chap7 煤的物理性质和物化性质

第五部分煤的性质第七章煤的物理性质和物理化学性质第八章煤的化学性质第九章煤的工艺性质第七章煤的物理性质和物理化学性质 煤的密度（真密度、视密度、堆积密度） 煤的机械性质（硬度、可磨性） 煤的热性质（比热、导热性、热稳定性） 煤的电性质（介电常数、导电性） 煤的光学性质（折射率和透光率） 煤的磁性质 煤的润湿性 煤的孔隙度和比表面积了解煤的物理性质，对煤的开采、破碎、分选、型煤制造、热加工等具有很大的实际意义，不但可以作为初步评价煤质的依据，还可以为煤的基础理论研究(如煤的或因、组成、结构，变质机理和解决煤层对比等)提供重要信息。第一节煤的密度1.真(相对)密度truerelativedensity,TRD(真比重)1.1真密度的概念：20℃时煤的质量与同体积(不包括煤的所有孔隙)水的质量之比。1.2真密度的用途：真密度是煤的主要物理性质之一，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。1.3纯煤真密度的概念：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：第一节煤的密度1.4影响煤真密度的因素影响煤真密度的因素有成因类型、煤岩组成、矿物质、煤化程度等。★腐植煤的真密度一般不低于1.25g/cm3，而腐泥煤仅为1.00g/cm3左右；★惰质组的密度最大，镜质组次之，稳定组最低，随煤化程度的提高这种差别减小，到无烟煤阶段趋于一致；★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；★对煤的真密度影响最大的是煤化程度。2煤的视(相对)密度apparentrelativedensity,ARD2.1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。●计算煤的孔隙率第一节煤的密度第一节煤的密度3.煤的堆积密度(bulkrelativedensity，BRD)3.1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。用BRD表示。堆积密度的大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。3.2堆积密度的用途：堆积密度对煤炭生产和加工利用部门在设计矿车、煤仓、估算煤堆重量、炼焦炉炭化室和气化炉的装煤量等都有很大的实用意义。各种密度的测定方法真密度　　视密度　　堆密度第二节煤的机械性质机械性质的概念：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、可磨性等，这些性质对煤的开采、破碎、燃烧、气化和成型等工艺过程有实用意义。1.煤的硬度●刻划硬度●显微硬度1.1煤的刻划硬度采用一套具有标准硬度的矿物刻划煤，得到粗略的相对硬度，称为刻划硬度，又叫莫氏硬度。标准矿物的莫氏硬度见表4－3。根据莫氏硬度的划分，煤的硬度一般为1～4。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2～2.5，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，稳定组最小，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的指标。1.2煤的显微硬度显微硬度属于压入硬度的一种。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尺寸，如用方形棱锥形金刚石压入器时，测量压痕对角线的长度，即可计算出显微硬度值：1.2煤的显微硬度式中H－显微硬度，MPa；P－加在压入器上的负荷，N；d－压痕对角线长度，mm；－方形棱锥体两相对锥面的夹角，一般为136。显微硬度的影响因素（一）随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；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；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。显微硬度的影响因素（二）煤岩组成和其他因素　煤岩组成：同一煤化程度，各煤岩组成硬度不同。惰质组最大，镜质组居中，壳质组最小其他因素矿物质含量影响硬度。风化氧化，硬度↓1.3煤的脆度：机械坚固性指标1、抗碎强度：（对撞击的对抗）（1）铁箱落下试验a、60-100mm，25kg，放入特制活底铁箱中b、离地2米高自由下落c、以25mm筛筛分，称出不小于25mm煤质量G1d、G1占原煤质量的百分数——抗碎强度1.3煤的脆度：机械坚固性指标1、抗碎强度：（对撞击的对抗）（1）铁箱落下试验a、60-100mm，25kg，放入特制活底铁箱中b、离地2米高自由下落c、以25mm筛筛分，称出不小于25mm煤质量G1d、G1占原煤质量的百分数——抗碎强度（2）10块试验法a、取10块粒度为60-100mm，煤G克；b、自2米高处下落到15mm厚金属板上（落下时，应将煤块按其层理设X、Y、Z三个方向落下）；c、将大于25mm再次下落，如此共三次；d、称出大于25mm煤质量G1e、计算G1/G×100%——强度指标2、抗压强度（对压力的对抗）——显微脆度在一定静负荷下，以每一百个压痕中出现裂痕的数值来表示显微脆度。影响脆度因素1、煤化程度中变质程度，脆度大高、低变质程度脆度小（无烟煤脆性＜褐煤）。2、煤岩成分丝炭最脆，镜煤、亮煤居中，暗煤最硬。1.4煤的可磨性煤的可磨性是指煤磨碎成粉的难易程度。目前，国际上普遍采用哈特葛罗夫法评定煤的可磨性(Hardgrovegrindabilityindex,HGI)。其基本依据是研磨煤粉所消耗的功与新产生的表面积成正比。1.4煤的可磨性哈特葛罗夫法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，先将四个一组可磨性指数各不相同的标准煤样，在哈氏可磨仪上研磨，该标准煤样在规定条件下，经过一定破碎功的研磨，以标准煤的200目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。被测煤样在哈氏可磨仪上研磨后，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。可磨性与煤的工业分析指标之间的关系可磨性与煤岩形态和显微组分分布实验条件对HGI可磨性的影响1.5　煤的弹性和塑性 外力作用形变，外力除去后形变的复原程度。 与压缩成形成反比：弹性↑，压缩成型↓ 煤化程度↑，弹性↑，成型性↓1.6　煤的粒度组成 P194第三节煤的热性质煤的热性质－比热，导热性，热稳定性（一）含义：指在一定温度范围内，单位质量的煤温度升高1℃所需要的热量。（二）影响比热容的因素1、煤的比热容随水分增大而提高。2、煤的灰分较多时，比热容则减小。3、煤的比热容一般随煤化程度的提高而减小。一、煤的比热容第三节煤的热性质煤的热性质－比热，导热性，热稳定性（一）含义：指在一定温度范围内，单位质量的煤温度升高1℃所需要的热量。（二）影响比热容的因素1、煤的比热容随水分增大而提高。2、煤的灰分较多时，比热容则减小。3、煤的比热容一般随煤化程度的提高而减小。一、煤的比热容比热容和煤中碳含量的关系比热容和随温度的变化规律第三节煤的热性质（二）热稳定性煤的热稳定性的概念：煤的热稳定性是块煤在高温下保持原来粒度的能力，用TS（ThermalStability）表示。热稳定性的用途：固定床燃烧或气化用燃煤的重要指标。第三节煤的热性质热稳定性的测定要点：取6～13mm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。第四节煤的电性质煤的电性质包括导电性和介电常数。1、煤的导电性1.1煤的导电性的概念煤的导电性是指煤传导电流的能力。导电性常用电阻率（即比电阻m）或导电率（电阻率的倒数）表示。导电率越大，煤的导电能力越强。利用导电性可以进行选煤。煤的导电有离子导电和电子导电两种形式，无烟煤以电子导电为主，褐煤是离子导电为主。1.2煤导电性的随煤化程度的变化规律褐煤的电阻率较低，随着煤化程度的加深电阻率增加，到长焰煤时达到最大，此后煤化程度加深，煤的电阻率呈缓慢下降趋势，到碳含量达到90％以上的无烟煤时，电阻率迅速下降。煤的导电性属于半导体或导体的范围。在中、低变质程度阶段：煤的电阻率随矿物质含量的增加而减少;在高变质程度阶段：煤的电阻率随矿物质含量的增加而增大。第四节煤的电性质2、煤的介电常数物质的介电常数是指当物质介于电容器两极板间的蓄电量和两板间为真空时的蓄电量之比。是综合反映物质极化行为的宏观物理量。物质在电场作用下极化能力越强，介电常数的值越大，导电性越好。第四节煤的电性质煤化程度是影响煤的介电常数的主要因素，随煤化程度的加深，煤的介电常数减少，在含碳87％左右达到最小，然后又急剧增大。因为年轻煤的极性含氧官能团多，极性大，所以较大；随煤化程度的加深，含氧官能团减少，介电常数也减少；而年老煤的增大是因为其导电性增大之故。水分对介电常数影响很大。第四节煤的电性质第五节煤的光学性质煤的光学性质主要有可见光照射下的反射率、折射率和透光率以及不可见光照射下的X－射线、红外光谱、紫外光谱和荧光性质等。这里只介绍煤的透光率，煤的反射率和荧光性质在前面已有介绍。第五节煤的光学性质◆煤的透光率：是指煤样在100℃的稀硝酸溶液中处理90min，所得有色溶液对一定波长（475nm）的光的透过率。有色溶液透光率的测定有分光光度计法和目视比色法两种。分光光度计法因其重现性差，一般用得不多，我国国家标准采用目视比色法测定有色溶液的透光率，用PM表示。◆PM的用途：年轻煤煤化程度指标，用于分类。一般年轻褐煤的PM小于30％，年老褐煤在30％～50％之间；长焰煤的PM通常大于50％；气煤的PM一般大于90％。第六节煤的磁性质煤的有机质一般具有抗磁性，即在外磁场的作用下产生的附加磁场与外磁场的方向相反。磁化率是指磁化强度I（抗磁性物质是附加磁场强度）与外磁场强度H之比，用K表示：K=I/H。在化学上常用比磁化率表示物质磁性的大小。比磁化率是指在1高斯磁场强度下，1g物质的磁化率。第六节煤的磁性质煤的比磁化率随煤化程度的提高而直线增加，在碳含量在79％～91％之间出现转折，增大幅度减缓，此后则急剧增大。即煤的比磁化率在烟煤阶段增大幅度较小，无烟煤阶段最大，褐煤阶段居中。利用煤与矿物质在磁性上的差异，将它们分离开来，即磁选法选煤。第七节煤的润湿性1、煤的润湿性当液体和固体接触时，如果固体分子与液体间的作用力大于液体分子间的作用力，则固体可被液体润湿，反之，则不能润湿。通常采用接触角表示煤的润湿性的大小，接触角越大，煤的润湿性越差。接触角是指通过三相接触周边(三相接触点的连线)的任何一点，经气－液界面作切线(即气－液界面张力)，构成液体与固体表面的夹角，即为接触角θ。第七节煤的润湿性煤的润湿性测定（粉末法）：将煤磨成200网目以下的粉状，施加15MPa的压力成型。这种型块可看成是毛细管的集合体，再用液体润湿，同时在加液体的对侧，通入氮气，阻止润湿过程的进行，当润湿恰好阻止时，测定氮气的压力p。2、煤的润湿性的随煤化程度变化规律◆对水而言：随煤化程度加深，接触角增大，润湿性降低；◆对苯而言：随煤化程度加深，接触角减小，润湿性提高。通常，年轻煤对水介质的亲和性较强，中等以上煤化程度的煤对水的亲和性较差。在煤的浮选脱灰过程中，就是利用煤与矿物质亲水性的差异进行分离的。矿物质表现为亲水性，而煤一般表现为疏水性，但年轻煤由于分子中含有大量的极性含氧官能团，表现为较强的亲水性，因而其可浮性较差，不宜采用浮选工艺。第七节煤的润湿性3、煤的润湿热3.1润湿热的概念：煤被液体润湿时会释放出热量，通常用1g煤被润湿时释放出的热量作为煤的润湿热。3.2润湿热的本质：年轻煤的润湿热较高，但随着煤化程度的提高而急剧下降，在碳含量为90％左右达到最低值，以后又有所上升。润湿热的产生实际上是液体在煤的孔隙内表面上发生吸附作用的结果。吸附作用越强，比表面积越大，润湿热就越高。第七节煤的润湿性3.3润湿热的影响因素介质的种类、矿物质的含量等均有影响，但主要与比表面积有关。试验表明，煤的润湿热大致为0.39~0.42J/m2。利用润湿热可以大致估计煤的比表面积，但不准确。第七节煤的润湿性3、煤的润湿热第八节煤的孔隙率和比表面积1、煤的孔隙：煤是一种固态胶体物质，其内部存在着很多毛细管和孔隙。煤中孔隙的孔径并不均匀，通常根据孔径大小将其划分为大孔、中孔和微孔，分别用Vmac、Vmes和Vmic表示，总孔容用Vt表示。孔径的划分如下表所示：第八节煤的孔隙度和比表面积煤的孔隙率随煤化程度的变化规律。 孔类型 孔径(nm) 大孔(macropore)中孔(mesopore)微孔(micropore) >502～50<22、孔隙率含义：孔隙体积与煤的总体积之比。计算(参考中国煤炭P177）： V1——不包含煤的孔隙的体积 G——煤的质量 V2——包含煤的孔隙的体积积孔隙率=×100%2、煤的比表面积：单位质量的煤内部孔隙的面积，m2/g。煤的比表面积是煤内部孔隙的表面积的反映。测定煤比表面积最简单的方法是甲醇润湿热法，这一方法误差较大，已不再使用，现在多用吸附法测定煤的比表面积，常用的吸附介质是氮、氦、氪、氙和二氧化碳。吸附介质不同时，测定结果差别很大，见表4－7。从孔的可接近性和扩散活化能来看，多数人认为-78℃下用二氧化碳测定的结果较为可靠。第八节煤的孔隙度和比表面积煤的可磨性校准图纯煤真密度的计算公式式中：dA－灰的平均真密度，无数据时可取为3.0g/cm3；Ad－干燥基灰分产率，％。有时用下式估算纯煤的真密度：(TRD)daf＝TRD－0.01Ad，％TRD煤化程度对煤的真密度的影响从低煤化度开始，随煤化程度的提高，煤的真密度缓慢减小，到碳含量为86％～89％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。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。煤的刻划硬度煤的浮选示意图煤的孔隙率随煤化程度的变化规律煤的比表面积煤的真密度测定方法　　通常密度瓶法或置换法1、密度瓶法：在20℃下※一定体积的密度瓶盛满水（加入少许浸润剂）称重。※放入一定质量的煤样，加入少许浸润剂，加满蒸馏水，称重。Gad——分析煤样重量gMad——分析煤水分G0—密度瓶+水+加入少许浸润剂，gGd—煤样质量，gG1—密度瓶+水+煤样+加入少许浸润剂，g假定条件a、水（在煮沸条件下）能充满煤内部的全部孔隙。b、此法测真密度只能是近似值2、置换法：用氦、水、甲醇和苯等作置换物扣除煤中所有孔隙体积。（二）煤的视密度测定方法：涂蜡法ARD=G——密度瓶重，g；G1——煤样的重量，g；G2——空白试验时，十二烷基硫酸钠+密度瓶+水重，g；G3——煤粒表面所附石蜡的重量，按G5－（G1+G）G4——由20ml0.3%的十二烷基硫酸钠水溶液+涂蜡试样+蒸馏水+密度瓶重量，g；G5——装有涂蜡样的密度瓶重量G0——密度瓶装满蒸馏水的重量（三）煤的堆密度测定方法用一定体积的容器装满煤，称出煤的重量再换算成单位体积的质量即是堆密度