煤的物理性質(zhì)和物理化學(xué)性質(zhì)

1、第六章第六章煤的物理性質(zhì)和物理化學(xué)性質(zhì)煤的物理性質(zhì)和物理化學(xué)性質(zhì)2013.10.10目錄目錄煤的密度煤的密度6.16.1煤的硬度煤的硬度6.26.2煤的熱性質(zhì)煤的熱性質(zhì)6.36.3煤的電性質(zhì)煤的電性質(zhì)6.46.4煤的光學(xué)性質(zhì)煤的光學(xué)性質(zhì)6.56.5煤的磁性質(zhì)煤的磁性質(zhì)6.66.6煤的潤(rùn)濕性煤的潤(rùn)濕性6.76.7煤的孔隙率和比表面積煤的孔隙率和比表面積6.86.8煤的物理性質(zhì)：煤的物理性質(zhì)： 煤的密度 煤的硬度 煤的熱性質(zhì) 煤的電磁性質(zhì) 煤的光學(xué)性質(zhì)煤的物理化學(xué)性質(zhì)：煤的物理化學(xué)性質(zhì)： 煤的潤(rùn)濕性 煤的潤(rùn)濕熱 煤的孔隙率12345123 第一節(jié) 煤的密度 煤的密度因研究目的和用途不同分為： 一、

2、真相對(duì)密度 二、視相對(duì)密度 三、散密度v 一、煤的真相對(duì)密度v（一）基本概念：在20時(shí)，體積（不包括煤中所有孔隙）煤的質(zhì)量與同體積水的質(zhì)量之比，用TRD表示。v 用不同物質(zhì)（如氦、甲醇、水、正己烷、苯等）作為置換物質(zhì)測(cè)定的煤的密度所得結(jié)果是不同的。通常以氦作為置換物所測(cè)得的煤的密度叫煤的真相對(duì)密度。因?yàn)楹つ芡耆M(jìn)入煤的孔隙內(nèi)（煤中最小氣孔的直徑約為0.5-1nm，氦分子直徑為0.178nm）煤不能將氦吸附其表面。v 在研究煤質(zhì)時(shí)，為了排除煤中礦物質(zhì)的影響，有時(shí)用到純煤的真相對(duì)密度的概念。它是指煤的有機(jī)質(zhì)的真相對(duì)密度，用 (TRD)daf表示。公式如下：dAdAdafATRDdAdTRDTRD1

3、00)100()(式中 灰的平均真相對(duì)密度，無(wú)數(shù)據(jù)時(shí)可取0.3 干燥基灰分產(chǎn)率， %。 AddA有時(shí)用下列估算純煤的真相對(duì)密度：ddafATRDTRD01. 0)(v（二）用途：煤的真相對(duì)密度用于研究煤的分子結(jié)構(gòu)、確定煤化程度、制定煤的分選密度。v（三）影響因素：v 1.成因因素的影響：腐殖煤的真相對(duì)密度一般不低于1.25g/cm3，而腐泥煤僅為1.00g/cm3。v 2.礦物質(zhì)的影響：礦物質(zhì)的密度較煤的有機(jī)質(zhì)高，因而，煤中礦物質(zhì)含量高則真密度大。v 3.煤巖組成的影響：惰質(zhì)組鏡質(zhì)組殼質(zhì)組v 4.煤化程度的影響：對(duì)煤的真密度影響最大從結(jié)論：1.從低煤化程度煤開(kāi)始，隨煤化程度的提高，煤的真相對(duì)密

4、度緩慢減小，到碳含量為86%89%之間的中等煤化程度時(shí)，煤的真相對(duì)密度最低，約為1.30，此后，煤化程度再提高，煤的真相對(duì)密度急劇提高到1.90。2.惰質(zhì)組鏡質(zhì)組殼質(zhì)組 真密度儀廣泛用于煤炭v 二、煤的視相對(duì)密度v（一）基本概念：20時(shí)單位體積（僅包括煤的內(nèi)部孔隙）煤的質(zhì)量與同體積水的質(zhì)量之比，用ARD表示。v（二）用途：用于計(jì)算煤的埋藏量v 可算出煤的孔隙率100-TRDARDTRD孔隙率v 三、煤的散密度v（一）基本概念：又稱(chēng)堆密度，指20下單位體積（包括煤的內(nèi)外孔隙和煤粒間的空隙）煤的質(zhì)量。v（二）用途：對(duì)煤炭生產(chǎn)和加工利用部門(mén)在設(shè)計(jì)礦車(chē)、煤倉(cāng)、煉焦?fàn)t炭化室和氣化爐的裝煤量及估算煤堆質(zhì)量

5、等方面都有很大的實(shí)用意義。v 第二節(jié) 煤的硬度v 煤的硬度是指在外來(lái)機(jī)械力的作用下煤抵抗變形或破壞的能力。v 由于機(jī)械力的不同，煤硬度表示的方式有：刻劃硬度、彈性回跳硬度、壓痕硬度和耐磨硬度等。v 常用的是：v 一、刻劃硬度v 二、顯微硬度v 一、刻劃硬度v （一）概念：采用一套具有標(biāo)準(zhǔn)硬度的礦物刻劃煤，得到粗 略的相對(duì)硬度，其又叫莫氏硬度。v 標(biāo)準(zhǔn)礦物的莫氏硬度見(jiàn)下表v（二）影響因素：v 根據(jù)刻劃硬度的劃分，煤的硬度一般為14。v 煤的硬度與煤化程度有關(guān)，中等煤化程度的焦煤，硬度較小，約為23.5，隨著煤化程度的提高，硬度增加，無(wú)煙煤的硬度最大，約為4。v 同一煤化程度的煤，惰質(zhì)組鏡質(zhì)組殼質(zhì)

6、組v v 二、顯微硬度v （一）概念：一般采用特殊形狀（如角錐形、圓錐形等）而又非常堅(jiān)硬的壓入器，施加一定的壓力，使壓入器壓入到樣品表面，形成壓痕，卸除壓力后用顯微鏡測(cè)量壓痕的尺寸，如用方形棱錐形金剛石壓入器，測(cè)量壓痕對(duì)角線(xiàn)的長(zhǎng)度，即可計(jì)算出顯微硬度值，即22sin2dPH式中 H顯微硬度，Mpa P 加在壓入器上的負(fù)荷，N d壓痕對(duì)角線(xiàn)的長(zhǎng)度，mm 方形棱錐體兩相對(duì)錐面的夾角，一般為136v（二）影響因素 從褐煤開(kāi)始，顯微硬度隨煤化程度而上升，在碳含量為75%80%之間有一個(gè)極大值；此后，顯微硬度隨煤化程度提高而下降，在碳含量達(dá)到85%左右最低；煤化程度進(jìn)一步提高，顯微硬度又開(kāi)始上升，到無(wú)煙

7、煤階段，顯微硬度幾乎隨煤化程度提高而呈直線(xiàn)增加。煤的顯微硬度與碳含量的關(guān)系v 第三節(jié) 煤的熱性質(zhì)v一、煤的比熱容v（一）概念：指在一定問(wèn)題范圍內(nèi)，單位質(zhì)量的煤隨溫度升高1所需要的熱量，用c表示。v（二）影響因素：v 1.水分：煤的比熱容隨水分增大而提高v 2.灰分：煤的灰分較多時(shí)，比熱容則減小v 3.煤化程度：隨煤化程度的升高而減小v 4.溫度：隨溫度升高先增大后減小v 當(dāng)溫度在350以下時(shí)，比熱容隨溫度升高而增大，在270350時(shí)達(dá)到最大值，這是由于煤大分子中的原子和原子團(tuán)振動(dòng)吸收能量所致；在3501000時(shí)，比熱容隨溫度升高而下降，這是因?yàn)樵诖藴囟认?，煤發(fā)生了熱解，溫度越高，熱解程度越高，

8、分子結(jié)構(gòu)接近與石墨，其比熱容也接近石墨的比熱容0.82J/（g）v 二、煤的導(dǎo)熱性v 煤的導(dǎo)熱性包括導(dǎo)熱系數(shù)W/（mK）和導(dǎo)溫系數(shù)（m2/h）兩個(gè)基本常數(shù)。它們之間的關(guān)系可用下式表示：v式中 c煤的比熱容，J/（kgK）v 煤的密度，kg/m3v v 從上式可看出，導(dǎo)溫系數(shù)與導(dǎo)熱系數(shù)成正比，而與熱容量c成反比。v cv 第四節(jié) 煤的電性質(zhì)v一、導(dǎo)電性v（一）概念：煤的導(dǎo)電性是指煤傳導(dǎo)電流的能力。導(dǎo)電性常用電阻率或電導(dǎo)率表示。導(dǎo)電率越大，煤的導(dǎo)電能力越強(qiáng)。煤的導(dǎo)電有離子導(dǎo)電和電子導(dǎo)電兩種形式，無(wú)煙煤以電子導(dǎo)電為主，褐煤以離子導(dǎo)電為主。v（二）影響因素：v 1.煤巖組成：鏡煤的電阻率顯著高于絲碳v

9、 2.礦物質(zhì)：在中、低變質(zhì)程度階段，煤電阻率隨礦物質(zhì)含量增加而減少。在高變質(zhì)程度階段，煤的電阻率隨礦物質(zhì)含量增加而增大。v 3.煤化程度：導(dǎo)電性隨煤化程度的增加而增加。 電導(dǎo)率與煤化程度的關(guān)系 右圖中沒(méi)有褐煤階段的數(shù)據(jù)，實(shí)際上褐煤的電阻率較低，隨著煤化程度的加深電阻率增加，到長(zhǎng)煙煤時(shí)達(dá)到最大，此后隨著煤化程度的加深，煤的電阻率呈緩慢下降趨勢(shì)，到碳含量達(dá)到90%以上的無(wú)煙煤時(shí)電阻率迅速下降 煤的導(dǎo)電性屬于半導(dǎo)體或?qū)w范圍。v二、煤的介電常數(shù)v （一）概念：物質(zhì)的介電常數(shù)是指物質(zhì)介于電容器兩極板間的蓄電量和兩板間為真空時(shí)的蓄電量之比。物質(zhì)在電場(chǎng)作用下極化能力越強(qiáng)，介電常數(shù)的值越大，導(dǎo)電性越好。v

10、（二）影響因素：v 1.煤化程度（主要）：隨煤化程度的加深，煤的介電常數(shù)減小，在含碳87%左右達(dá)到最小，然后又急劇增大。v 2.水分：水分對(duì)介電常數(shù)影響很大，測(cè)定時(shí)候必須用完全干燥的煤樣。 第五節(jié) 煤的光學(xué)性質(zhì) v 煤的光學(xué)性質(zhì)主要有可見(jiàn)光照射下的反射率、折射率和透光率，以及不可見(jiàn)光照射下的X-射線(xiàn)、紅外光譜等。v一、煤的反射率v 鏡質(zhì)組的反射率與煤化程度之間有較好的線(xiàn)性關(guān)系，故可作為煤分類(lèi)的指標(biāo)。用顯微光度計(jì)測(cè)定需注意以下幾點(diǎn)： 1.采用煤巖光片，以無(wú)結(jié) 構(gòu)鏡質(zhì)體作為測(cè)定 對(duì)象 2.測(cè)定時(shí)應(yīng)以最大值為準(zhǔn) 3.一般以油為介質(zhì)，其反射率的分辨率強(qiáng) 4.一般要測(cè)2050個(gè)點(diǎn)， 然后計(jì)算取平均值v二

11、、煤的折射率v 它是指光在物質(zhì)界面發(fā)生折射后進(jìn)入該物質(zhì)內(nèi)部時(shí)，其入射角和折射角正弦之比。計(jì)算公式如下：22202220)()(knnnknnnR0n式中 R被測(cè)物質(zhì)的反射率，% 標(biāo)準(zhǔn)介質(zhì)的折射率，% n被測(cè)物質(zhì)的折射率，% k被測(cè)物質(zhì)的吸收率，%煤的折射率與反射率一樣隨煤化程度的提高而增大。 v 三、煤的透光率v 煤的透光率是指煤樣在100的稀硝酸溶液中處理90min，所得有色溶液對(duì)一定波長(zhǎng)（475nm）的光的透過(guò)率。有色溶液透光率的測(cè)定有分光光度計(jì)法和目視比色法兩種。我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)采用目視比色法測(cè)定有色溶液的透光率，用 表示MPv四、煤的X射線(xiàn)衍射v X射線(xiàn)的波長(zhǎng)在0.11nm之間，這一大小正

12、好與晶體尺寸相近。當(dāng)X射線(xiàn)照射到晶體上時(shí)，如果波長(zhǎng)、入射角和晶面間距d符合以下公式就會(huì)產(chǎn)生衍射現(xiàn)象如光線(xiàn)增。 v 2d sin = nv式中 n衍射次數(shù)，等于1，2，3整數(shù)v五、煤的紅外光譜v 紅外光譜是分子中原子和原子團(tuán)的振動(dòng)光譜。振動(dòng)類(lèi)型有伸縮振動(dòng)和變形振動(dòng)兩種。主要用與初步研究煤的結(jié)構(gòu)和主要官能團(tuán)。 煤中基團(tuán)的特征吸收峰v 第六節(jié) 煤的磁性質(zhì)v一、煤的抗磁性v（一）概念：在外磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生的附加磁場(chǎng)與外磁場(chǎng)的方向相反。v 磁化率是指磁化強(qiáng)度I與外磁場(chǎng)強(qiáng)度H之比，用K表示：K=I/Hv 在化學(xué)上常用比磁化率表示物質(zhì)磁性的大小。比磁化率是指在1高斯磁場(chǎng)強(qiáng)度下，1g物質(zhì)的磁化率。v（二）煤的

13、磁化率與煤化程度的關(guān)系 如右圖可知：煤的比磁化率隨煤化程度的提高而直線(xiàn)增加，在碳含量在79%91%之間出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，增大幅度減緩，此后則急劇增大。即煤的比磁化率在煙煤階段增大幅度較小，無(wú)煙煤階段最大，褐煤階段居中。 利用煤與礦物質(zhì)在磁性上的差異，將它們分離，即磁選法選煤。 煤的抗磁性磁化率與煤化程度的關(guān)系v二、煤的核磁共振v（一）概念：原子核在強(qiáng)磁場(chǎng)作用下吸收一定波長(zhǎng)射頻的能量產(chǎn)生能階躍遷的現(xiàn)象。v（二）用途：有機(jī)物結(jié)構(gòu)分析的重要方法。原用于分析煤的熔劑抽提物和液化產(chǎn)品的分析，隨著科技進(jìn)步，現(xiàn)可用于直接分析固體煤樣。v（三）應(yīng)用舉例圖譜的一種煙煤的吡啶抽提物NMR1 H75.0-375.0-276

14、.0-NMR13arararfc fc fc1 C吡啶不溶物吡啶抽提物原煤圖譜煤及其吡啶抽提物的v 第七節(jié) 煤的潤(rùn)濕性v 一、煤的潤(rùn)濕性v （一）基本概念：當(dāng)液體和固體接觸時(shí)，如果固體分子與液體間的作用力大于液體分子間的作用力，則固體可被液體潤(rùn)濕；反之，則不能潤(rùn)濕。所謂潤(rùn)濕性是指液體與固體接觸時(shí)，固體被液體所潤(rùn)濕的程度（如下圖）。通常采用接觸角表示煤的潤(rùn)濕性的大小，接觸角越大，煤的潤(rùn)濕性越差。v （二）煤的潤(rùn)濕性隨煤化程度變化規(guī)律v 對(duì)水而言：隨煤化程度的加深，接觸角增大，潤(rùn)濕度降低v 對(duì)苯而言：隨煤化程度的加深，接觸角減小，潤(rùn)濕度增加v 通常，年輕煤對(duì)水介質(zhì)的親和性較強(qiáng)，中等以上煤化程度的煤

15、對(duì)水的親和性較差。在煤的浮選脫灰過(guò)程中，就是利用煤和石親水性的差異進(jìn)行分離的。石表現(xiàn)為親水性，而煤一般表現(xiàn)為疏水性，但年輕煤由于分子中含大量的極性含氧官能團(tuán)，表現(xiàn)為較強(qiáng)的親水性，因而其可浮性較差，必須經(jīng)過(guò)特殊工藝才能采用浮選工藝脫灰。v二、煤的潤(rùn)濕熱v（一）概念：v 煤被液體潤(rùn)濕時(shí)會(huì)釋放出熱量，通常用1g煤被潤(rùn)濕時(shí)釋放出的熱量作為煤的潤(rùn)濕熱v（二）影響因素：v 與介質(zhì)的種類(lèi)、礦物質(zhì)的含量等均有影響，但主要與比表面積有關(guān)。試驗(yàn)表明，煤的潤(rùn)濕熱大致為0.390.42J/。v 第八節(jié) 煤的孔隙率和比表面積v 一、煤的孔隙率v （一）概念：煤是一種固態(tài)膠體物質(zhì)，其內(nèi)部存在著很多毛細(xì)管和孔隙。煤內(nèi)部孔隙的體積占煤的整個(gè)體積的百分?jǐn)?shù)，稱(chēng)為孔隙率。v （二）孔徑分布：煤中孔隙的