能源化學(xué)課件第三章

1、第三章 煤的物理性質(zhì)和物理化學(xué)性質(zhì)一、煤的密度 密度是反映物質(zhì)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)，密度的大小取決于分子結(jié)構(gòu)和分子排列的緊密程度。煤的密度隨煤化程度的變化有一定的規(guī)律，利用密度數(shù)值還可以用統(tǒng)計法對煤進(jìn)行結(jié)構(gòu)解析。煤的密度是單位體積煤的質(zhì)量，單位是Kg/m3 或 g/cm3。由于煤具有高度的不均一性，煤的體積在不同的情況下有不同的含義，因而煤的密度也有不同的定義。1煤的真相對密度（TRD）煤的真密度是指單位體積 （不包括煤的所有孔隙）煤的質(zhì)量，用符號TRD來表示。煤的真密度測定國家標(biāo)準(zhǔn)中用的是密度瓶法，以水作置換介質(zhì)，根據(jù)阿基米德定律進(jìn)行計算。該法的基本要點是在20C下，以十二烷基硫酸鈉溶液為浸

2、潤劑，在一定容積的密度瓶中盛滿水（加入少量浸潤劑）放入一定質(zhì)量的煤樣，使煤樣在密度瓶中潤濕、沉降并排出吸附的氣體，根據(jù)煤樣的質(zhì)量和它排出的水的質(zhì)量計算煤的真密度。2煤的視相對密度（ARD）煤的視密度是指單位體積(不包括煤粒間的空隙，但包括煤粒內(nèi)的孔隙)的質(zhì)量，用符號ARD表示。測定煤的視密度的要點是，稱取一定粒度的煤樣，表面用蠟涂封后（防止水滲入煤樣的空隙）放入密度瓶中，以十二烷基硫酸鈉溶液為浸潤劑測出蠟煤粒所排開同體積水的溶液的質(zhì)量，再計算出蠟煤粒的體積，減去蠟的體積后求出煤的視密度。在計算煤的埋藏量時和對儲煤倉的設(shè)計以及在煤的運輸、磨碎、燃燒等過程的有關(guān)計算都需要用煤的視密度這項指標(biāo)。3煤

3、的散密度（堆積密度或堆比重） 是指單位體積（包括煤粒間的空隙也包括煤粒內(nèi)的孔隙）煤的質(zhì)量，即單位體積散裝煤的質(zhì)量，又叫煤的散密度。在設(shè)計煤倉、計算焦?fàn)t裝煤量和火車、汽車、輪船裝載量時要用這個指標(biāo)。 二、煤的機械性質(zhì)級別12345678910礦物滑石石膏方解石熒石磷灰石長石石英黃玉剛玉金剛石 定義：是指煤在機械力作用下所表現(xiàn)出的各種特性。（一）煤的硬度 煤的硬度是指煤抵抗外來機械作用的能力。根據(jù)測定原理和方法不同可分為劃痕硬度、壓痕硬度。 1、煤的刻劃硬度（又稱莫氏硬度） 它是用一套標(biāo)準(zhǔn)礦物刻劃煤來判定煤的相對硬度。標(biāo)準(zhǔn)礦物的莫氏硬度見下表。標(biāo)準(zhǔn)礦物的莫氏硬度2煤的顯微維氏硬度（即顯微硬度或壓痕

4、硬度） 指煤對堅硬物體壓入的對抗能力。它是用規(guī)定形狀的金剛石壓錐在20g靜載荷下壓入煤樣并持續(xù)15s，然后撤去荷重，在顯微鏡下放大487倍觀測壓痕大小后求出的顯微硬度。以壓錐與煤實際接觸的單位面積上的荷重來表示（kg/mm）。 還可用來直接測定不同顯微組分的硬度。本方法測定煤的顯微硬度常在煤化學(xué)研究中應(yīng)用。 煤炭部煤炭研究院煤化所曾對我國主要煤礦采樣測定顯微硬度，發(fā)現(xiàn)它與煤化程度之間的關(guān)系是靠背椅式的變化規(guī)律。如：下圖 顯微硬度和煤化程度的關(guān)系煤化程度低的褐煤由于富含塑性高的腐植酸和瀝青質(zhì)（含量達(dá)50%），結(jié)構(gòu)疏松，因此硬度較低；隨著煤化程度的加深，使分子間結(jié)合力得到加強，硬度逐漸加大，到高變

5、質(zhì)程度的煙煤時，又因氧含量不斷減少，主要是煤化學(xué)分子結(jié)構(gòu)中氧鍵（O）減少，使分子間結(jié)合力減弱，硬度又有所下降；無煙煤具有高度縮合芳香結(jié)構(gòu)，碳網(wǎng)及其排列的整齊程度劇增，因此硬度幾乎是直線升高。 （二）煤的可磨性（HGI） 1、煤的可磨性指數(shù)測定方法： 煤的可磨性是指煤被磨碎成粉的難易程度。這是一個與標(biāo)準(zhǔn)煤比較而得出的相對指標(biāo)?？赡バ灾笖?shù)越大，煤越易被粉碎，反之則較難粉碎。煤的可磨性指數(shù)的測定方法很多，但其原理都是根據(jù)破碎定律建立的，即在研磨煤粉時所消耗的功與煤所產(chǎn)生的新表面積成正比。 哈德格羅夫法是：采用美國某礦區(qū)易磨碎的煙煤作為標(biāo)準(zhǔn)，其可磨性作為100。測定時，稱取粒度為0.631.25mm的

6、空氣干燥基煤樣500.01g，在規(guī)定條件下，經(jīng)過一定破碎功的研磨，用篩分方法測定新增的表面積，由此算出煤的可磨性指數(shù)值。 計算公式如下： HGI=136.93m 式中：HGI煤樣的哈氏可磨性指數(shù)； m通過0.071mm篩孔（200目）的試樣質(zhì)量，g。 從上式中可知，HGI值越大，煤樣越易被粉碎。 哈氏可磨性指數(shù)還可采用標(biāo)準(zhǔn)曲線法求得。其方法是采用4個一組已知可磨性指數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)煤樣，將煤樣經(jīng)哈氏可磨性測定儀研磨，然后繪制出可磨性指數(shù)與通過0.071mm篩孔的篩下物平均重量之間的標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系曲線，按規(guī)定測出空氣干燥煤樣的0.071mm篩下物重量，從而從標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系曲線圖中查出煤的可磨性指數(shù)。2可磨性指數(shù)和煤

7、化程度的關(guān)系 隨著煤化程度增高，煤的可磨性指數(shù)呈拋物線變化見下圖，在碳含量90%處出現(xiàn)最大值。（三）煤的脆度（抗碎強度） 煤的抗碎強度是指一定粒度的煤樣自由落下后破碎的能力。煤在運輸裝卸過程中，由于煤塊的碰撞常使原來的大塊破裂成小塊甚至產(chǎn)生一些煤粉，這對需要使用塊煤的用戶很不利。因此，使用塊煤的用戶對煤的抗碎強度有一定的要求。 1. 抗碎強度的測定原理 取一定粒度、一定質(zhì)量（或一定塊數(shù)）的煤塊，將其從規(guī)定的高度落下，然后用篩孔為25 mm的篩子篩分，稱出大于25mm的篩上質(zhì)量。按下式計算煤的抗碎強度： 抗碎強度SS=m1/m100 % 式中：m煤樣質(zhì)量，g； m1試驗后大于25mm的篩上物質(zhì)量

8、，g。2. 抗碎強度與煤質(zhì)的關(guān)系 煤的抗碎強度與煤化程度、煤巖成分、礦物含量以及風(fēng)化、氧化等因素有關(guān)。煤的抗碎強度隨煤化程度的變化而變化，中等煤化程度的煤抗碎強度較低。 在不同的煤巖成分中，暗煤的抗碎強度最高，鏡煤次之，絲炭最低；礦物含量較高時抗碎強度較高；煤受到風(fēng)化和氧化后抗碎強度降低。三、煤的熱性質(zhì)（一）煤的比熱容 在一定溫度范圍內(nèi)，單位質(zhì)量的煤，溫度升高1所需要的熱量，稱為煤的比熱容，也叫煤的熱容量。單位為kJ/()或J/(g)。 煤的比熱容與煤化程度、水分、灰分和溫度的變化等因素有關(guān)。比熱容一般隨煤化程度的加深而減少；隨著水分升高而增大；隨著灰分的增加而減少。煤的比熱容隨溫度的升高，而

9、呈拋物線型變化，當(dāng)溫度低于350時，煤的比熱容隨著溫度的升高而增大；如溫度超過350，煤的比熱容反而隨著溫度的增高有所下降，當(dāng)溫度增加到1000時，則比熱容降至與石墨的比熱容相接近。（二）煤的導(dǎo)熱性 煤的導(dǎo)熱性包括導(dǎo)熱系數(shù) kJ/(m.h.)和導(dǎo)溫系數(shù)（m/h）兩個基本常數(shù)，它們之間的關(guān)系可用下式表示： （2-8）式中： C煤的比熱容，kJ/(kg); 煤的密度，kg/m。 物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)應(yīng)理解為熱量在物體中直接傳導(dǎo)的速度。而物質(zhì)的導(dǎo)溫系數(shù)是不穩(wěn)定導(dǎo)熱的一個特征的物理量，它代表物體所具有的溫度變化（加熱或冷卻）的能力。值愈大，溫度隨時間和距離的變化愈快?？杀硎久旱纳崮芰?， C表示單位體積物體

10、溫度變化1時吸收或放出的熱量，即物體的儲熱能力，所以導(dǎo)溫系數(shù)為物體散熱和蓄熱能力之比，是物體在溫度變化時顯示出的物理量。 煤的導(dǎo)熱系數(shù)隨著溫度的升高而增大。=0 .003 （2-9）式中：，特定常數(shù)（對強黏結(jié)性煤=0.0016;對弱黏結(jié)性煤=0.0013, =0.0010）。 煤的導(dǎo)溫系數(shù)有與煤的導(dǎo)熱系數(shù)相似的影響因素，也因水分的增加而提高。 對中等煤化程度的煙煤，煤的導(dǎo)溫系數(shù)可用下列經(jīng)驗公式計算： 溫度20400時， =4.410-41+0.0003(t-20)m/h （2-10） 溫度 400時， =5.010-41+0.0033(t-400)m/h （2-11）一般塊煤或型煤、煤餅的導(dǎo)熱

11、系數(shù)比同種煤的末煤和粉煤大。四、煤的光學(xué)性質(zhì) （一）煤的反射率 1、反射率：在反射光下，顯微組分表面的反射光強度與入射光強度的百分比，以R%表示。 確定變質(zhì)程度的標(biāo)準(zhǔn)：以鏡質(zhì)組的反射率 原因：鏡質(zhì)組反射率的變化幅度大，規(guī)律明顯，而且大多數(shù)煤層的顯微組成都以鏡質(zhì)組為主。惰質(zhì)組的反射率在變質(zhì)過程中變化幅度很小，殼質(zhì)組的反射率變化雖然大，但在高變質(zhì)煤中已很少見，都不宜作為鑒定標(biāo)準(zhǔn)。 在確定煤的變質(zhì)程度（煤階）時，以用油浸物鏡測得的鏡質(zhì)組的平均隨機反射率Rran作為主要鑒定指標(biāo)。 反射率測定采用：光電效應(yīng)原理。 反射率測試裝置：光電倍增管顯微光度計（二）煤的透光率 1. 煤的透光率的表示 煤的透光率是

12、指煤樣和稀硝酸溶液，在100（沸騰）的溫度下，加熱90min后，所產(chǎn)生的有色溶液，對一定波長的光（475nm）透過的百分率。透光率能較好地區(qū)分低煤化程度的煤，是區(qū)分褐煤和長焰煤的指標(biāo)。2. 煤的透光率測定方法 將低變質(zhì)程度煤與硝酸和磷酸的混合酸在規(guī)定條件下反應(yīng)產(chǎn)生的有色溶液。根據(jù)溶液顏色深淺，以不同濃度的重鉻酸鉀硫酸溶液作為標(biāo)準(zhǔn)，用目視比色法測定煤樣的透光率，以符號PM 表示。 混合酸是由1體積濃度65%68%硝酸，1體積濃度不低于85%的磷酸和9體積水混合配制而成的。其中的磷酸主要起隱蔽三價鐵的干擾作用，呈黃色的硝酸不能用。 （三）煤的熒光性 熒光是一種有機物和礦物的發(fā)光現(xiàn)象，它是用藍(lán)光、紫

13、外光、X射線或陰極射線激發(fā)而產(chǎn)生的。利用熒光顯微鏡在20世紀(jì)初才開始，自20世紀(jì)70年代以來，隨著可定量顯微鏡光度計的出現(xiàn)，使熒光光度方法在煤巖學(xué)方面得到廣泛應(yīng)用，它不僅可以直接用以鑒定顯微組分，同時顯微熒光光度參數(shù)可以用來確定煤級。 煤的熒光性研究可使用光片、薄片和光薄片，可進(jìn)行單色熒光強度測量、熒光變化測量、熒光光譜測量等。五、煤的電性質(zhì)與磁性質(zhì)(一) 煤的導(dǎo)電性：傳導(dǎo)電流的能力1電阻率：是一個僅與材料的性質(zhì)、形狀和大小有關(guān)的物理量，在數(shù)值上等于電流沿長度為1cm，截面積為1cm的圓柱形材料軸線方向通過時的電阻。2電導(dǎo)率：等于電阻率的倒數(shù)。煤是一種導(dǎo)體和半導(dǎo)體，依據(jù)導(dǎo)電性質(zhì)不同分類。 電子

14、導(dǎo)電性：依靠組成煤的基本物質(zhì)成分中的自由電子導(dǎo)電，如無煙煤。 離子導(dǎo)電性：依靠煤的孔隙中水溶液的離子導(dǎo)電，如褐煤。 煤的電導(dǎo)率隨著煤化程度的加深而增加，煤的含碳量達(dá)到87%以后，電導(dǎo)率急劇增加。(二) 煤的介電常數(shù) 煤的介電常數(shù)，是指當(dāng)煤介于電容器兩板間的蓄電量和兩板間為真空時的蓄電量之比。 = （2-12） 式中： C0真空時的電容量； C加入煤后的電容量。 水分對介電常數(shù)的影響極大，測定煤的介電常數(shù)時必須采用十分干燥的煤樣。 煤的介電常數(shù)隨煤化程度的增加而減少，在含碳87%處出現(xiàn)極小值，然后又急劇增大。 (三) 煤的磁性質(zhì)1煤的抗磁性 將物質(zhì)放于磁場強度為H的磁場中，則其磁感應(yīng)強度為B=H

15、+H，H為物質(zhì)磁化產(chǎn)生的附加磁場強度。如H和H方向相同，則該物質(zhì)具有順磁性；若方向相反，則具有抗磁性。煤的有機質(zhì)具有抗磁性。2磁化率 是指磁化強度M（抗磁性物質(zhì)是附加磁場強度）和外磁場強度H之比，用K表示。 順磁物質(zhì)，則M和H方向相同，K0；而抗磁性物質(zhì)，則為方向相反，K0。磁化率一般采用古埃磁力天平測定。3比磁化率 化學(xué)上常用比磁化率x ，表示物質(zhì)磁性的大小。比磁化率是在10-4T磁場下， 1g物質(zhì)所呈現(xiàn)的磁化率（即單位質(zhì)量的磁化率）。 煤大部分具有抗磁性。無煙煤的磁性質(zhì)顯示出各向異性。 煤的比磁化率隨著煤化程度加深呈直線的增加，在含碳量79%91%階段，直線的斜率減小。煤的比磁化率在煙煤階

16、段增加最慢，而在無煙煤階段增加最快，在褐煤階段增加速度居中。利用比磁化率可計算煤的結(jié)構(gòu)參數(shù)。六、 煤的固態(tài)膠體性質(zhì)一、煤的潤濕性及潤濕熱（一）煤的潤濕性 當(dāng)固體與液體接觸時，可以用潤濕程度表示它們之間的關(guān)系。如果固體分子與液體分子的作用力大于液體分子間的作用力，則固體可以被液體潤濕；反之，則不能潤濕。通常用液體的表面張力T和固體表面之間的夾角來判斷液體對固體的潤濕程度，接觸角為銳角時能潤濕，接觸角為鈍角則不能潤濕，見下圖所示。 煤與液體的接觸角大小與煤化程度和液體種類有關(guān)。 粉末測定法求出的不同煤的接觸角煤化程度C/%cos氮-水氮-苯91.30.4160.90089.70.4530.8638

17、3.90.3410.88683.10.4320.81381.90.5080.70681.10.4430.84179.10.562.0.73678.10.6040.73874.00.6100.726（二）煤的潤濕熱 當(dāng)煤被液體潤濕時，由于煤分子和液體分子之間的作用力大于液體分子間的作用力，故有熱量放出，稱為潤濕熱。它的大小與液體種類和煤的表面積有關(guān)。常用的溶劑是甲醇，它的潤濕力強，作用快，幾分鐘內(nèi)潤濕熱基本上可全部釋放出來。年青煤的潤濕熱很高，隨著C%增加而急劇下降，在C接近90%時達(dá)到最低點，以后又逐漸回升。 導(dǎo)致熱量釋放的原因：表面潤濕如年青煤由于氧含量高，能與甲醇分子產(chǎn)生強烈的極化作用和氫

18、鍵結(jié)合能放出熱量，一部分礦物質(zhì)與甲醇作用也能放熱吸熱現(xiàn)象，如樹脂的溶解、煤的體積膨脹和部分礦物質(zhì)的作用等。 所以用潤濕熱計算表面積不太準(zhǔn)確，尤其對很年青的煤誤差更大。二、煤的表面積 煤的表面積包括外表面積和內(nèi)表面積兩部分，但外表面所占比例極小，主要是內(nèi)表面積。煤的表面積大小與煤的微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)反應(yīng)性有密切關(guān)系，是重要的物理指標(biāo)之一。煤表面積的大小通常用比表面積來表示，即單位質(zhì)量的煤所具有的總表面積。（一）煤的比表面積（m/g）測定方法1B.E.T法：原理是一定條件下測定被煤吸附的氣體重量。假定被吸附的氣體分子在煤表面成單分子層分布，這樣根據(jù)吸附的氣體重量和氣體分子的截面積就可計算出煤的表面積。

19、供吸附的氣體有氮、二氧化碳和惰性氣體氖、氬、氪、氙等。經(jīng)典方法2孔體積法（P.D.法）：根據(jù)微孔體積和直徑進(jìn)行計算，測煤的比表面積。3氣相色譜法：把一定量煤樣放在色譜柱內(nèi)，在動態(tài)下測定柱后吸附氣體的濃度隨時間的變化，根據(jù)試驗結(jié)果進(jìn)行換算。新測定方法（二）煤的比表面積與煤化程度的關(guān)系 隨著煤化程度的變化，煤的比表面積具有一定的變化規(guī)律。煤化程度低的煤和煤化程度高的煤其比表面積大，而中等煤化程度的煤，比表面積小，反映了煤化過程中，分子空間結(jié)構(gòu)的變化。 三、孔隙率和孔徑分布(一)煤的孔隙度1煤的孔隙度的計算： 煤粒內(nèi)部存在一定的孔隙，孔隙體積與煤的總體積之比稱為孔隙度或氣孔率，也可用單位質(zhì)量煤包含的孔隙體積（cm3/g）表示。因為氦分子能充滿煤的全部孔隙，而水銀在不加壓的條件下完全不能進(jìn)入煤的孔隙，所以用下式可求出煤的孔隙度：孔隙度= 100% （2-10）式中、d汞分別為用氦和汞測定的煤的密度（g/cm3） 也可以用真密度和視密度來計算煤的孔隙度?？紫抖?