6 煤的物理性质与固态胶体性质 北京化工大学《煤化学》课件

:

6 煤的物理性质与固态胶体性质

（多媒体课件教案）

教学目标：了解煤的密度、机械、热、光学、电、磁性质和固态胶体性质。

教学内容：基本概念：煤的密度、可磨性、透光率、反射率、折射率、荧光性、透光率

基本原理： （1） 影响煤密度的因素 （2） 各种煤密度之间的关系 （3） 煤的显微硬度与煤化度的关系 （4） 煤固态胶体性质的表现 （5） 煤导电性的影响因素 （6） 煤的光学性质随煤化度的变化 （7） 煤的润湿性随煤化度的变化 基本计算：孔隙率

6.1煤的密度

密度是物质分子空间结构的宏观表征，物质的所有宏观性质均在一定程度与密度有关。 6.1.1煤密度的表示方法。

（1）真相对体积质量（真比重）——煤的密度（不包括煤中孔隙的体积）与参考物质的

密度在规定条件下之比。 TRD 通常条件20℃；参考物质：水。

（2）视相对体积质量（视比重）——煤的密度（包括煤中孔隙的体积）与参考物质的密 度在规定条件下之比。 ARD

孔隙率=（TRD－ARD）／TRD×100%

（3）散密度（堆比重）——在容器中单位体积散状煤的质量。 6.1.2煤真密度的测定极其随煤化度的变化 （1）真密度测定：常用比重瓶法（GB217）

原理：一定体积的煤能在容器中量出一定体积的介质，求出介质体积（或质量）在 有煤与无煤时的变化，即可准确地知道煤的体积，从而求出TRD。 准确测定的前提：

1）将煤粉碎至煤粒内部没有封闭孔。 2）选取适当介质，使之充满煤的全部孔隙 3）介质与煤不存在表面效应。

同时具有上述条件的最好物质之一是氦。 （2）TRD随rank 的变化.

如图：

镜质组的TRD在Cdaf=87%处出现最小化。

原因：在Cdaf＜87%时，C增大，但O减小更快，故TRD减小。 在Cdaf＞87%时，C增大，O减小较少，故TRD增大。 6.1.3影响煤密度的因素

6.2煤的机械性质

——在机械力作用下表现的各种性质。

6.2.1煤的硬度

外来机械力 硬度表征

标准矿物刻划 莫氏硬度——常用 钢球自由落下弹性回跳 有氏硬度

压痕（钢球或金刚石锥） 努普强度、维氏显微强度——常用

维氏显微强度Hm 与rank的关系是著名的椅氏曲线。如图：椅背——无烟煤，椅面——烟煤，椅角——褐煤

在Cdaf~78%处，极大值；在Cdaf~87%处，极小值。 原因：与煤的组成、结构随rank 变化有关。 其他机械性质还有脆度、可磨性和弹性。 6.2.4煤的弹性

煤的弹性是指外力（荷重）下所产生的形变，以及外力除去后形变的复原程度。由于物质的弹性与其结构有关，特别是与构成它的分子间结合力的大小有着密切关系，因此测定煤的弹性对研究煤结构也是很重要的。例如，由煤的弹性模量可以显示出煤结构单元间化学键的特性。此外，因为煤的弹性与煤的压缩成型性关系密切，因此研究煤料的弹性有助于提高型煤与型焦的产品质量。

测定方法：静态法和动态法。

静态法测定压力与应变之间的关系，例如可测定煤块在不同荷重下所发生的弯曲度。动态法，测定声音在煤中的传递速度，可由下式计算煤的弹性模量：

v?kE? 由于煤中存在微细龟裂等原因，用静态法测得的静态弹性模量数值偏低，而动态法测得的动态弹性模量值可靠性大。

在弹性模量中有杨氏弹性模量E，刚性模量G，横向变形系数（泊松比）μ和压缩率K等参数。低煤化度煤与烟煤的弹性模量通常是各向同性的，而高煤化度煤则显示各向异性。杨氏弹性模量E及刚性模量G与煤化度的关系如图6-5所示。

由图可见：当Cdaf＞90%时，E和G的数值均随煤化度提高而急剧增加。同时显示出各向异性，表现为E2和G2均为单独的曲线。

与弹性相反的性质是塑性，可塑性愈大。成型愈容易。煤料成型过程中所表现的弹性可用形块成型脱模后的相对膨胀率来表征。煤料的弹性大则型块较松散，难于成型或难于脱模。如果增大成型压力则增加费用，还可能在脱模时因弹性膨胀（回弹力）而胀裂，甚至胀碎。

从能量的角度看，塑性可将压缩的能量吸收，使颗粒靠紧。弹性是把能量暂存，当外力消失后又大部分释放出来。因此，要提高型块的质量就要减小煤料的弹性而增加其塑性。低煤化度褐煤中含有较多的腐殖酸和沥青等“自身粘结剂”，其弹性小，具有塑性，有可能不加粘结剂而实现高压成型。高煤化度褐煤、烟煤和无烟煤弹性较大，需加粘结剂提高塑性，减小煤料弹性后才能较好成型。

不同显微组分其弹性不一样，从小到大的排列顺序为稳定组、镜质组、丝质组。但随着煤化度的增加，它们之间的差别渐小。此外，煤中的矿物质和水分越多，矿物质的密度越大，则煤的弹性也越大。

6.3煤的热性质

——用于煤的热计算。

（1）质量热容（热容量）KJ/Kg.K

室温下的煤1.00~1.26，受rank、水分、灰分、温度的影响。 （2）导热系数与导温系数——经验公式计算。

导热系数（热导率） λ=0.0003

6.4 煤的光学性质

煤的光学性质主要包括煤的反射率、折射率、透光率、X射线衍射图谱、红外光谱、紫外光谱和荧光性等。煤的光学性质可提供煤化度、各向异性及芳香层大小排列等煤结构的重要信息。煤在光学上的备向异性反映了煤结构内部微粒的形状和定向、聚集状况等。煤的光学性质也可作为煤分类的重要指标。本市重点介绍煤的反射率、折射率、透光率和荧光性。 6.4.1煤的反射率。R

通常：光电倍增长光电计——镜质组反射率Rran或Rmax——表征rank。

不同煤的反射率，如未特别指明，均指镜质组反射率，它与Cdaf，Vdaf关系良好，是重要的煤分类指数。 6.4.2煤的折射率n

当不能直线测定，但可以由反射率计算——比尔公式

随rank增大，n增大，当Cdaf ＞85%后，出现双折射现象。 表明：褐煤、年轻烟煤 光学各向同性——分子结构无序化 中变质烟煤后 光学各向异性——分子结构有序化 6.4.3煤的透光率Pm

——煤样与稀硝酸在规定条件下制成的有色溶液，对一定波长的光透过的百分率。 Pm是区分褐煤和长焰煤（最年轻的烟煤）的重要指标。

褐煤 长焰煤 气煤 肥煤以后

染色反应 红棕 浅黄——黄 微黄 无色（不反应） Pm，% ＜50 ＞50 ＞90 100 6.4.4煤的荧光性

——煤中稳定组与部分镜质组受紫外光或蓝色照射、激发后，呈现不同颜色荧光的现象。

荧光性表征：荧光色、（546nm波长）荧光温度、荧光光谱、最大荧光温度的波长 λmax等。

煤的荧光性受显微组分、煤化度与还原程度的影响，与煤的粘结性关系密切，其研究日益受到重视。

6.5煤的电性质与磁性质

6.5.1煤的导电性

干煤：半导体——导体 湿煤：导体

受煤化度、岩相组成、矿物质与水分的影响。 6.5.2煤的介质常数ε

——煤处于两块金属板之间构成电容器的蓄电量与真空时的蓄电量之比。 受煤化度、水分影响很大，可用ε来在线测定煤中水分的变化。 6.5.3煤的磁性质

煤的有机质具抗磁性，（即磁化产生是附加磁场与外磁场方向相反）。 表征：磁化率K、比磁化率X、mol磁化率Xm 等。 煤的磁性质与煤的结构有关，是煤研究的基础。

6.6煤的固态胶体性质

煤具有固态胶体性质的原因：镜质组具凝胶化成因，因此煤具有某些胶体性质。 煤的固态胶体性质的表现：

煤是一种多孔物质，具有较大的内表面积； 对某些液体或气体具有较强的吸附能力；

在蒽油、吡啶等有机溶剂中发生溶解作用，甚至形成胶体溶液。 6.6.1煤的润湿性

用接触角θ表征；测定方法有粉末法、做板法、液滴法等。 θ受煤化度的影响。 Rank增大，（cosθ）水减小——θ水增大，润湿性变小 （cosθ）苯减小——θ苯增大，润湿性变小。

说明，随rank 增大，煤的极性减小，这与煤的极性因随rank 增大而减小有关； 由cosθ——可求比表面积S 6.6.2煤的润湿热

可用甲醇测定，一般很小。煤的润湿热与煤的表面积有近的关系。

煤的表面积S=润湿热/（0.39~0.42），m2 6.6.3煤的内表面积

煤是多孔物质，一般内表面积比外表面积大很多，以致外表面积经常可以忽略，故常用 表征方法——比表面积：单位质量煤的总表面积。m2/g。 常用测定方法（因活化度）：润湿热法、BET法、气相色谱法、微孔体积法等 6.6.4煤的孔隙率与孔径分布

孔隙率可测，也可计算，均与真相对密度TRD、视相对密度ARD有关。 孔径分布分类：微孔 φ＜1.2nm 过渡孔（中孔）φ1.2~30nm 大孔 φ＞30nm 孔径分布随rank变化：

Cdaf ＜75% 大孔占优 Cdaf 75%~82% 中、微孔发达 Cdaf ＞82% 微孔占优

近年，在煤的孔隙中发现分子筛结构，特征、低孔径的中孔（2~4nm）之间由微孔 （0.5~0.8nm）连通。

故，用适宜的煤——炭化——活化——炭分子筛。