第六章-煤的物理性质和物理化学性质

1煤化学CokingChemistry第六章煤的物理性质和物理化学性质Chapter6Physicalandphysicochemicalpropertiesofcoal2煤的密度煤的光学性质煤的硬度煤的磁性质煤的热性质煤的润湿性煤的电性质煤的孔隙率与比表面积3第一节煤的密度density一、真(相对)密度TrueRelativeDensity,TRD(真比重)1真密度的概念：真密度是指在20℃时，单位体积（不包括煤中所有孔隙）煤的质量，用TRD表示。42真密度的测定：用不同物质（例如氦、甲醇、水、正己烷和苯等）作为置换物质测定煤的密度时所得的结果是不同的。通常以氦作为置换物质所测得的结果叫煤的真密度。因为煤中的最小气孔的直径约为0.5～1nm，而氦分子直径为0.178nm，因此氦能完全进入煤的孔隙内。另外，由于煤不能将氦吸附在其表面上，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，有时用到纯煤真密度的概念，它是指煤的有机质的真密度，用（TRD）daf表示。可从TRD和煤的灰分等进行计算，公式如下：A———灰的平均真密度，无数据时可取为3.0g/cm3d———干燥基灰分产率，%。3真密度的用途：真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，都会用到煤的真密度。5成因类型genesictype煤岩组成petrologicalconstituents矿物质minerals煤化程度rank3影响煤真密度的因素factorsaffectingthedensityofcoal6成因类型的影响：腐植煤humiccoals的真密度一般不低于0.25g/cm3，而腐泥煤sapropelite仅为1.00g/cm3左右；煤岩组成的影响：惰质组inertinite的密度最大镜质组vitrinite次之壳质组exinite最低随煤化程度的提高这种差别减小，到无烟煤阶段趋于一致7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C87%的情况下，镜质组的密度反而随煤化程度增高而降低。在C87%之前,H/C、O/C、N/C的变化幅度，以O减少的幅度最大。由于氧的迅速减少，且氧的原子量又较碳的原子量为大，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，密度达极小值（1.274g/cm3）。8矿物质的影响：矿物质的密度较煤的有机质高，因而，煤中矿物质含量高则真密度大；煤化程度的影响：对煤的真密度影响最大的是煤化程度。从低煤化度开始，随煤化程度的提高，煤的真密度缓慢减小，到碳含量为86％～89％之间的中等煤化程度时，煤的真密度最低，约为1.30g/cm3左右，此后，煤化程度再提高，煤的真密度急剧提高到1.90g/cm3左右。9煤真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，煤的真密度反映了煤分子结构的紧密程度compactness和化学组成的特点。其中分子结构的紧密程度是影响煤真密度的关键因素。（1）分子结构的影响（2）化学组成的影响10水分及风化的影响：水分:水分越高的煤的密度越大，但这个因素的影响较为次要。风化:煤风化作用使煤的密度增加，因为煤风化后灰分和水分都相对增加。特别是煤层露出地面之处，灰分增加的特别快。例如：某矿区在06m深处煤的灰分为3.8%，而在煤层露头附近表面处其灰分高达42.1%，密度相应由1.53增加到2.07g/cm3.112.1视密度的概念：20℃时煤的质量与同体积（仅包括煤粒的内部孔隙）水的质量之比。2.2视密度的用途●煤的视密度可用于计算煤的埋藏量。●计算煤的孔隙率×100，％TRDARDTRD孔隙度二、煤的视(相对)密度apparentrelativedensity,ARD121堆积密度的概念：煤的堆积密度是指20℃下煤的质量与同体积(包括煤的内外孔隙和煤粒间的空隙）水的质量之比。堆积密度的大小除了与煤的真密度有关外，主要决定于煤的粒度组成和堆积的密实度。2堆积密度的用途：设计矿车、煤仓、估算煤堆重量、炼焦炉炭化室和气化炉的装煤量三、煤的堆积密度bulkrelativedensity，BRD13第二节煤的机械性质mechanicalproperties机械性质的概念：煤的机械性质是指煤在机械力作用下，所表现的各种特性。如硬度脆度可磨性弹性14应用：煤的开采、破碎crushing、燃烧combustion、气化gasification成型briqueting15●刻划硬度scratchhardness/Mohshardness●显微硬度Microhardness一、煤的硬度16刻划硬度scratchhardness/Mohshardness1822年Mohs首先提出一个半定量概念：以滑石作为1、金刚石作为10，采用一套具有标准硬度的矿物共分成10个等级，称为莫氏硬度Mohshardness，也称为刻划硬度scratchhardness。标准矿物的莫氏硬度见表4－3。17表4－3标准矿物的莫氏硬度矿物硬度级别矿物硬度级别滑石1长石6石膏2石英7方解石3黄晶8氟石4刚玉9磷灰石5金刚石1018根据莫氏硬度的划分，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，此后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，惰质组的硬度最大，壳质组最小，镜质组居中。刻划硬度的准确性较差，在科学研究上采用显微硬度Microhardness的指标。19显微硬度Microhardness显微硬度属于压入硬度indentationhardness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，使压入器压入到样品表面，形成压痕，卸除压力后用显微镜测量压痕的大小，如用方形棱锥形金刚石压入器时，测量压痕对角线diagonalline的长度，即可计算出显微硬度值。20中国煤科院北京煤化所对中国50多个主要矿区的400多个煤样进行过显微硬度的研究，得出显微硬度与煤化关系如图所示：21显微硬度随煤化程度的变化从褐煤开始，显微硬度随煤化程度提高而上升，在碳含量为75%～80%(长焰煤、气煤)之间有一个极大值maximum；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minimum；煤化程度再提高，显微硬度又开始上升，到无烟煤阶段，显微硬度几乎随煤化程度提高而直线增加。22对于图6-2所示煤的显微硬度与碳含量的关系可以从煤的结构和组成加以解释。（1）无烟煤具有高度芳香缩合结构，其机械性质由组成高聚物空间结构链的数量及坚固性所决定。随着相邻碳网的结合、增大及碳网序理性（排列的整齐程度）的加强，硬度必随之增大。因而碳含量大于87%后，显微硬度急剧增大，这是煤分子中芳香碳网的增大及分子排列的序理性的加强所致。23（2）碳含量大于78%的烟煤阶段，其硬度变化与O/C和C的关系相似（图6-3）。煤中氧的存在形式及多少，使煤的性质发生巨大的改变。随着氧原子数的减少，氧桥（—O—）的减少，煤分子间结合力降低。反映在硬度上就出现了自不粘煤转为粘结煤的硬度的渐次降低。（3）至于褐煤阶段，由于褐煤富有高塑性的腐植酸及沥青质(一般含量约达50%)，这些成分的硬度值很小。因此，褐煤的低显微硬度可能与这些高塑性物质的数量有关。24二、煤的可磨性grindability煤的可磨性是指煤磨碎成粉的难易程度。可磨性指数越大，煤越易被磨碎。目前，国际上普遍采用哈特葛罗夫法评定煤的可磨性(Hardgrovegrindabilityindex,HGI)。其基本依据是破碎定律，也就是研磨煤粉所消耗的功与煤磨碎后的新的总表面积成正比。25哈特葛罗夫法Hardgrovetest评定煤可磨性的测定要点是：将美国某矿区的烟煤作为标准煤，其可磨性指数定为100。测定时，选择四个可磨性指数不同的标准煤样，然后经哈氏可磨仪研磨后，用200目筛筛出煤样直径小于0.071mm的筛下物，以该筛下物质量为纵坐标，相应的可磨性指数为横坐标得一直线，此直线就是该哈氏可磨仪的校准图。26369121520406080100120筛下物重,g可磨性指数可磨性标准曲线27被测煤样在哈氏可磨仪上研磨后，根据200目筛下物的质量在校准图上即可查出相应的可磨性指数，用HGI表示。HGI越大，表示煤的可磨性越好，煤越容易被磨碎。可磨性与煤化程度的关系见下图。28HGI,%在低煤化度阶段，随煤化程度的增加，煤的可磨性缓慢增加，在碳含量为87%～90%时，可磨性迅速增大，在碳含量为90%左右达到最大值，此后随煤化程度的进一步提高而迅速下降。29三、煤的弹性和塑性弹性：煤的弹性是指外力下所产生的形变，以及外力除去后形变的复原程度。煤的弹性越大，越难加压成型，成型后得到的型块越松散，机械强度越低，甚至在脱模时，常因弹性膨胀而膨裂或胀碎。因此研究煤的弹性对煤的成型工艺有十分重要的意义。30影响煤弹性的因素：煤的弹性常与煤的种类、粒度组成、矿物质的组成以及含量等多种因素有关。煤化程度：通常煤化程度越高的煤，其弹性越大，成型性越差。粒度：对同一种煤，粒度越细弹力越大，其成型性差。矿物质：煤中矿物质越多，弹性越大，而且密度大的矿物质越多，弹性越大。例如：黄铁矿的密度大，其含量多时煤的弹性大。水分：煤中水分越大其弹性越大。31塑性：是一种在某种给定载荷下，材料产生永久变形的材料特性。塑性和弹性的区别：从能量角度看，塑性是将压缩的能量吸收起来，使颗粒靠紧；弹性是把能量暂时储存起来，当外力消失后又释放出来。因此，塑性与弹性相反，塑性越大，成型越容易。要提高型块的质量就是要减小煤料的弹性而增加其塑性。32第三节煤的热性质煤的热性质:比热specificheat导热性heatconductivity热稳定性thermalstability重点讲热稳定性和比热容，其他自学。33煤的热稳定性的概念：煤的热稳定性是指块煤LumpCoal在高温下保持原来粒度的能力，即块煤在高温汽化或燃烧过程中对热的稳定程度，用TS（ThermalStability）表示。热稳定性好的煤在气化或燃烧过程中能保持原来的粒度，而不碎成小块或破碎较少。热稳定性差的煤则在气化或燃烧时迅速爆裂成小块或煤粉，造成炉内气流阻力增加，轻则降低气化或燃烧效率，严重则破坏整个气化过程，甚至造成停炉事故。因此，块煤气化或燃烧要求煤有足够的热稳定性。34煤的热稳定性测定方法：取6～13mm的煤样在850℃下加热并保温15min，取出冷却后用6mm的筛子筛分，计算筛上物质量占焦渣总质量的百分数，用TS+6表示，TS+6值越大，则煤的热稳定性越好。一般褐煤的热稳定性最差，其次是无烟煤，烟煤则较好。原因？褐煤含水多，受热后水分蒸发，使煤变碎。无烟煤结构致密，受热后内外温差较大，膨胀不均，产生应力使煤破碎。35二、煤的比热容煤的比热容：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。煤化程度的影响：煤的比热容一般随煤化程度的提高而减小。水分含量的影响：煤的比热容随水分增大而提高，这是因为水的比热容较大之故。灰分的影响：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·℃)。36温度变化的影响：煤的比热随着温度的增高成抛物线型变化。当温度低于350℃，煤的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；温度大于350℃时，比热容随温度升高而下降，当温度增加到1000℃时，比热降至与石墨的比热容［0.82J/(g·℃)］接近。37第四节煤的电性质煤的电性质主要包括：导电性介电常数38一、煤的导电性electricconductivity/conductiv