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：

(1)粘土类矿物，是煤中最常见、最重要的矿物质；(2)硫化物类矿物，在反射光下就有耀眼的金属光泽；(3 )碳酸盐类矿物，充填于煤的裂痕、层面内和基质中；(4 )氧化物类矿物，主要是石英等；(5 )硫酸盐类矿物，主要是石膏，常在煤层近地表处。宏观研究法就是利用肉眼或放大镜来观察煤，根据煤的颜色，条痕色、光泽、硬度、断口和密度等物理特征，确定煤岩类型和煤的光泽岩石类型，判定煤化程度，初步判定煤的性质和用途。根据成因、化学性质和岩石性质，腐植煤煤岩类型包括镜煤、亮煤、暗煤、丝炭，腐泥煤包括烛煤和藻煤。腐植煤的四种煤岩类型是由三种显微煤岩组分按不同的比例组合而成的。我国煤在组成上的特点是镜煤和亮煤的含量很高，丝炭和暗煤的含量低。从化学观点来看，煤是由有机组分和无机组分组成的。无机组分主要包括粘土矿物、石英、方解石、石膏、黄铁矿等矿物质和水。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混合物。在实用上主要用工业分析和元素分析来指导煤炭的加工利用和研究煤的性质。

二、煤的化学结构

建立结构模型是研究煤的化学结构的重要方法，这些分子模型并不是煤中真实分子结构的实际形式，但是在解释煤的某些性质时仍然得到了成功应用。

1、Fuchs 模型

目前，煤的大分子聚合物结构的概念已被普遍接受。w .Fuchs在20世纪60年代以前提出来煤的化学结构模型，此后 D .W. Van Krevel en 进行过修改，D．W .Van Krevel enIJ 认为煤是高分子量物质,具有不均一的聚合物结构。从总体上讲，煤有强的

芳香性，芳香度随煤化阶段而增加，到含碳94％时几乎达到。煤的平均结构单元，从褐煤阶段到低挥发分烟煤阶段约为20个碳原子和4～5个环，芳香度从～，及至无烟煤阶段，聚群的大小和环数增加很快。

2、煤的物理结构

G i ven 模型20 世纪60 年代，Gi ven从IR光谱、H—NMR测得的芳氢与脂氢比例、元素组成、分子量、一OH 基和x 一射线衍射分析，给出了82％碳镜质组的结构模型。这是一种低煤化程度烟煤的结构，主要由环数不多的芳香核构成。该模型氮原子以杂环形式存在，含氧官能团有羟基、醌基等，但是没有硫的结构，也没有醚键和次甲基桥键。以上是60年代以前的工作，近期有所补充和发展。运用一些新的反应，对煤大分子结构的细节有所阐明。

3、W iser模型

这一模型是由美国的w .H .W i ser于20 世纪70年代中期提出的煤结构模型，这一模型可以解释煤的液化与化学反应性质，也被认为是比较全面、合理的模型。以上化学结构模型都是比较传统，已经被人们所认知的模型，下面着重介绍一种新型的煤的化学结构模型。

4、嵌布概念结构模型

此模型是由秦志宏等在前人的基础上，通过实验和研究提出的一种新型煤的结构模型，该模型认为：(1 )煤是以大分子组分、中型分子组分、较小分子组分和小分子组分之五种族组分共同组成的混合物，这 5 种族组分之间主要以镶嵌的分布方式相连接，可以通过CS／NM P 混合溶剂为主的萃取反萃取法使它们彼此自然分离。(2)煤混合物以大分子组分为基底，它是一种凝胶化的族组分，以共价键和非共价键一起共同构成空间网络结构。各个大分子物质彼此之间都有空间缠绕，起缠绕作用的主要是侧链和官能团。大分子物质的核心是结构单元，较致密，构成了大分子空间网络的中心，而大分子物质的边沿缠绕地带则较松软；大分子组分通常不可以被溶剂溶解。(3 )中型分子组分有两部分，即中I型分子组分和中Ⅱ型分子组分，对应着悬浮在混合溶剂萃取液中的黑和灰白两种形态的颗粒物质，它们主要以细粒镶嵌的方式分布在上述基质中；中型分子组分比大分子组分有较多的侧链和官能团，而结构单元较少，一般难以被溶解，但可以在适当的溶剂中悬浮而分离出来；其中中I 型分子又比中Ⅱ型分子有更多的侧链和官能团，这是两者的主要差别所在。(4 )较小分子组分，它是可以被混合溶剂溶解的部分，反萃取时主要进入反萃取液中；它们也是凝胶化的，因为自身有较多的非共价键成键点，而易于结合到同样有较多成键点的大分子的边沿缠绕地带，起着大分子间的桥梁作用；同时，这些较小分子还起着类似于黏结剂的作用，即将中I 型和中Ⅱ型分子黏连于大分子基质之上，即大分子的边沿缠绕地带是中型分子的嵌入区(IS 区)，而较小分子作为大、中分子间的桥联同样分布于这一区域。(5)小分子组分，即能够被大