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第六章煤的物理性质和物理化学性质煤是我国的主要能源，又是冶金和化工等行业的重要原材料。煤的物理性质和物理化学性质是确定煤炭加工利用途径的重要依据。煤的物理性质主要包括:煤的密度，煤的硬度，煤的热性质，煤的电磁性质，煤的光学性质等;煤的物理化学性质主要指煤的润湿性、润湿热和孔隙率等。煤的物理性质和物理化学性质与下面几个主要因素有关:①煤的成因因素，即原始物料及其堆积条件;②煤化程度或变质程度;③灰分(数量、性质与分布)、水分和风化程度等。一般来说，煤的成因因素与煤化程度是独立起作用的因素。但是变质程度愈深，用显微镜所观察到的各种成因上的区别则变得愈小，并且这些区别对于物理与物化性质的影响也愈小。因此，在煤化作用的低级阶段，成因因素对煤的物理和物化性质的影响起主要作用;在煤化作用的中级阶段，变质作用成为主要因素;而在煤化作用的高级阶段，成因上的区别变得很小，变质作用成为唯一决定煤的物理及物化性质的因素。研究煤的物理和物理化学性质首先是生产实践的需要，因为它们与煤的各种用途有密切的关系，了解煤的物理与物化性质对煤的开采、破碎、分选、型煤制造、热加工等工艺也有很大的实际意义，同时也是煤化学理论的需要，因为这些性质与煤的成因、组成和结构有内在的联系，可以提供重要的信息。第一节煤的密度煤的密度因研究目的和用途不同，可分为真相对密度、视相对密度和散密度。一、煤的真相对密度(一)真相对密度的基本概念在20℃时，单位体积(不包括煤中所有孔隙)煤的质量与同体积水的质量之比，叫做煤的真相对密度，用TRD表示。真相对密度是煤的主要物理性质之一，在研究煤的分子结构、确定煤化程度、制定煤的分选密度时，都会用到煤的真相对密度。用不同物质(例如氮、甲醇、水、正己烧和苯等)作为置换物质测定煤的密度时所得的结果是不同的。通常以氮作为置换物所测得的结果叫煤的真相对密度。因为煤中的最小气孔的直径约为O.5～1nm，而氮分子直径为0.178nm，因此氮能完全进入煤的孔隙内。另外.由于煤不能将氮吸附在其表面上，因此吸附对于密度测定的影响也就被排除了。在研究煤质时，为了排除煤中矿物质的影响，有时用到纯煤真相对密度的概念。它是指煤的有机质的真相对密度，用(TRD)daf表示。可从TRD和煤的灰分等进行计算，公式如下:式中dA——灰的平均真相对密度，无数据时可取为3.0;Ad——干燥基灰分产率，%。有时用下式估算纯煤的真相对密度:(二)真相对密度的影响因素影响煤真相对密度的因素有成因类型、煤岩组成、矿物质、煤化程度等。l.成因因素的影响不同成因的煤真相对密度是不同的，腐植煤的真相对密度总比腐泥煤大。例如除去矿物质的纯腐植煤的真相对密度在l.25以上，而纯腐泥煤的真相对密度一般小于1.2。2.煤化程度的影响自然状态下的煤成分比较复杂，因各种因素的综合影响使其真相对密度大体上随煤化程度的加深而增加。煤化程度较低时，真相对密度增加较慢。接近无烟煤时，真相对密度增加很快。各类型煤的真相对密度范围大致如下:褐煤为O.8～l.35，烟煤为l.25～l.50，无烟煤为l.3～l.90。从低煤化程度煤开始，随煤化程度的提高，煤的真相对密度缓慢减小，到碳含量为86%～89%之间的中等煤化程度时，煤的真相对密度最低，约为l.30左右，此后，煤化程度再提高，煤的真相对密度急剧提高到l.90左右。煤的真相对密度随煤化程度的变化是煤分子结构变化的宏观表现。从化学结构的角度看，煤的真相对密度反映了煤分子结构的紧密程度和化学组成的特点，其中分子结构的紧密程度是影响煤真相对密度的关键因素。年轻褐煤分子结构上有较多的侧链和官能团，在空间形成较大空隙，难以形成致密的结构，所以密度较低;随煤化程度的提高，分子上的侧链和官能团呈减少趋势，同时，分子上的氧元素也迅速减少，虽然侧链和官能团的减少有利于密度的提高，但氧的相对原子质量较碳大，氧的减少造成密度下降占优势，总体上使煤的真相对密度有所下降;到无烟煤阶段后，煤分子结构上的侧链和官能团迅速减少，使煤分子缩聚成为非常致密的芳香结构，从而煤的真相对密度也随之迅速增大。采用氨和水测得的真相对密度见表6-1。3.煤岩组成的影响如图6-1所示，惰质组、微粒体的真相对密度最高，镜质组其次，壳质组最低，当C＞90%后，三者的真相对密度逐渐趋于一致，并且急剧上升，表明其结构发生深度的变化，到无烟煤阶段趋于一致。一般来说，随着煤化程度的提高，煤的结构越趋紧密化，因而，煤的密度也应不断增加。然而，实际上如图6-1所示，在煤化程度较低时，即镜质组的C＜87%的情况下，镜质组的密度反而随煤化程度增高而降低。在C＞87%之前，H/C、O/C、N/C的变化幅度，以氧减少的幅度最大。由于氧的迅速减少，且氧的相对原子质量又较碳的相对原子质量为大，因而碳的相对增长率低于氧的减少速度，这使煤的密度相对地降低了，C=87%时，真相对密度达极小值(1.274)。4.矿物质的影响煤中矿物质的含量与组成对煤的密度影响很大，煤中矿物质的密度比有机物的密度大得多。例如，常见的矿物质黏土密度为2.4～2.6g/cm3，石英密度为2.655g/cm3，黄铁矿密度为5.0g/cm3。可以粗略地认为，灰分每增加1%，则煤的密度增加0.01g/cm3。二、煤的视相对密度20℃时单位体积(仅包括煤的内部孔隙)煤的质量与同体积水的质量之比，叫做煤的视相对密度，用ARD表示。煤的视相对密度可用于计算煤的埋藏量。根据煤的真相对密度和视相对密度还可算出煤的孔隙度。三、煤的散密度煤的散密度又称堆密度，是指20℃下单位体积(包括煤的内外孔隙和煤粒间的空隙)煤的质量。散密度的大小除了与煤的真相对密度有关外，主要决定于煤的粒度组成和堆积的密实度。散密度对煤炭生产和加工利用部门在设计矿车、煤仓、炼焦炉炭化室和气化炉的装煤量及估算煤堆质量等方面都有很大的实用意义。第二节煤的硬度煤的硬度是指在外来机械力的作用下煤抵抗变形或破坏的能力。由于机械力的不同，煤硬度表示的方式有:刻划硬度(莫氏硬度)、弹性回跳硬度(肖氏硬度)、压痕硬度(努普硬度、显微硬度)和耐磨硬度(突起)等。常用的是刻划硬度和显微硬度。一、刻划硬度采用一套具有标准硬度的矿物刻划煤，得到粗略的相对硬度。标准矿物的刻划硬度见表6-2。根据刻划硬度的划分，煤的硬度一般为1～4。煤的硬度与煤化程度有关，中等煤化程度的焦煤，硬度较小，约为2～2.5，随着煤化程度的提高，硬度增加，无烟煤的硬度最大，约为4左右。同一煤化程度的煤，情质组的硬度最大，壳质组最小，镜质组居中。刻划硬度的准确性较差，在科学研究上一般采用显微硬度的指标。二、显微硬度显微硬度属于压痕硬度的一种。一般采用特殊形状(如角锥形、圆锥形等)而又非常坚硬的压入器，施加一定的压力，使压人器压入到样品表面，形成压痕，卸除压力后用显微镜测量压痕的尺寸，如用方形棱锥形金刚石压人器时，测量压痕对角线的长度，即可计算出显微硬度值，即式中H——显微硬度，MPa;P——加在压入器上的负荷，N;D——压痕对角钱长度，mm;a——方形棱锥体两相对锥面的夹角，一般为136°。从褐煤开始，显微硬度随煤化程度提高而上升，在碳含量为75%～80%之间有一个极大值;此后，显微硬度随煤化程度提高而下降，在碳含量达到85%左右最低;煤化程度进一步提高，显微硬度叉开始上升，到无烟煤阶段，显微硬度几乎随煤化程度提高而呈直线增加。由图6-2可见，整个曲线像一个靠背椅，椅背是无烟煤，椅面是烟煤，椅脚为褐煤。在碳含量为78%左右时，显微硬度有一最大值。碳含量为87%时，硬度最小。在无烟煤阶段，随变质程度的提高，镜质组的显微硬度急剧升高，变化幅度很大，在300～2000MPa之间，因此显微硬度可作为详细划分无烟煤的指标。在不同还原程度煤中，强还原煤的显微硬度比弱还原煤的小。情质组的显微硬度比镜质组高，惰质组中菌类的显微硬度最高。因此，在煤的光片进行抛光时，惰质组比镜质组磨损得慢，惰质组比相邻较软的组分突起要高。图6-2曲线的变化规律可以从煤的结构和组成加以解释。由于褐煤富含腐植酸及沥青质，这些成分的塑性高、硬度值小。因此，褐煤的显微硬度较低。随着煤化程度逐渐提高，腐植酸含量迅速下降，导致煤的显微硬度上升，在碳含量78%左右的烟煤阶段达到极大值。碳含量大于78%的烟煤阶段，其硬度变化与O/C和C的关系(见图6-3)相似。随着氧原子及氧桥(-O-)的减少，煤分子间结合力降低;同时，侧链缩短，使分子的交联力减弱。反映在硬度上就出现了自不黏煤转为黏结煤的硬度的渐次降低，在碳含量为87%左右达到最低点。此后，煤分子结构的缩合程度迅速增大，煤结构趋于致密化，分子内部的化学键力远远大于分子间力，煤的硬度也随之急剧增大。第三节煤的热性质一、煤的比热容煤的比热容是指在一定温度范围内，单位质量的煤温度升高1℃所需要的热量，用c表示。煤的比热容与煤化程度、水分含量、灰分和温度的变化等因素有关。煤的比热容一般随煤化程度的升高而减小。在碳含量为60%的褐煤到碳含量为90%的瘦煤、贫煤阶段，煤的比热容随煤化程度升高而直线下降，从1.37J/(g·℃)下降到1.08J/(g·℃)左右，此后煤化程度再增加，比热容迅速减小，碳含量从90%增加到98%，比热容则从1.08J/(g·℃)减小到0.71J/(g·℃)，比热容和煤中碳的含量的关系见图6-4。煤的比热容随水分增大而提高，这是因为水分的比热容较大。煤的灰分较多时，比热容则减小，因为灰分的比热容一般小于0.72J/(g·℃)。当温度在350℃以下时，比热容随温度升高而增大，在270～350℃时达到最大值，这是由于煤大分子中的原子和原子团振动吸收能量所致;在350～1000℃时，比热容随温度升高而下降，这是因为在此温度下，煤发生了热解，温度越高，热解程度越高，分子结构越接近于石墨，其比热容也接近于石墨的比热容[0.82J/(g·℃)]。比热容随温度的变化规律如图6-5所示。二、煤的导热性煤的导热性包括导热系数λ[W/(m·K)]和导温系数α(m2/h)两个基本常数。它们之间的关系可用下式表:式中c——煤的比热容，J/(kg·K);γ——煤的密度，kg/m3。物质的导热系数是指热量在物体中的传导速度，而物质的导温系数反映的是物体温度变化的能力。从上式中可以看出，导温系数α与导热系数λ成正比，而与热容量c•γ成反比。λ表示煤的散热能力，c•γ表示单位体积物体温度变化1℃所吸收或放出的热量，即物体的蓄热能力。第四节煤的电性质一、煤的导电性煤的导电性是指煤传导电流的能力。导电性常用电阻率ρ(即比电阻)或电导率σ(即电阻率的倒数)表示。电导率越大，煤的导电能力越强。煤的导电有离子导电和电子导电两种形式，无烟煤以电子导电为主，褐煤以离子导电为主。电导率与煤化程度的关系如图6-6(纵坐标都为负数)所示，导电性随煤化程度的增加而增加，在无烟煤阶段提高更快。图6-6没有褐煤阶段的数据，实际上褐煤的电阻率较低，随着煤化程度的加深电阻率增加，到长焰煤时达到最大，此后随煤化程度加深，煤的电阻率呈缓慢下降趋势，到碳含量达到90%以上的无烟煤时，电阻率迅速下降。煤的导电性属于半导体或导体的范围。如莫斯科近郊的褐煤在室温下的电阻率为4×104Ω·cm美国某煤田的黏结性烟煤的电阻率为6×107～15×104Ω·cm;无烟煤的电阻率较所有低煤化程度煤低得多，某煤田的无烟煤的电阻率为70～200Ω·cm;石墨是良导体，电阻率为0.42Ω·cm。利用煤的导电性，可以合成煤有机复合导电材料，高煤化程度的无烟煤可作为生产炭素材料、石墨电极和人造石墨的重要原料。煤岩组成对电阻率有较大影响，镜煤的电阻率显著高于丝炭。所以，同一煤化程度的煤丝炭的导电性更好。电导率与测定条件关系很大，如煤中水分、矿物质含量、粒度、散密度、温度和加在试样上的外加电压等对其都有影响。某无烟煤中的矿物质对煤电导率的影响见表6-3。从表6-3列出煤样的电导率变化情况看，一次脱矿样的直流电导率(σDC)比原煤样增22倍，而二次脱矿样增大86倍;交流电导率(σAC)的变化规律与此基本相同，这主要是因为一次脱矿脱除了含量相对