煤化学之煤的结构
煤结构
煤的化学结构及其研究方法煤，从化学组成上来说，是由大量具有不同分子量的分子组成的混合物；从岩石学角度来说，是由不同显微煤岩组分组成的；从结构化学来看，是一种短程有序、长程无序，且具有层次结构的非晶态固体物质；从成因来看，具有阶段性演化特征，即从褐煤经烟煤至无烟煤的演化，其物理、化学性质的演变具有阶段性演化的特点。
一煤结构的概念煤结构研究主要包括两方面的内容：一是煤的化学结构，二是煤的物理结构。
（1）煤的化学结构是指在煤的有机分子中，原子相互联结的次序和方式。
从煤的元素组成上看，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）煤的物理结构，传统的物理结构指煤的孔隙结构，主要是指其相界面间空隙及芳香层间的层间隙。
一般用孔隙率、比表面积、孔径分布、孔隙模型等来表征。
煤的孔隙结构实质上是由煤的化学结构决定的。
这是因为，煤的芳烃族和官能团之间参差不齐的排列形成了内部空隙，使煤成为多孔性物质。
（3）煤的岩相组成，从岩相学和矿物学观点上认识煤，可以认为煤是一种固体可燃有机岩。
在宏观上，可以将煤区分为镜煤、亮煤、暗煤和丝炭四种煤岩成分；在微观上，其有机显微组分在国际上划分为镜质组、丝质组和稳定组三种组分。
煤不同于一般的高分子有机化合物，它具有特别的复杂性、多样性和不均一性。
及时在同意小块煤中，也不存在一个统一的化学结构。
二煤结构的研究方法长期以来人们对煤的化学结构的研究方法可以归纳为物理化学方法、化学方法、物理方法。
1.物理化学研究方法物理化学研究方法，如溶剂抽提、吸附性能和物化特性法等。
溶剂抽提法是研究煤的组成、结构的最早方法之一，其理是利用溶剂的授、受电子能力使小分子相释放出来的过程，通过逐级抽提，分析抽提可溶物与不溶物，找出它们与煤结构之间的关系，提出相应的煤结构模型。
该法主要用来研究泥炭、褐煤的化学组成。
煤的化学成分与分子结构分析
第二章 式中 — —分析煤样的重量， !— "； — —分析煤样干燥后的重量， !# — "。
煤的化学成分与分子结构分析
分析煤样水分测定的具体方法、 步骤和要求详见国家标准 !$ %#%—&&。 ’ ( 最高内在水分的测定。 最高内在水分是指煤中小毛细管吸附和凝聚的水达到饱和时的水分， 用 )*+ 表示。 最高内在水分值可用于计算煤的恒湿无灰基发热量， 而恒湿无灰基发热量是在煤的分类 中区分褐煤与烟煤的一个分类指标。 最高内在水分的测定方法是： 将在温度为 ’,- 、 相对湿度为 ./0 的条件下达到湿度 平衡的煤样置于 #,1 2 ##,- 的烘箱内烘干， 然后按下式 （ % 3 ’） 计算测定结果： )*+ 4 式中 ! 3 !# 5 #,,0 ! （% 3 ’）
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煤的内在水分与煤化程度的关系
由图 . 3 % 3 # 可见， 随着煤化程度的增高， 煤中内在水分含量不断减少， 到无烟煤时 略有上升。这是由于煤的内表面积随煤化程度增高而减少， 因此， 吸附水分也逐渐减少； 另外， 由于年青煤中有较多的亲水基团， 如羧基、 酚羟基等， 随煤化程度增高， 这些基团也 ・ #%&. ・
— —煤样达到湿度平衡后的重量， !— "； — —煤样干燥后的重量， !# — "。
三、 煤中水分与煤质的关系
煤中水分的含量变化范围很大， 其中内在水分是吸附在煤的小毛细管中的水分， 因 此它的变化规律与煤的内部表面积有关。煤的内在水分含量反映了煤的内部结构， 所以 煤的内在水分在固定的温度和湿度下与煤化程度有一定关系， 其变化规律如图 . 3 % 结构分析
外在水分是指将煤长时间暴露在空气中， 使其自然风干后因蒸发作用而失去的水 分。它包括附着在煤粒表面的水分和煤的较大孔隙中的水分， 用符号 ! " 表示。 # $ 内在水分 内在水分是指煤经自然风干后仍保留在煤中的水分。它包括存在于煤的较小孔隙 中的水分以及少量以单分子层的形态吸附在大小孔隙管壁上的水分， 用符号 ! %&’ 表示。 用自然风干的方法可将煤中的水分分为外在水分和内在水分， 其原因是煤的毛细管 中的水分具有不同的蒸气压。较大毛细管中的水分具有正常的蒸气压， 而较小毛细管中 水的蒸气压小于正常蒸气压， 且具有随毛细管直径的减小而减小的规律。我们知道， 只 有当水的蒸气压大于空气中水蒸气的分压时， 水才会蒸发。将煤暴露在空气中时， 附着 在煤粒表面和存在于煤粒较大孔隙中的水分因其蒸气压大于空气中水蒸气的分压， 所以 就蒸发逸出， 形成外在水分； 而煤中较小毛细管中水分的蒸气压低于空气中水蒸气的分 压， 因而不能蒸发逸出， 仍留在煤中形成内在水分。 对于同一种煤来说， 外在水分与内在水分并没有固定的分界线， 这是因为它们的分 界线取决于空气中的水蒸气分压。当空气湿度不同时， 空气中的水蒸气分压就不相同。 所以当空湿度不同时， 即使是同一种煤， 其外在水分与内在水分的值也是不同的。空气 湿度大时， 蒸发量小， 外在水分减小， 内在水分增大； 空气湿度变小时， 蒸发量增大， 使外 在水分值随之增大， 而内在水分值减小。 ( $ 结晶水 煤中的水分除了外在水分和内在水分之外， 还有少量以化学方式结合的水， 即结晶 水或叫化合水。它是煤牛的某些矿物质所含的 结 晶 水， 如 石 膏 )*+,-・#.# ,、 高岭土 而且目前煤的工业分析方法又 /0# ,(・#+%,#・#.# , 中的结晶水等。因结晶水含量很少， 不能测定这部分水分， 所以在煤的工业分析中不考虑这部分水分。
煤化学知识点总结
煤化学知识点总结煤是一种重要的化石燃料，广泛应用于发电、制氢、化工等领域。
煤可以通过物理、化学、生物等多种方式转化为有用的产品，如煤炭、煤油、煤气、炭黑等。
煤的结构和性质复杂，研究煤的化学反应机理对于提高煤的利用效率具有重要意义。
本文将从煤的结构、热解反应、气相反应等方面总结煤化学的基础知识点。
一、煤的结构煤的主要成分是碳、氢、氧和少量杂质元素，其中碳的含量最高，达到60%~90%。
煤的结构包括有机质和矿物质两部分。
有机质是煤的主要组成部分，由碳化木质素、半纤维素、纤维素等组成。
矿物质主要是煤中的无机成分，如高岭土、石英、黄铁矿等。
煤的质量常用H/C、O/C和N/C三个比值来描述，H/C比值反映了煤中氢原子的含量，O/C比值反映了煤中氧原子的含量，N/C比值反映了煤中氮原子的含量。
煤的结构和成分决定了其热解和气相反应特性。
二、煤的热解反应热解是指将煤在高温下分解为气体、液体和固体的化学反应。
热解温度通常在450℃~900℃之间，可以通过各种热解设备实现。
热解的主要产物包括焦炭、煤气、煤油、煤焦油等。
热解分为干馏、气化和液化三种方式。
1. 干馏干馏是指将煤在不加催化剂的条件下进行热解，主要产物是焦炭和煤气。
干馏过程中，煤中的有机质被分解为固态残炭和煤气，残炭富含碳，可以作为原料制备电极炭、活性炭等。
煤气是指在干馏过程中生成的氢气、一氧化碳、甲烷等气体，可以用作发电、制氢等用途。
2. 气化气化是指将煤在高温下与水蒸气或氧气进行反应，产生的气体可以用作烧锅炉、发电、制氢等。
气化分为直接气化和间接气化两种方式。
直接气化是指将煤与水蒸气或氧气直接反应，产生的气体含有大量一氧化碳和氢气，可以通过气体净化和转化制备化学品和燃料。
间接气化是指先将煤热解产生的固体、液体和气体分离，再将气体进行气化，产生的气体中含有更高品位的一氧化碳和氢气，适用于制备化学品和燃料。
3. 液化液化是指将煤在高温高压下加氢反应，产生的液体燃料可以替代原油用于制备燃料和化学品。
煤炭化学反应的原理与应用
煤炭化学反应的原理与应用煤是一种可以被用于多种化学反应的重要矿物资源。
其主要成分是碳、氢、氧、硫和氮等元素。
这些元素以不同的形态和含量相互交织在煤的体系中。
这种结构让煤在化学反应中表现出诸多特性，如低温氧化、加热分解和气化反应等。
本文将对煤的化学反应原理与应用做简要介绍。
一、煤的组成和结构煤的组成相当复杂，一般来说，煤主要由固体组分、液体组分和气体组分构成。
固体组分是煤最主要的组成部分，其约占干煤质量的70%~80%，其中含有碳、氢、氧、硫、氮等元素。
液态组分占干煤的5%~13%，由于煤的分解等反应产生，包括蜡、沥青、油等。
气体组分占干煤量的15%左右，是煤炭热分解的乙烷、氢气、一氧化碳等气体，同时也包括一些杂质气体。
煤炭结构可分为微观结构和宏观结构两个层次。
微观结构通常表示为有机小分子化合物，如苯和多环芳香烃。
宏观结构是指煤的物理组成、宏观形态和类型等。
煤的微观结构直接影响煤的热解反应和气化反应。
二、热解反应热解反应是指将煤或其组分在高温下裂解成为小分子气体、液体和固体材料的化学反应。
热解具有以下几个步骤：初步升温，吸热反应和放热反应产物的凝固等。
一般升温速度和温度越高，化学反应发生的速度越快。
在高温条件下，固态的煤由大分子化合物分解生成小分子气体和液态烃类。
重烷烃类分解的过程中会生成一些轻质烃，从煤中析出来的煤焦化油也含有大量轻质烃。
热解反应的主要产物是烃类和焦油。
烃类是裂解出来的乙烷、丙烷、丁烷等低碳氢化合物。
焦油是由大量的复杂有机分子和气态物质组成的一种黑色固体。
三、气化反应气化是将固态煤或者煤焦化油转化为气体燃料的一种方法。
煤气化通常包括干燥、氧化、还原、气化和淬火等步骤。
在气化反应中，通过加热和处理煤在含氧气氛或无氧气氛中生成可燃性气体，煤气中主要含有一氧化碳、二氧化碳、氢气和一些杂质气体等。
对煤炭进行气化可以减少对环境的污染，也可以为今后化学品、燃料和电力生产提供原材料或来源。
气化反应可分为三种类型：干馏气化、液态气化和压转气化。
煤的化学组成
煤的化学组成煤是一种能源资源，是热带植物在一亿年前经过生物和地质作用的过程中形成的有机质的化石。
煤的主要化学成分是碳、氢、氧、氮、硫、磷等元素，其具体化学组成和结构特点对其性质和用途有着重要的影响。
一、煤的基本化学组成1.碳：煤中的碳含量很高，可以达到60%~90%不等。
这是因为在植物体内，二氧化碳与水经过光合作用和细胞呼吸，形成有机化合物，其中大部分是碳水化合物，此后这些有机化合物经过埋藏、升温和加压作用，形成煤炭。
碳元素是煤炭的主要成分，其含量的高低决定了煤的品质和类型。
2.氢：煤中含有氢，但氢的含量比碳要低，只有2%~5%不等。
氢元素主要存在于煤的有机氢化合物中，比如：甲烷、乙烷、苯乙烯等。
其主要来源于古植物体内含有的氢化合物，如蛋白质和脂肪质等，以及水分解而来。
氢的含量高低是影响煤炭的气化性能和燃烧速度的主要因素之一。
3.氧：煤中的氧含量不固定，一般为5%~30%不等。
煤中的氧元素主要来自植物体内的膳食纤维素和其他有机物，同时也可以是在煤炭形成以后，经过氧化作用，形成的含氧化合物。
氧的含量高低对煤的空气氧化性、稳定性、可燃性等有一定的影响。
4.氮：煤中的氮含量很少，只有0.5%左右。
氮元素主要存在于煤中的有机氮化合物，如蛋白质、氨基酸、胆固醇等。
它们的进一步分解产生了硝基化合物、氨基化合物等含氮物质。
含氮物质对煤的低温固相反应、气化反应、燃烧反应等都有影响。
5.硫：硫元素是煤中的常见元素之一，煤的硫含量一般在0.2%~5%之间。
硫元素主要存在于硫化物和有机硫化合物中，如硫酸盐、硫化铁、巯基化合物、噻吩化合物等。
它们的存在直接影响着煤的燃烧性能、气化性能和腐蚀性能。
6.磷、钾、钙等元素：磷、钾、钙等元素虽然在煤中的含量不高，但也对煤的质量和特性产生了一定的影响。
磷元素主要存在于煤中的有机磷化合物中，如磷酯类、磷氢化合物等，含磷煤具有易燃性和高热值的特点。
钾、钙等元素则主要对其灰化特性、融化特性和腐蚀性特性产生了影响。
什么是煤的化学结构？
什么是煤的化学结构？
答：关于煤的化学结构曾有过各种假说：低分子结构说、胶体化学结构说和高分子结构说等。
近代为较多人所接受的煤的化学结构的假说认为，煤的化学结构是高度交联的非晶质大分子网络，是一种高分子聚合物。
（1）煤的每个大分子由许多结构相似而又不完全相同的基本结构单元聚合而成，但它们的聚合程度不同，也即相对分子质量不同。
（2）基本结构单元的核心部分主要是缩合芳香环，它们的缩合程度不同，也有少量的氢化芳香环和杂环。
缩合芳香环的周围连接有烷基侧链和各种官能团，烷基侧链主要有-C CC2−、CC2−CC2−，官能团以含氧官能团为主，还有少量含硫、氮的官能团。
缩合芳香环之间通过各种桥键联结，从而形成三维空间网络型的大分子结构。
桥键的主要形式有次甲基(−CC2−)次乙基(−CC2−CC2−)
和醚基（-0 等，也有氢键缔合(−C−)的形式。
（3）低煤化度煤的芳香环缩合程度小，但桥键、侧链和官能团较多，低分子化合物较多，其结构无方向性、孔隙率和比表面积较大。
随煤化度加深，芳香环缩合程度逐渐增大，缩合环之间的桥键和侧链逐渐减少、变短，官能团也减少。
分子内部的排列逐渐规则化，分子之间平行定向程度增加，呈现各向异性，到无烟煤阶段分子排列逐渐趋于类石墨结构。
煤炭的化学式
煤炭的化学式煤炭，又称“煤”，是一种有机化合物，由50% - 98%的有机碳和质量的水分、氧化物、氮化物和硫化物组成。
煤炭的化学式是CnH(2n+2)mO2m+n+k。
一、煤炭的构成1、煤炭中的有机碳煤炭中含有大量有机碳，占煤炭总质量的50%至98%，主要是碳水化合物和芳香族化合物。
煤中的有机碳具有较大的活力，在高温下容易分解，可以释放出大量的热量。
2、煤炭中的水分煤炭中的水分包括水溶解的水分和固定的水分；水溶解的水分又称活性水，常常指的是煤炭释放的热量；固定的水分在发热时不会释放热量，它们被困在煤炭层中。
3、煤炭中的氧化物煤炭中的氧化物是指碳水化合物与氧组成的化合物，䮈煤炭里氧化物占煤炭总质量的2%-15%左右，主要是二氧化碳和一氧化碳。
4、煤炭中的氮化物煤炭中的氮化物指的是氮元素与碳水化合物的化合物，在煤炭中氮化物的含量比较低，一般在0.1%至2%。
5、煤炭中的硫化物硫化物是煤炭中最普遍的复合物，通常以四元硫酸根或三元硫酸根形式存在，煤炭中的硫化物包括硫酸钠、硫酸钙、硫酸锌等，在煤炭中硫化物的含量可达2%-5%。
二、煤炭的化学式煤炭的化学式为CnH(2n+2)mO2m+n+k，其中n表示煤炭中的有机碳的质量分数，m表示煤炭中氧化物的质量分数，k表示煤炭中的无机化合物的质量分数。
三、煤炭的结构煤炭的结构分为三种类型：可燃型、半可燃型和不可燃型。
可燃煤包括黑色煤、烟煤、焦煤和褐煤；半可燃煤有褐煤和泥煤；而不可燃型煤包括白煤、渣煤和结晶煤。
煤的结构主要由有机碳、水分、氧化物、氮化物和硫化物组成，结构复杂，决定了煤的性质。
四、煤炭的能量值煤炭的能量值取决于它的构成成份，当发热时，煤中的有机物和无机物都会释放能量。
由于各种煤的构成成份不一样，从而其能量值也有差别，以每公斤热值表示，一般而言，烟煤的热量比低热值煤要高，热值在6000-7000大卡/公斤之间，褐煤的热值较低，为约4000大卡/公斤。
总之，煤炭是由50%-98%的有机碳和水分、氧化物、氮化物和硫化物组成，它的化学式为CnH(2n+2)mO2m+n+k，有不同的结构和能量值。
煤炭及其化学结构概述
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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）
褐煤
变
质次Leabharlann 煤程度烟煤
增 大
无烟煤
2.煤结构的分类
2.1煤的化学结构
煤的化学结构指煤的有机质分子中，原子相互联结的次序和方式，又称煤的分子结构。煤的化学结 构是煤的芳香层大小、芳香性、杂原子、侧链、官能团特征以及不同结构单元之间键合类型和作用 方式的综合表现[4]。
报,2015,44(02):319-325. 3. GB/T 5751《中国煤炭分类》获2014中国标准创新贡献奖一等奖[J].煤质技术,2014(06):7. 4. 崔馨,严煌,赵培涛.煤分子结构模型构建及分析方法综述[J].中国矿业大学学报,2019,48(04):704-
717. 5.袁银梅,郑明东,李朝祥.煤结构研究及其在新材料制备中应用[J].煤化工,2004(01):47-50. 6.袁银梅,郑明东,李朝祥.煤结构研究及其在新材料制备中应用[J].煤化工,2004(01):47-50.
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
参考文献：
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
模板
Fuchs模型 Wender模型 Given模型
煤化学之煤的组成-化学组成
第一节 煤的工业分析Proximate analysis of coal
煤的工业分析的定义： 在人为规定条件下under a set of standard conditions
粗略approximately测定determine煤化学组成的一种方法 means ，它将煤的组成区分为水分、灰分、挥发分和固 定碳。
（2）分析时间：约20min （3）测定精度：≤0.4%（全水）；≤0.2%（空干水） （4）试样质量：10-12g(全水)；0.9-1.1g(空干水) （5）试样粒度：≤6mm(全水)；≤80目(空干水)
1.5 煤的最高内在水分
1.5.1 定义 煤的最高内在水分是指煤样在30℃，相对湿度
relative humidity达到96%的条件下吸附水分达到饱和 water saturation时测得的水分，用符号MHC (moisture holding capacity)表示。这一指标反映了年青煤的煤化程 度，用于煤质研究和年青煤的分类。
1.3 外在水分、内在水分等重要概念
一般分析试验煤样 通常，煤质分析化验采用的煤样均是粒度小于
0.2mm的空气干燥煤样，原来称分析煤样analytical sample，现称“一般分析试验煤样”，该煤样的水分也 称为“一般分析试验煤样水分”或“空气干燥基水分”
(moisture on air dried basis) ，用Mad表示，它的大小与 Minh相同。
本 课 要 求 掌 握 加 热 失 重 法 thermal weight-loss method的基本原理，其他方法可参阅有关专门书籍。
煤的结构
特点：大分子网络为固定相，小分子则为流动相。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，不同煤种的个体 是相异的。
单相模型—— 1992年，Nashioka在分布溶剂萃取试验中发现抽提物
的煤分子量呈连续分布而提出 一、煤的物理结构
特点：煤中存在强的分子内和分子间作用，分子簇间靠静电型或
硫 醚（R—S—R’）
二硫醚（R—S—S—R’）
硫 醌
杂环硫
煤中的杂原子
• 含氮官能团
• 主要以六元杂环、吡啶环或喹啉环等形式存在
• 还有胺基、亚胺基、腈基等
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、醚键、硫醚、次甲基醚以及芳香碳－ 碳键等桥键实现的
20世纪中叶前所说的煤化学结构，其实是元素分析 和主要有机官能团的分析
煤结构的认识和发展
早期研究都揭示了煤科学研究的困难之处
缺乏可能的实验 缺乏必要的手段
应用新分析技术和新实验方法，建立模型
作用 —— 将各种方式获得的数据联系起来形成一种可用于 判断或预测的理论，有助于探测未知的现象和理解新的数据
煤 第 的 一 结 节 构
煤的组成 一、煤的物理结构
煤的组成
– 有机质 – 矿物质
煤的结构
– 大分子结构 – 物理空间结构 – 化学结构一般以镜质组作为 研究对象 – 含量多 – 组成均匀，变化平稳
Fig.1 Diagram of the major constituents in coal: organic material, fragments of plant debris (macerals), inorganic inclusions, and an extensive pore net work.
煤的结构
第三章：煤的结构Coal structure
第三章 煤的结构Coal structure
主要内容： （1）煤分子结构是如何构成的？ （2）煤结构模型？ （3）煤分子结构理论
第一节 煤结构概述 summarization
第一节 煤结构概述 summarization
2.1 Hirsch模型(physical structure model)
（3）无烟煤结构： 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，故形成大量孔 隙。
2.2 两相模型(host-guest model)
两相模型又称为主—客模型。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搀杂于主体之中。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，-电子相互作用和 电荷转移力起主要作用。
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
模型也是针对年轻烟煤（碳含量82%~83%），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。
煤中低分子化合物主要是指游离或镶嵌在煤大分子 主体结构中的一些相对分子质量小于500的有机化合物。 已确定的有：
孙鸿主编煤化工工艺学知识点
孙鸿主编煤化工工艺学知识点煤化工是利用煤炭资源进行加工和转化的工业领域，是以煤炭为原料，通过一系列的物理、化学和生物反应，将煤炭转化为煤制品和化工产品的过程。
煤化工工艺学作为煤化工领域的重要学科，研究了煤的结构、性质以及煤的加工转化过程。
一、煤的结构与性质1. 煤的组成：煤主要由碳、氢、氧、氮和硫等元素组成，其中碳含量较高，为石煤的主要组成部分。
2. 煤的结构：煤的微观结构由成核结体、有机质基质和孔隙等组成。
成核结体是煤的粘结结构，有机质基质是煤的有机成分，孔隙则是指煤中的空隙或微孔。
3. 煤的分类：煤的分类主要根据煤的热值、成分及含氧量等方面进行，常见的煤种有无烟煤、烟煤、褐煤和贫煤等。
二、煤化工工艺的基本原理与方法1. 煤的热解：煤的热解是指在高温和无氧或贫氧条件下，将煤转化为可燃气体和液体化合物的过程。
这是煤化工中最基本的转化过程之一。
2. 煤的气化：煤的气化是将煤转化为合成气的过程，合成气中通常包含一氧化碳和氢等气体，可用于制取合成氨、合成甲醇、合成烃等化工原料。
3. 煤的液化：煤液化是将煤在液体介质中通过催化剂或热解转化为液态燃料，可用于生产柴油、汽油等产品。
4. 煤的加氢脱硫：煤中含有的硫是一种有害元素，容易生成二氧化硫等污染物。
通过加氢脱硫技术可以降低煤中硫的含量，减少对环境的污染。
5. 煤的氧化：煤的氧化是指在空气或氧气中将煤转化为煤氧化物的过程，该过程中常伴随着煤的燃烧和炭化。
三、煤化工工艺的应用领域1. 煤炭加工：煤炭加工是指将原生煤进行分选、破碎、筛分等处理，得到不同品质的煤制品。
煤炭加工技术是煤化工的前期工艺，主要用于提高煤炭品质和减少煤炭的灰分、硫分等杂质。
2. 煤化学品制造：煤化学品制造是指将煤转化为化工产品的过程，如煤制气、煤制甲醇、煤制烯烃等。
这些煤化学品可以广泛用于化肥、合成树脂、合成纤维等工业领域。
3. 环保减排：煤化工工艺中的加氢脱硫、脱硝等技术可以帮助降低煤炭燃烧过程中产生的污染物排放，减少对环境的影响。
煤分子结构
煤分子结构煤是一种主要由碳元素组成的化石能源，其分子结构复杂多样。
煤的主要成分是碳、氢、氧、氮和硫等元素，其中碳元素占据了主导地位。
煤分子的结构可以分为有机质和无机质两部分。
有机质是煤中的主要组成部分，它由含碳的有机物质构成。
煤的有机质主要由碳氢化合物组成，其中包括烷烃、烯烃、芳香烃和杂环化合物等。
烷烃是由碳和氢构成的直链或支链烃类化合物，它们的分子中只有单键。
烯烃是由碳和氢构成的含有碳碳双键的化合物，它们的分子中含有至少一个碳碳双键。
芳香烃是由苯环（由六个碳原子和六个氢原子构成）以及其衍生物构成的化合物，它们的分子中含有苯环结构。
杂环化合物是由碳、氢以及其他元素（如氧、氮等）构成的含有杂环结构的化合物。
除了有机质，煤中还含有一定量的无机质，其中主要是矿物质。
矿物质是由无机化合物组成的，主要包括硅酸盐矿物、铁矿物、硫化物等。
硅酸盐矿物是煤中含量最多的无机质，它们的主要成分是氧化硅和氧化铝，常见的有石英、长石等。
铁矿物是指含有铁元素的矿物，煤中的铁矿物主要是黄铁矿和磁铁矿。
硫化物是由硫和金属元素构成的化合物，煤中的硫矿物主要是黄铁矿和方解石。
煤的分子结构对其性质和用途有着重要影响。
煤中的有机质含有丰富的化学键和官能团，这些化学键和官能团使得煤具有较高的碳含量和热值，使其成为一种重要的能源来源。
煤的分子结构也决定了其燃烧特性，不同类型的煤燃烧产生的烟气成分和排放物不同。
此外，煤的分子结构还决定了其在化工和材料领域的应用，例如煤制油、煤制气、煤制烯烃等。
煤的分子结构是一种复杂多样的有机化合物和无机化合物的组合体。
煤中的有机质主要由碳氢化合物构成，包括烷烃、烯烃、芳香烃和杂环化合物等。
煤中的无机质主要是矿物质，包括硅酸盐矿物、铁矿物、硫化物等。
煤的分子结构决定了其性质和用途，对于研究和利用煤资源具有重要意义。
通过深入研究煤的分子结构，可以更好地理解煤的性质和行为，为煤的利用提供科学依据。
第四章 煤的有机质的结构
第二节
一、含氧官能团
煤结构单元外围部分的结构
3．煤中的含硫和含氮官能团
硫的性质与氧相似，所以煤中的含硫官能团种类与含氧官能团
差不多。由于硫含量比氧含量低，加上分析测定方面的困难，故煤 中硫的分布尚未完全弄清。
煤中有机硫的主要存在形式是噻 吩，其次 是 硫 醚 键 和 巯 基
(-SH)。 煤中含氮量多在1％～ 2％，大约50％～75％的氮以吡啶环或喹
2．煤中含氧官能团随煤化程度的变化 煤中含氧官能团的分布随煤化程度的变化见图4—2。 由图4—2可见，煤中的含氧官能团随煤化程度增加而急剧降低， 其中以羟基为最多，其次是羰基和羧基，在煤化过程中，甲氧基首 先消失，接着是羧基，它在典型烟煤中已不再存在，而羟基和羰基 仅在数量上减少，即使在无烟煤中也还存在。图中其余含氧主要指 醚键和杂环氧，它们所占的比例对中等变质程度的煤是相当大的。
N ( R) 1 )其中N(R)为基本结构单元中缩合环的 N (C )
c f ar
数目，N(C)为基本结构单元中碳原子数。环缩合度指数与芳碳率 之间有如下的关系
N ( R) 1 N (H ) c 2( ) 2 f ar N (C ) N (C )
第二节
一、含氧官能团
煤结构单元外围部分的结构
第四章
煤的有机质的结构
对煤的分子结构的研究一直是煤化学学科的中心环节， 受到了广泛的重视。近年来，对煤的结构研究取得一些进展。 一般采用煤的镜质组作为研究结构的对象，其原因是镜质组
在成煤过程中变化比较均匀以及矿物质含量低。
第一节
煤结构单元核心部分的结构
一、煤的基本单元结构 煤是以有机体为主，并具有不同的相对分子质量、不同化学结 构的一组“相似化合物”的混合物。它不像一般的聚合物，是由相 同化学结构的单体聚合而成的。因此，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。也就是说，煤是许许多多的 基本结构单元组合而成的大分子结构。基本结构单元包括规则部分
煤化学 第五章 煤的化学组成
第五章煤的化学组成煤的组成极其复杂，是由无机组分和有机组分构成的混合物。
无机组分主要包括黏土和矿物、石英、方解石、石膏、黄铁矿等矿物质和吸附在煤中的水;有机组分主要是由碳、氢、氧、氮、硫等元素构成的复杂的高分子有机化合物的温合物。
一般来说，煤中的无机组分对煤的加工利用是有害的，有机组分是煤的主要组成部分，也是煤炭加工利用的主要对象。
煤中矿物质和有机质的化学成分十分复杂，特别是有机组分的完全分离和鉴定几乎是不可能的。
因此，从分子水平上研究和分析煤的各种组成成分在技术上难以实现。
为了指导煤炭加工利用和研究煤的性质，在实用上通常采用较为简单的办法分析和研究煤的有机组成和无机组成，主要有工业分析、元素分析、灰成分分析和溶剂萃取等。
第一节煤的工业分析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、挥发分和固定碳四种组分。
工业分析是一种条件实验，除了水分以外，灰分、挥发分和固定碳是煤在测定条件下的转化产物，不是煤中的固有组分，其测定结果依测定条件变化而变化。
为了使测定结果具有可比性，工业分析的测定方法均有严格的标准。
目前我国实施的是《煤的工业分析方法»(GB/T 212-200的。
在该标准中分别规定了水分、灰分、挥发分的测定和固定碳的计算方法。
工业分析虽然简单，但分析结果对于研究煤炭性质、确定煤炭的合理用途以及在煤炭贸易中，具有重要的作用。
一、煤中的水分(一)煤中水分的存在状态水分是煤中的重要组成部分，是煤炭质量的重要指标。
煤中的水分可分为游离水利和化合水。
煤中游离水是指与煤呈物理态结合的水，它吸附在煤的外表面和内部孔隙中。
因此，煤的颗粒越细、内部孔隙越发达，煤中吸附的水分就越高。
煤中的游离水分可分为两类，即在常温的大气中易失去的水分和不易失去的水分。
前者吸附在煤粒的外表面和较大的毛细孔隙中，称为外在水分，用M f表示;后者则存在于较小的孔隙中，称为内在水分，用M inh表示。
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（2）液态结构 属于中等煤化度烟煤，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 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，故形成大量孔隙。
2、物理结构模型(physical Structure model)
2.1 Hirsch模型 Hirsch模型将不同煤化程度的煤划分为三 种物理结构。
（1）敞开式结构 属于低煤化度烟煤，其特征是芳香层片 (aromatic
layer)小，不规则的“无定形结构”比例较大。芳香层片间 由交联键(crosslink bond)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。
1.2.2 官能团 functional group
（2）含硫官能团(sulfur containing functional group )， 如： 硫醇（–SH） 、硫醚（R–S–R）、 二硫化物（–S–S–）
（3）含氮官能团(nitrogen containing functional group )， 如： 吡啶 、喹啉的衍生物 胺基（–NH2）
(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。
3. 煤中的低分子化合物 micromolecular compound
（2）含氧化合物 有： 长链脂肪酸 醇 酮 甾醇类化合物等。
3. 煤中的低分子化合物 micromolecular compound
（3）含硫化合物主要是 噻吩; 苯并噻吩; 二苯并噻吩; 以及它们的C1-4 烷基取代衍生物。
(4)连接结构单元的桥键
连接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－碳键等。在低煤化程 度的煤中桥键最多，主要形式是前三种；中等煤化程度 的煤中桥键最少，主要形式是－CH2－和－O－；到无烟煤 阶段时桥键有所增多，主要形式是最后一种。
(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；
2.2 两相模型(host-guest model) 两相模型又称为主—客模型。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搀杂于主体之中。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，-电子相互作用和电荷转 移力起主要作用。
Part 3：煤的结构 Coal structure 第三章：煤的结构 Coal structure
第三章 煤的结构 Coal structure
Main contents： （1）煤分子结构是如何构成的？ （2）煤结构模型？ （3）煤分子结构理论
第一节 煤结构概述 summarization
1.2．基本结构单元的不规则部分
基本结构单元的缩合环condensed ring/polymerized ring上连接有数量不等的:
烷基侧链alkyl side-chain/aliphatic side-chain 官能团functional group 和桥键 bridge bond。
1.2.1 烷基侧链 alkyl side-chain
1.1 煤大分子规则部分： 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(aromatic core/ aromatic nucleus)。
1.1.1 煤大分子芳香核的评价指标—结构参数
（1）芳碳率
芳碳率（f Car）是指煤的基本结构单元中属于芳香族
煤的结构（煤有机质的结构）分： 化学结构（大分子结构）：煤的有机质分子中原子
相互连接的次序和方式，是煤的芳香层大小、芳香性、 杂原子、侧链官能团以及不同结构单元之间键合类型和 作用方式的综合表现。
物理空间结构（煤的孔隙结构）：主要是指其相界 面空隙及芳香层间的层间隙。 煤的芳烃族和官能团之 间参差不齐的排列形成了内部空隙，使煤成为多孔性物 质。
煤中低分子化合物主要是指游离或镶嵌在煤大分子 主体结构中的一些相对分子质量小于500的有机化合物。
来源：成煤植物（树脂、树蜡等）、成煤过程中形成的 未参与聚合的化合物和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华力结 合。 已确定的有： 烃类和 含氧化合物， 也有含硫化合物存在的报道。
煤的物理结构本质上是由化学结构决定的。
研究煤结构的意义： 研究煤的结构不仅具有重要的理论意义，对于指导
煤加工利用的生产过程也有重要的指导意义。煤在加工 转化过程中的变化特征（即煤的工艺性能）与原料煤的 结构关系密切；例如：
煤（焦）的气化反应活性——大分子芳香骨架结构 煤的自燃倾向性——化学结构和孔隙结构
3. 煤中的低分子化合物 micromolecular compound
（1）烃类 hydrocarbon 主要是一些正构烷烃alkane，碳链长度从C1～C30以上
不等，甚至还有发现C70的报道， 此外还有少量环烷烃naphthene、 长链烯烃olefin、 以及1～6环的芳烃aromatic hydrocarbon，但主要是以1～2 环芳烃为主。
84.3
1.8
1.2.2 官能团 functional group
煤分子上的官能团主要是
（1）含氧官能团(oxygen containing functional group )， 如：
羟基（–OH）hydroxyl；羧基（–COOH）carboxyl 羰 基 （ >C=O ） carbonyl ； 甲 氧 基 （ –OCH3 ） methoxyl；氧醚（–O-）etheric oxygen等。变化规律是： 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，到中等煤化程度的烟煤时，羧基已基本消失；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。
第二节 煤的大分子结构
1. 煤的大分子结构 macromolecular structure
煤的大分子是由多个结构相似的“基本结构单元” (elementary structural unit或basic structural unit) 通过桥键(bridge bond)连接而成。Байду номын сангаас
这种基本结构单元类似于聚合物的聚合单体 (monomer) ，它可分为:规则部分和不规则部分。
连 接 在 缩 合 环 上 的 烷 基 侧 链 是 指 甲 基 methyl 、 乙 基 ethyl、丙基propyl等基团。烷基侧链的平均长度随煤化
程度提高而迅速缩短。
烷基侧链的平均长度 average length
碳含量（daf，%）
侧链的长度（碳原子数）
65.1
5.0
74.3
2.3
80.4
2.2
结构的碳原子数与总碳原子数之比，
f
C ar
＝Car/C
（2）芳氢率
芳氢率（f Har）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
＝Har/H
（3）芳环数
芳环数（Rar）是指煤的基本结构单元中芳香环数的
平均数量
1.1.2 不同煤化程度煤的结构单元变化规律
不同煤化程度煤的结构单元变化规律
1.2.3 桥键 bridge bond
煤的大分子是由若干基本结构单元连接而成，结构 单元之间的连接是通过: 次甲基键－CH2－； 次乙基键－CH2－CH2－； 醚键―O－； 硫醚键－S－、 －S－S－； 次甲基醚键 －CH2－O－、－CH2－S－； 芳香碳－碳键Car－Car等桥键实现的。
3. 煤中的低分子化合物 micromolecular compound
硫的存在形式有巯基、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 非芳香族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。除化学交联键外，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。
不同煤化程度煤的结构单元变化规律
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。
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。