chap3 煤的结构
模块七第三讲煤的化学结构模型
CH2 CH2
CH2
S
O
CO
S
OH
S
CH3
—S— N
O CH2
N
O CH2
OH
OH N
OH SH
CH2
CH2 OH
OH
图6-5 Wiser化学结构模型
第三讲 煤的化学结构模型
4.本田化学结构模型
本田模型如图6-6所示。该模型的特点是最早设想在有机结构部分存 在着低分子化合物，缩合芳香环以菲为主，它们之间有比较长的次甲基键 连接，对氧的存在形式考虑比较全面。不足之处在于没有包括硫和氮的结 构。
第三讲 煤的化学结构模型
1. Fuchs化学结构模型
图6-3是由德国人W·Fuchs提出，Krevelen于1957年进行了修改了的煤 结构模型。
Fuchs模型将煤描绘成由很大的蜂窝状缩合芳香环和在其边缘上任意 分布着以含氧官能团为主的基团所组成的一类大分子化合物，煤中缩合芳 环平均为9个，最大部分有11个之多。随后，煤结构的研究开始广泛采用 X射线衍射、红外光谱分析和统计结构解析等物理测试和分析方法，研究 水平有了一定提高，提出了许多经典性的煤结构模型。但这些模型与 Fuchs模型具有一个共同的特点，即结构单元中芳香缩合环都很大。
CH2
CH3
第三讲 煤的化学结构H C模型C H 3
HC CH2
H H2 H2
CH3
图从62-05世W纪i初ser开化始H学3 C研结究构H 煤2模C 结型构O以来，HC 2人们CH 2 提出C 的H 2 煤分子结构模型已有十C 几CC个H 3之C H多OC ，本讲将对五个有代表性的结构模型予以简要介绍，以
H3C
Wiser化学结构模型
从20世纪初开始研究煤结构以来，人们提出的煤分子结构模型已有十几个之多，本讲将对五个有代表性的结构模型予以简要介绍，以
煤的结构
不同煤化程度 metamorphic grade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。
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－、－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
以及 1～ 6环的芳烃 aromatic hydrocarbon，但主要是以 1～2环芳烃为主。
ห้องสมุดไป่ตู้
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(disordered part)
煤炭的分子结构
煤炭的分子结构煤炭是一种由有机物质形成的矿石，主要成分为碳、氢、氧、氮、硫和少量的其他元素。
它的分子结构主要由碳原子构成，形成了独特的晶体结构。
煤炭的分子结构可以分为两个层面来看待：宏观结构和微观结构。
从宏观结构来看，煤炭可以分为三大类：无烟煤、烟煤和褐煤。
无烟煤是最纯净的煤种，其分子结构中的碳原子数最多，同时含有较少的杂质。
烟煤的分子结构中的碳原子数较少，含有较多的杂质。
褐煤的分子结构中的碳原子数最少，含有较多的水分。
从微观结构来看，煤炭的分子结构非常复杂。
煤炭中的碳原子通过共价键相互连接，形成了链状、环状和三维结构。
其中，链状结构是最常见的一种结构形式，碳原子通过共价键连接成长链或短链。
环状结构由碳原子构成的环组成，环的大小和形状不同，也会影响煤炭的性质。
三维结构由碳原子构成的网状结构组成，具有更高的稳定性和坚固度。
在煤炭的分子结构中，碳原子之间还可能存在着其他元素的杂质。
这些杂质可以是氢、氧、氮和硫等元素。
其中，氢原子和碳原子通过共价键连接，形成了一些有机基团，如烷基、烯基和芳香基等。
氧原子和碳原子之间可以形成羟基、醚基和酮基等。
氮原子和碳原子之间可以形成胺基和吡啶基等。
硫原子和碳原子之间可以形成硫醚基和硫酚基等。
这些有机基团和其他元素的存在，使得煤炭具有了很多特殊的性质。
煤炭的分子结构对其物理和化学性质具有重要影响。
煤炭中的链状结构和环状结构影响着煤炭的燃烧特性，如燃烧速率和热值等。
煤炭中的有机基团和其他元素的存在，使得煤炭具有一些特殊的性质，如吸附性、还原性和催化性等。
煤炭的分子结构也影响着煤炭的利用方式，不同结构的煤炭适用于不同的工业和生活领域。
煤炭的分子结构是一种复杂而多变的结构，由碳原子构成的链状、环状和三维结构对煤炭的性质和用途有着重要影响。
煤炭中的有机基团和其他元素的存在，使得煤炭具有了丰富的特性和用途。
研究煤炭的分子结构不仅有助于深入了解煤炭的本质，还能为煤炭的有效利用和环境保护提供科学依据。
煤化学第3章-煤的结构ppt课件
➢ 煤的统计结构解析法原理：利用煤的加和性质来计算结构参数，并 根据结构性质来修正。
精选课件
6
14
Coal chemistry
2011版
8.4.2 煤的结构参数
精选课件
17
25
Coal chemistry 8.5.1 化学结构模型
(3) Wiser模型（1975，美国）
2011版
➢ 特点：引入了用以解释煤热解、加氢、氧化等化学反应的弱键和桥键，
较合理、全面
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18
26
Coal chemistry
8.5.1 化学结构模型
(4) Shinn模型（1984） ➢ 特点：
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14
22
Coal chemistry
2011版
8.4.5 煤结构研究的新进展
➢ 近年来，煤结构的研究再次引起重视，新的物理分析仪器和技术基本 上都用于了煤结构的研究，重要的研究方法与研究对象有：
➢ 计算机断层扫描（CT）、核磁共振成像，研究孔结构 ➢ 电子透射/扫描显微镜（TEM/SEM）、扫描隧道显微镜（STM）原子
(8-25)
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Coal chemistry
2011版
8.4.3.1 密度法
➢ 引入单碳分子量 Mc=
，由于C＞＞N，C＞＞S，
➢ 可令 ≈0， ≈0 ，上式可简化为
➢ 实验求出：元素组成、真密度——可求环数R ——环缩合度指数— —芳碳率
➢ 此法简便，但误差较大，而图解法较计算法更准确（略）
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。
煤化学之煤的结构
（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。
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。
煤的结构模型ppt课件
化学结构一模、型煤的物理结构
➢ Fuchs结构模型 ➢ Given结构模型 ➢ Wiser结构模型 ➢ 本田结构模型 ➢ Shinn结构模型
Fuchs模一型、煤的物理结构 ——20世纪60年代以前的代表模型。由W. Fuchs（德）提出， 1957年经Van Krevelen修改
特点： Fuchs模型是20世纪60年代以前煤的化学结构模型的代表。当时煤化 结构的研究主要是用化学方法进行的，得出的是一些定性的概念，可用于 建立煤化学结构模型的定量数据还很少。Fuchs模型就是基于这种研究水平 而提出的，该模型将煤描绘成由很大的蜂窝状缩合芳香环和在其边缘上任 意分布着以含氧官能团为主的基团所组成。——比较片面，不能全面反映 煤结构的特征
– 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
第一煤节的煤大的分大子分结子构结构
煤大分子结构的基本概念 煤的结构参数 基本结构单元的核 基本结构单元周围的烷基侧链和官能团 煤中的杂原子 连接基本结构单元的桥键 • 煤中的低分子化合物
煤煤大大分分子子结结构构的的基基本本概概念念
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
石墨
无烟煤
低挥发分烟煤
煤的结构参数
➢ 芳碳率 fcar
芳香族结构的碳原子数与总碳原子数之比 ➢ 芳氢率 fHar
芳香族结构的氢原子数与总氢原子数之比 ➢ 芳环率
基本结构单元中芳香环数与总环数之比
基本结构单元的核
➢ 缩合环结构，也称芳香环或芳香核 ➢ 由不同缩合程度的芳香环构成，也含有少量的氢化芳香
• 尽管每一模型都有相关实验证据的有力支持， 但没有一种模型可以解释所有的实验现象。 也许对于煤这种复杂物质，也不存在这样一 种模型
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
煤的分子结构
煤的分子结构---煤的基本结构单元：
煤是以有机质为主，并有不同分子量、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”被称为基本结构单元。
也就是说，煤是由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和不规则部分。
规则部分为基本结构单元的核部分，由几个或十几个苯环、脂环、氢化芳香环及杂环（含氮、氧、硫）所组成。
在苯核的周围连接着各种含氧基团和烷基侧链，属于基本结构单元的不规则部分。
随着煤化程度的提高，苯核逐渐增多，而不规则部分逐渐减少。
褐煤，苯环不相连，由桥健连接，并且侧链多而长。
次烟煤，苯环互连一起，但杂环多，侧链多。
高挥发烟煤，苯环互连一起，杂环减少，侧链减少。
低挥发烟煤，苯环互联增多，杂环进一步减少，无侧链。
无烟煤，大批苯环互连，偶有杂环。
下图为平面化结构。
平面化结构
煤和石油的元素组成对比表。
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.
煤的化学组成和分子结构
煤的化学组成和分子结构煤中有机物主要由碳、氢、氧和少量氮、硫和磷等元素构成,各种煤所含的主要元素组成见表2-2-03。
表2-2-03 煤的元素组成一、煤的种类（按炭化程度分）1.泥煤（草煤、泥炭）8380~10500kJ/kg2.褐煤10500~16700kJ/kg3.烟煤21000~29400kJ/kg4.无烟煤（白煤）21000~25200kJ/kg二、煤的化学组成1.碳C C +O2=CO2 +33900kJ/kg2.氢H H +O2=HO2 +142400kJ/kg1）化合氢：与氧化合形成结晶水的氢。
不能燃烧放热。
2）自由氢：未与氧结合的氢。
与其他元素（C、S）构成可燃化合物。
3.硫S S+O2=SO2 +10500kJ/kg1）有机硫—燃烧形成→SO22）无机硫↗黄铁矿硫→燃烧形成→SO2↘硫酸盐→灰渣4.氧和氮（O、N）5.水分W↗内在水分：干燥除去水分→外在水分：风干↘结晶水：高温除去6.灰分A：灰熔点三、成分表示方法：（煤的元素分析法）1.应用基y（为基准）2.分析基f3.干燥基g4.可燃基r第二节煤的使用性能一、煤的工业分析：1.挥发物V2.水分W3.固定碳C GD4.灰渣AC GD=100-（W+A+V）二、煤的发热量（一）概念1.定义：单位质量或体积燃料完全燃烧时所发出的热量。
2.分类↗高位发热量Q gw:含水蒸气凝结时的热量↘低位发热量Q dw（二）计算公式P91.工业分析法：2.元素分析法：↗杜隆公式↘门捷列夫公式3.高低发热量的换算：三、煤的物理、化学性质（一）物理性质：1.比重：1~1.8t/m3随炭化程度而加大。
2.比热：0.84~1.67kJ/kg℃随炭化程度而减少。
3.导热系数：0.232 ~0.348w/m℃随炭化程度而加大。
（二）化学性质：1.粘结性、结焦性2.耐热性3.反应性、可燃性四、工业要求：（燃烧用）Q y dw=5500~6000kcal/kgV f >20%S g≯4%A g<50%灰熔点>1200℃煤的化学成分主要是碳和氢，还含有少量氧、氮、硫。
煤的分子结构
煤的分子结构煤是一种由有机物质经过长时间的地质作用形成的岩石状燃料。
它主要由碳、氢、氧和少量的氮、硫等元素组成。
煤的分子结构是由多种有机化合物组成的复杂混合物。
以下将对煤的分子结构进行解释。
1. 煤的主要组成煤的主要组成是碳元素。
当植物残渣经过压力和高温等地质作用时，其中的有机化合物会逐渐分解，释放出氧和水分子，留下富含碳的残渣。
这些残渣在进一步的地质作用下形成了煤。
煤中的碳元素以不同的形式存在，主要有纤维素、半纤维素和腈基等。
2. 煤的结构组成煤的分子结构主要由多环芳香烃、醚、酮、酚等有机化合物组成。
这些有机化合物通过共价键连接在一起，形成了复杂的聚合物结构。
多环芳香烃是煤中最主要的有机化合物之一，由苯环和其他环芳香烃组成，具有很高的稳定性和难以降解的特性。
3. 煤的结构类型根据煤的成熟度和形成过程的不同，煤可以分为不同的结构类型，主要包括褐煤、烟煤和无烟煤。
褐煤是最不成熟的煤，其分子结构中含有较多的氧和水分子。
烟煤是中等成熟度的煤，其分子结构中的氧含量较少，碳含量较高。
无烟煤是最成熟的煤，其分子结构中的氧和水分子含量很低，碳含量最高。
4. 煤的结构特性煤的分子结构决定了其物理和化学性质。
由于煤中含有大量的碳元素，因此煤具有高热值和较长的燃烧时间。
此外，煤中的多环芳香烃结构决定了它具有很高的化学稳定性，不容易被分解和燃烧。
另外，煤还含有很多的杂质，如硫和氮等，这些杂质会影响煤的燃烧性能和环境影响。
总结：煤的分子结构是由多种有机化合物组成的复杂混合物。
它主要由碳、氢、氧和少量的氮、硫等元素组成。
煤的结构包括多环芳香烃、醚、酮、酚等有机化合物的聚合物结构。
根据煤的成熟度和形成过程的不同，煤可以分为褐煤、烟煤和无烟煤等结构类型。
煤的分子结构决定了其物理和化学性质，如高热值、化学稳定性等。
同时，煤中的杂质也会对煤的性质产生影响。
煤的化学组成和结构特征研究
煤的化学组成和结构特征研究煤是一种重要的能源资源，广泛应用于工业和生活领域。
然而，对于煤的化学组成和结构特征的研究，却是一个复杂而有挑战性的课题。
本文将探讨煤的化学组成和结构特征的研究进展，并分析其在能源利用和环境保护方面的意义。
煤的化学组成主要包括碳、氢、氧、氮和硫等元素。
其中，碳是煤的主要成分，占据了煤的绝大部分。
煤中的碳是以有机化合物的形式存在的，主要是由碳氢化合物和含氧化合物组成的。
这些有机化合物的结构特征对煤的性质和用途起着重要的影响。
煤的结构特征主要包括有机质和矿物质两个方面。
有机质是指煤中的有机化合物，矿物质则是指煤中的无机物质。
煤的有机质主要由纤维素、半纤维素和木质素等组成，而矿物质主要由硅酸盐、铝酸盐和铁酸盐等矿物组成。
有机质和矿物质之间相互作用形成了煤的特殊结构。
煤的结构特征对其能源利用和环境保护具有重要意义。
首先，煤的结构特征直接影响煤的燃烧性能。
煤中的有机质在燃烧过程中会产生大量的热能，用于发电和供暖等用途。
而煤中的矿物质则会影响煤的燃烧速度和热值等特性，对燃烧效率和环境污染有一定的影响。
其次，煤的结构特征也对煤的气化和液化等转化过程具有重要影响。
煤气化是将煤转化为合成气或液体燃料的过程，而煤液化则是将煤转化为液体燃料的过程。
煤的结构特征会影响煤的气化和液化效率以及产物的组成和性质，对于提高能源利用效率和减少环境污染具有重要意义。
此外，煤的结构特征还对煤的煤气脱硫和煤矸石的综合利用等方面具有重要意义。
煤气脱硫是将煤中的硫化物转化为无害物质的过程，而煤矸石的综合利用则是将煤矸石中的有用成分提取出来，实现资源的有效利用。
煤的结构特征会影响煤气脱硫和煤矸石的处理效果和产品的质量，对于减少硫化物排放和实现煤矸石资源化利用具有重要意义。
总之，煤的化学组成和结构特征的研究对于能源利用和环境保护具有重要意义。
通过深入研究煤的化学组成和结构特征，可以更好地理解煤的性质和用途，为煤的高效利用和环境友好型煤化学工程的发展提供科学依据。
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：
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。
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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
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。
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
(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； 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。
(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， 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。
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）
第四节
煤分子结构理论的基本内容
经过科学家的大量研究，虽然还没有彻底了解煤的分 子结构，但对煤的分子结构有了一个较为准确的认识：
(1) 煤是三维空间高度交联的非晶质的高分子缩聚物 (2) 基本结构单元的核心是缩合芳香核 (3) 基本结构单元有不规则部分：侧链和官能团
(4) 连接基本结构单元的是桥键
(5) 氧、氮、硫的存在 (6) 低分子化合物的存在 (7) 煤化程度对煤结构的影响规律
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。 低分子化合物含量随煤化程度增高而降低，通常认为，
alkyl side-chain
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 碳含量（daf，%） 65.1 74.3 80.4 84.3
average length
5.0 2.3 2.2 1.8
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。
(7)煤化程度对煤结构的影响 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。
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－、－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
(monomer) ，它可分为:规则部分和不规则部分。
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
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。
(7)煤化程度对煤结构的影响 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。
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。
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。
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
研究煤结构的意义： 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
煤炭组成的复杂性、多样性、非晶质性、不均匀性。
第二节
煤的大分子结构
1. 煤的大分子结构 macromolecular structure 煤是由分子量不同、分子结构相似但又不完全相同的一 组“相似化合物”的混合物组成的。煤的结构十分复杂， 一般认为它具有高分子聚合物(polymer)的结构，但又不同 于一般的聚合物，它没有统一的聚合单体(monomer) 。
（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 结构的碳原子数与总碳原子数之比，f Car＝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 Har＝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
任意取向，形成多孔的立体结构。
（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。
侧链的长度（碳原子数）
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。ຫໍສະໝຸດ (3)结构单元的不规则部分
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=O）、甲氧基（–OCH3）等，随煤化 程度的提高，甲氧基、羧基很快消失，其它含氧基团在 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。
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：