煤化学 第五章 煤的化学组成
第五章煤的化学组成
煤的组成极其复杂，是由无机组分和有机组分构成的混合物。无机组分主要包括黏土和矿物、石英、方解石、石膏、黄铁矿等矿物质和吸附在煤中的水;有机组分主要是由碳、氢、氧、氮、硫等元素构成的复杂的高分子有机化合物的温合物。一般来说，煤中的无机组分对煤的加工利用是有害的，有机组分是煤的主要组成部分，也是煤炭加工利用的主要对象。煤中矿物质和有机质的化学成分十分复杂，特别是有机组分的完全分离和鉴定几乎是不可能的。因此，从分子水平上研究和分析煤的各种组成成分在技术上难以实现。为了指导煤炭加工利用和研究煤的性质，在实用上通常采用较为简单的办法分析和研究煤的有机组成和无机组成，主要有工业分析、元素分析、灰成分分析和溶剂萃取等。
第一节煤的工业分析
工业分析是确定煤化学组成最基本的方法，它是在规定条件下，将煤的组成划分为水分、灰分、挥发分和固定碳四种组分。工业分析是一种条件实验，除了水分以外，灰分、挥发分和固定碳是煤在测定条件下的转化产物，不是煤中的固有组分，其测定结果依测定条件变化而变化。为了使测定结果具有可比性，工业分析的测定方法均有严格的标准。目前我国实施的是《煤的工业分析方法?(GB/T 212-200的。在该标准中分别规定了水分、灰分、挥发分的测定和固定碳的计算方法。工业分析虽然简单，但分析结果对于研究煤炭性质、确定煤炭的合理用途以及在煤炭贸易中，具有重要的作用。
一、煤中的水分
(一)煤中水分的存在状态
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利和化合水。煤中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。煤中的游离水分可分为两类，即在常温的大气中易失去的水分和不易失去的水分。前者吸附在煤粒的外表面和较大的毛细孔隙中，称为外在水分，用M f表示;后者则存在于较小的孔隙中，称为内在水分，用M inh表示。煤的内在水分和外在水分的质量之和就是煤的全水分，它代表了刚开采出来，或使用单位刚收到或即将投入使用状态下煤中的全部水分(游离水分)。全水分用M t或M ar表示通俗地说，外在水分就是煤长时间暴露在空气中所失去的水分，而这时没有失去仍然残留在煤中的水分就是内在水分，有时也称为风干煤样水分。
严格地说，外在水分、内在水分、全水分等指的是水分占煤样质量的百分数。按照一定的采样标准从商品煤堆、商品煤运输工具或用户煤场等处所采煤样，称为应用煤样，将应用煤样送到化验室后称为收到煤样，它含有的水分占收到煤样质量的百分数称为煤的全水分或收到基全水分，用M t或M ar表示。应用煤样在空气中放置一定时间，使煤中水分在大气中不断蒸发，当煤中水的蒸汽压与大气中水蒸汽分压达到平衡，这时所失去的水分占收到煤样质量的百分数就是收到基外在水分，用M f，ar表示。
煤失去外在水分后所处的状态称为风干状态或空气干燥状态，失去外在水分的煤样称为风干煤样或空气干燥煤样。残留在风干煤样中的全部游离水分质量占风干煤样质量的百分数称为空气干燥基内在水分，用M inh，ad表示。通常，大多数煤质分析化验采用的煤样均是粒度小于0.2 mm的空气干燥煤样(也称为分析煤样)，空气干燥煤样的水分也可称为空气干燥基水分，新国标称为"一般分析试验煤梯水分"，用M ad表示。理论上，M ad的大小与M inh. ad 相同。为了应用方便，将收到基外在水分和空气干燥基内在水分简称为外在水分和内在水分，符号也分别简化为M f和M inh。
外在水分和内在水分构成了煤的全水分(即收到基全水分)，它们的关系可用下式表示:
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，如石膏(CaS04? 2H20)、高岭石(2A1203? 4Si02? 4H20)中的结晶水，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。如果不作特殊说明，煤中的水分均是指煤中的游离态的吸附水。这种水在稍高于100 ℃的条件下即可从煤中完全析出，而结晶水和热解水析出的温度要高得多。CaS04 ·2H20在163 ℃才析出结晶水，而2A1203? 4Si02 ·4H20则要在560℃才析出结晶水，煤分子中的氢和氧化合为水也要在300 ℃以上才能形成。因此，煤中水分的测定温度一般在105~1l0 ℃，在此温度下不会发生化合水的析出。
在煤质研究中，经常会用到一个重要指标，即煤的最高内在水分。煤的最高内在水分是指煤样在30 ℃、相对湿度达到96%的条件下吸附水分达到饱和时测得的水分，用符号MHC 表示。这一指标反映了年轻煤的煤化程度，用于煤质研究和煤的分类。由于空气干燥基水分的平衡湿度一般低于96%，因此，最高内在水分高于空气干燥基水分。
在煤的工业分析中，水分一般指的是空气干燥基水分，严格地说，外在水分、内在水分、最高内在水分和收到基全水分不属于工业分析的范围，国家另行制定了相关的标准。
(二)测定煤中水分的基本原理
煤的空气干燥基水分、外在水分、内在水分、最高内在水分和收到基全水分的测定方法、步骤有所不同，但测定的原理相同:首先把煤中的水分驱赶出来，通常采用加热的方法，如电加热、微波加热等;然后对驱赶出来的水分进行计量，可以采用体积法、质量法、电解法等计量水分的量。煤中水分的测定方法有很多，如干燥失重法、共沸蒸馆法、微波干燥法等。
1.干燥失重法
GB/T 212-2008规定了两种测定煤的空气干燥基水分的方法，即通氮干燥法(A法)和空气干燥法(B法)。由于煤中水分是以物理态吸附在煤的表面或孔隙中，只要将煤加热到高于100 ℃，即可使煤中的水分析出。干燥失重法通常是将煤加热到105~1l0 ℃并保持恒温，直至煤样处于恒重时，煤样的失重即认为是煤样水分的质量。计算煤样干燥后失去的质量占煤样干燥前质量的百分数即为测定的水分。由于干燥失重法测定过程简单、仪器设备容易解决、测定结果可靠，因此是实验室中最常用的方法。A法是在氮气流中干燥，可以防止煤样氧化，适用于所有煤种并为仲裁法;B法是在空气流中干燥，只适用于不易氧化的烟煤和无烟煤。煤的内在水分、外在水分和全水分的测定，由GB/T 211-2007进行规范，煤的最高内在水分由GB/T 4632-2008进行规范。
2.共沸蒸馏法
将煤样悬浮在一种与水不互溶的有机榕剂(通常用甲苯或二甲苯)中，放入水浴加热，煤中的水分受热后形成水蒸气，与有机溶剂蒸气一起进入冷凝冷却器，冷凝液进入有刻度的接收管。由于水与溶剂不互溶，且水的密度大，沉于底部，可通过刻度读取水的体积，从而得到水分的量。该方法特别适合于高水分的年轻煤，但所用溶剂有毒，操作较繁琐，易受其他因素的影响而导致测定精度较差，因此，在国际标准和我国标准中已将此方法淘汰。
3.微波干燥法
将煤样置于微波测水仪内，在微波作用下，煤中的水分高速振动，产生摩擦热，使水分蒸发，根据煤样的失重计算水分的含量。微波干燥法对煤样能够均匀加热，水分可以迅速蒸发，因而测定快速、周期短，能防止煤样因加热时间过长而氧化。但因为无烟煤和焦炭的导电性强，不适合用该法测定水分。在工业分析国家标准中没有将《煤的水分测定方法微波干燥法》列入，因为研究发现，微波干燥法虽能得到与通氮法基本一致的结果，但存在一定的系统误差。理论上，微波加热过程中样品可能有轻微的分解，因而决定不将微波干燥法列入
该项标准。《煤的水分测定方法微波干燥法》作为独立的标准，供要求快速测定水分时使用。
在实验室中最常用的方法是烘箱加热的干燥失重法。煤中各种水分测定的具体方法请参照相应的国家标准。
需要说明的是，工业分析中测定的水分是指用粒度小于0.2 mm的空气干燥煤样测得的水分，称为空气干燥基水分，GB/T 212-2008称为"一般分析试验煤样水分"。
(三)煤中水分与煤化程度的关系
煤的外在水分与煤化程度没有规律可循，一般与煤炭颗粒的外表面积大小有关，粒度越小，颗粒的外表面积越大，外在水分也越高。但煤的内在水分与煤化程度呈现规律性的变化。从褐煤开始，随煤化程度的提高，煤的内在水分逐渐下降，到中等煤化程度的肥煤和焦煤阶段，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。这是由于煤的内在水分吸附于煤的孔隙内表面上，内表面积越大，吸附水分的能力就越强，煤的水分就越高，此外，煤分子结构上极性的含氧官能团的数量越多，煤吸附水分的能力也越强。低煤化程度的煤内表面积发达，分子结构上含氧官能团的数量也多，因此内在水分就较高。随煤化程度的提高，煤的内表面积和含氧官能团均呈下降趋势，因此，煤中的内在水分也是下降的。到无烟煤阶段，煤的内表面积有所增大，因而煤的内在水分也有所提高。煤的最高内在水分与煤化程度的关系见表5-1。
(四)煤中的水分对煤炭加工利用的影响
煤中的水分对煤炭的加工利用过程是有害的或者是不利的。在煤炭燃烧、气化、炼焦时，水分的存在，要额外吸收热量，使过程热效率降低。在煤炭运输过程中，水分高意味着运力的浪费。因此，在煤炭贸易中，水分成为一项重要的计价依据，水分高，煤价就要下降。但煤中适量的水分有利于减少运输和贮存过程中煤粉尘的产生，可以减少煤的损失，降低煤粉对环境的污染。
二、煤的灰分
煤的灰分是指煤在一定条件下完全燃烧后得到的残渣，残渣量的多少与测定条件有关。
(一)测定煤灰分的方法要点
在灰皿中称量1 g左右的分析煤样，然后在815 ℃、空气充足的条件下完全燃烧得到的残渣作为煤的灰分，称量残渣并计算其占煤样质量的百分数，称为煤的灰分产率，用A表示。测定灰分时所用的煤样是粒度小于0.2 mm的空气干燥煤样，因此，测定结果是空气干燥基的灰分产率，用A ad表示。
GB/T 212-2008规定了两种测定煤灰分的方法，即慢速法和快速法，慢速法为仲裁法，具体测定步骤请参阅相关国家标准。
由于空气干燥煤样中的水分是随空气湿度的变化而变化的，因而造成灰分的测值也随之发生变化。但就绝对干燥的煤样而言，其灰分产率是不变的。所以，在实用上空气干燥基的灰分产率只是中间数据，一般还需换算为干燥基的灰分产率A d。在实际使用中除非特别指明，灰分的表示基准应是干燥基。换算公式如下:
(二)煤灰分的来源
煤的灰分不是煤中的固有组成，而是由煤中的矿物质在高温条件下转化而来的。煤的灰分与矿物质有很大的区别，首先是灰分的产率比相应的矿物质含量要低，其次是在组成成分
上有很大的变化。矿物质在高温下经分解、氧化、化合等化学反应之后转化为灰分。煤在灰化过程中矿物质发生的化学反应主要有以下几种。
(1)碳酸盐类矿物的分解
(2)硫铁矿的氧化
(3)黏土、石膏脱结晶水
(4) CaO与S02的反应
必须说明的是，煤在实际燃烧过程中，其中矿物质的转化要复杂得多，常常伴有大量的产物之间的化学反应，形成新的矿物，限于本书的读者对象，在此不赘述。
煤中矿物质含量与其相应的灰分产率之间的关系可用下式近似表示:
式中MM——煤中矿物质的含量，%;
S t——煤中的全硫含量，%。
(三)煤中矿物质及灰分对煤炭利用的影响
作为能源或化工原料使用时，煤中的矿物质或灰分是不利的甚至是有害的，必须尽量除去。
(1)煤炭在我国是大宗运输物资，煤中的矿物质多就必然造成运力的浪费。
(2)炼焦是煤炭利用的重要途径，在煤炭焦化过程中，煤中的矿物质转化成为灰分进入焦炭。灰分的增加，将导致焦炭的机械强度下降。用于炼铁时，焦炭灰分高，将使高炉产量下降、原料消耗增大。通常，焦炭灰分增加1%，炼铁焦比提高2.0%~2.5%，助熔剂石灰石用量增加2%，高炉产量下降2.5%~3.0%。
(3)作为气化原料或动力燃料时，灰分大，则热效率低。灰分每增加1%，煤耗增加2.0%~2.5%。此外，为了处理燃烧后的灰渣，也会增加成本。
(4)在煤的液化时，若不使用加氢催化剂，煤中的某些矿物质如硫铁矿对加氢液化有催化作用，但进一步研究发现，如果加氢液化采用催化加氢，则矿物质对催化剂的催化活性有抑制作用。通常，煤的加氢液化均使用催化剂，因此，煤中的矿物质对煤的液化也是有害的.
三、煤的挥发分和固定碳
在高温条件(900℃)下，将煤隔绝空气加热一段时间，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。由有机质热解形成井呈气态析出的化合物称为挥发物，该挥发物占煤样质量的百分数称为挥发分或挥发分产率。以固体形式残留下来的有机质占煤样质量的百分数称为固定碳。实际上，固定碳不能单独存在，它与煤中的灰分一起形成的残渣称为焦渣，从焦渣中扣除灰分就是固定碳了。挥发分用V表示，固定碳用FC表示。
关于挥发分的概念有不同的意见，若从方便挥发分测定的角度理解，按照GB/T 3715-2007《煤质及煤分析有关术语》和ISO 1213: 1992《Solid mineral fuels-vocabu· lary Part
2: Terms relating to sampling，test and analysis》的定义，挥发分是指煤隔绝空气加热时，从逸出的挥发性物质中扣除煤样中吸附水分后的所有物质。按这样的定义，挥发分中包含了煤中矿物质热解形成的挥发性气体，如CO2、热解水等。虽然如此，但由于煤中矿物质在挥发分测定条件下能形成挥发性气体的量实在有限，除特殊情况外，基本上可以认为，挥发分测定时得到的挥发物除吸附水外，其余的几乎都是从有机质热解而形成的低分子化合物。因此，根据挥发分能够大致判断煤的大部分性质，几乎在所有研究或利用煤的场合均需要煤的挥发分数据。
(一)挥发分的测定要点和基准换算
1.挥发分的测定
称取1 g粒度小于0.2 mm的空气干燥煤样放入挥发分增塌，在900 ℃下隔绝空气热7 min后取出，在干燥器中冷却后称量焦渣的质量，按下式计算挥发分产率:
式中V ad——空气干燥基挥发分，%;
M——煤样的质量，g;
M l——残渣的质量，g;
M ad——空气干燥基的水分，%。
空气干燥基固定碳FC ad按下式计算:
挥发分和固定碳都不是煤中的固有成分，它们是煤中的有机质在一定条件下热分解的产物。固定碳与煤中的碳元素是两个不同的概念，固定碳实际上是高分子化合物的混合物，它含有碳、氢、氧、氮、硫等元素。
通常在煤的有机质隔绝空气加热后形成的挥发物中有CH4、C2H6、H2、CO、H2S、NH3、COS，H2O、C n H2n、C n H2n-2和苯、萘、酚等芳香族化合物以及C5 ~C16的烃类、吡啶、吡咯、噻吩等化合物。
2.干操无灰基挥发分的换算
挥发分由煤的有机质热解而产生，挥发分的高低反映了煤的有机质分子结构的特性。但挥发分的测定结果用空气干燥基表示时，由于水分和灰分的影响，既不能正确反映这种特性，也不能准确表达挥发分的高低。因此，排除水分和灰分的影响，采用无水无灰的基准(也称干燥无灰基)表示。干燥无灰基的挥发分指的是有机质挥发物的质量占煤中干燥无灰物质质量的百分数。在实际使用中除非特别指明，挥发分均是指干燥无灰基时的数值。干燥无灰基挥发分用V daf表示，由空气干燥基挥发分换算而得:
这时，干燥无灰基的固定碳:
3.挥发分的校正
根据挥发分的特点，挥发分反映的是煤中有机质的特性，但在失重法测定过程中，挥发物中除了从有机质分解而来的化合物之外，还有一部分挥发物不是从有机质而来。如煤样中矿物质的结晶水、碳酸盐矿物分解产生的CO2、由硫铁矿转化而来的H2S等。显然它们是由煤样中的无机物转化而来的。但在挥发分测定时，计入了挥发分，这样，所测得的挥发分就不能正确反映有机质的真实情况，必须进行校正，也就是从挥发分的测值中扣除CO2、H2S和矿物结晶水的量，但实际上很难实现，主要是结晶水、H2S等的含量测定困难所致，
另外，这两种成分在挥发分测定中的生成量极小，一般不作校正。碳酸盐CO2含量的测定则相对容易得多，校正如下:
当碳酸盐CO2含量大于等于2%时，则
式中(C02)ad一一空气干燥基碳酸盐CO2的含量，%。
在GB/T 212-2008中规定干燥基和空气干燥基挥发分无需进行碳酸盐CO2的校正，只有干燥无灰基挥发分需要校正，这么做是因为"挥发分是指从挥发物中扣除水分后的量"，在干燥基和空气干燥基下，其物质中包含了碳酸盐。干燥无灰基挥发分需要对二氧化碳进行校正，是因为干燥无灰基定义为假想无水、无灰状态，而在假想无灰状态时，煤中是不存在碳酸盐的。故计算干燥无灰基挥发分时，应从空气干燥基挥发分中扣除煤中碳酸盐CO2含量。当碳酸盐CO2含量小于2%时，(C02)ad含量可忽略不计。
在实际工作中，直接测定碳酸盐分解生成的CO2、硫铁矿产生的H2S和矿物质结晶水的含量十分复杂，有的甚至是不可能的。因此，一般采用对煤样进行脱灰处理，降低其矿物质含量后，矿物质对挥发分测定产生的影响就可以忽略了。通常，要求用于挥发分测定的煤煤的黏结性强弱。号数越大，表明黏结性越强。它们是:
1号粉状:全部是粉末，没有相互黏着的颗粒;
2号黏着:颗粒黏着，但用手指轻压即碎成粉状;
3号弱黏结:已经成块，但手指轻压即碎成小块;
4号不熔融黏结:用手指用力压才裂成小块;
5号不膨胀熔融黏结:呈扁平的饼状，煤粒界面不易分清，表面有银白色金属光泽;
6号微膨胀熔融黏结:焦渣用手指压不碎，表面有银白色金属光泽和较小的膨胀泡;
7号膨胀熔融黏结:焦渣表面有银白色金属光泽，明显膨胀，但高度不超过15 mm;
8号强膨胀熔融黏结:同7，但高度超过15 mm。
(二)影响煤挥发分的因素
1.测定条件的影响
影响挥发分测定结果的主要因素是加热温度、加热时间、加热速度。此外，加热炉的大小，试样容器的材质、形状、重量、尺寸以及容器的支架都会影响测定结果。因此，挥发分测定是一个规范性很强的分析项目。
2.煤化程度的影响
煤的挥发分随煤化程度的提高而下降。褐煤的挥发分最高，通常大于40%;无烟煤的挥发分最低，通常小于10%。煤的挥发分主要来自于煤分子中不稳定的脂肪侧链、含氧官能团断裂后形成的小分子化合物和煤有机质高分子缩聚时生成的氢气。随着煤化程度的提高，煤分子上的脂肪侧链和含氧官能团均呈下降趋势;高煤化程度煤分子的缩聚度高，热解时进一步缩聚的反应也少，由此产生的氢气量也少，所以煤的挥发分随煤化程度的提高而下降。
3.成因类型和煤岩组分的影响
煤的挥发分主要取决于其煤化程度，但煤的成因类型和煤岩类型对其也有影响。腐植煤的挥发分低于腐泥煤，这是由于成煤原始植物的化学组成和结构的差异引起的。腐植煤以稠环芳香族物质为主，受热不易分解，而腐泥煤则脂肪族成分含量高，受热易裂解为小分子化合物成为挥发分。
煤岩组分中壳质组的挥发分最高，镜质组次之，惰质组最低。这是因为壳质组化学组成中抗热分解能力低的链状化合物占有较大比例，而情质组的分子主要以缩合芳香结构为主，镜质组则居于二者之间。由于各个显微组分有不同的挥发分，所以煤的挥发分将随显微组成的变化而变化，而且非常敏感。图5-1是不同煤岩组分的挥发分随煤化程度的变化规律。腐
植煤镜质组的挥发分随煤化程度的提高而较为均匀地下降。所以，一般用挥发分作为表示煤化程度的指标。
第二节煤中矿物质的组成及煤灰成分
一、煤中的矿物质种类
煤中的矿物质是煤中无机物的总称，既包括在煤中独立存在的矿物质，如高岭土、蒙脱石、硫铁矿、方解石、石英等;也包括与煤的有机质结合的无机元素，它们以羧基盐的形式存在，如钙、铀等。此外，煤中还有许多微量元素，有的是有益或无害的元素，有的则是有毒或有害元素。
煤中的矿物质种类十分复杂，性质差异很大，它们与煤的有机质结合得很紧密，很难彻底分离，要准确测定其组成成分是比较困难的。因此，一般只测定矿物质的总含量，而不测定各组分的含量。国际上测定煤中矿物质含量的方法很不统一，一般有酸抽提法和低温灰化法。酸抽提法的要点是用盐酸和氢氟酸处理煤样，以脱除部分矿物质，再测定酸不溶矿物质，从而计算矿物质含量。这个方法与低温灰化法相比，具有仪器设备简单、实验周期短、易于掌握等优点，但此法的缺点是使用有毒的氢氟酸，测定过程繁琐。低温灰化法是用等离子低温炉，使氧活化后通过煤样，让煤中的有机质在低于150℃的条件下氧化，残余物即为矿物质。由于温度较低，煤中的矿物质不发生变化。低温灰化法的优点是在不破坏矿物质结构的情况下直接测定煤中的矿物质含量;缺点是测定周期长达100~125 h，且需要专门的设备，实验条件严格，而且还要测定残留物中的碳、硫含量，比较繁琐。煤中常见的矿物质有以下几种。
(一)按矿物质组成分类
1.黏土矿物
黏土矿物是煤中最主要的矿物质，其含量明显优于其他矿物，常见的有高岭石、伊利石、蒙脱石等。随煤化程度的提高，黏土矿物也随之发生变质作用。在一些高变质的煤中(如贫煤、无烟煤等)，高岭石常转化为地开石，它是一种高结晶度的高岭石族矿物，说明煤中矿物质与有机质一样，在煤变质过程中，其结晶度和有序度都在不断提高。高岭石可以呈碎屑方式由风和水的搬运作用在泥炭沼泽中沉积而形成，一般认为是远离海相沉积的陆源矿物;也可由铝硅酸盐(长石和云母)经风化作用，在泥炭沼泽中沉淀而产生。高岭石(Al203?2SiO2?2H2O)在较低温度下(400~500 ℃)发生脱水，转变成偏高岭石。
伊利石是煤中常见的黏土矿物之一，一般情况下其含量仅次于高岭石。伊利石结晶度一般较差，极少见解理清晰较大的晶体，在煤层中往往与高岭石等黏土矿物共生，很少单独出
现，多呈小鳞片状分布在碎屑状基质中。伊利石在酸性环境中不稳定，而在中性及碱性环境中比较稳定。伊利石多为碎屑成因，煤层顶板比煤中含量高。在陆相沉积的煤中，伊利石在矿物质中占有一定的比例。但在海相沉积的煤中，伊利石的含量与高岭石相反，往往其含量较高，因为伊利石不仅可以来源于陆源供应物质，而且可以在盆地内形成自生矿物。煤燃烧后煤灰中的K2O主要来源于煤中的伊利石矿物。
蒙脱石又称微晶高岭石或胶岭石，具有极强的分散性和膨胀性，可塑性和耐火性较差，具有强的吸附力和阳离子交换能力。煤中蒙脱石与火山作用形成的火山灰蚀变有关。
黏土矿物主要呈微粒状、团块状、透镜状、薄层状或不规则状产出，常见其充填于基质镜质体、结构半丝质体及结构丝质体细胞腔中或分散在无结构的镜质体中。团块状、透镜状和薄层状黏土集合体的大小变化范围很大，可由十几微米到1 mm左右。黏土矿物在薄片中呈无色，有时因腐植酸作用而略带褐色，在干物镜下呈灰色、棕黑色、暗灰色或灰黄色，轮廓清晰，表面不光滑，呈颗粒状及团块状结构，不显突起或微突起。反光油浸镜下呈黑色，轮廓及结构往往不清楚，难于辨认;具有微弱的荧光，呈暗灰绿色，不太清晰。煤中的黏土矿物，在光学显微镜下很难区分其矿物成分，必须配合差热分析、X射线衍射、红外光谱等方法才能准确鉴定。
对煤中黏土矿物的成分和产状的研究有助于对成煤古地理环境进行分析。由于黏土矿物受后生作用的影响显著，因此黏土矿物的成因比起其他矿物来说难以确定。一般认为，高岭石是在温暖潮湿气候的酸性介质条件下形成的;蒙脱石主要产于干燥、温暖气候的碱性介质条件下，并且其形成与基性火山岩有关;伊利石的形成环境是在温和至半干燥气候下由风化作用形成，而自生伊利石常与富钾的碱性介质条件有关。
2.石英
石英是煤中最常见的矿物之一，分布广泛，其含量可达有机和无机显微组分总量的5%~l0%以上，成为煤中含量最多的矿物。煤中的石英大部分是陆源矿物，被水或风等地质作用力带入泥炭沼泽，并保存在煤层中，但也有一些石英是煤化过程中产生的自生石英。煤中的石英一般为粉砂级，显微镜下常常表现为棱角或半棱角状，与细分散状的黏土矿物及其集合体伴生，长轴方向与层理方向相近;化学成因的石英、玉髓和蛋白石为二氧化硅的溶液凝聚而成，一般呈无定形状态分布于煤中，其中玉髓和蛋白石数量很少。煤层形成后，由于地下水或岩浆的活动，也可生成石英，多呈脉状或薄膜状充填在裂隙或孔洞中。陆相沉积的煤中，石英含量一般较高。石英类在原煤中含量较高，煤燃烧后的灰中，石英含量仍然较高，但在煤灰中其X射线衍射强度有所减弱，可能有少量石英同Al2O3、CaO等其他成分，在煤燃烧过程中发生反应，并生成了一些新的矿物质或非晶质的玻璃体物质，从而降低了其衍射峰强度。
3.碳酸盐矿物
煤中碳酸盐矿物主要有方解石，其次是白云石、菱铁矿等。碳酸盐矿物是煤中较常见的矿物，特别是在近海相沉积环境或海陆交互相沉积环境中，碳酸盐矿物含量相当丰富，如山东济宁煤田太原组与山西组煤层中，太原组16煤层与17煤层，为海陆交互相沉积，其煤层顶板为碳酸盐，其裂隙较发育，因此，该煤层中方解石含量较高。而山西组3煤层为陆相沉积，煤层顶底板多为黏土岩和砂岩，因而3煤层中碳酸盐的含量明显低于同一钻孔中的太原组煤层。
在煤燃烧过程中，方解石(CaC03)全部分解变成了CaO，菱铁矿转变为赤铁矿，菱镁矿转变为镁的氧化物。
4.硫化物和硫酸盐矿物
煤中的硫化物主要以黄铁矿为主，但还含有极少量的其他硫化物和硫酸盐矿物。在煤燃烧过程中，黄铁矿(FeS2)主要变成了赤铁矿(Fe2O3)。
黄铁矿是煤中主要的硫化物矿物，煤中的黄铁矿主要存在于海相和海陆交互相煤中，代表一种还原条件的沉积环境;而内陆条件下形成的煤层黄铁矿含量较低。后生黄铁矿多呈薄膜状、脉状充填在煤的裂隙中，往往与地下水或岩浆热液的活动有关。黄铁矿为浅铜黄色，条痕绿黑色。透射光下为黑色，反光油浸镜下为强亮黄白色或亮黄白色，突起很高，轮廓清楚，表面不太平整。常呈结核状、浸染状及霉球菌状集合体，或充填于裂隙及孔洞中。有时充填于有机显微组分细胞腔中或镶嵌其中。黄铁矿在氧化条件下不稳定，易氧化为褐铁矿。
煤中黄铁矿的形态多种多样，根据有无生物组构，可以将黄铁矿分为无生物组构的黄铁矿和具生物组构的黄铁矿两类。具生物组构的黄铁矿化的高等植物遗体保存着比较清晰的细胞结构和可识别的植物门类器官。例如，太原西山煤田的太原组和山西组煤中发现的团藻、松藻等多种藻类，由于黄铁矿化，使藻类结构得以保存，即使在中、高级煤中仍可鉴别。具生物组构的黄铁矿，虽然在煤中的含量不多，但对于阐明成煤植物及聚煤环境有重要的意义。
(二)按矿物质的成因或来源分类
1.按矿物质的成因分类
(1)原生矿物
是指存在于成煤植物中的矿物。成煤植物在生长过程中，通过植物的根部吸收溶于水的一些矿物质，来促进植物新陈代谢作用的进行。主要是碱金属和碱土金属的盐类，如钾、钠、钙、镁、磷、硫的盐类以及少量铁、钛、钒、氯、氟、碘等元素。原生矿物质与有机质紧密地结合在一起，在煤中呈细分散分布，很难用机械方法分选出。这类矿物质含量较少，一般仅为1%～2%。原生矿物质燃烧后产生的灰分，一般称为内在灰分。
(2)同生矿物
主要指成煤过程中，由风和流水带到泥炭沼泽中和植物残体一起堆积下来的碎屑物质，如石英、长石、云母和各种岩屑;还有由胶体溶液沉淀出来的各种化学成因和生物成因的矿物，如高岭土、方解石、黄铁矿等。同生矿物以多种形态嵌布于煤中。例如以矿物夹层、包裹体、结核状存在于煤中，并且与煤紧密共生，在平面上分布比较稳定，可以用来鉴别和对比煤层。不同的聚煤环境，同生矿物的数量和种类有很大的差别，如近海环境形成的煤中，黄铁矿较多，高岭石含量较低;陆相沉积环境的煤中黏土矿物和石英碎屑多。
同生矿物还包括煤层形成后，由于地下水的淋滤作用，使方解石、石膏等矿物质沉淀下来，填充在煤的裂隙中的矿物。
同生矿物分选的难易程度与其分布形态有关，若在煤中分散均匀，且颗粒较小，就很难与煤分离;若颗粒较大，在煤中较为聚集，则将煤破碎后利用密度差可将其除去。同生矿物是煤中灰分的主要来源。
(3)后生矿物
指煤层形成固结后，由于地下水的活动，溶解于地下水中的矿物质，因物理化学条件的变化而沉淀于煤的裂隙、层面、风化溶洞中或胞腔内。煤中的后生矿物多呈薄膜状、脉状产出，往往切穿层理。主要有由于地下水的淋滤作用形成的方解石、石膏、黄铁矿等，也有由于岩浆热液的侵入形成的一些后生矿物，如石英、闪锌矿、方铅矿等。
(4)外来矿物
在采煤过程中混入煤中的顶、底板岩石和夹矸层中的矸石，常称为外来矿物。其数量在很大范围内波动，随煤层结构的复杂程度和采掘方法而异，一般为5%~10%，高的可达20%以上。外来矿物质的主要成分是SiO2、Al2O3、CaCO3、CaSO4和FeS2等。外来矿物质的密度越大，块度越大，越易与煤分离，用一般选煤方法即可除去。
2.按矿物质的来源形式分类
按来源形式煤中矿物的分类见表5-2。
二、煤灰成分
钙、镁、钛、钾、铀、硫、磷等，在一般的灰成分测定中也只分析这几种。煤灰成分十分复杂，很难单独测定其中的化合物，一般用主要元素的氧化物形式表示，如SiO2、Al2O3、CaO、MgO、Fe2O3、TiO2，K2O、Na2O、SO3，P2O5。其中，最主要的是SiO2、Al2O3、CaO、MgO、Fe2O3等几种，一般占95%以上。灰分中各成分的含量取决于原始的矿物组成。
我国煤中的矿物组分大多以黏土类矿物为主，因此，煤灰中SiO2含量最大，其次是Al2O3。我国煤灰成分的一般范围见表5-3，我国部分产地煤的煤灰成分见表5-4。
三、煤中的微量元素
在煤的矿物质和有机质中，除了上述含量较高的元素之外，还含有为数众多的含量较少的元素，即微量元素。对于煤中微量元素的研究始于20世纪40年代，人们研究的重点是微量元素的分布规律。到20世纪50年代，由于电子工业、原子能工业的迅猛发展，对稀有元素的需求量剧增，从煤中提取稀有元素成为科学家的研究重点之一。一般来说，煤中的锗含量达到20 g/t以上、镓30 g/t以上、铀300 g/t以上、钍900 g/t以上、铼2 g/t以上，就有工业提取价值。到目前为止，已经发现与煤伴生的微量元素有几十种，可分为常见元素:铜、铍、锶、钡、氟、锰、硼、镓、锗、锡、铝、锌、钒、铬、砷、镍、钻、钛、锆等;不常见元素:躿、钇、镧、镱、锑、锂、铯、砣、铋、镭、铀等;很少见元素: 铪、铌、钽、铂、钯、铹、铼、钍、铈等。下面介绍几种煤中常见的微量元素。
1.锗
地球上单独存在的锗矿石极少，锗通常分布在各种硅酸盐、碳酸盐与锡石共生的矿物以及锯、钮、铁和硫化物矿物中，所以锗是一种稀散元素。锗在煤层中往往形成大面积的富集区。绝大多数煤中含有锗，但一般含量小于5 g/t，个别可以达到20 g/t的工业可采品位。研究结果表明，锗在低煤化程度的煤(褐煤、长焰煤、气煤)中含量较高。在煤岩组分中，镜煤中的锗含量较高，在薄煤层中锗的含量比厚煤层高。煤中的锗赋存形式有无机的也有有机的。锗主要用于半导体材料。
2.镓
镓在自然界中没有独立的矿床，但在煤中普遍存在，是一种稀散元素。一般在煤中镓的含量达10 g/t，有的煤中则高达250 g/t。镓的工业可采品位是30 g/t。镓与铝的原子半径相近(分别为0.139 nrn和0.143 nrn)，因此镓和铝常常共生。一般来说，在煤层中，镓的品位并不高，但在其顶板、底板和夹矸层中却富集有较多的镓。镓在煤中的赋存形式既有无机的也有有机的。目前，镓大量用于制造半导体元件，其性能优于锗、硅半导体。
3.铀
铀也是煤中易富集的元素之一，但一般不超过5 g/to通常在褐煤中富集有较多的铀，在我国已经发现有一些铀含量超过工业提取品位(300 g/t)的褐煤矿点，在美国、俄罗斯等国家的煤矿中也有发现。煤中的铀大多数与有机质结合，但也有含铀的无机矿物。铀主要用做原子能工业的燃料。
4.钒
钒在地壳中的含量很低，大约只占0.02%，且多分散在其他矿物或岩石中。在煤中，钒和镓常常共生。在我国浙江、湖南等地的石煤中，钒含量较高，有些已经达到了工业提取的品位0.5%~1.0%。我国已经成功地从石煤中提取出了钒，实现了工业化生产。钒主要用于制造优质合金钢，也是重要的合成催化剂。
5.铍
铍在煤中以有机结合为主。通常，铍在煤中的含量不高(10~20 g/t)，但有时也高达40g/t。铍是一种剧毒元素，有致癌作用。铍广泛用于原子能、火箭、导弹、航空航天以及电子工业中。
6.铼
铼在煤中也有富集，当其品位达到2 g/t以上时有工业利用价值。但我国的煤中，铼的品位多在1 g/t以下。铼可作宇宙飞船的耐高温部件，也是重要的仪表的材料。
7.钍
钍在有些煤中富集，它以二氧化钍的形式存在，但含量一般只有每吨数克，难以达到900 g/t以上的工业开采品位。钍是重要的热核燃料，冶金工业用钍冶炼优质合金钢，如钍铝合金能耐海水侵蚀和增大延展性。
8.钛
钛也是煤中有提取价值的一种元素，其合金有良好的抗腐蚀性和耐高温性，已经在航海和航空工业中得到广泛应用。
四、煤中的有害元素
煤中的有害元素主要有硫、磷、氯、砷、氟、汞、铍、镉、铅等。这里所说的"有害"是指在煤的利用过程中，对工艺、设备、产品、人体、环境等会产生危害。如果这些元素达到工业提取品位，能够提取出来，这些元素将是有用的原料。
1.硫
煤中的硫以硫铁矿以及有机质等形式存在于煤中。硫是煤中最主要的有害元素。煤中的硫在燃烧过程中形成SO2随烟气进入大气环境，下雨时成为酸雨，腐蚀建筑物和设备，进入水体后污染水源。大气中的SO2对人体健康和动植物的生长也有危害。
煤通过焦化制成焦炭主要用于炼铁。在焦化过程中，煤中的硫在焦炉中发生了很大的变化，大约20%~30%转化为H2S、COS、CH3SH、CH3SCH3等低分子硫化合物进入煤气和焦油中，其余则残留在焦炭中。焦炭中的硫对于炼铁是非常有害的，生铁中的硫主要来自焦炭，当生铁中的硫含量较高时就不能炼钢。硫以FeS的形式存在于钢中，FeS能与Fe形成低熔点化合物(985℃)，它低于钢材热加工开始温度(1150~1 200 ℃)。在热加工时，由于它的过早熔化而导致工件开裂，这种现象称为"热脆性"。含硫量愈高，热脆性愈明显。通常钢中的硫含量低于0.07%。为了防止过量的硫进入生铁，在炼铁高炉炉料中必须配入大量的石灰石。经验证明，焦炭中的硫每增加0.1%，焦比增加1.5%左右，石灰石用量增加2%左右，高炉生产能力降低2%~2.5%。
煤中的硫在气化时主要形成H2S、COS等，作为燃料气时，H2S、COS燃烧后形成SO2剌激人的呼吸道，腐蚀燃烧设备，污染大气;如作为合成气，这些硫化合物将会使合成催化剂中毒失效，影响生产的正常进行。因此，煤气中的硫化合物必须脱除。
2.磷
煤中的磷含量一般不高，通常在0.001%~0.1%之间，最高不超过1%。煤中的磷主要以无机物的形式存在，如磷灰石[3Ca3(P04)2·CaF2]和磷酸铝矿物[Al6P2O14，但也有以有机磷的形式存在于煤中。煤在炼焦时，磷几乎全部进入焦炭。用磷含量高的焦炭炼铁，过量的磷将进入生铁。用这种生铁炼成的钢磷含量也较高。磷在钢中能溶于铁素体(钢中的一种金相组织)内，使铁素体在室温的强度增大，而塑性、韧性下降，即产生所谓"冷脆性"，使钢的冷加工和焊接性能变坏，因此，磷也是煤中的有害元素。含磷量愈大，冷脆性愈强，故钢中磷含量控制较严，一般小于0.06%。因此，炼焦用煤的磷含量必须小于0.1%。作为燃料使用时，煤中的磷形成的化合物在锅炉的受热面上冷凝下来，胶结了一些飞灰颗粒，形成难以清除的污垢，对受热面的传热效率影响很大。
3.氯
世界主要产煤国的煤中氯含量差别较大，含量一般为0.005%~0.2%，个别的可达1%左右。我国煤中氯含量较低，在0.01%~0.2%，平均为0.02%，绝大部分在0.05%以下。早期的研究认为，煤中的氯主要以NaCl或KCl的形式存在，但目前的研究认为，煤中氯也有以有机质的形式存在的证据。关于煤中氯的存在形式学术界还存在争议。煤中的氯对煤炭利用有很大的危害，如炼焦煤氯含量高于0.3%，将腐蚀焦炉炭化室的耐火砖，大大缩短焦炉的使用寿命。若含氯量高的煤用于燃烧，会对锅炉产生严重的腐蚀。经过分选的煤，其中的氯化物会溶于水而使煤中的氯含量下降。
4.砷
砷是煤中挥发性较强的有毒物质，是煤中最毒的元素之一。煤燃烧时大部分砷形成剧毒的As2O3(砒霜)和As2O5，并以化合物形式侵入到大气环境中;另一部分残留在灰渣和飞灰中。
由砷引起的地方性疾病已引起有关部门和国内外学术界的重视。它与其他污染物质如苯并(a)芘起协同作用促使癌变，从而对人体健康构成危害。煤中的砷主要以硫化物的形式与硫铁矿结合在一起，即以砷黄铁矿[FeS2? FeAs2]的形式存在于矿物质中，小部分以有机质的形式存在。煤中的砷含量极小，一般为(3~5)×10-6，高的可达10-4甚至10-3。煤燃烧时，砷以As2O3的形式随烟气排放到大气中。As2O3俗称砒霜，是一种剧毒物。因此，作为食品工业用的燃料，碑含量必须小于8×10-6。
5.汞
煤中的汞是污染环境的有害元素之一。汞在煤中的赋存形式还没有定论，其含量一般在10-7以下，但国外有乘含量高达2×10-3的煤。煤在燃烧时，汞以蒸气的形式排入大气，当空气的汞浓度达到30~50μg/m3时，将对人体产生危害。汞蒸气吸附在粉尘颗粒上，随风飘散，进入水体后，能通过微生物作用，转化为毒性更大的有机汞(如甲基汞（CH3HgCH3)。甲基汞能在水体动物体内积累，最后通过食物链而危害人类。汞的慢性中毒会导致精神失常、肌肉震颤、口腔炎等，对人体危害极大。
6.氟
氟是地壳中常见的元素之一，是人体中既不可缺少又不能多的"临界元素"。煤中的氟主要以无机物赋存于煤中的矿物质中，含量一般在3×10-4以下，也有个别高氟煤的氟含量达到10-3以上。燃烧高氟煤，将对周围的动植物造成严重危害。曾经发生过电厂周围的蜜蜂、桑蚕大量死亡的事件，经调查与氟中毒有关。煤在燃烧过程中，氟以SiF4、H2F2的形式挥发出来，并形成含NaF和CaF2的粉尘。这些氟化物一部分滞留在空气中，一部分进入土壤和水体中。
7.铅
煤中的铅以方铅矿的形式存在于煤中，我国煤中的铅含量在(l~5)×10-6。人发生铅中毒后，表现为全身无力、肢端麻木、伴有呕吐等症状。煤在燃烧时，铅以氧化铅的形式随烟尘飘散到空气中，从呼吸道或消化道进入人体。
8.铍
铍在煤中多以有机质的形式存在，通常在煤化程度低的煤中铍的含量较高。一般煤中的铍含量在(l~30)×10-6。煤燃烧时，铍随烟气进入大气。铍的氧化物和氯化物都是极毒的物质，特别是这种化合物以气溶胶的形式滞留在大气中时，对人畜的危害更大。研究表明，铍可引起中毒性肝炎，并导致癌症。
9.镉
镉以无机物形式存在于煤中，在煤中的含量为(l~26)×10-6。煤燃烧时，镉以氧化物的形式随烟气进入大气，通过呼吸道进入人体。在人体内的镉能积聚并取代骨骼中的钙，能造成严重的骨质疏松症。
第三节煤中有机质的元素组成
大量研究表明，煤中的有机质主要是由碳、氢、氧、氮和硫等五种元素构成的。煤中有机质的元素组成可以通过元素分析法测定。煤的元素分析就是对煤有机质中碳、氢、氧、氮和硫含量的分析测定。
一、构成煤有机质的主要元素
(一)煤中的碳元素
碳是构成煤大分子骨架最重要的元素，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，从褐煤的60%左右一直增加到年老无烟煤的98%。腐植煤的碳含量高于腐泥煤，在不同煤岩组分中，碳含量的顺序是:惰质组＞镜质组＞壳质组。
(二)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%，随煤化程度的提高而呈下降趋势。从低煤化程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。因此，我国无烟煤分类中采用氢元素含量作为分类指标。氢元素的发热量约为碳元素的4倍，虽然含量远低于碳含量，但氢元素的变化对煤的发热量影响很大。
腐泥煤的氢含量高于腐植煤。腐植煤中不同煤岩组分氢含量的顺序是:壳质组＞镜质组＞惰质组。
(三)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，如一OCH3、一COOH、一OH、等基团上均含有氧原子。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%。氧元素在煤燃烧时不产生热量，在煤液化时要无谓地消耗氢气，对于煤的利用不利。腐泥煤的氧含量低于腐植煤。腐植煤中不同煤岩组分氧含量的顺序是:镜质组＞惰质组＞壳质组。
(四)煤中的氮元素
煤中的氮元素含量较少，一般为0.5%~1.8%，与煤化程度无规律可循。它主要来自成煤植物的蛋白质。在煤中主要以胶基、亚胶基、五元杂环(吡咯、咔唑等)和六元杂环(吡啶、喹啉等)等形式存在。煤中的氮在煤燃烧时也不放热，主要以间的形式进入废气，少量形成NOx。当煤在炼焦时，煤中的氮一部分形成NH3、HCN及其他有机含氮化合物，其余的则留在焦炭中。
(五)煤中的硫元素
1.煤中硫的存在形态
煤中的硫分为有机硫和无机硫，无机硫又分为硫化物硫和硫酸盐硫。
(1)煤中的有机硫
一般煤中的有机硫含量较低，但组成很复杂，主要由硫醚、硫化物、二硫化物、硫醇、巯基化合物、噻吩类杂环化合物及硫醌化合物等组分或官能团所构成。
研究表明，低煤化程度煤以低相对分子质量的脂肪族有机硫为主，而高煤化程度煤以高相对分子质量的环状有机硫为主。随煤化程度提高，具有三环结构的二苯并噻吩相对于四、五环结构的化合物数量减少，而具有稳定甲基取代位的含硫化合物则不断增加。煤化程度高的煤绝大部分有机硫属噻吩结构，褐煤中脂肪族硫占主导地位。随煤化程度提高，煤中噻吩硫的比例增大，其芳构化程度也逐渐提高。
(2)煤中的无机硫
煤中的无机硫主要以硫铁矿、硫酸盐等形式存在，其中尤以硫铁矿硫居多。煤中的黄铁矿形态多样，宏观上多呈结核状、透镜状、层状裂隙充填状和分散状;在显微镜下，呈莓球状、鱼子状、块状、均一球状等。脱除硫铁矿硫的难易程度取决于硫铁矿的颗粒大小及分布状态，颗粒大则较易去除，极细颗粒的硫铁矿硫也难以采用常规方法脱除。一般情况下，煤中的硫酸盐硫是黄铁矿氧化所致，因而未经氧化的煤中的硫酸盐硫很少。
煤中的有机硫用S。表示，硫铁矿硫用S p表示，硫酸盐硫用S s表示;有机硫和无机硫之和称为煤的全硫，用S t表示，即
煤中的有机硫和硫铁矿硫称为可燃硫，燃烧后形成SO2等有害气体。
2.煤中硫的来源
煤中硫的来源有两种:一是成煤植物本身所含有的硫——原生硫，另一种是来自成煤环境及成岩变质过程中加入的硫——次生硫。对于绝大多数煤来说，其中的硫主要是次生硫。成煤植物中的含硫物质，如蛋白质在泥炭沼泽中分解或转变为氨基酸等化合物参与成煤作用，从而使植物中的硫部分转入煤中，显然成煤植物是煤中硫的一个来源。迄今为止，大家的共识是低硫煤中硫主要来自淡水硫酸盐和成煤植物，高硫煤中硫主要来自海水硫酸盐，也不排除少数高硫煤中硫来自蒸发盐岩和卤水。在次生硫的生成过程中，硫酸盐还原菌起到了非常重要的作用。
(1)煤中有机硫的来源
①成煤过程中海水对煤中有机硫形成的影响
现代泥炭沼泽研究成果表明，除了成煤植物提供煤中的硫，古泥炭沼泽的水介质也是一个重要来源。泥炭沼泽既受潮汐作用的影响，又受谈水的影响，在海平面相对上升时期，由于海侵的开始，大量海水的进入，直接对泥炭沼泽覆盖，海水中有丰富的硫酸盐，硫酸盐还原菌的活动使得海水中的氧不断消耗，将海水中的硫酸盐还原成硫化氢，而煤中的硫醇和硫化物正是有机质与硫化氢在松软的有机质沉积物中起反应而生成的。同时海水对泥炭沼泽的覆盖及大量生物的活动，造成周期性缺氧条件，有利于硫化物和硫元素的形成，并富集在泥炭中。
一般海生植物较陆生植物的有机硫含量要高出几倍，甚至更多，如现代内陆石松科植物中，硫含量为0.1% ~0.14%，而受海水影响的海南岛潮间带的红树林植物硫含量高达0.3%~0.4%，这主要是因为生长在咸水、半咸水中的植物吸收水介质中的硫酸盐并使之转变为有机硫。其煤层的硫含量因而较高，其中有机硫含量亦较高。海水中含有大量的藻类体，藻类体本身含有比高等植物多的有机硫，它在降解过程中可以提供硫源，为有机硫的生成提供物质来源。细菌富含蛋白质，大多很快在沼泽中降解，因此参与形成泥炭的菌类会带来高于高等植物的有机硫。
植物死亡后降解产生H2S、CH3SH及(CH3)2S等。由于底栖生物作用或风暴扰动作用造成局部或短时间泥炭浅层富氧，使这些气体氧化为硫酸盐，更主要的是厌氧生物光合自氧和化学自氧硫细菌借助光能或化学能将H2S或FeS2氧化成硫酸盐。由硫酸盐细菌还原形成的HS-或S0既可与有机质反应生成有机硫，也可与铁离子反应形成硫化物。若体系缺乏活性铁离子，而SO42-含量相对充足，在适合的条件下必然会形成大量有机硫和少量黄铁矿。
由植物到煤这一过程要经历生物化学凝胶化和地球化学凝胶化两种作用，不同的聚煤环境中，由于水介质、水动力条件的不同，其生物化学凝胶化作用程度和形式差别很大，所以不同成因煤有机硫含量也差别很大。另外，即使同一沼泽环境中，由于微环境和成煤母质器官稳定性的差别，生物化学凝胶化作用也会变化很大，导致同一煤层中不同显微组分间的差别。
随着凝胶化程度增强，组分有机硫含量增加，煤中次生有机硫的生成是介质中还原型(S2-，S0)有机质中活性官能团作用的结果。凝胶化程度高的有机质中活性官能团较多，在其形成过程中沼泽一般覆水较深，较多地受海水影响，同时凝胶化产物与水介质的接触面积也最大，因而生成次生有机硫的能力强;反之，在相对氧化环境下泥炭沼泽中凝胶化作用弱，凝胶化产物少，凝胶化程度相对较低，有机质中活性官能团较少，加之水介质性质的差异生成次生有机硫的能力弱。
资料表明，煤层在不同的演化阶段形成有机硫化合物的类型也不同。在泥炭化阶段和早期成岩阶段形成的有机硫多以硫醇、硫醚和饱和环状硫化合物为主，晚期成岩阶段和变质阶段形成的有机硫以噻吩硫为主。许多学者认为高硫煤中的硫经历了一个逐渐积聚的过程，在这一过程中，沉积环境起到了决定性作用。
②成煤过程中的沉积环境对煤中有机硫形成的影响
煤中硫的富集，与煤层顶板岩石沉积环境直接相关，即使成煤原始植物没有供给沼泽中大量的硫，但堆积后的泥炭在随后被海水淹没浸泡以及掩埋条件下，最终在煤中吸附了大量海水中的硫，使煤中硫含量较高。成岩阶段，从上覆水介质中所能得到的硫酸盐非常有限，随着埋深加大、经历的成岩阶段加长，硫酸盐可继续转化为硫铁矿硫和有机硫。成岩作用不断进行，泥炭层在顶底板附近可利用围岩中的硫酸盐来增加自身硫分。若顶底板为潮坪沉积，那么可供泥炭层利用的硫酸盐更是比较可观的。煤层有机硫的聚集是一个逐渐累积的过程，从成煤植物死亡开始一直持续到成岩变质阶段，受控因素是多方面的，从沉积盆地发育的宏观控制来说，古构造特征、海平面升降、沉积体系的变化、沉积物源特征及其供应等对其均有重要影响，其中泥炭沼泽环境起着十分重要的作用，因为它控制着硫源以及硫酸盐还原菌的活动性，进而影响硫质量分数的高低。一般陆相煤的硫含量较低，而海相煤的硫含量较高。这是因为在海相还原环境下，海水中的硫酸根被还原形成硫铁矿进入煤层，此外，海相植物本身的含硫量较高。
③成煤过程中有机硫的形成机理
沼泽水介质中的S042-的含量和介质的pH值是影响泥炭硫含量的主要因素。海水中的S042-为海相泥炭提供了丰富的硫源，同时海水具有弱碱性，经常被海水淹没的泥炭的pH值为7.0~8.5，这种介质条件对硫酸盐还原菌和许多微生物的活动都有利(最有利的生存条件的pH值为6.5~8.3)。据研究，硫酸盐还原菌最宜在pH值为7.0~7.8的弱碱性条件下进行，亦可在pH值为5.5~9.0条件下生存。硫酸盐还原菌利用泥炭中大量的有机质把海水中的S042-还原成H2S，经复杂的物理化学作用，H2S能与Fe2+结合，最终形成黄铁矿。而内陆淡水中的S042-含量平均为海水的1/200，且淡水沼泽多呈酸性(pH<4)，不利于硫酸盐还原菌的活动。故淡水泥炭中所形成的H2S少，黄铁矿及全硫含量都低，这也是淡水沼泽所形成的煤一般为低硫煤，且主要来自成煤原始植物的原因。研究表明，当泥炭顶板为海相沉积时，能增加其下部泥炭硫的含量。Davis认为海水渗入淡水泥炭时，可增加淡水泥炭有机硫的含量。可见泥炭沼泽被上覆的沉积物覆盖后，上部沉积介质中的S042-也会掺入泥炭，在成煤过程中转变为煤中的硫。泥炭上覆沉积介质中的硫也是煤中硫的来源之一。
(2)煤中黄铁矿的来源
①原料来源
煤系沉积岩中黄铁矿的形成主要受控于可被还原菌利用的有机质含量、活性铁的含量和S042-的丰度，这些因素也同样决定着有机硫的形成。众所周知，活性铁离子与有机质相比对还原硫有更大的竞争能力，当存在铁离子的情况下，硫离子会优先与其结合形成硫化铁矿物，只有在铁离子受限的情况下，多余的H2S才结合进入有机分子。由于海水本身所含铁离子的浓度很小，所以大量的铁应来自陆源区，一般通过水流以黏土矿物等方式搬运至沼泽中。与黏土伴生的铁，在形成矿物的情况下能保持稳定，但随着环境条件，尤其是PH和Eh值的变化，铁可以从黏土矿物中迁出，如pH值增高，Eh值下降，Fe3+会还原为Fe2+，从而引起铁的迁移，也可能是其他元素与铁离子发生离子交换反应，还可能是晶格随着环境的改变而变得不稳定，从而引起铁的迁出。只有一部分以低价存在的可溶于盐酸的Fe2+才能与H2S 反应生成黄铁矿，或通过FeS的形式最终转化为黄铁矿。所以水溶液中是否有可被利用的活性铁离子是黄铁矿得以聚集的重要因素。
②成煤过程中黄铁矿的形成机理
黄铁矿的形成极为复杂，一般具有S042-、Fe2+及有机质三要素，且多数要经历几个阶段。首先是有机质与硫酸反应生成H2S，H2S与沉积物中的铁反应生成四方硫铁矿FeS(即硫铁矿的前驱物)。硫化亚铁在转化为FeS2时，可能还经历了胶黄铁矿阶段:
上述过程在低温浅埋藏条件下还原菌的还原作用才能实现。黄铁矿的形成是一个渐进的过程，煤中各类黄铁矿的共存是不同演化阶段的产物，但其形成都需有硫酸盐的供给、沉淀物中有利于细菌活动的厌氧条件及维持硫酸盐还原菌生成的有机质与铁的供给。还有学者认为泥炭沼泽中大量的植物遗体腐殖质与腐植酸，为硫酸盐还原细菌提供了能量。而在硫酸盐丰富、Fe2+供给充足的环境下，形成高黄铁矿含量的煤。
铁的氧化物(如针铁矿)与存在于孔隙水中的H2S反应:
非晶质硫化亚铁逐渐结晶形成四方硫铁矿:
二、煤有机质中各元素含量随煤化程度的变化
煤中元素含量随煤化程度的变化规律见表5-5
三、煤中有机质元素的测定
根据元素分析的定义，对空气干燥煤样，有下式成立:
式中，C ad、H ad、O ad、N ad、S o.ad分别表示空气干燥基的碳、氢、氧、氮和有机硫的含量，%。
对于硫元素，从理论上来说，式(5-10)中的S o.ad是合理的，但在实际应用中有诸多不便，因为有机硫含量的测定十分复杂，而且硫元素是煤中的一个十分特殊的有害元素，一般情况下，全硫含量是个必测指标，而且其测定过程较为简单。因此，在一般的应用中，用全硫含量S t.ad来代替有机硫S o，ad o这样式(5-10)就变为:
另外需要说明的是，虽然有测定氧元素含量的方法，但测定过程繁杂，一般也不直接测定，而是在测定了碳、氢、氮和硫后，用差减法由上式计算氧的含量。这样做，氧含量的数值中包含了水分、灰分、碳、氢、氮和硫的测定误差，也包含了无机硫的影响。虽然结果不
十分准确，但对大多数煤来说，这样的误差是可以接受的。在特殊的情况下，需要用有机硫的数据或直接测定氧元素的含量。
(一)碳、氢元素的测定
1.燃烧法测定煤中的碳、氢含量
燃烧法是目前测定煤中碳、氢含量最通用的方法，其基本原理是:将盛有定量分析煤样的瓷舟放入燃烧管内，通人氧气，在800℃的温度下使煤样充分燃烧。煤样中的碳和氢在800 ℃下分别生成二氧化碳和水，分别用吸水剂(氯化钙或过氯酸镁)和二氧化碳吸收剂(碱石棉、钠石灰)吸收。根据吸收剂的增重计算出煤中碳和氢的百分含量。
为了防止煤样燃烧不完全，在燃烧管中要充填线状氧化铜或高锰酸银，将未燃烧完全的CO、CH4等氧化完全。为避免煤中硫形成的SOx和氯被二氧化碳吸收剂吸收误为二氧化碳，燃烧管内还要充填铬酸铅和银丝卷(若前面用高锰酸银，则银丝卷可不用)。铬酸铅可与SO X 反应生成硫酸铅，被固定在铬酸铅内，不随气流进入二氧化碳吸收管。氯则与银反应生成氯化银而被固定。另外，煤中的氮会生成NO X影响碳的测定，可以在二氧化碳吸收管前加充填有粒状MnO2的吸收管以除去它的干扰。
反应方程式如下:
(1)燃烧反应
(2)对CO2和H2O的吸收反应
或
(3)排除硫、氯、氮对对测定干扰的反应
三节炉法中，在燃烧管内用铬酸铅脱除硫的氧化物，用银丝卷脱氯:
二节炉法中，用高锰酸银热分解产物脱除硫和氯:
在燃烧管外部，用粒状二氧化镁除去氮氯化物:，
三节炉法碳、氢含量测定装置如图5-2所示。
测定结果的计算如下
式中G——分析煤样质量，g;
G1——二氧化碳吸收管的增重，g;
G2——水分吸收管的增重，g;
G3——水分空白值，g;
M ad——分析煤样水分，%;
0.2729——由二氧化碳计算碳元素质量的折算因数;
0.1119——由水计算氢元素质量的折算因数。
如果煤中碳酸盐二氧化碳的值大于2%，对碳含量需作校正，公式如下:
2.电量—重量法测定煤中的碳、氢含量
煤样在800℃、有催化剂存在的条件下于氧气流中燃烧。氢燃烧生成的水进入Pt—P2O5电解池与五氧化二磷反应生成偏磷酸，电解偏磷酸，当电解电流降至终点电流时，终止电解，通过电解消耗的电量计算氢的含量，计算时应扣除煤样中的水分的影响。煤中碳燃烧生成的CO2由吸收剂吸收并计重，可以计算出碳的含量。杂质的脱除与二节炉法类似。
3.库仑法自动测定煤中的碳、氢含量
煤样在800 ℃、有催化剂存在的条件下于氧气流中燃烧，氢燃烧生成的水由Pt—P2O5电解池吸收并电解;碳燃烧生成的二氧化碳与氢氧化铿反应生成的水由Pt—P2O5电解池吸收并电解。根据电解水所消耗的电量按照法拉第电解定律分别计算煤样中氢和碳的含量。为防止硫、氯、氮对碳测定的干扰，在燃烧管内由高锰酸银热分解产物除去硫氧化物和氯气;由粒状二氧化锰除去氮氧化物。全自动碳氢分析仪采用控制电流库仑分析法。反应生成的水进入Pt—P2O5电解池与五氧化二磷反应生成偏磷酸，电解偏磷酸，当电解电流降至终点电流时，终止电解。单片计算机对电解过程所消耗的电量进行积分，并实时将电量积分值转换为碳和氢的质量(mg)显示出来，最后显示碳和氢的百分含量，并将测定结果打印出来。GB/T 476—2008中未列入该法。
(二)氨元素的测定
世界各国基本上都采用开氏法测定煤中的氨元素含量，其机理目前尚无定论。此法不能保证测定出全部的氮，但已经足够准确了。其基本原理和步骤是:首先在催化剂的作用下，
将煤在沸腾的浓硫酸中进行硝化反应，煤中的碳、氢被氧化成二氧化碳和水，氮的极大部分被转化成氨并与硫酸反应生成硫酸氢铵;然后在上述反应液中加入过量的氢氧化钠中和硫酸，并使铵盐转化为氢氧化铵;第三步是将前一步的反应液用水蒸气加热，将氢氧化铵分解为氨，并被汽提蒸馏出来，在另一个有吸收剂(硼酸溶液或稀硫酸溶液)的三角瓶中被吸收;最后通过酸碱滴定，计算出氮的含量。测定装置如图5-3所示。
测定结果由下式计算:
式中N ad——空气干燥基的氮元素含量，%;
C——硫酸标准溶液的摩尔浓度，mol/L;
V1——硫酸标准溶液的用量，mL;
V2——空白试验时硫酸标准溶液的用量，mL;
0.014——氮的毫摩尔质量，g;
G——分析煤样的质量，g。
(三)氧元素的测定
迄今为止，煤中氧元素含量的测定方法还不十分成熟，其中较可靠的是舒兹法。其基本原理是:有机物在纯氮气流中于1120℃的高温下裂解，纯碳与析出产物中有机结合态的氧和部分可能存在于水中的氧反应生成CO，CO与五氧化二碘定量反应，析出当量的碘，此时CO转化为CO2。根据析出的碘量或CO2的量即可计算出试样中原有的氧含量。碘用Na2S2O3滴定法定量，C02通过重量法或酸碱滴定法定量。由于此法所用的仪器设备和操作步骤都较为繁杂，实际上较少使用。实际上氧元素含量一般是采用所谓的"差减法"获得，即将煤的水分、灰分、碳、氢、氮和硫测定出来，再利用下式计算:
(四)硫元素的测定
1.艾氏卡法测定煤中的全硫含量
该方法是德国人艾氏卡于1876年制定的经典方法，迄今为止，它仍然是世界各国通用的测定煤中全硫含量的标准方法。其特点是精确度高，成熟可靠，适合成批测定，但耗时长，
煤化学答案
第二章习题 1、煤就是由什么物质形成的？P6 答:煤就是由植物生成的。 在煤层中发现大量保存完好的古代植物化石与炭化了的树干;煤层底板岩层中发现了大量的根化石、痕木化石等植物化石;在显微镜下观察煤制成的薄片可以瞧到植物细胞的残留痕迹以及孢子、花粉、树脂、角质层等植物残体;在实验室用树木进行的人工煤化试验,也可以得到外观与性质与煤类似的人造煤。这就有力地证实了腐植煤就是由高等植物变来的。 2、按成煤植物的不同,煤可以分几大类？ P12 答:按成煤植物的不同,煤主要分为腐植煤、腐泥煤、腐植腐泥煤。腐植煤:高等植物腐泥煤:低等植物 腐植腐泥煤:高等植物+低等植物 3、简述成煤条件。P20-21 答:煤的形成必须具备古植物、古气候、古地理与古构造等条件。古植物:大量植物的持续繁殖古气候:温暖、潮湿的气候环境 古地理:沼泽与湖泊古构造:合适的地壳升降运动 4、由高等植物形成煤,要经历哪些过程与变化？P22 答:由高等植物形成煤,要经历泥炭化作用与煤化作用两个过程。 泥炭化作用过程:高等植物→泥炭 煤化作用过程又分为成岩作用与变质作用两个阶段。成岩作用阶段:泥炭→褐煤;变质作用阶段:褐煤→无烟煤。 5、泥炭化作用、成岩作用与变质作用的本质就是什么？P22、P25、P26 答:泥炭化作用就是指高等植物残骸在泥炭沼泽中,经过生物化学与地球化学作用演变成泥炭的过程。 成岩作用:泥炭在沼泽中层层堆积,越积越厚,当地壳下沉的速度超过植物堆积速度时,泥炭将被黏土、泥砂等沉积物覆盖。无定形的泥炭在上覆无机沉积物的压力作用下,逐渐发生压紧、失水、胶体老化硬结等物理与物理化学变化,转变为具有岩石特征的褐煤的过程。 变质作用:褐煤沉降到地壳深处,受长时间地热与高压作用,组成、结构、性质发生变化,转变为烟煤与无烟煤的过程。 6、按煤化程度,腐植煤可以分为几大类？它们有哪些区分标志？答:按煤化程度,腐植煤可以分为泥炭、褐煤、烟煤与无烟煤四个大类。 泥炭与褐煤的区分标志:外观上,泥炭有原始植物残体,呈土状;褐煤无原始植物残体,无明显条带。褐煤与烟煤的区分标志:颜色,褐煤呈褐色或黑褐色;烟煤呈黑色。 烟煤与无烟煤的区分标志 特征与标志烟煤无烟煤 颜色黑色灰黑色 光泽有一定光泽金属光泽 外观呈条带状无明显条带 燃烧现象多烟无烟 7、影响煤变质作用的因素有哪些,对煤的变质程度有何影响？P28 答:影响煤变质作用的因素主要有:温度、时间与压力。 温度就是影响煤变质作用的主要因素,存在一个煤变质的临界温度。转变为不同煤化阶段所需的温度大致为:褐煤:40～50 ℃,长焰煤:<100 ℃,典型烟煤:<200 ℃,无烟煤:<350 ℃。 时间就是影响煤的重要因素,这里所说的时间就是指煤在一定温度与压力条件下作用时间的长短。作用时间影响的重要性表现在:温度、压力相同,时间越长,变质程度越高;温度不同,短时间较高温度与长时间较低温度可达到相同的变质程度。
煤化学复习资料
煤化学 1、能源种类、可再生能源的种类。 能源的种类：核能、化石能（又包括石油、煤炭、天然气）、可再生能源（包括生物质能、太阳能、风能、潮汐能、水能）。 2、我国的煤炭储量、产量、资源特点。 1)煤炭资源总量5.57万亿吨，保有储量10032.6亿吨（可采储量2000-3000 亿吨），年产36亿吨以上。 2)煤炭资源的特点 a)煤炭资源虽然丰富，勘探程度低 b)煤炭品种齐全，从褐煤到无烟煤均有分布。 c)煤炭质量有很大差异，秦岭以南地区，除少数煤田外，多数煤田的 煤质差，含硫高。 d)资源分布极不均匀。南贫北丰、西多东少。 e)煤系伴生矿产资源丰富 3、煤化工的三大方向。 焦化、液化（加氢液化、间接液化）、气化。 4、煤炭利用的环境问题（P5） 1)固体废物的危害：自然排放烟尘、CO等有害物质；利用：建材、化工产 品、发电。 2)废水危害：污染矿区地下水源和江河水体；利用：水处理工艺。 3)煤层气危害：对区域环境造成严重影响，而且也影响全球大气环境；利 用：燃料。 4)大气污染：烟尘、SO2、NO X、二氧化碳的温室效应。 第二章煤炭的特征和生成 1、成煤植物的有机族组成包括那几类？怎样参与成煤炭 1)糖类及其衍生物包括：纤维素、半纤维素、果胶质等 参与成煤：当环境缺氧时，厌氧细菌使纤维素发酵生成甲烷、二氧化碳、乙酸等，形成更复杂的物质参与成煤。 2)木质素:经微生物的作用易氧化成芳香酸和脂肪酸。 3)蛋白质：水解生成氨基酸。 4)酯类化合物：脂肪、树脂、蜡质、交织、木栓质、孢粉质等。 脂肪受生物化学作用可被水解，生成脂肪酸和甘油，前者参成煤作用， 而树脂、蜡等比较稳定。 2、成煤炭必须具备的条件有哪些 古气候因素：温暖潮湿的气候 古植物因素：高大的大本植物繁殖堆积 古地理因素：泥炭沼泽 古构造因素：下降的速度最好与植物残骸堆积的速度大致平衡。 3、成煤阶段，每个阶段的作用
煤化学课后习题
第一章煤的种类，特征和生成 1 按成煤植物的不同，煤可以划分几大类，其主要特征有何不同？ 2 按煤化程度，可以将腐殖煤划分为几大类，请两两比较其区分标志。 3 主要的成煤期及其代表性植物是什么？ 4 低等植物与高等植物的族组成有何区别？ 5 植物的族组成在成煤过程中发生了什么变化？ 6 成煤的地质年龄与煤的变质程度是否一致，为什么？ 7 腐殖煤的成煤过程主要分哪两个阶段，各阶段发生的主要变化是什么？ 8 泥炭化阶段发生的主要生物化学变化有哪几种类型？ 9 在泥炭化阶段，为什么氧化分解一般不会进行到底？ 10 煤的变质因素有哪些？对煤的变质程度有何影响？ 11 煤化度与变质程度有何异同？ 12 煤的变质类型对成煤有什么意义？ 13 泥炭的堆积环境对煤质有什么影响？ 14 何谓煤的还原程度，强还原妹有什么特征？ 15 凝胶化与丝炭化对煤中显微组分的形成有什么作用？ 16 什么是中国煤的多阶段变质演化，它对中国煤质分布有什么影响？ 17 什么是煤化作用跃变，分哪几个阶段？ 18 煤化作用跃变对煤质有什么影响？ 19 影响成煤期有哪些主要因素？ 20 中国有哪几个主要的聚煤期，列举各主要的聚煤期的5个著名煤田。 第二章煤的工业分析和元素分析 1 试述煤的工业分析的基本思想 2 煤的元素分析的基本思想 3 煤中水分存在的形态分哪几种，他们与水分脱除的难易程度有什么关系？ 4 最高内在水分MHC与煤的煤化度有什么关系？ 5 煤中矿物质有哪几种来源，洗选脱除的难易程度有什么不同，矿物质的来源与煤中灰分的种类有什么关系？ 6 煤中矿物质的化合物类型有哪几种？请写出其代表性化合物的名称与分子式 7 选煤有哪几种工业生产方式，一般选煤工艺有哪些产品和副产品 8 灰分的组成与灰熔点有什么关系，这种关系有何工业意义？ 9 煤中常量元素与微量元素是如何分类的，各有哪些主要的元素 10 煤中有哪些主要的有害微量元素，按危害程度应如何分类 11 煤中碳和氢的测定的原理，并说明试验中可能产生的误差及减小误差的方法 12 煤中的氮完全以有机氮的形式存在，对否？理由 13 没中毒额硫有哪几种存在形态，煤中的硫分队煤的应用有什么影响？ 14 没种的硫或磷过多时，通过焦炭与高炉冶炼进入钢铁后，对产品质量有什么影响 15 什么是基准，煤的分析数据为何要用基准表示？ 16 基准的常用形式因利用场合不同而异，请写出各种基准的适用场合 17 画出基准关系图，并说明换基计算的基本思想和适用场合 18 第三章煤的物理性质和物理化学性质 1 为什么说煤的所有宏观性质均在一定程度上与煤的密度有关 2 煤的密度有哪几种表示方法，与煤的空隙率有何关系
煤化学期末复习资料
标准煤：发热量为29.3MJ/Kg的煤，只是一个概念，而不存在这样的煤 腐殖煤根据煤化度的不同分为泥炭、褐煤、烟煤和无烟煤 成煤过程是指高等植物在泥炭沼泽中持续的生长和死亡，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，逐渐演变化为泥炭、褐煤、烟煤和无烟煤的过程。分为泥炭化阶段和煤化阶段 泥炭化阶段:泥炭化阶段是指高等植物残骸在泥炭沼泽中，经过生物化学和地球化学作用演变成泥炭的过程凝胶化作用是指植物的主要组分在泥炭化阶段经过生物化学变化和物理化学变化，形成以腐殖酸和沥青质为主的胶体物质（凝胶和溶胶）的过程。这一过程在成岩阶段的延续又叫镜煤化作用 丝炭化作用是指植物的木质纤维组织在泥炭沼泽的氧化环境中，受到需氧细菌的氧化作用，产生贫氢富碳的腐殖物质或受到“森林火灾”而炭化成木炭的过程 煤化阶段:生物化学作用减弱或停止，在物理化学和化学作用下，泥炭开始向褐煤、烟煤和无烟煤转变过程。分为成岩阶段和变质阶段 变质阶段是指褐煤沉降到底壳的深处，在长时间地热和高压作用下发生化学反应，其组成、结构和性质发生变化，转变为烟煤、无烟煤的过程 深成变质作用的特点：煤变质程度具有垂直分布的特点，大致上深度每增加100米，煤的挥发分减少2.3%（希尔特定律）；煤变质程度具有水平分带规律 煤的工业分析与元素分析是煤质分析的基本内容。通过工业分析，可以初步判断煤的性质、种类和工业用途。元素分析主要用于了解煤的元素组成。工业分析和元素分析的结果与煤的成因、煤化度以及岩相组成有密切的关系。煤的工业分析也称为煤的实用分析或技术分析。包括煤的水分、灰分、挥发分的测定和固定炭的计算四项内容。水分和灰分可反映出煤中无机质的数量，而挥发分和固定炭则初步表明了煤中有机质的数量与性质 外在水分（Mf）是指煤在开采、运输、储存和洗选过程中，附着在煤的颗粒表面以及直径大于10-5cm的毛细孔中的水分。含有外在水分的煤成为收到基，仅失去外在水分的煤成为空气干燥基 煤的内在水分（M inh）是指煤在一定条件下达到空气干燥状态时所保持的水分（将空气干燥煤样加热至105~110时所失去的水分），失去内在水分的煤为干燥煤 最高内在水分（MHC）：当环境的相对湿度为96%，温度为30，且煤样内部毛细孔吸附的水分达到平衡（饱和）状态时，内在水分达到最大值 煤的外在水分与内在水分的总和称为煤的全水分M t 当挥发分(Vdaf)为25％，MHC＜1％，达到最小值；对于高挥发分(Vdaf＞30％)低煤化度煤，MHC随着Vdaf 的增加迅速增大，最高可达20％～30％；对于低挥发分(Vdaf＜20％＝高煤化度煤，MHC随着Vdaf的减小又略有增大。 在烟煤中的肥煤和焦煤变质阶段，外在水分较少，内在水分达到最小值（小于1%），到高变质的无烟煤阶段，由于缩聚的收缩应力使煤粒的内部裂隙增加，外在水分和内在水分又有所增加，内在水分可达到4%左右 在运输时，煤的水分增加了运输负荷，在寒冷地带水分易冻结，使煤的装卸发生困难，解冻则需增加额外的能耗；贮存时，煤中的水分随空气湿度而变化，使煤易破裂，加速了氧化；对煤进行机械加工时，煤中水分过多将造成粉碎、筛分困难，降低生产效率，损坏设备；炼焦时，煤中水分的蒸发需消耗热量，增加焦炉能耗，延长了结焦时间，降低了焦炉生产能力。水分过大时，还会损坏焦炉，使焦炉使用年限缩短。此外，炼焦煤中的各种水分，包括热解水全部转入焦化剩余氨水，增大了焦化废水处理的负荷；气化与燃烧时，煤中的水分降低了煤的有效发热量。 煤中矿物质（mineral matter，简记符号MM）是除水分外所有无机质的总称。主要成分一般有粘土、高岭石、黄铁矿和方解石等。原生矿物质，次生矿物质，外来矿物质 煤的灰分（ash，简记符号A）是指煤中所有可燃物质完全燃烧时，煤中矿物质在一定温度下经过一系列分解、化合等复杂反应后剩下的残渣，因此称为灰分产率更确切。煤高温燃烧时，大部分矿物质发生多种化
煤化学课后习题答案
第一章习题 1、中国能源结构、煤炭资源得分布特点及生产格局、能源发展战略就是什么？P1 答：中国能源结构：煤炭资源比较丰富，油气资源总量偏少。（富煤、贫油、少气） 煤炭资源得分布：东少西多，南贫北丰，相对集中。 生产格局：北煤南运，西煤东调。 能源发展战略：节能优先、结构多元、环境友好。 2、煤炭利用带来得环境问题有哪些？ 答：煤炭利用带来得环境问题如酸雨、臭氧减少、全球气候变暖、烟雾等。 3、何谓洁净煤技术？有哪些研究内容？ 答：洁净煤技术就是指从煤炭开发到利用得全过程中旨在减少污染排放与提高利用效率得加工、燃烧、转化及污染控制等新技术。 洁净煤技术得主要包括：煤炭开采、煤炭加工、煤炭燃烧、煤炭转化、污染排放控制与废弃物处理等。如：选煤，型煤，水煤浆，超临界火力发电，先进得燃烧器，流化床燃烧，煤气化联合循环发电，烟道气净化，煤炭气化，煤炭液化，燃料电池等。 4、煤化学得主要研究内容？P4 答：煤化学就是研究煤得生成、组成（包括化学组成与岩相组成）、结构（包括分子结构与孔隙结构）、性质、分类以及它们之间相互关系得科学。广义煤化学得研究内容还包括煤炭转化工艺及其过程机理等问题。 第二章习题 1、煤就是由什么物质形成得？P6 答：煤就是由植物生成得。 在煤层中发现大量保存完好得古代植物化石与炭化了得树干；煤层底板岩层中发现了大量得根化石、痕木化石等植物化石；在显微镜下观察煤制成得薄片可以瞧到植物细胞得残留痕迹以及孢子、花粉、树脂、角质层等植物残体；在实验室用树木进行得人工煤化试验，也可以得到外观与性质与煤类似得人造煤。这就有力地证实了腐植煤就是由高等植物变来得。 2、按成煤植物得不同，煤可以分几大类？ P12 答：按成煤植物得不同，煤主要分为腐植煤、腐泥煤、腐植腐泥煤。 腐植煤：高等植物 腐泥煤：低等植物 腐植腐泥煤：高等植物+低等植物 3、简述成煤条件。P20-21 答：煤得形成必须具备古植物、古气候、古地理与古构造等条件。 古植物：大量植物得持续繁殖 古气候：温暖、潮湿得气候环境 古地理：沼泽与湖泊 古构造：合适得地壳升降运动 4、由高等植物形成煤，要经历哪些过程与变化？P22 答：由高等植物形成煤，要经历泥炭化作用与煤化作用两个过程。
煤化学答案
第二章习题 1. 煤是由什么物质形成的？P6 答：煤是由植物生成的。 在煤层中发现大量保存完好的古代植物化石和炭化了的树干；煤层底板岩层中发现了大量的根化石、痕木化石等植物化石；在显微镜下观察煤制成的薄片可以看到植物细胞的残留痕迹以及孢子、花粉、树脂、角质层等植物残体；在实验室用树木进行的人工煤化试验，也可以得到外观和性质与煤类似的人造煤。这就有力地证实了腐植煤是由高等植物变来的。 2. 按成煤植物的不同，煤可以分几大类？ P12 答：按成煤植物的不同，煤主要分为腐植煤、腐泥煤、腐植腐泥煤。腐植煤：高等植物腐泥煤：低等植物 腐植腐泥煤：高等植物+低等植物 3. 简述成煤条件。P20-21 答：煤的形成必须具备古植物、古气候、古地理和古构造等条件。古植物：大量植物的持续繁殖古气候：温暖、潮湿的气候环境 古地理：沼泽和湖泊古构造：合适的地壳升降运动 4. 由高等植物形成煤，要经历哪些过程和变化？P22 答：由高等植物形成煤，要经历泥炭化作用和煤化作用两个过程。 泥炭化作用过程：高等植物→泥炭 煤化作用过程又分为成岩作用和变质作用两个阶段。成岩作用阶段：泥炭→褐煤；变质作用阶段：褐煤→无烟煤。 5. 泥炭化作用、成岩作用和变质作用的本质是什么？P22、P25、P26 答：泥炭化作用是指高等植物残骸在泥炭沼泽中，经过生物化学和地球化学作用演变成泥炭的过程。 成岩作用：泥炭在沼泽中层层堆积，越积越厚，当地壳下沉的速度超过植物堆积速度时，泥炭将被黏土、泥砂等沉积物覆盖。无定形的泥炭在上覆无机沉积物的压力作用下，逐渐发生压紧、失水、胶体老化硬结等物理和物理化学变化，转变为具有岩石特征的褐煤的过程。 变质作用：褐煤沉降到地壳深处，受长时间地热和高压作用，组成、结构、性质发生变化，转变为烟煤和无烟煤的过程。 6. 按煤化程度，腐植煤可以分为几大类？它们有哪些区分标志？答：按煤化程度，腐植煤可以分为泥炭、褐煤、烟煤和无烟煤四个大类。 泥炭与褐煤的区分标志：外观上，泥炭有原始植物残体，呈土状；褐煤无原始植物残体，无明显条带。褐煤与烟煤的区分标志：颜色，褐煤呈褐色或黑褐色；烟煤呈黑色。 烟煤与无烟煤的区分标志 特征与标志烟煤无烟煤 颜色黑色灰黑色 光泽有一定光泽金属光泽 外观呈条带状无明显条带 燃烧现象多烟无烟 7. 影响煤变质作用的因素有哪些，对煤的变质程度有何影响？P28 答：影响煤变质作用的因素主要有：温度、时间和压力。 温度是影响煤变质作用的主要因素，存在一个煤变质的临界温度。转变为不同煤化阶段所需的温度大致为：褐煤：40～50 ℃，长焰煤：<100 ℃，典型烟煤：<200 ℃，无烟煤：<350 ℃。 这里所说的时间是指煤在一定温度和压力条件下作用时时间是影响煤的重要因素，
煤化学第三章煤的结构
第三章煤的结构 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。研究煤的结构，不仅具有重要的理论意义，而且对于煤炭加工利用具有重要的指导意义。由于煤炭组成的复杂性、多样性、非晶质性和不均匀性，所以将煤分离成为简单的化合物并研究其结构是一件非常困难的事情。虽然科学家对煤的结构做了长期、大量的研究工作，并取得了长足进展，但遗憾的是，迄今为止尚未明了煤结构的全貌，只是根据实验结果和分析推测，提出了若干煤的结构模型。本书重点介绍煤分子结构研究的结论。 第一节煤的大分子结构 一、煤大分子结构的基本概念 煤的有机质是由大量相对分子质量不同、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。根据实验研究，煤的有机质可以大体分为两部分:一部分是以芳香结构为主的环状化合物，称为大分子化合物;另一部分是以链状结构为主的化合物，称为低分子化合物。前者是煤有机质的主体，一般占煤有机质的90%以上，后者含量较少，主要存在于低煤化程度的煤中。煤的分子结构通常是指煤中大分子芳香族化合物的结构。煤的大分子结构十分复杂，一般认为它具有高分子聚合物的结构，但又不同于一般的聚合物，它没有统一的聚合单体。 研究表明，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于聚合物的聚合单体，它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;不规则部分则是连接在核周围的烷基侧链和各种官能团;桥键则是连接相邻基本结构单元的原子或原子团。随着煤化程度的提高，构成核的环数不断增多，连接在核周围的侧链和官能团数量则不断变短和减少。
道路沥青混合料种类与性质
第七章沥青混合料的组成设计 沥青混合料从颗粒均匀预涂沥青的沥青涂层碎石(coated stone)到沥青玛碲脂(mastic asphalt)其成分变化无穷。然而，沥青混合料大体上可以分为沥青混凝土(asphalt)和沥青碎石(macadam)两大类。 沥青混凝土与碎石的主要区别如下： ●沥青混凝土的集料级配一般由颗粒大致均匀的粗集料加上大量的细集料和很 少量的中等大小的集料组成。 ●沥青混凝土的强度与砂／填料／沥青成份的劲度即沥青砂浆有关；为了砂浆 要有足够的劲度，制造沥青混凝土时要用比较硬的沥青和含量高的填料；至于沥青碎石的强度，主要是依靠摩擦和集料颗粒间的机械互锁力，因此可以用较软等级的沥青。 ●由于沥青混凝土含的填料比例很大，也即是集料有大幅的表面积要用沥青裹 覆，因而沥青用量较高；而沥青碎石含细小的集料少，因此用以裹覆集料的沥青少量也够了；沥青碎石内的沥青主要功能是在压实时作为润滑剂和在使用过程中粘结着集料颗粒。 ●沥青混凝土的空隙率低，基本上不透水并且用予繁重交通的道路上非常耐久 ；沥青碎石的空隙率相对较高而具透水性，并不如前者耐久。从沥青涂层碎石到沥青玛蹄脂各种沥青合料中，使用的沥青等级愈来愈硬，沥青、矿料和砂的含量增加，粗集料含量减少。 图7-1 各种沥青混合料的典型级配曲线
§7．1道路沥青混合料的种类与性质 7．1．1沥青混凝土 用不同粒径的碎石、天然砂、矿粉和沥青按一定比例以及最佳密实级配原则设计、在拌和机中热拌所得的混合料称沥青混凝土混合料。这种混合料的矿料部分应有严格的级配要求。它们经过压实后所得的材料具有规定的强度和孔隙率时称作沥青混凝土。沥青混凝土的强度和密实度是一般沥青混合料中最大的，但它们在常温或高温下都具有一定的塑性。沥青混凝土的高密实度使得它水稳性好，因此有较强的抗自然侵蚀能力，故寿命长、耐久性好，适合作为现代高速公路的柔性面层。从国外以及国内的工程实践来看，以沥青混凝土作为高等级公路或城市道路的路面材料已经相当普遍。 由于沥青混凝土的胶结料主要为沥青，沥青是一种对温度十分敏感的材料，这就导致了沥青混凝土的性质（主要为力学性能）受温度的影响十分突出（这也是沥青混合料最大的特点），如它们的劈裂强度随温度的变化可从零下温度的几兆帕到高温的零点几兆帕而不同。 沥青混凝土的分类从广义来说，可包括沥青玛碲脂(MA)、热压式沥青混凝土(HRA)、传统的密级配沥青混凝土(HMA)、多空隙沥青混凝土(PA)、沥青玛碲脂碎石(SMA)以及其它新型的沥青混凝土。 传统沥青混凝土、SMA和多空隙沥青混凝土典型级配曲线的比较见下图： 图7－2 三种典型混凝土级配比较 上图中，曲线1为传统沥青混凝土，孔隙率3％；曲线2为SMA，孔隙率3％；曲线3为多孔沥青混凝土、孔隙率20％。就孔隙率而言，当马歇尔设计孔隙率小于4％（或路面实际孔隙率小于8％）时，它已形成较为密实的结构，水不易进入沥青混凝土，整个结构的耐久性较好；或者路面实际孔隙率大于15％时，
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第一章习题 1. 中国能源结构、煤炭资源的分布特点及生产格局、能源发展战略是什么？P1 答：中国能源结构：煤炭资源比较丰富，油气资源总量偏少。（富煤、贫油、少气）煤炭资源的分布：东少西多，南贫北丰，相对集中。 生产格局：北煤南运，西煤东调。 能源发展战略：节能优先、结构多元、环境友好。 2. 煤炭利用带来的环境问题有哪些？ 答：煤炭利用带来的环境问题如酸雨、臭氧减少、全球气候变暖、烟雾等。 3. 何谓洁净煤技术？有哪些研究内容？ 答：洁净煤技术是指从煤炭开发到利用的全过程中旨在减少污染排放与提高利用效率的加工、燃烧、转化及污染控制等新技术。 洁净煤技术的主要包括：煤炭开采、煤炭加工、煤炭燃烧、煤炭转化、污染排放控制与废弃物处理等。如：选煤，型煤，水煤浆，超临界火力发电，先进的燃烧器，流化床燃烧，煤气化联合循环发电，烟道气净化，煤炭气化，煤炭液化，燃料电池等。 4. 煤化学的主要研究内容？P4 答：煤化学是研究煤的生成、组成（包括化学组成和岩相组成）、结构（包括分子结构和孔隙结构）、性质、分类以及它们之间相互关系的科学。广义煤化学的研究内容还包括煤炭转化工艺及其过程机理等问题。 第二章习题 1. 煤是由什么物质形成的？P6 答：煤是由植物生成的。 在煤层中发现大量保存完好的古代植物化石和炭化了的树干；煤层底板岩层中发现了大量的根化石、痕木化石等植物化石；在显微镜下观察煤制成的薄片可以看到植物细胞的残留痕迹以及孢子、花粉、树脂、角质层等植物残体；在实验室用树木进行的人工煤化试验，也可以得到外观和性质与煤类似的人造煤。这就有力地证实了腐植煤是由高等植物变来的。 2. 按成煤植物的不同，煤可以分几大类？ P12 答：按成煤植物的不同，煤主要分为腐植煤、腐泥煤、腐植腐泥煤。 腐植煤：高等植物 腐泥煤：低等植物 腐植腐泥煤：高等植物+低等植物 3. 简述成煤条件。P20-21 答：煤的形成必须具备古植物、古气候、古地理和古构造等条件。 古植物：大量植物的持续繁殖
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一 1.煤是由什么物质形成的？ 答：煤是由植物（尤其是高等植物）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。 2.成煤植物的主要化学组成是什么？它们各自对成煤的贡献如何？ 答：组成：碳水化合物（carbohydrates ）、木质素（lignins ）、蛋白质（proteins ）、脂类化合物（lipids/lipidic compounds ） 贡献：木质素>碳水化合物>脂类化合物>蛋白质 原因：数量上，碳水化合物最多，木质素次之，蛋白质和脂类化合物较少；结构上，木质素、脂类化合物结构较稳定，碳水化合物、蛋白质易分解。 3.为什么木质素对成煤作用的贡献最大？ 答：含量仅次于碳水化合物； 结构为三维空间大分子，抵抗微生物分解的能力较强，且结构中含有酚类的结构，具有杀菌作用，所以木质素更容易在成煤过程中保存下来。 4.为什么木质素抗微生物分解能力较强？ 答：结构为三维空间大分子，且结构中含有酚类的结构，具有杀菌作用，所以抵抗微生物分解的能力较强。 5.什么是腐泥煤、什么是腐植煤？ 答：腐泥煤：主要由湖沼或浅水海湾中藻类等低等植物形成。 腐植煤：由高等植物经过成煤过程中复杂的生化和地质变化作用生成。 6.高等植物和低等植物在化学组成上的区别是什么？ 答：低等植物主要由蛋白质和碳水化合物组成，脂肪含量比较高，没有木质素； 高等植物以纤维素、半纤维素和木质素为主，植物的角质层、木栓层、孢子和花粉中还含有大量的脂类化合物。 7.煤炭形成需要哪些条件？ （1）大量植物的持续繁殖(生物、气候的影响) （2）植物遗体不能完全腐烂－－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） 8.什么是沼泽？按水的补给来源分，沼泽分为几类？ 答：沼泽是在一定的气候、地貌和水文条件下，常年积水或极其潮湿的地段，有大量植物生长和堆积。 （1）按水分补给来源的不同，可划分为三种类型： 低位沼泽：主要由地下水补给、潜水面较高的沼泽； 高位沼泽：主要以大气降水为补给来源的泥炭沼泽； 中位沼泽或过渡沼泽：兼有低位沼泽和高位沼泽的特点，其水源部分由地下水补给，部分又由大气降水补给的沼泽。 9.什么是成煤作用？它包括哪几个阶段？ 答：由植物转化为腐植煤要经历复杂而漫长的过程，经过复杂的生物、物理、化学作用转变成煤的过程。 可分为泥炭化作用和煤化作用。 10.什么是煤化程度？ 答：在褐煤向烟煤、无烟煤转化的进程中，由于地质条件和成煤年代的差异，使煤处于不同的
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煤化学复习资料 一、名词解释 1、真相对密度：在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。 2、视相对密度：在20℃时，单位体积（不包括煤粒间的空隙，但包括煤粒内的孔隙）的质量与同体积水的质量之比。 3、反应性：在一定温度下煤与不同气体介质（如二氧化碳、水蒸气、氧气等）相互作用的反应能力。 4、结焦性：在工业条件下将煤炼成焦炭的性能。 5、粘结性：煤在隔绝空气条件下加热时，形成具有可塑性的胶质体，黏结本身或外加惰性物质的能力。 6、热稳定性：块煤在高温下保持原来粒度的性能。 7、煤的风化：靠近地表的煤层受大气和雨水中氧长时间的渗透、氧化和水解，性质发生很大变化的过程。 8、内在水分：煤在一定条件下达到空气干燥状态时所保持的水分。 9、外在水分：在一定条件下煤样与周围空气湿度达到平衡时失去的水分。10、透光率：煤样和稀硝酸溶液，在100℃（沸腾）的温度下，加热90min后，所产生的有色溶液，对一定波长的光（475nm）透过的百分数。11、孔隙率：煤粒内部存在一定的孔隙，孔隙体积与煤的总体积之比。12、高位发热量：由弹筒发热量减去硝酸生成的热和硝酸校正热后得到的发热量。13、恒容低位发热量：由高位发热量减去水（煤中原有的水和煤中氢燃烧生成的水）的汽化热后得到的发热量。 二、填空1、由高等植物形成的煤称作腐殖煤，由低等植物形成的煤称作腐泥煤。 2、影响变质作用的因素主要有：温度、压力、时间。 3、煤的大分子结构是由多个结构相似的基本结构单元通过桥键连接而成的。 4、由泥炭逐渐转变为岩石状的褐煤的这一过程称为煤的成岩作用。 5、煤的有机显微组分有镜质组、壳质组、惰质组。 6、工业分析将煤分为水分、灰分、挥发分、固定碳四种组分。 7、煤灰中主要的成分有SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO、CaO。 8、胶质体的性质有：热稳定性、透气性、流动性、膨胀性。 9、常见的气化介质有二氧化碳、水蒸气、氧气。10、粘结性烟煤热解过程分为干燥脱吸、活波分解、二次脱气三个阶段。10、煤的宏观煤岩成分包括镜煤、亮煤、暗煤、丝炭。
煤化学 第七章 煤的化学性质
第七章煤的化学性质 第一节煤的氧化性质 一、不同氧化条件下煤的氧化产物 煤的氧化是研究煤结构和性质的重要方法，同时又是煤炭加工利用的一种工艺。煤的氧化是在氧化剂作用下煤分子结构从复杂到简单的转化过程。氧化的温度越高、氧化剂越强、氧化的时间越长，氧化产物的分子结构就越简单，从结构复杂的腐植酸到较简单的苯羧酸，直至最后被完全氧化为二氧化碳和水。常用的氧化剂有:高锰酸钾、重铬酸钠、双氧水、空气、纯氧、硝酸等。煤的氧化可以按其进行的深度或主要产品划分为表面氧化、轻度氧化中度氧化、深度氧化和完全氧化。 (一)煤的表面氧化 氧化条件较弱，一般是在100 ℃以下的空气中进行，氧化反应发生在煤的内外表面，主要形成表面碳氧络合物。这种络合物不稳定，易分解为CO、CO2和H2O等。煤经氧化后易于碎裂，表面积增加，使氧化加快。煤的表面氧化虽然氧化程度不深，但却使煤的性质发生较大的变化，如热值降低、黏结性下降甚至消失、机械强度降低等，对煤的工艺应用有较大的不利影响。 (二)煤的轻度氧化 1.轻度氧化条件及产物 氧化条件有所增强，一般是在100～300 ℃的空气或氧气中氧化、100～200 ℃的碱溶液中用空气或氧气氧化或在80～100 ℃的硝酸溶液中氧化。氧化的产物主要是可溶于碱液的高分子有机酸，称为再生腐植酸。 再生腐植酸与煤中的天然腐植酸结构和性质相似，通过研究再生腐植酸可以得到煤结构的信息，同时，腐植酸又有许多用途，如作为肥料使用，可刺激植物生长、改良土壤、蔬菜病虫害防治、饲料添加剂等;在工业上可用做锅炉除垢剂、混凝土减水剂、硬水软化剂、型煤黏结剂、水煤浆添加剂等。 泥炭、褐煤、风化煤被碱所抽提的物质称为腐植酸。腐植酸具有弱酸性，它不是单一的化合物，是由多种结构相似但又不相同的高分子羟基芳香酸所组成的复杂混合物。它的组分既不具有塑性，也不具有弹性，而是一种高分子的非均一缩聚物。它既不溶解于水，又不结晶，是一种无定形的高分子胶体。按腐植酸在不同溶剂中的溶解度和颜色，一般可分成三个组分，即黄腐酸、棕腐酸和黑腐酸(见图7-1)。
煤化学知识点
第一章煤的种类、特征与生成 1、泥炭化作用 泥炭化作用就是植物物质经受生物化学分解及合成的复杂的过程。最终形成泥炭的作用、 属性:泥炭化作用也就是—种植物物质的生物化学分解作用,它与水解作用、氧化与还原作用有关。 条件:泥炭化作用发生于覆水地区的水位以下,即与大气局部沟通的状态下。泥炭化作用的直接产物除了泥炭以外,分解出的气态产物有二氧化碳、水、沼气与少量氮。 泥炭化过程的生物化学变化大致可分儿两个阶段; 第一阶段:植物残骸中的有机化合物经过氧化分解、水解,转化为简单的化学性质活泼的化合物; 第二阶段:分解产物相互作用,进一步合成新的较稳定的有机化合物,如腐植酸、沥青质等。 1、1 凝胶化作用 (一)概念与条件: 1、概念:凝胶化作用:指植物的主要组成部分在泥炭化过程中经过生物化学变化与物理化学变化,形成以腐植酸与沥青质为主的要成分的胶体物质(凝胶与溶胶)的过程。 2、条件:凝胶化作用的条件:①较为停滞的、不太深的覆水条件下,②弱氧化至还原环境,③在厌氧细菌的参与、 植物的木质纤维组织一方面进行生物化学变化,一方面进行胶体化学变化,二者同时发生与进行导致物质成分与物理结构两方面都发生变化。 1、2 丝炭化作用 (1)概念:植物的木质纤维组织在泥炭沼泽的氧化环境中,受到需氧细菌的氧化作用,产生贫氢富碳的腐殖物质,或遭受“森林火灾”而炭化成木炭的过程。产物为丝炭,依成因分为氧化丝质体与火焚丝质体。 2、根据形成煤炭的物质基础划分煤炭的类型称为成因类型。 (1)腐植煤 Humic Coal:由高等植物经过成煤过程中复杂的生化与地质变化作用生成。 (2)腐泥煤 sapropelite:主要由湖沼或浅水海湾中藻类等低等植物形成。储量大大低于腐植煤,工业意义不大。 (3)残植煤 liptobiolite:由高等植物残骸中对生物化学作用最稳定的组分(孢子、角质层、树皮、树脂)富集而成。 (4)腐植腐泥煤humic-sapropelic coal:由高等植物、低等植物共同形成的煤。 煤化作用的因素:1、温度(最重要的影响因素);2、时间;3、压力(压力因素虽阻碍化学反应,但却引起煤的物理结构发生变化。) 3、煤化作用特点: (1)、煤在连续地系列演化过程中,可明显地显现出增碳化(相对)趋势(特点) (2)、随着煤化作用进程,煤的有机分子表现为结构单一化趋势 (3)、随着煤化作用进程,煤的有机为分子结构表现为致致密化与定向排列的趋势 (4)、随着煤化作用进程,煤显微组分性质呈现为均一性趋势。 (5)、煤化作用就是一种不可逆的反应。 （6）、煤化作用的发展就是非线性的,表现为煤化作用的跃变,简称煤化跃变。
煤化学试题
一、填空题（将正确答案填在括号内，每题1.5分，共 30分）。1．煤中的水分按照它的存在状态及物理化学性质，可分为外在水分、及化合水三种类型。 2．煤的外在水分与的总和称为煤的全水分。 3．碳是煤中有机质组成中含量最高的元素，并随着煤化程度的升高而。（填“增加”或“减少”） 4．煤中硫根据其存在状态可分为有机硫和两类。5．煤的热解按其最终温度不同可分为：高温干馏、和低温干馏。 6．煤的反应性随煤化程度的加深而。（填“增强”或“减弱”） 7．．煤的燃点随着煤化程度的增加而。（填“增高”或“降低”） 8．中国煤炭分类方案根据煤化程度将煤分成褐煤、和无烟煤。 9．煤气的有效成分主要有氢气、和甲烷。 10．根据煤在气化过程中使用的气化剂不同，煤气可分为空气煤气、、半水煤气和混合煤气。 11．根据成煤原始物质和堆积的环境不同，可把煤分成：、腐泥煤类和腐植腐泥煤类三种类型。 12．根据成煤过程中煤化程度的不同，腐植煤可分为：泥炭、褐煤、和无烟煤。
13．是煤化程度最高的腐植煤。 14．根据成煤过程中影响因素和结果不同，成煤过程可分为：泥炭化作用和两个阶段。 15．煤岩学的研究方法有：宏观研究法和。 16．根据煤的平均光泽强度、各种煤岩成分的比例和组合情况划分为光亮型煤、、半暗型煤和暗淡型煤。 17．煤的显微硬度与煤化程度之间的关系是靠背椅式的变化规律，“椅背”是无烟煤；“椅面”是；“椅腿”是褐煤。 18．煤的工业分析包括水分、、挥发分和固定碳四项。19．煤的元素分析包括碳、氢、、氮、硫等元素的测定。 20．煤样的制备包括破碎、、混合、缩分和干燥等程序。 二、判断题（正确的打“O ”，错误的打“×”，每题 1.5 分，共 60 分）。 （）1．煤的挥发分，是指煤样在规定条件下，隔绝空气加热，并进行水分校正后挥发物质的产率。 （）2．随着煤化程度的增加，煤中水分逐渐减少；固定碳含量逐渐增加；挥发分产率先增加后减少。 （）3．碳是煤中主要组成元素，是炼焦时形成焦炭的主要物质基础，是燃烧时产生热量的主要来源。
煤的化学组成与分类
煤的化学组成与分类 1．煤的化学组成 ◆各种化合形式的有机物质。 这些有机物的组成元素有C、H、O、N和一部分S。 ◆灰分。 煤中不能燃烧的矿物质统称为灰分，由SiO2、Al2O3、CaO、MgO、Fe2O3、Na2O等矿物质组成。 根据灰分的来源，煤中的灰分分为原生灰分和再生灰分◆水分。 煤中的水分是有害成分。 煤中的水分以外部水分、吸附水分和结晶水三种形式存在2．煤的化学成分表示方法 煤的成分通常用各组成物的质量百分含量来表示。通常要用下述几种表示方法： ◆应用成分。将碳、氢、氧、氮、硫、灰分和水分在应用基中的质量百分含量定义为煤的应用成分，表示方法为在对应组成的右上角加标y，即： Cy+Hy+Oy+Ny+Sy+Ay+Wy=100％ ◆干燥成分。用不含水分的干燥基中的各组分百分含量来表示煤的化学组成，用这种方法表示的成分称为煤的干燥成分，表示方法为在相应组成的右上角加标g，即：
％Cg+Hg+Og+Ng+Sg+Ag=100 ◆可燃成分。用C、H、O、N、S在可燃基中的百分含量来表示，称为可燃成分，表示方法为在对应组成的右上角加标r，即： Cr+Hr+ Or +Nr+Sr=100％ 上述用各种方法表示的成分之间是可以进行换算的，换算系数列于表4—25。 表4—25 煤的各种成分换算系数 ◆煤的工业分析成分。将一定重量的煤加热到110℃，使其水分蒸发以测出水分的百分含量w，，再在隔绝空气的条件下，将煤样加热到850℃，并测出挥发分的百分含量V，，然后再将煤样通以空气，使固定碳全部燃烧，以便测出灰分的百分含量A，最后可确定出煤的固定碳百分含量为：Cy=(100－(Wy+Ay+Vy))×100％ 3．煤的分类 煤的分类主要是按使用上的要求、煤的质量特性、煤的 变质特性等划分。 ◆按挥发分固定碳含量要求分类(见表4—26)。 表4—26 按挥发分(Vr)固定碳(c)含量要求分类 ◆按煤的挥发分、胶质厚度分类(见表4—27)。
沥青混合料组成设计
沥青混合料组成设计 热拌沥青混合料的配合比设计包括3个阶段： 1、目标配合比设计阶段——确定所用材料、计算矿料配合比、据马歇尔试验确定最佳沥青用量，把这个结果作为目标配合比进行试拌，确定拌合机各冷料仓的供料比例、进料速度。 2、生产配合比设计阶段——从二次筛分后进入各热料仓的材料取样筛分，确定各热料仓的材料比例（供控制室使用）。同时调整冷料仓的进料速度，确定生产配合比得最佳沥青用量(目标配合比的最佳沥青、±0.3%)。 3、生产配合比验证阶段——用生产配合比进行试拌、铺试验段，做马歇尔试验进行检验，确定生产用的标准配合比。标准配合比是生产控制的依据和质量检验的标准。矿料级配至少0.075、2.36、4.75三档的筛孔通过率接近要求的中值。 沥青混合料目标配合比设计阶段如何根据马歇尔试验确定沥青最佳用量1）．首先根据选用矿料颗粒组成确定各种矿料的比例，使混合的矿料级配符合设计或规范要求。 2）．根据规范和经验估计适宜的沥青用量，以此沥青用量为中值、0.5%为间隔取5个不同的沥青用量，分别拌和沥青混合料，制备5组马歇尔试验试件。3）．测定试件的密度，计算孔隙率和饱和度。并进行马歇尔试验，测定稳定度和流值等物理力学指标。 4）．整理试验结果。以沥青用量为横坐标，以密度、孔隙率、稳定度、流值和饱和度指标为纵坐标，分别点出试验结果，并绘制关系曲线图。 5）．在图中求取密度最大值对应的沥青用量为a1，稳定度最大值对应的沥青用量为a2，规定空隙率范围的中值对应的沥青用量为a3。计算出沥青最佳用量的初始值OAC1=（a1+a2+a3）/3。 6）．求出符合规范或设计的沥青用量范围OACmin~OACmax，并求取中值OAC2=（OACmin+OACmax）/2。 7）．按沥青最佳用量初始值OAC1在曲线图上求取相应的各项指标值，当各项指标均符合要求时，OAC1和OAC2综合决定沥青最佳用量。若不满足要求时，
煤化学
1．矿物的概念、内涵？岩石、矿石及矿物之间的关系？ 答：矿物是指地质作用过程中形成的具有相对固定的化学组成以及确定的晶体结构的均匀固体。它们具有一定的物理、化学性质，在一定的物理化学条件范围内稳定，是组成岩石和矿石的基本单元。矿物作为组成岩石和矿石的基本单元，应该是各部分均一的，亦即不能用物理的方法把它分成化学成分上更为简单的不同物质。 2．元素的离子类型与形成矿物的特点？（矿物学基础P33-34）根据形成离子的最外层电子结构，可将元素分成三种基本类型（表4-1） 惰性气体型离子：包括碱金属和碱土金属以及一些ⅢA∽ⅦA的非金属元素。当它们得失电子成为离子时，其最外电子层与惰性气体原子的最外电子层结构相似，具有8个或2个电子。碱金属和碱土金属的电离势小，易形成阳离子，而非金属元素（主要是氧和卤族元素）电负性大，易形成阴离子。氧是地壳中最多的元素，所以其他元素易与氧结合形成氧化物或含氧盐（主要是硅酸盐），形成大部分造岩矿物，地质上将这部分元素称为造岩元素，也称亲石元素或亲氧元素。碱金属和碱土金属的离子半径较大，与氧和卤族元素形成以离子键为主的矿物。 铜型离子：ⅠB,ⅡB以及部分ⅢA∽ⅥA的金属、半金属元素。他们失去电子成为阳离子时，最外电子层具有18或18+2个电子，与的最外电子层结构相似。本类元素易与结合形成以共价键为主的金属矿物，因此这部分元素被称为造矿元素，也称亲疏元素或亲铜元素。 过渡性离子：包括ⅢB∽Ⅷ（含镧系和锕系）区的元素。其阳离子最外电子层具有8-18个电子的过渡性结构。其离子的性质介于惰性气体型离子和铜型离子之间。外电子层电子越接近8者（Mn和铁族的左侧），亲氧性越强，易形成氧化物和含氧盐；而愈近于18者（Mn和铁族的右侧），亲疏性愈强，易形成硫化物；居于中间的锰和铁，则与氧和硫都能结合。 3．形成矿物的地质作用类型及特点？ 答：矿物形成的地质作用根据能量来源一般分为内生作用、外生作用、和变质作用。 内生作用：主要指由地球内部热能导致的形成矿物的各种地质作用。主要包括岩浆作用、伟晶作用和热液作用。 外生作用：又称表生作用，指发生于地球表层，主要在太阳能作用下，岩石圈、水圈、大气圈和生物圈相互作用过程中形成矿物的各种地质作用。主要有风化作用和沉积作用。 变质作用：指已形成的矿物，受到岩浆活动和地壳运动的影响，发生结构和（或）成分改造，导致矿物形成的地质作用。主要包括接触变质作用和区域变质作用。 4．矿物的颜色、条痕、光泽及发光性？
煤化学课后习题答案
填空 1 植物是成煤的主要原始物质，因此植物界的发展、演化以及各类植物的兴盛、衰亡必然影响着地史使其成煤特征的演化。P6 2从化学观点来看，植物的有机族组成可以分为四类，即糖类及其衍生物、木质素、蛋白质、和脂类化合物。P8 3 煤由堆积在沼泽中的植物遗体转变而成、植物遗体不是在任何情况下都能顺利的堆积并能转变为泥炭，而是需要一定的条件。P12 4 泥炭的有机组成包括1腐植酸、2沥青质、3未分解或未完全分解的纤维素、半纤维素、果胶质、和木质素。4变化不多的壳质组分，如角质膜、树脂和孢粉。P24 5 煤中低分子化合物可分为两类，即烃类和含氧化合物。P39 6 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。P48 7 烟煤的宏观煤岩类型分为(1)光亮煤(2)半亮煤（3）半暗煤(4)暗淡煤P50 8 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。P61 9 工业分析可以将煤的组成分为：水分、灰分、挥发分和固定碳。 游离水；外在水分内在水分 水分 化合水；结晶水热解水 外在水分是指煤放置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。全水分，用Mt或Mar表示。P80 10 煤的灰分：煤样在规定条件下完全燃烧后所得的残渣。该残渣的质量占测定煤样质量的百分数称为灰分产率，简称为灰分。P83 11 煤的灰分不是煤中的固有组成，而是由煤中的矿物质转化而来的。P83 12 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。实际上，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。挥发分用V表示，固定碳用FC表示。P84 13 煤中矿物质种类按矿物质组成分类 1）黏土矿物2）石英3）碳酸盐矿物4）硫化物和硫酸盐矿物P87 14煤灰是煤中矿物质在燃烧后形成的残渣，其中SIO2含量最大，其次是AL2O3 P90 15 大量的研究表明，煤的有机质主要是由碳、氢、氧、氮和硫等五种元素组成的。P94 16 常用的有机溶剂大致可分为； (1)中性溶剂(2)碱性溶剂(3)酸性溶剂(4)混合溶剂P107 17真相对密度的影响因素P115， 成因类型 煤岩组成 矿物质 煤化程度