煤化学 第三章 煤的结构
煤化学名词概念
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
3.煤中有机质的结构
原煤与CH4-CO2气氛下热解半焦的红外光谱
20
耦合过程所得半焦基本性质分析
红外光谱分析
与原煤的红外光谱相比，热解半焦的羟基 (O-H) 伸缩振动峰 (3600-3200 cm-1）及羰基 (C=O) 伸缩振动峰 (1700-1650cm-1) 明显减弱，表明这些含氧官能团受热裂解生 成H2O、CO和CO2等气体；脂肪C-H的伸缩振动峰 (3000-2800 cm-1) 基本消失，说明脂肪基团上的烷基链已完 全断开；芳香环的振动峰 (1650-1550 cm-1，900-650 cm-1) 明显减弱，表明大部分芳香基团分解为焦油或小分子气体。半 焦中有机官能团振动峰的减弱或消失说明煤在CH4-CO2气氛 下的热解有利于煤结构中有机官能团的裂解和挥发分的逸出。
815
12.3
1,2,4-(1,2,3,4-)取代芳烃CH
750
13.3
1,2-取代芳烃
700
14.3（弱） 单取代或1,3-取代芳烃CH，灰分
14
红外光谱法
不同煤化度煤的红外光谱图
1. 在3450 cm-1附近有羟基吸收峰。 煤中羟基一般是氢键化的，故谱峰的 位置由3300 cm-1 移到3450 cm-1。 随着煤化度加深，该吸收峰减弱，表 明羟基减少。
15
强。
红外光谱法
不同煤化度煤的红外光谱图
4. 在1600cm-1处有一个很强的吸 收峰。有人认为可能归因于氢键 化的羰基与芳香环C=C双键吸收 相重叠的结果；也有人认为，与 煤在压片时所用的KBr中的水有 关。此吸收峰随煤化度加深减弱。
煤的结构及其研究方法
部分中国煤祥的x射线衍射研究结果
根据以上研究结果，可以得出如下规律： 1）芳香层片的平均直径La随煤化度加深而增大。由图一可 见，煤的碳含量从80％增加到91．5％时，La缓慢增加；到无烟 煤以后(碳含量大于91．5%)，La急剧增大。 2）芳香层片的堆砌高度亦随煤化度加深而增大。由表可见 ， 对于低煤化度烟煤，Lc仅为1．2nm左右，芳香层片的堆砌层数 约为3—4层；随着煤化度加深，堆砌层数和高度逐渐增大，到 无烟煤阶段，Lc可达2.0nm以上，堆砌层数约为5～7层。 3）层间距众随煤化度加深而逐渐减小。由表可以看出，平 行堆砌芳香层片的层间距d002最大时(对低煤化度煤)可达 3．8×10-1nm以上；随煤化度加深，Doo2逐渐减小到 (3．43．5)×l0-1nm，其极限值为理想石墨的层间距 (3．354xl0-1nm)。这说明煤产微晶的晶体结构很不完善，但有 向石思晶体结构转变的趋势。
（三）用统计结构解析法研究煤的结构
根据物质的性质与物质结构的内在联系，采取数 学统汁方法，求取描述物质结构持征，即所谓结构 参数的方法叫做统计结构解析法(statistical constitution analysis)。荷丝煤化学家克勒维伦 (D．W．Krevelen)首先将此法引入煤的结构研究， 并创立了煤化学结构的统计解桥法。应用结构解析 法的原理，根据煤的加和性质与结构的内在联系， 在不使煤质发生破坏的前提下，通过统计计算和图 解，求取平均结构单元的结构参数，并根据煤的结 构性质对计算结果进行校正，来定量地描述煤的结 构特征。目前，煤化学结构的统计解析法已发展成 为与化学方法、物理方法等并列的研究煤结构的重 要方法之一。
煤化学
1.煤的形成过程泥炭化作用过程和煤化作用。图示如下：
2.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。
3.泥炭化作用的概念:高等植物死亡后，在生物化学作用下，变成泥
炭的过程称为泥炭化作用。
4.泥炭的有机组成:腐植酸,沥青质，未分解的纤维素，半纤维素,果胶质,木质素
5.成岩作用阶段:在上覆沉积物的压力下,泥炭发生了压紧,失水，胶体老化，团结等一系列的变化，微生物的作用逐渐消失，取而代之的是物理化学作用，泥炭变成了致密的岩石状的褐煤
6.变质作用阶段:碳含量明显增加，氧含量迅速减少，腐植酸也迅速减少并很快消失，褐煤逐渐转化成为烟煤。
7.变质作用的三种类型:岩浆变质作用,深成变质作用,动力变质作用
8.变质作用的因素:温度，时间，压力
9.希尔特定律:指同一煤田大致相同的构造条件下，随着煤层的埋深的增加，煤的挥发分减少，变质程度增加
第二章课后习题
1.煤是由什么物质形成的？P6
答：植物
2.成煤植物的主要化学组成是什么,他们各自对成煤的贡献有哪些？
答:糖类及其衍生物,木质素,蛋白质,脂类化合物
3.什么是腐植煤?什么是腐泥煤?
答:高等植物☞腐植煤,低等植物腐泥煤
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
煤化学之煤的结构
(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) 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 （含硫、氮），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；碳含量为大于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。
低分子化合物含量随煤化程度增高而降低，通常认为， 褐煤和年轻烟煤中含量约为10％-20％ 。
第三节 煤的结构模型 structure model
1、化学结构模型(chemical structure model) 1.1 Wiser模型：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%）的，它展示了 煤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。缺点是没有考虑小分子化合物。 1.2 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，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。
(7)煤化程度对煤结构的影响
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。
煤的组成及结构特性
··煤的组成及结构特性
姓名：戚莉莉学号：摘要：在国内外已有的研究工作基础上，叙述了煤的组成、结构和性质时煤转化和制备的影响．提出了在煤转化过程的研究中应开展煤的基础研究。根据我国煤炭资源情况还提出今后有关煤的研究项目。
关键词：煤组成结构性质
我国富煤少油，是世界上少数几个以煤炭为主要能源的国家。我国煤炭资源总量大，但探明程度低，开采条件差，后备资源严重不足，难以满足国民经济发展对煤炭的需求。从总量上看，我国的煤炭资源丰富，但煤炭产地多且多远离经济发达地区和煤炭主要消费地，分布呈明显的北多南少、西多东少的特点。所以研究煤的生成、组成、结构对煤炭的有效应用有着重要的意义。
一、煤的组成
煤是由具有多种结构形式的有机物和不同种类的矿物质组成的混合物。煤的组成指的是岩相组成和化学组成。运用煤岩学传统法研究煤，基本上有宏观研究法和微观研究法。显微研究法是利用显微镜来研究煤，通常采用两种方法，一种是投射光下研究煤的薄片，主要是根据颜色、形态、结构等来表征；另一种是反射光下研究煤的光片，除根据颜色、形态和结构外，还根据突起、反光性等进行鉴定。煤的显微组成包括：
1)镜质组，又称凝胶化组，是植物的木质纤维组织受凝胶化作用转化形成的是构成煤有机质的主要组分。从低煤级到高煤级煤中，镜质组在油渍反射光下呈深灰至浅灰色，无突起至微突起。反射率介于壳质组和惰质组之间，并随着煤级增加而增加，各向异性增加。在透射光下呈橙红色一棕红色一棕黑色一黑色。2)丝质组，又称惰质组，对化学和热呈惰性反射光下呈白色至亮白色，具有较高的突起和较高反射率；油渍反光下呈灰白色、亮白色、亮黄白色，大多具有中高突起；透射光下呈棕黑色到黑色，微透明或不透明。3)稳定组，也称壳质组，化学稳定性较好。从从低煤级烟煤到中煤级烟煤，他们在透射光下透明到半透明，颜色呈柠檬黄色一黄色一桔黄色一红色，轮廓清晰，外形特殊。反射光下呈现深灰色，他多数有突起。煤是由有机成分和无机成分组成的，有机成分是指煤的显微组分，是人们的关注中心，无机成分是指在显微镜下能观察到的煤中矿物，按矿物成分和性质，煤中矿物质分为以下几类：
煤化工-4
2．煤的结构参数 由于煤的基本结构单元的确切程度尚不清楚，为
了描述其结构情况，常采用若干“结构参数”，如芳
香度（芳碳率和芳氢率）、芳环率、环缩合度指数等
加以说明。
（1）芳碳率 f （2）芳氢率
c ar
C ar C totar
H ar H totar
指煤的基本结构单元中，属 是煤的基本结构单元中，属
——环缩合度指数，
其中R为基本结构单元中缩合环的数目，C为基本结
构单元中的碳原子数。环缩合度指数与芳碳率之间
有如下关系：
H R 1 c 2 2 f ar C C
二、煤的热解过程 1．煤的热解过程
干馏过程已经有介绍
煤的热解包括上述三个阶段，它是一个连续变 化的过程，每一个后续阶段，必须通过前面的各个 阶段。煤热解的主要阶段用差热分析可得到证实。 煤化程度低的煤（如褐煤），其热解过程大体 与烟煤相同，但不存在胶质体形成阶段，仅发生剧 烈分解，析出大量气体和焦油，无黏结性，形成的 半焦是粉状的。加热到高温时，生成焦粉。 高变质无烟煤的热解过程比较简单，是一个连 续析出少量气体的分解过程，即不能生成胶质体， 也不能生成焦油。无烟煤不适于用干馏的方法进行 加工。
胶质体中的液相不仅起软化剂的作用，也起着 隔离热分解生成的游离基的作用，阻止它们之间的 结合。煤转变成胶质体后，黏度逐渐变小，直至达 到最大流动度。其最大流动度是液相产品浓度提高 的结果。当煤处于最大软化状态时，液相的分解速 度超过其生成速度，增加固相和气相的生成，此时， 胶质体逐渐固化为半焦。胶质体的固化是液相分解 与缩聚的结果，缩聚作用既完成于液相之中，也发 生在吸附液相和气相的固体颗粒表面上。胶质体的 固化过程，是胶质体中的化合物因脱氢、脱烃基和 其它热解反应而引起的芳构化和碳化的过程。
电子教案与课件：煤化学 课件 第三章煤的岩相组成第4节
煤化度指标 挥发分、煤岩参数 黏结性指标 G、Y、X、MF等
★典型焦炭质量预测方法
◆ 挥发分—黏结性参数预测
1.Vdaf—MF法 适用范围：
Vdaf=32~37%；
MF=1500~7000DDPM
回归方程：
lg MF 4.0 DI11550 3.651MF 67.8(r 0.87) lg MF 4.0 DI11550 0.8Vdaf 107.4(r 0.739)
• 说明:在焦化企业的实际生产中，当洗精煤的挥发分 Vdaf
出现较大的波动，黏结性出现比较明显的降低，就应考虑 对该煤种测定镜质组反射率分布图，从而判断是否存在混 煤情况，并采取应对措施以确保焦炭质量。
◆ 指导炼焦备煤管理
▲ 配合煤粉碎控制
利用煤岩组成在硬度上的差异，使难粉碎的惰性组分（如暗煤 ）粉碎的较细，同时防止镜煤和亮煤过度粉碎。采用适当粉碎 、筛分流程使煤中各岩相组分分别富集，确保入炉煤质量. ▲ 指导煤场管理 利用来煤的镜质组反射率分布图来指导煤场的分堆原则和堆取 操作。 将各批来煤按照平均镜质组反射率相近、反射率分布图所围成 的面积大部分重叠的原则进行堆煤，煤质的均匀化程度可有效 提高.
• 3.勘探石油和天然气
• 德国发现，当镜质组反射率为0.3%~1.0%时，可以 出现具有工业开采价值的石油。最经济的油田反 射率小于0.7%，而反射率达到1.0 %~2.0%时，只 能出现具有工业开采价值的天然气。我国在镜质 组反射率为0.3%~0.7%时，常发现有石油；反射率 为0.7%~1.0%时，不常有石油；反射率为1.0 %~1.3%时，很少有石油；反射率在1.3%~2.0 %时 为石油消失区，而常发现有天然气；反射率在 2.0%以上时，天然气也消失了。
煤质基础知识
部分煤质基础知识简介
一、煤的物理性质
颜色和粉色
光泽
比重和容重
透明度
折光性
反光性
Δ煤的物理性质发光性
硬度
脆度
断口
裂隙
导电性
磁性和耐热性等
煤的颜色是指新鲜煤块表面的自然色彩，是煤对不同波长可见光波吸收的结果。在不同的光学条件下，煤呈现不同的颜色。在普通白光照射下，煤的表面反射光线所显示的颜色称为表色。腐植煤的表色随着变质程度的增高而变化，见下表：
腐泥煤的表色有时呈深灰色，有时为浅黄、棕褐，有时为灰绿以至黑色，变化不定。煤中水分能使煤的颜色加深，矿物质所起的作用往往相反。
煤研成粉末的颜色称为粉色。一般都用钢针刻划煤的表面或者用镜
煤在脱釉的素烧瓷板上刻划的条痕而得，所以也被称为条痕色。煤的粉色往往略浅于表色，但是煤的粉色变化又较表色固定，因而常常可以收到更好的效果。
在普通透射光下煤的切面（薄片）所显的颜色称为体色。在垂直反射光下煤的表面（光片）所显示的颜色称为反射色。
长焰煤常见光泽为沥青状光泽，颜色黑色，有时带有褐黑色色彩，条痕褐色、褐黑色。
比重是指煤在一定温度下（20℃）条件下，煤的重量与相同体积（不包括煤孔隙中的）水的重量之比。体重（容重），指在一定的温度（20℃）
条件下，煤的重量与同体积（包括煤孔隙中的）水的重量之比。
比重－容重
孔隙率= ×100%
比重
煤的比重与煤岩类型、变质程度以及煤中所含矿物的成分和含量有密切关系。通常所指煤的比重都是包括矿物质在内的比重。因此，煤的比重很大程度上受到所含矿物质的影响，比重随矿物质含量的增大而增大。变质程度相同的煤，其煤岩类型不同，比重也有差异，一般暗淡煤的比重较光亮煤为大。煤的比重随着变质程度的增高而加大。褐煤一般<1.3，烟煤多为1.3～1.4，无烟煤为1.4～1.9；腐泥煤一般仅为1.1。
煤的结构
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
不同煤化程度煤的基本结构单元
褐煤 次烟煤 高挥发分烟煤
无烟煤
低挥发分烟煤
石墨
煤的结构参数
批评和质疑
二、煤的物理结构模型 ——高分子物理化学的应用 一、煤的物理结构
Hirsch模型 交联模型 两相模型 缔合模型 其它网络模型
— Cody的刚性链模型 — Painter的离子聚合物模型
Hirsch模型——1954年P B Hirsch根据XRD结果提出
一、煤的物理结构
有存在 有少量的含硫官能团和含氮官能团
连接结构单元的桥键
桥键的主要类型
－CH2－
－O－(－S－ ) －O－CH2－ Car－Car 键
桥键数量与类型与煤化程度的关系
低煤化程度的煤 桥键最多 主要是前三种
中等煤化程度的煤 桥键最少 主要是前二者 无烟煤 桥键较烟煤增多 主要是Car－Car 键
煤的化学结构模型 ——小结 一、煤的物理结构
按经典化学方法被描述为原子、化学键和官
能团的组合，直观地展示煤结构的可能形式， 并解释了一定的反应现象
Given 认为从基本分析参数可提出很多模型，本 类模型不能反映真实结构，仅反映科学家的个人 偏好，也不足以反映煤的结构差异，无法解释一 些新的实验结果。
煤的化学结构概念及其研究方法
煤的基本结构单元
• 煤解聚后得到的不是具有相同相对分子质
量单一化学结构的单体，而是不同相对分 子质量不同化学结构的一系列相似化合物 的混合物
• 煤解聚后的大分子可大致看做是有三个层
次部分组成的，即基本结构单元的核，核 外围的官能团和烷基侧链以及基本结构单 元之间的联接桥键
谢谢大家
煤的结构参数
• 见200页表格
Байду номын сангаас
8.5煤的结构模型
煤的化学结构模型 煤的物理结构模型
8.6 煤的化学结构特征
• 煤的化学结构特性 • 煤的基本结构单元 • 煤的相对分子质量及低分子化合物 • 各种显微组分的化学结构 • 煤化学结构的近代概念
煤的化学结构
• 煤的化学结构具有相似性和高分子聚合物
特性
8.4用统计结构解析研究煤的结构
• 统计结构解析法的原理 • 煤的结构参数 • 煤化学结构的统计解析法研究 • 没得结构参数与煤质的关系 • 煤结构研究的新进展
统计结构解析法的原理
• 煤的统计结构解析法是应用结构解析法的
原理，根据煤的性质与结构的内在联系， 在不使煤质发生破坏的前提下，通过统计 计算，求取平均结构单元的结构参数，来 定量的描述煤结构特征的方法
8.3核磁共振波普在煤结构研究中的应用
• NMR波普的解析
煤炭及其化学结构概述
Thanks！
煤炭及其结构概 述
化学1801 安伟奇
一、煤的概述
1.元素组成
煤主要由碳、氢、氧、氮、硫 五种元素组成，此外还有微量的磷、氯和某些金属元素，其中碳含量 大于50%，多数含量在75-95%之间，所以煤具有高碳物料的特征。
2.煤在能源结构中的地位
在已知的能源体系中，煤炭是勘测到储存量最多的不可再生能源，在全球能源消费结构中占有重要地 位。尽管煤炭在能源消费结构中的占比不断降低，但本世纪中叶前期仍将占主导地位。根据2017年能 源统计年鉴，煤炭占世界煤炭消费总量47%，占我国能源消费量的60.3% [1]。
四、研究煤结构的作用及主要应用领域
新型炭材料
功能材料
1. 抗静电和导电材料 2. 离子交换材料
复合材料
1. 聚合物合金材料 2. AB交联共聚物
参ห้องสมุดไป่ตู้文献：
1. 许莉.世界煤炭资源供需形势分析[J].中国煤炭地质,2012,24(06):70-72. 2. 冯莉,于晓慧,刘祥春,赵迎亚.除灰处理对胜利褐煤的结构及燃烧特性的影响[J].中国矿业大学学
二、煤的结构
1.研究煤结构的意义
精准构建煤分子结构模型，从微观层面上揭示煤的热解、燃烧反应机理，对煤炭的高效清洁 利用具有重要理论和现实意义。
2.煤结构的分类 根据美国煤炭分类原则（wender模型）
煤化学本科 教学 大纲
《煤化学》课程教学大纲
一、课程基本信息
课程代码：
课程名称：煤化学
课程性质：必修课
考核方式：考试
适用专业：化学工程与工艺专业
总学时：64学时（其中理论教学48学时，实验教学16学时）
总学分：4学分
预修课程：无机化学、分析化学、有机化学
二、课程的目的和任务
使学生在学完无机化学、分析化学、有机化学等课程的基础上，通过本课程的学习，掌握煤炭的外表特征和生成，煤的一般性质，，煤的工业分析和元素分析，煤的有机质的结构，煤的工艺性质，煤的分类及煤质评价，煤炭的综合利用等内容。
通过本课程的学习使学生全面了解煤炭的性质、分类、组成，煤炭的工艺性质，综合利用等内容。着重学生实际操作能力的培养，为毕业后从事煤化工生产、研制、开发打下较好的基础。
三、教学内容及要求
绪论（2学时）
基本要求：通过本章的学习，使学生了解能源的种类、中国煤炭资源的分布；掌握煤炭综合利用的途径；熟练掌握煤化学的发展阶段、内容和特点等。
重点：中国煤炭的综合利用情况、煤化学的发展和煤化学的内容、特点及研究方法；
难点：煤化学的内容、特点及研究方法
第一章煤的外表特征和生成（8学时）
基本要求：通过本章的学习，使学生了解煤炭分类和外表特征；掌握煤炭形成的原始物质；熟练掌握植物形成煤的演变过程等。
重点：煤炭分类和外表特征；
难点：植物形成煤的演变过程
第二章煤的一般性质（10学时）
基本要求：通过本章的学习，使学生了解煤的岩石组成；掌握煤的煤的固态胶体性质；熟练掌握物理性质、化学性质等。
重点：煤的宏观特征和微观特征；煤的物理性质、煤的化学性质；
难点：煤的化学性质
煤化学重点
第一章绪论
1、煤化学是研究煤的生成、组成、结构、性质、分类、转化过程和合理利用的一门学科。
第二章煤的生成
1、煤是由植物而且主要由高等植物转变而来。煤是由堆积在沼泽中的植物遗体转变而成的。
2、成煤作用是指高等植物在泥炭沼泽中持续地生长和死亡，其残骸不断堆积，经过长期而复杂的生物化学、地球化学、物理化学作用和地质化学作用，逐渐演化成泥炭、褐煤、烟煤和无烟煤的过程。分为两个阶段：由植物残骸转变为泥泥炭的泥炭化阶段和泥炭转变为褐煤、烟煤、无烟煤的煤化阶段。
3、泥炭化作用：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。两个阶段：首先在微生物作用下，氧化分解和水解为分子量较小的性质活泼的化合物，然后小分子化合物之间相互作用，进一步合成新的较稳定的有机化合物，如腐植酸、沥青质等。植物经泥炭化作用成为泥炭，在两方面发生巨大变化：①组织器官（如皮、叶、茎、根等）基本消失，细胞结构遭到不同程度的破坏，变成颗粒细小、含水量极大、呈胶泥状的膏状体－－泥炭；②组成成分发生了很大的变化，如植物中大量存在的纤维素和木质素在泥炭中显著减少，蛋白质消失，而植物中不存在的腐植酸却大量增加，并成为泥炭的最主要的成分之一，通常达到40%以上。
4、煤化阶段可以划分为成岩阶段和变质阶段：①泥炭在沼泽中层层堆积，越积越厚，当地壳下降速度较大时，泥炭将被泥沙等沉积物覆盖。在上覆沉积物的压力作用下，泥炭发生了压紧、失水、胶体老化、固结等一系列变化，微生物的作用逐渐消失，取而代之的是缓慢的物理化学作用。这样，泥炭逐渐变成了较为致密的岩石状的褐煤。②当褐煤层继续沉降到地壳较深处时，上覆岩层压力不断增大，地温不断增高，褐煤中的物理化学作用速度加快，煤的分子结构和组成产生了较大的变化。碳含量明显增加，氧含量迅速减少，腐植酸也迅速减少并很快消失，褐煤逐渐转化成为烟煤。随着煤层沉降深度的加大，压力和温度提高，煤的分子结构继续变化，煤的性质也发生不断的变化，最终变成无烟煤。促成煤变质作用的主要
3 煤储层组成及孔裂结构特征
褐黄，褐色。煤生烃，排烃的证据，煤成油的 重质烃类富集物。
3
⑻ 荧光质体
叶肉细胞中油或脂肪，果实中的油或脂肪，煤化 过程中的油或脂肪。 特征：呈小透镜状或粒状集合
1
体充填于细胞腔内或集 合成 10-50um宽的薄层。
⑼ 壳源自文库体
特征： 各种壳质组分的碎屑 体，不易与黏土矿物
（三）煤的结构与构造
2、宏观煤岩类型
宏观煤岩类型 光亮煤 半亮煤 半暗煤 暗淡煤 光泽 光泽极强 光泽较强 光泽暗淡 光泽极暗 镜煤＋亮煤 >75% 75% --50%
① 条带状结构
1、煤的宏观结构
宏观煤岩成分的形态、大小、厚度、生物残体所 表现出来的特征。 宽条带状结构 中条带状结构 细条带状结构 ② ③ ④ 条带宽 >5mm 条带宽 3-5mm 条带宽 1-3mm
5煤层结构6古应力场7水文地质条件水压力矿化度8构造样式9沉积作用六孔隙1成因类型表34煤孔隙类型及成因据张慧2001类型成因简述成煤植物本身所具有的细胞结构孔原生孔凝胶化物质在变质作用下缩聚而形成的链之间的孔隙变质孔气孔煤变质过程中由生气和聚气作用而形成的孔隙煤受构造应力破坏而形成的碎粒之间的孔隙外生孔压应力作用下面与面之间因磨檫而形成的孔隙铸模孔煤中矿物质在有机质中因硬度差异而铸成的印坑溶蚀孔可溶性矿物在长期气水作用下受溶蚀而形成的孔矿物质孔矿物晶粒之间的孔扫描电镜1000气孔晶间孔隙溶蚀孔隙表35煤孔径结构划分方案比较单位
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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。
(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与氮、硫杂环。低煤化程度煤基本结构单元的核以苯环、萘环与菲环为主;中等煤化程度烟煤基本结构单元的核以菲环、蒽环与芘环为主;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与官能团
基本结构单元的缩合环上连接有数量不等的烷基侧链与官能团。
(一)烷基侧链
连接在缩合环上的烷基侧链就是指甲基、乙基、丙基等基团。日本学者滕井修治等将煤在缓与的条件下氧化,把烷基转化为羧基,然后通过元素分析与红外光谱测定,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)与
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;其次就是羧基,羧基就是褐煤的典型特征,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;羟基与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,主要就是醚键与杂环中的氧。
(三)含硫与含氮官能团
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,含硫与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,其她因素往往掩盖了煤化程度的影响。但从一些数据也可以瞧出,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
煤的大分子就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就是通过次甲基键一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中可以瞧出,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与范德瓦耳斯力结合。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,在褐煤与烟煤中,低分子化合物可达煤有机质的lO%～23%。实际测值低就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,即烃类与含氧化合物。煤中的烃类主要就是正构烷烃,此外还有少量的环烷烃与长链烯烃。含氧化合物有长链脂肪酸、醇与酮、甾醇类等。