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内蒙古科技大学化学化工学院煤化学讲义教师：徐喜民内蒙古科技大学化学化工学院目录绪论第一章：煤的特征和生成第二章：煤的一般性质第三章：煤有机质的化学结构第四章：煤的分类第五章：煤炭转化内蒙古科技大学化学化工学院绪论一、煤化学的发展：煤化学的发展分为四个阶段：1.萌芽阶段(1780～1830年)2.启蒙阶段(1831～1912年)3.经典阶段(1813～1962年)4.煤炭研究的衰落和复兴(1963～1990年)二、我国的煤炭资源和能源概况：三、煤的综合利用：四、煤化学的内容和作用：内蒙古科技大学化学化工学院萌芽阶段这一时期人们争论的主要问题是煤的起源问题。到1830年，人们普遍认为煤是由植物生成的，并且主要由陆生植物生成的。产生了煤岩学和煤化学这两个煤炭研究的重要支柱。1831年是科学煤炭研究的诞辰。内蒙古科技大学化学化工学院启蒙阶段这一时期的研究为后来煤岩学和煤化学的研究打下了良好的基础。1830年，英国和德国同时开展了利用显微镜对煤进行系统研究。1837年，法国开始对煤的系统研究，提出了以元素为基础的煤分类。内蒙古科技大学化学化工学院经典阶段这一时期，煤几乎是唯一的热源和能源，煤炭广泛应用于机车、船只、炼焦、气化和发电等领域。人们对煤岩学和煤化学的研究发生了极大的兴趣。二战以后，世界各国对煤的基础研究的兴趣出现了新高潮，人们对煤的化学和物理结构有了比较全面的了解，能用如：H/C和O/C原子比、芳碳率和芳氢率等无因次参数来描述煤的结构。内蒙古科技大学化学化工学院煤炭研究的衰落和复兴60年代中期，煤炭工业逐渐衰落。大量的廉价石油和天然气的应用动摇了煤炭经济，煤炭研究几乎停滞不前。不久，由于石油危机的发生，石油价格猛涨，恢复了煤在能源中的地位，对煤进行深入研究的兴趣又迅速恢复。与此同时，随着科学技术的发展，出现了许多先进的仪器和设备，使人们对煤的认识更加深刻、更切合实际，使人们可以对煤进行更有效、更合理的利用。内蒙古科技大学化学化工学院我国煤炭资源十分丰富，探明可采储量为7300多亿吨，名列世界第一，占世界总储量的45.7%。按目前我国的煤炭消费水平估计，我国煤炭可供使用500年，因此，在相当长的一段时间内，我国的能源仍将以煤炭为主。我国煤炭资源虽然丰富，但勘探程度很低；煤炭分布虽然广泛，但埋藏量的分布极不均匀，以华北地区最为丰富，其中山西和内蒙古的储量占总储量的一大半，而东部发达地区严重缺煤，这样就给煤炭运输带来很大困难。我国能源消费的特点：1.人均能源消费水平低2.产值能耗高3.主要以煤炭为主内蒙古科技大学化学化工学院煤化学是煤炭综合利用技术的理论基础，同时煤综合利用又是煤化学的生产实践基础，煤化学是随着煤炭综合利用的发展而产生的一门学科。煤炭综合利用包括将煤炭本身作为一次能源，用煤炭制造二次能源、化工原料等几方面。一般来说，煤炭作为一次能源直接燃烧利用。近年来，世界各国大力开发煤转化的技术，通过将煤炭转化为二次洁净能源的煤气化和煤液化工艺，得到流体燃料，这样，在运输和使用上非常方便并可大大减少污染。用煤炭制取化工产品的方法有：焦化、加氢、液化、气化等等。其中，将煤制成合成气（CO+H2），再通过各种合成方法制造多种化工原料（“一碳化学”）以及将煤液化的工艺日益引起人们的重视。内蒙古科技大学化学化工学院煤化学的内容和作用煤化学研究的主要内容包括：煤的生成、组成、结构、分析、性质和分类等；煤转化过程的机理及其理论基础；煤的各种加工产物的组成、性质和应用。研究这些问题的目的在于深入了解煤的特性，解决煤炭利用中的各种问题，开发新的加工技术和开拓新的利用途径，使煤炭资源得到更合理和更有效的利用。内蒙古科技大学化学化工学院第一章煤的特征和生成§1-1煤的外表特征§1-2煤的生成§1-3煤的宏观和微观特征内蒙古科技大学化学化工学院§1-1煤的外表特征：一、煤的种类和特征：二、腐植煤的外表特征内蒙古科技大学化学化工学院煤的种类和特征1.腐植煤：是本学科的主要研究对象由高等植物形成的煤称为腐植煤，在自然界中，它的储量最大、分布最广。又可分为：陆植煤和残植煤。陆植煤由植物中的纤维素和木质素等主要组分形成；残植煤由植物中含量较少，但在成煤初期最不易被微生物分解的组分形成。2.腐泥煤：由低等植物（以藻类为主）和浮游生物经过部分腐解而形成的煤称为腐泥煤，又可分为：藻煤、胶泥煤、和油页岩等。腐植煤和腐泥煤的区别:3.腐植腐泥煤：腐植煤和腐泥煤的混合体，主要有烛煤和煤精。内蒙古科技大学化学化工学院腐植煤的外表特征根据在成煤序列（煤阶）中煤化程度的不同，又可分为泥炭、褐煤、烟煤和无烟煤四类：泥炭：棕褐色或黑褐色的不均匀物质，由植物变成煤的过程中的产物。含有大量未分解的植物组织，另外，含水量也很高。褐煤：外表呈褐色或暗褐色，无光泽，外表上完全没有未分解的植物组织残体。烟煤：自然界中最重要和分布最广的煤种。具有不同程度的光泽，绝大多数呈条带状，暗条带和亮条带互相交替。燃烧时烟雾较多。无烟煤：外表呈灰黑色，带有金属光泽，无明显条带。燃烧时无烟，是煤化程度最高的一种煤。四类煤的主要特征列表:内蒙古科技大学化学化工学院四类煤的主要特征比较特征泥炭褐煤烟煤无烟煤颜色光泽外观燃烧现象自然水分硬度棕褐色无有原始植物残体、土状易着火、有烟多很低褐色至黑褐色大多无光泽无原始植物残体、无明显条带易着火、有烟较多低黑色有一定光泽有亮、暗相间的条带多烟少较高灰黑色有金属光泽无明显条带难着火、无烟较少高内蒙古科技大学化学化工学院§1-2煤的生成煤的生成是一个漫长的历史过程，它决定了一种煤所处的煤阶或煤化程度（rank）、煤岩类型(type)和根据工艺性质划分的等级(grade)，这三个是认识煤的三要素。一、成煤的原始物质：煤是由植物主要是高等植物生成的。二、腐植煤的生成过程：三、主要成煤时期和主要煤田：内蒙古科技大学化学化工学院腐植煤的生成过程从植物死亡、堆积到变成煤经历了漫长的过程，发生了一系列的演变。可分为两个阶段：泥炭化阶段：植物遗体经过化学或生物化学作用转变为泥炭的阶段，也是成煤的前期过程或准备阶段。煤化阶段：煤化阶段可分为两个分阶段：成岩作用阶段：泥炭转变为褐煤。在这一过程中，泥炭中的植物残留成分逐渐消失，C%增加，H%和O%减少。变质作用阶段：褐煤在变质作用影响下，逐步经烟煤向无烟煤演变。从上面的煤生成过程可以看出：各种煤都是一定煤化阶段的产物。煤化程度指从泥炭到无烟煤的变化程度，泥炭的煤化程度最低，而无烟煤的煤化程度最高。内蒙古科技大学化学化工学院主要成煤时期和主要煤田生成一定规模煤田的基本条件：常年温度均匀、气候潮湿。有大面积的沼泽地带。地壳下降运动的速度和植物遗体的堆积速度相适应。主要成煤时期：主要产煤国和煤田：世界煤炭储量分布：我国的煤炭分布：内蒙古科技大学化学化工学院§1-3煤的宏观和微观特征：一、煤的宏观特征：四种宏观煤岩成分：宏观煤岩类型：二、煤的显微特征：煤岩显微组分：显微煤岩类型：煤岩显微组分的观察和分析:煤岩显微组分的分离和富集：煤岩显微组分和宏观煤岩成分之间的关系(P26)煤岩显微组分的成因：煤岩显微组分的主要性质及其在煤化过程中的变化：三、煤岩学的应用和发展：煤岩学的应用：煤岩学的发展：内蒙古科技大学化学化工学院四种宏观煤岩成分：根据颜色、光泽、硬度和断口等性质不同，可以用肉眼将煤层中的煤分为四种煤岩成分：镜煤（Vitrain）:呈黑色，光泽强，是颜色最深、光泽最强的宏观组分；质地均匀、脆性大、破碎时多呈贝壳状断口。丝炭（Fusain）：外观像木炭，颜色灰黑，具有明显的纤维状结构和丝绢光泽；疏松多孔、易碎，碎后成为纤维状或粉末状。亮煤（Clarain）：颜色深黑，光泽较强（仅次于镜煤）；脆性大，断口有时呈贝壳状。主要的宏观煤岩成分。暗煤（Durain）：光泽暗淡、颜色为黑色或灰色；致密、坚硬、有韧性，难破碎，断面粗糙。也是主要的宏观煤岩成分。上述四种宏观煤岩成分时煤的宏观岩相分类的基本单位，在了解煤层的岩石组成和性质时，如果以上述四种成分为单位，不便进行定量分析，也不易了解煤的全貌。我们就需要了解宏观煤岩的类型。内蒙古科技大学化学化工学院宏观煤岩类型：根据煤的平均光泽强度、煤岩成分的数量比和组合情况，可以划分四种宏观煤岩类型：光亮型煤：主要由亮煤和镜煤组成（80%以上），光泽强，成分较均一，条带状结构不明显；内生裂隙发育、性脆、易破碎，有贝壳状断口。半亮型煤：亮煤和镜煤占50%～80%，夹有暗煤和丝炭，光泽较强，条带结构清晰；裂隙较明显，常有棱角状或梯形断口。半亮型煤是常见的煤岩类型。半暗型煤：主要由暗煤和亮煤组成，以暗煤为主，光泽较暗淡，硬度和韧性大，难破碎。暗淡型煤：主要由暗煤和丝炭组成，光泽暗淡，通常呈块状结构，坚硬致密，层理不明显。内蒙古科技大学化学化工学院煤岩显微组分煤岩显微组分通常分为两大类：有机显微组分：我国煤炭系统目前将有机显微组分分为四类：镜质类、稳定类、腐泥类和丝质类；而冶金系统的分类方案包括五组：镜质组、半镜质组、稳定组、丝质组和矿物。无机显微组分：煤中的矿物质有粘土矿物、石英、黄铁矿、方解石和菱铁矿等。内蒙古科技大学化学化工学院显微煤岩类型显微煤岩类型是指在显微镜下所能见到的各类显微组分的典型组合。国际显微煤岩类型的分类列于表1-16（P37）。内蒙古科技大学化学化工学院煤岩显微组分的观察和分析光片和薄片的制备：在显微镜下观察和分析煤岩显微组分所用的样品为光片和薄片两种。光片用反射光观察，又分为块煤光片和粉煤光片两种，粉煤光片既有代表性，又便于制作，应用最为广泛；薄片用透射光观察。显微组分在显微镜下的特征：显微组分的定量分析：将粉煤制成光片，用“数点统计法”进行分析。内蒙古科技大学化学化工学院煤岩显微组分的分离和富集为了研究工作或某种特殊需要，有必要得到纯度尽可能高的显微组分，为此，需进行必要的分离和富集工作：第一步：手选和筛选：第二步：比重分离法：比重液：不同浓度的ZnCl2溶液、不同比例的C6H6和CCl4混合液。分离流程：从较低比重到较高比重逐级进行，采用高速离心或自然沉降。内蒙古科技大学化学化工学院煤岩显微组分的成因镜质类、丝质类和稳定类显微组分是植物残体在不同的聚集环境下经过不同的过程而形成的：凝胶化作用丝炭化作用丝炭化作用植物残体（木质纤维为主）镜质体丝质类植物残体中的类脂物稳定类内蒙古科技大学化学化工学院煤岩显微组分的主要性质及其在煤化过程中的变化1.主要性质：反射率：在反射光下，显微组分表面的反射光强度和入射光强度之比。三类显微组分的反射率由大到小的顺序为：丝质类＞镜质类＞稳定类。化学组成：对同一煤化程度的煤而言，C含量以丝质类为最高，H含量以稳定类为最高，随着煤化程度的增加，化学组成和性质的差别逐渐减小，最后趋于一致。炼焦性质：丝质类在隔绝空气条件下加热时既不软化，也不粘结，它不能炼成块状焦炭，属于惰性组分；稳定类属于活性组分。其它：干镏时，稳定类的煤气和焦油产率最高，其次是镜质类，最低的是丝质类。加氢液化时，稳定类和镜质类为活性组分，丝质类为惰性组分，很难液化。2.三类显微组分在煤化过程中的变化：内蒙古科技大学化学化工学院三类显微组分在煤化过程中的变化植物残体的变化泥炭褐煤烟煤无烟煤超无烟煤剧烈适度微小丝质类稳定类镜质类内蒙古科技大学化学化工学院煤岩学的应用1.用于地质勘探：研究煤的成因勘探石油和天然气2.用于煤质评价和分类：煤质评价：煤的分类：3.用于配煤炼焦：内蒙古科技大学化学化工学院煤岩学的发展煤岩学是煤科学的一个分支，随着煤炭加工技术的进步，近20年来有了较大的发展。这表现在两个方面：研究手段正朝着方法标准化、信息数字化和操作自动化的方向发展。煤岩应用研究受到更广泛的重视，研究成果正在推广。内蒙古科技大学化学化工学院第二章煤的一般性质§2-1煤的工业分析：§2-2煤中有机质的元素分析和元素组成§2-3分析结果的表示方法和基准换算§2-4煤的物理性质§2-5煤的化学反应内蒙古科技大学化学化工学院一、煤中的水分：二、煤中的灰分：三、煤的挥发分和固定碳：四、煤的发热量：§2-1煤的工业