煤的组成及结构特性

1、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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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45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 0H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

7、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

8、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U型分子组分，对应着悬浮

9、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U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U型分子 黏连于大分子基质之上，即大

10、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 多数有机溶剂溶解的煤中的小分子化合物，主要以 3种形态即游离态（游离于煤 表面和大孑L表面）、微孔嵌入态（吸附于煤的微孔之中）和网络嵌入态（囿于三维 大分子网络结构之中）3种形态存在于上述各种类型的族组分之中。这部分小分 子化合物在品种数量上可能很多，但质量百分含量并不高。此模型是国内提出 的 第一个煤的结构模型，为煤的结构模型的研究指明了新的方向， 也对煤的结构与 性质等的研究有重要的意义 。三、煤的结构和反应性概述煤转化过程所用的 可能有商业意义的煤的H /

11、C原子比一般为，低于我 们平时使用的气体燃料和液体燃料的比值。 因此，大部分煤转化过程首先需要的 是提高氢含量或降低碳含量，实现这一目的有四条也只有四条途径。这些途径 都将 使煤的化学性质（元素组成工业组成、官能团、碳骨架结构活性位浓度、 矿物质种类，微量元素种类等）和物理性质（表面积 孔径分布 颗粒密度，孔隙 率等）发生变化，而这些性质从一开始就影响 着煤的反应性并在变化过程中继 续对反应性产生不同的作用。决定这些性质的根本因素是煤的类型和煤化程度 （煤阶）。显微组分和矿物质含量及其结构属煤的类型特征，这些特征的形成，表现及其对煤加工转化的影响属煤岩学的范畴。同类型的煤的上述性质并不相 同，

12、这首先是因为同类型的煤可变质成为不同煤化程度的煤。这里的煤化程度是 指变质过程完成的程度。在显微组分和矿物质的比例保持相对恒定的情况下， 煤的结构和性质会随煤化程度的逐渐变化发生改变，这种改变一般认为是与煤 的环状结构单元单元之问的前期交联键的性质与密度以及可能使交联键进一 步发展的氧或其它官能团的分布有关。这些因素确定了某一特定煤的物理化学 处理特性、热加工行为和反应性。其次，每一种显微组成起源于化学上不相似的物质，它们对变质过程的反应彼此相同，因而即使属同类型煤，煤化程度也不相同。煤化程度相同而类型不同的煤，其性质和结构也不一样.这种差异主要表现 在元素组成和分子结构上，因为它们代表了显微

13、组分的重量平均组成和性质。 虽 然煤的无机组分（矿物质）也能在一定程度上影响煤的性质和利用，但它们一 般不会提供煤结构方面的明确信息。鉴于煤的类型和煤化程度的不同属性，在认识和研究煤的结构和反应性的关系时，既要注意煤的类型也要着眼于煤化程度。煤化程度的高低与元素碳含 量、挥发分产率，持水量。官能团性质、热值、镜质组反射率等参数有很好的相 关性，可以通过这些参数的测定研究煤化程度对反应性的影响。众多的研究工作表明，煤的一些工转化过程，如燃烧或气化对煤化程度相对不敏感。 而另一些转 化过程，如碳化或液化却十分强烈地依赖于为达到预期目的所选择的加工方式中有机结构的破坏或改变，甚至这些转化过程的下游过

14、程也与煤的结构和性质有密切关系。这些加工过程成功与否取决于煤结构单元间桥键断裂和生成的控 制。根据以上分析，从理论上讲，按岩相组成（煤的类型）和变质程度（煤化程度） 对煤进行分类并同时从这两方面考虑就可使我们预测煤在任何加工转化情况下 的反应。但实际上，这种预测同时受到煤的类型和煤化程度的相互关系以及反应 的可利用性局限的限制。因此，具体评价煤的价值品位，甚至反应性时，还要采用专门适合于煤在某一方面应用的一项或多项实验性试验，即我们通常所做的大量煤化学研究工作。人们不懈地探索煤的结构、导求它和反应性的关系，也正 是为力求突破上述限制，以真实的科学规律替代付出巨大精力才可能获得的经验 性信息。这

15、种科学规律只有从煤的化学、 物理学，岩相学和矿物学多方面去认识 和研究煤的结构才可能发现。如果说过去迫于技术上的原因得到富 集程度高的显微组分的困难而把注意 力集中于企煤的研究尚可理解，那么，分离富集技术已较发达的今天，如果仍然不注重对煤岩显微组分的研究，则势必影晌人们对煤结构和反应性实质关系的认识。其次，尽管镜质组足煤的主要显微组分，以其为研究重点是合理的，但 由于 其它显微组分的化学结构有异于镜质组，因而也不能忽视对其它显微组分 的研究。第三，各 种显微组分的共存将导致它们在受热过程巾发生相互作用， (I 9)这种作用的结果势必表现在 全煤的反应性变化上。第四，由于所有的煤岩 显微组分的性

16、质具有反映其变质程度的渐变性， 因此，严格地讲，静止地研究 一 显微组分结构的意义也不大。设法获得不同显微组分的大量数据就有可能根据岩 相组成及不同显微组分的动力学参数来描述煤的不同性能。尽管显微组分分类已很细，但相应的显微组分分析的严格使用只是近年来才 有所发展，并且被局限在以碳氢化合物勘探为目的的沉积学或有机地球化学的研 究中，使用染色试样的T EM测定表明有亚结构存在。利用这种超细结构知识 的技术由于亚分类的复杂性和高精确度 定量体积数据获取的技术难度而更困 难，T EM只是-E力 图将目前有关煤结构详细的化学 研究与其变质程度和类 型相关联的方法。最后需要指出的是，由于煤种的多样性，建

17、立可以充分代表产地和性质的煤 样库是必要的； 在对煤组成进行分离并对显微组分进行的结构分析之中应全面 考虑煤令，沉积环境类型，试样的层属等地质因素的影响。囚此，对煤的结构的 岩楣学，物理学和化学表征应该是互为补充而不应是独立竞争。四、煤在加热过程中结构特性的变化煤受热时挥发分逸出，产生了附加的孔隙和表面积。有些封闭的孔被打开， 有些开口的孔被扩大。在失去挥发分的同时，破坏了一些交联键，使芳香区域 更加有序化，这样又丧失了一些开口孔隙和表 面积。在较低温度下，主要是挥 发分析 出，当温度进一步提高时，挥发分析出 比较少，于是交联键的破 坏和 晶体有序化是主要的，故表面积和开孔体积的丧失明显。煤的加热速度，堆高 温度，在最高温度下的持续时间，