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1、1,煤 化 学Coking Chemistry,第六章 煤的物理性质和物理化学性质 Chapter 6 Physical and physicochemical properties of coal,2,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 True Relative Density, 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
2、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 1 nm ， 而氦分子直径为 0.178 nm ， 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 3.0 g/cm3 d 干燥基灰分产率， % 。 3 真密度的用途：真密度是煤的主要
3、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genesic type 煤岩组成petrological constituents 矿物质minerals 煤化程度rank,3 影响煤真密度的因素 factors affecting the density of coal,6,成因类型的影响： 腐植煤humic coals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
4、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
5、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8689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
6、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.,11,2.1 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，,二、煤的视(相对)密度 apparent relative density, ARD,12,1 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
7、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 bulk relative density， BRD,13,第二节 煤的机械性质 mechanical properties,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briqueting,15,刻划硬度 scratch hardness/ Mohs hardne
8、ss 显微硬度 Microhardness,一、煤的硬度,16,刻划硬度 scratch hardness/ Mohs hardness,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Mohs hardness，也称为刻划硬度scratch hardness 。标准矿物的莫氏硬度见表43。,17,18,根据莫氏硬度的划分，煤的硬度一般为14。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22.5，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
9、，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indentation hardness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diagonal line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
10、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
11、，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
12、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(Hardgrove grindability index , 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Hardgrove test 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。,26,27,被测煤样在哈氏可磨仪
13、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。,28,HGI,%,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
14、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
15、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specific heat 导热性heat conductivity 热稳定性thermal stability 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 Lump Coal 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（Thermal Stability）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
16、，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613mm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，
