煤化作用过程是指,以温度和压力为主的物理化学作用下泥碳经历了由褐煤向烟煤无烟煤转化的过程,6煤化作用包括那两个阶段,成岩作用阶段变质作用阶段第三章1煤岩学的概念煤岩学时指:煤作为一种有机岩石,以物理方法为主,研究煤的物质成分,机构,性质,成因及合理利用的学科2 煤岩学包括那两大派系1理论煤岩学2应用煤岩学3煤岩学的研究的两种方法宏观研究方法和微观研究方法4 显微组分概念按其成因或工艺性质的不同,显微组分大致可以分为那两类,在显微镜下才能识别的煤中的基本组成单元,称为显微组分,按其工艺性质可分为镜质组,壳质组和惰质组5什么是凝胶化作用,丝碳化作用,凝胶化作用是指:泥炭化作用阶段成煤植物的组织在积水较深气流闭塞的沼泽环境下,产生及其复杂的变化,丝碳化作用指:成煤植物的组织在积水较少温度不足的条件下,木质纤维组织经脱水作用和缓慢的氧化作用后又转入缺氧的环境进一步煤化作用后转化为氧化丝质体,6 根据机构和形状的不同,镜质组可分为哪三种显微组分,结构镜质组和不结构镜质组,碎屑镜质组7按成因划分,煤中矿物质分为哪三类植物成因的原生矿物质,陆源碎屑成因的矿物质和化学和生物化学成因的矿物质8按矿物质成分和性质可将煤中的矿物质分为哪五类粘土类,硫化物类,碳酸盐类,硫酸盐类,氧化物类9 腐质煤的煤岩类型镜煤,亮煤,暗煤,丝炭10 一般按平均光泽度把煤的光泽岩石类型依次分为哪几种类型光亮煤,半亮煤,半暗煤,暗淡煤,第四章1煤的结构参数芳炭率,芳氢率,芳环率等2煤的结构模型分为哪两类化学和物理结构模型3煤的研究方法分为哪三类物理,化学,物理化学研究法4煤分子基本结构的基本理论煤是三维空间高度交联的非晶质的高分子缩聚物,煤分子基本结构单元的核心是缩合芳香核,基本结构单元上的不规则部分包括烷基侧链和官能团,连接基本结构单元的桥键,养、氮、硫的存在形式,低分子化合物,煤化程度对煤结构的影响第五章1工业分析、元素分析的概念工业分析是确定煤化学组成最基本的方法,它是在规定条件下将煤的组成划分为水分,灰分,挥发份和固定炭四种组成,元素分析指对有机质中的碳氢氧氮硫含量的分析测定。
2空气干燥煤样水分的测定,及注意事项,1预先将干燥箱鼓风并加热到105-110摄氏度,2称量预先干燥过的称量瓶,精确到0.1mg,记录称量瓶的质量及编号,3用称量瓶称取粒度为0.2mm以下的空气干燥煤样适量,4将称量瓶按顺序放干燥箱中,记录放样时间,在一直鼓风条件下,烟煤干燥1h,无烟煤干燥1.5-2h,5到干燥时间是,从干燥箱中取出称量瓶,立即盖上,放入干燥器中,冷却至室温后称量,6进行检查性干燥每次30min,直到连续两次干燥煤样的质量减少不超过0.001g,7分析结果的计算,8同一式样进行两次实验,其结果进行比较,注意事项:1称取式样前,应将煤样充分混合,2样品务必处于空气干燥状态后方可进行水分的测定,国家标准规定制备煤样时,若在室温下连续干燥1h后,煤样质量变化≤01.%为达到空气干燥状态,3式样粒度应<0.2mm,干燥温度必须控制在105-110摄氏度,干燥时间应为煤样达到干燥完全所须时间,4预先鼓风的目的在于出事干燥箱内空气流动,一方面使箱内温度均匀,另一方面使煤中水分尽快蒸发,应将装有煤样的称量瓶放入干燥箱前3-5min就开始鼓风,5进行检查性干燥时,遇到质量增加时,采用质量增加前一次的质量为计算依据,3煤中水分与煤化程度的关系,随煤化程度的提高,煤的内表面积和含氧官能团军呈下降趋势,煤的内在水分是下降到无烟煤阶段,煤的内表面积有所增大,因而每的内在水分也有所提高,4 煤灰熔融性,如何测定煤灰熔融性,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,煤灰熔融性采用角锥法进行测定,即将煤灰中加入淀粉糊,制成三棱锥形状的灰锥,放入高温炉中,在一定气氛下加热,观察在加热过程中灰锥的变化情况,依次确定煤灰熔融性。
5 煤灰的粘度,煤灰的粘度是指煤灰在熔融状态下的内摩擦因数,表征煤灰在高温熔融状态下流动时的物理特性。
6水分,灰分,挥发分的测定,固定碳的换算测定水分的基本原理:首先把煤中的水分驱赶出来,通常采用加热的方法,然后对驱赶出来的水分进行计量,可以采用体积法,质量法,电解法等计量水分的量,测定灰分的基本原理:在灰皿中称取1g左右的分析煤样,然后再815℃空气充足的条件先完全燃烧得到残渣作为煤的灰分,并称量残渣的质量,挥发分的测定:称取1g粒度<0.2的空气干燥煤样,放入挥发分坩埚在900℃下隔绝空气加热1min后取回出,在干燥器中冷却后称量焦渣的质量,FCad=100-Mad-Aad-Vad Vad=7煤化程度对挥发分的影响煤的挥发分随煤化程度的提高而下降,8 C H元素测定的基本原理1燃烧法,将盛有定量分析煤样的瓷舟放入燃烧管呢,通入氧气,在800℃的温度下是煤样充分燃烧,2电量-重量法,3库仑法9 N的测定用什么方法世界各国基本上都采用艾氏卡法测定煤中N元素的含量10 世界各国通用的测定煤中全硫含量的标准方法艾氏卡法、高温燃烧中和法、库伦滴定法,盐酸苯萃取法、硝酸氧化法、差值法。
第六章1煤化程度对真相对密度的影响煤化程度较低时,真相对密度增加较慢,接近泥烟煤时,真相对密度增加很快2 煤的硬度表示方法刻划硬度和显微硬度,常用肖氏硬度,耐磨硬度,3显微硬度随煤化程度的变化规律从褐煤开始,显微镜硬度随煤化程度提高而上升,在喊碳量为75%-80%之间有一个较大值,此后,显微硬度随煤化程度提高而下降,在含碳量达到85%左右最低,煤化程度进一步提高,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呈直线增加,4 什么是煤的热稳定性和润湿性所谓润湿性是指液体与固体接触时,固体被液体所润湿的程度。
没得热稳定性是指每在高温下保持原来粒度,一般褐煤的热稳定性最差,其次是无烟煤,烟煤较好。
5 煤的空隙程度与煤化程度的关系随煤化程度的加深,总孔容积呈下降趋势,到碳含量到88%以后煤得总孔容积又有所提高第七章答案略3 煤的风化与自燃煤的风化:离地表面较近的煤层经风雪雨露冰冻日光和空气中的氧气长时间的作用是煤的性质发生一系列变化的现象煤的自然:原始煤体字暴露于空气中后于氧气结合发生氧化并产生热量。
当具备适宜的储热条件就开始升温,最终导致煤的自燃。
(三阶段:1准备期2自热期3燃烧期)4 煤的性质经风化作用后的变化情况1 化学组成的变化 C H含量下降O 含量上升腐殖酸含量上升2 物理性质的变化关泽暗淡机械强度下降硬度下降疏松易碎表面积增加对水的润湿性增大3 工艺性质的变化低温干馏焦油产率下降发热量下降煤的黏结性下降甚至消失煤的可浮性变差浮选回收率下降精馏脱水性恶化5风化和自燃的预防措施1 隔断空气2 通风散热3 通过分选坚守黄铁矿的含量4 不要贮存太久,尤其是年轻煤应尽可能缩短贮存时间6煤的加氢分为哪两种轻度加氢深度加氢7煤的加氢反应的历程9磺化煤的用途1锅炉水软化出去Ca2+ Mg2+2 有机反应催化剂,用于烯铜反应等3 钻井泥浆添加剂4 处理工业废水煤的工业分类的两大准则即煤化程度和煤的黏结性煤质评价:指评定煤炭质量及其在工业上的利用价值煤质评价内容:1 地质评价2 工业技术评价3 经济评价第八章1 煤在氧弹中燃烧与在大气中燃烧的区别1煤在氧弹中燃烧放出更多的热量2 由于煤中硫的存在是煤在氧弹中燃烧放出的热量大于其在大气中燃烧时的热量 3 煤中的吸附水以及煤中的氢燃烧后的水在氧弹中均以液体存在,而煤在大气中燃烧时的水以水蒸气的形式排放到大气中。
蒸汽变为液态水要释放大量的热。
所以没煤在氧弹中的燃烧释放的热量大于在空气中的热量 4 煤在氧弹中燃烧是恒容燃烧,在大气中燃烧是恒压燃烧2 煤化程度对煤发热量的影响腐植煤的发热量与煤化程度有很好的相关性从低煤化程度到褐煤开始随着煤化程度提高煤的发热量逐增到肥煤焦煤阶段发热量达到最大此后煤化程度提高煤的发热量呈下降趋势3 黏结性烟煤的热解过程1 干燥脱吸阶段2 黏结形成半焦阶段3 半焦转换阶段4 差热分析的(DAT)的基本原理将试样与参比物在相同的条件下加热在程序控制的温度下记录被测式样和参比物的温差与温度(时间)的关系曲线。
它反映了煤在热解过程中发生的吸热和放热效应吸热为低谷放热为高谷5 什么是胶质体以及胶质体的来源大量煤粒聚集时液相相互融合在一起形成气液固三相一体的黏稠混合物胶质体中液相来源主要是芳香族化合物热解后煤分子结构单元之间的桥键断裂,形成自由基碎片,其中相对分子质量不太大的含氢较多的称为液体产物,脂肪族化合物分解后也会生成少量的液体产物。
此外以形成的液相物质可以溶解部分煤是液相部分增多。
6 胶质体的性质1 热稳定性2 透气性3 流动性4 膨胀性7煤的黏结性和结焦性含义黏结性:煤烟在干馏时产生的胶质体黏结自身和惰性物料的能力结焦性:8 煤的抗碎强度测定方法1 铁箱落下实验法2 10快实验法9 煤的反应性表示方法分?煤的反应性又叫做煤的反应活性指在一定温度下煤与不同气化介质相互作用的反应能力。
表示方法分为1 直接反应速度表示2 以反应物分解率或还原率表示 3 以活化能表示4 以同一温度下产物的最大百分浓度与时间的关系作图表示5以着火点或平均燃烧速度表示10 煤的可选性指原煤中分选出来的符合质量的精煤的难易程度影响因素:煤中矿物质的特性与煤岩组分。