煤化学复习

1.煤化学是研究煤的生成、组成、结构、性质、分 类、转化过程和合理利用的一门学科。

2. 煤是由植物遗体经过生物化学作用和物理化学作用演变而成的沉积有机岩。 3.植物的主要化学组成：（1）碳水化合物（包括纤维素、半纤维素及果胶质）（2）木质素（3）蛋白质（4）脂类化合物

4.煤是由堆积在沼泽中的植物遗体转变而成的，植物遗体堆积并转变为泥炭，是需要一定的条件的。

5.煤炭的生成，必须有气候、生物、地理、地质等条件的相互配合，才能生成具有工业利用价值的煤炭矿藏。这些条件包括： （1）大量植物的持续繁殖（生物、气候的影响）

（2）植物遗体不能完全氧化——适合的堆积场所（沼泽、湖泊等）

（3）地质作用的配合（地壳的沉降运动——形成上覆岩层和顶、底板——多煤层）

6.成煤作用过程 成煤作用是指高等植物在泥炭沼泽中持续地生长和死亡，其残骸不断堆积，经过长期而复杂的生物化学、地球化学、物理化学作用和地质化学作用，逐渐演化成泥炭、褐煤、烟煤和无烟煤的过程。

7.有植物残骸转变成为泥炭的泥炭化阶段和泥炭转化成褐煤，烟煤，无烟煤的煤化阶段

8.泥炭化作用的概念：高等植物死亡后，在生物化学和地球化学作用下，演变成泥炭的过程称为泥炭化作用。

在这一阶段，植物首先在微生物作用下，氧化分解和水解为分子量较小的性质活泼的化合物，然后小分子化合物之间相互作用，进一步合成新的较稳定的有机化合物，如腐植酸、沥青质等。

9.植物经泥炭化作用成为泥炭，在两方面发生巨大变化：（1）组织器官（如皮、叶、茎、根等）基本消失，细胞结构遭到不同程度的破坏，变成颗粒细小、含水量极大、呈胶泥状的膏状体－－泥炭；（2）组成成分发生了很大的变化，如植物中大量存在的纤维素和木质素在泥炭中显著减少，蛋白质消失，而植物中不存在的腐植酸却大量增加，并成为泥炭的最主要的成分之一，通常达到40%以上。 10.泥炭被无机沉积物覆盖为标志，泥炭化阶段结束，在以温度和压力为主的物理化学和地球化学作用下，泥炭开始向褐煤、烟煤和无烟煤转变的过程称为煤化作用。由于作用因素和作用结果的不同，煤化阶段可以划分为成岩阶段和变质阶段。

11.泥炭在沼泽中层层堆积，越积越厚，当地壳下降速度较大时，泥炭将被泥沙等沉积物覆盖。在上覆沉积物的压力作用下，泥炭发生了压紧、失水、胶体老化、固结等一系列变化，微生物的作用逐渐消失，取而代之的是缓慢的物理化学作用。这样，泥炭逐渐变成了较为致密的岩石状的褐煤。

12.当褐煤层继续沉降到地壳较深处时，上覆岩层压力不断增大，地温不断增高，褐煤中的物理化学作用速度加快，煤的分子结构和组成产生了较大的变化。碳含量明显增加，氧含量迅速减少，腐植酸也迅速减少并很快消失，褐煤逐渐转化成为烟煤。随着煤层沉降深度的加大，压力和温度提高，煤的分子结构继续变化，

煤的性质也发生不断的变化，最终变成无烟煤。促成煤变质作用的主要因素是温度和时间

13.煤层气是赋存在煤层中以甲烷（CH4）为主要成分、以吸附在煤基质颗粒表面为主、部分游离于煤空隙中或溶解于煤层水中的烃类气体，是煤层本身自生自储式非常规天然气。

14.煤层气的特性1、煤层气是不可再生的资源，也是一种新型的洁净能源和优质化工原料，但在煤矿开采中是一种会造成严重后果的有害气体。2、煤层气以甲烷为主，是主要温室气体之一，约为二氧化碳的21倍。3、煤层气比空气轻，密度是空气的0.55倍，泄露会向上扩散，只要保持空气流通，即可避免爆炸和火灾。

15.煤的结构包括煤有机质的化学结构（大分子结构）和煤的物理空间结构。 16.煤的有机质是由大量相对分子量不同、分子结构相似但又不完全相同的“相似化合物”组成的混合物。

煤的有机质可大体分为两部分：一部分是以芳香结构为主的环状化合物（大分子化合物），另一部分是以链状结构为主的化合物（低分子化合物）。

17.煤的大分子是由多个结构相似的“基本结构单元”通过桥键连接而成的。这种基本结构单元类似与聚合物的聚合单体，可分为规则部分和不规则部分。 规则部分由几个或十几个苯环、脂环、氢化芳香环及杂环（含氮、氧、硫等元素）缩聚而成，称为基本结构单元的核或芳香核。

不规则部分是连接在核周围的烷基侧链和各种官能团；

18 .煤分子结构理论的基本观点 (1)煤是三维空间高度交联的非晶质的高分子缩聚物、煤不是由均一的单体聚合而成，而是由许多结构相似但又不完全相同的基本结构单元通过桥键连接而成。结构单元由规则的缩合芳香核与不规则的、连接在核上的侧链和官能团两部分构成。 (2) 煤分子基本结构单元的核心是缩合芳香核、缩合芳香核为缩聚的芳环、氢化芳环或各种杂环，环数随煤化程度的提高而增加。碳含量为70%~83%时，平均环数为2；碳含量为83%~90%时，平均环数为3～5；碳含量为大于90%时，环数急剧增加，碳含量大于95%时，平均环数大于40。煤的芳碳率，烟煤一般小于0.8，无烟煤则趋近于1。(3)基本结构单元的不规则部分、 连接在缩合芳香核上的不规则部分包括烷基侧链和官能团。烷基侧链的长度随煤化程度的提高而缩短；官能团主要是含氧官能团，包括羟基（–OH）、羧基（–COOH）、羰基（=C=O）、甲氧基（–OCH3）等，随煤化程度的提高，甲氧基、羧基很快消失，其它含氧基团在各种煤化程度的煤中均有存在；另外，煤分子上还有少量的含硫官能团和含氮官能团。(4)连接基本结构单元的桥键、连接结构单元之间的桥键主要是次甲基键、醚键、次甲基醚键、硫醚键以及芳香碳－碳键等。在低煤化程度的煤中桥键最多，主要形式是前三种；中等煤化程度的煤中桥键最少，主要形式是－CH2－和－O－；到无烟煤阶段时桥键有所增多，主要形式是最后一种。(5)氧、氮、硫的存在形式、氧的存在形式除了官能团外，还有醚键和杂环；硫的存在形式有巯基（-SH-）、硫醚和噻吩等；氮的存在形式有吡咯环、胺基和亚胺基等。、(6) 低分子化合物、在煤的高分子化合物的缝隙中还独立存在着具有非芳香族结构的低分子化合物，它们主要是脂肪族化合物，如褐煤、泥炭中广泛存在的树脂、蜡等。 (7)煤化程度对煤结构的影响、低煤化程度的煤含有较多非芳香结构和含氧基团，芳香核的环数较少。除化学交联键外，

分子内和分子间的氢键力对煤的性质也有较大的影响。由于年轻煤的规则部分小，侧链长而多，官能团也多，因此形成比较疏松的空间结构，具有较大的孔隙率和较高的比表面积。中等煤化程度的煤（肥煤和焦煤）含氧官能团和烷基侧链少，芳核有所增大，结构单元之间的桥键减少，使煤的结构较为致密，孔隙率低，故煤的物化性质和工艺性质在此处发生转折，出现极大值或极小值。年老煤的缩合环显著增大，大分子排列的有序化增强，形成大量的类似石墨结构的芳香层片，同时由于有序化增强，使得芳香层片排列得更加紧密，产生了收缩应力，以致形成了新的裂隙。这是无烟煤阶段孔隙率和比表面积增大的主要原因。

19、宏观煤岩成分是用肉眼可以区分的煤的基本组成单位。腐植煤煤层通常由镜煤、亮煤、暗煤和丝炭组成。 根据颜色、光泽、硬度、裂隙和断口等，利用肉眼或放大镜可以将煤区分为镜煤、亮煤、暗煤和丝炭四种宏观煤岩成分。 20、通常，按照宏观煤岩成分在煤层中的总体相对光泽强度划分为四种宏观煤岩类型，这在一定程度上反映宏观煤岩成分的组合情况。

宏观煤岩成分在煤层中的自然共生组合称为宏观煤岩类型。 烟煤的宏观煤岩类型； 光亮煤、半亮煤、半暗、暗淡煤

21、腐植煤的有机显微组分包括：镜质组 、惰质组和壳质组。

22、无机显微组分系指煤中的矿物质。 常见的矿物主要有粘土矿物、硫化物、氧化物及碳酸盐类等四类。 23、煤中水分的状态

水分是煤中的重要组成部分，是煤炭质量的重要指标。煤中的水分可分为游离水和化合水。游离水是指与煤呈物理态结合的水，它吸附在煤的外表面和内部孔隙中。因此，煤的颗粒越细、内部孔隙越发达，煤中吸附的水分就越高。

煤的化合水包括结晶水和热解水。结晶水是指煤中含结晶水的矿物质所具有的，如CaSO4?2H2O中的结晶水，通常煤中结晶水含量不大；热解水是煤炭在高温热解条件下，煤中的氧和氢结合生成的水，它取决于热解的条件和煤中的氧含量。如果不作特殊指明，煤中的水分均是指煤中的物理吸附态的水。 外在水分和内在水分 煤中的游离水分可分为两类，即在常温的大气中易于失去的水分和不易失去的水分，前者称为外在水分，后者称为内在水分。内在水分和外在水分之和称为全水分。

严格地说，外在水分是指煤放臵在大气中使水分不断蒸发，当煤中水的蒸气压与大气中水蒸气分压达到平衡时，煤中水分不再变化。这时所失去的水分占煤样质量的百分数就是外在水分，用Mf表示。而残留在煤内部孔隙中没有蒸发出来的水分称为内在水分，用Minh表示。

煤的外在水分与煤化程度没有规律可循，内在水分呈规律性变化。从褐煤开始，随煤化程度的提高，煤的内在水分逐渐下降，到中等煤化程度的焦煤和肥煤，内在水分最低，此后随煤化程度的提高，内在水分又有所上升。 24、煤的灰分：煤样在规定条件下完全燃烧后所得的残渣。 25、挥发分和固定碳

在高温条件下，将煤隔绝空气加热一定时间，煤的有机质发生热解反应，形成部分小分子的化合物，在测定条件下呈气态析出，其余有机质则以固体形式残留下来。呈气态析出的小分子化合物称为挥发分，以固体形式残留下来的有机质称为固定碳。固定碳不能单独存在，它与煤中的灰分一起形成焦渣，从焦渣中扣除灰分就是固定碳了。

26、煤中矿物质是煤中除水分外所有无机物的总称，既包括在煤中独立存在的矿物质，也包括与煤的有机质结合的无机元素，它们以羰基盐的形式存在。此外煤中还有许多微量元素。

按矿物质组成分类（1）黏土矿物（2）石英（3）碳酸盐矿物（4）硫化物和硫酸盐矿物

27、煤中的碳元素

碳是构成煤大分子骨架最重要的元素，主要存在于缩合芳香核上，也是煤燃烧过程中放出热能最主要的元素之一。随煤化程度的提高，煤中的碳元素逐渐增加。腐植煤的碳含量高于腐泥煤。在不同煤岩组分中，碳含量的顺序为惰质组>镜质组>壳质组。 煤中的氢元素

氢元素是煤中第二重要的元素，主要存在于煤分子的侧链和官能团上，在有机质中的含量约为2.0%～6.5％左右。氢元素的发热量约为碳元素的4倍，氢元素的变化对煤的发热量的影响很大。

（1）煤化程度：随煤化程度的提高而呈下降趋势。从低煤化度到中等煤化程度阶段，氢元素的含量变化不十分明显，但在高变质的无烟煤阶段，氢元素的降低较为明显而且均匀，从年轻无烟煤的4％下降到年老无烟煤的2%左右。

（2）煤岩组成： 在煤化程度相同的煤中，煤岩组成中的氢含量 壳质组＞镜质组＞惰质组

（3）成因类型：腐泥煤＞腐植煤的氢含量 煤中的氧元素

氧也是组成煤有机质的重要元素，主要存在于煤分子的含氧官能团上，如–OCH3、－COOH、－OH、=C=O等基团上均含有氧原子。氧元素在煤燃烧时不产生热量，在煤液化时要消耗氢气，对于煤的利用不利

煤化程度：随煤化程度的提高，煤中的氧元素迅速下降，从褐煤的23％左右下降到中等变质程度肥煤的6%左右，此后氧含量下降速度趋缓，到无烟煤时大约只有2%左右。

（2） 风化：风化后煤的氧含量急剧增大。

（3）煤岩组成： 在煤化程度相同的煤中，煤岩组成中的氧含量：镜质组＞惰质组＞壳质组

（4）成因类型：腐植煤的氧含量＞腐泥煤 煤中的硫元素

煤中的硫分为无机硫和有机硫，两者合称为全硫。无机硫又分为硫化物硫和硫酸盐硫。

28、煤有机质族组成的概念

煤的族组成是指在一定条件下，对煤的分子结构没有破坏的情况下，进行分子分离后得到的组成。通常利用的手段就是溶剂萃取，即通过对煤有一定溶解能力的溶剂进行抽提分离的过程。通过不同溶解能力的溶剂分级处理，可以得到组成不同的组分。虽然同一溶剂萃取得到的组分结构类似，性质接近，但也不是纯净组分，仍然是一族的混合物，因此，这种组分称为煤的族组成。

有机溶剂大致可以分为中性溶剂、碱性溶剂、酸性溶剂、混合溶剂 抽提方法可以分为常规抽屉、特殊抽屉、抽屉热解、化学抽提氢解、超临界抽提

29、真相对密度的概念20℃时单位体积(不包括煤的所有孔隙)煤的质量与同体积水的质量之比。从低煤化度开始，随煤化程度的提高，煤的真密度缓慢减小，