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第二章
第一节煤的结构及煤的热解过程第二节煤的黏结和成焦机理第三节炭化室内的结焦过程第四节炼焦过程的化学产品
第一节煤的结构及煤的热解过程一、煤的分子结构煤的分子结构的研究一直是煤化学学科的中心环节,受到了广泛的重视。但是,由于煤炭组成的复杂性,多样性和不均一性,所以难于分离成简单的物质进行结构和性质的研究分析。目前煤结构的研究方法大致可归纳为三类:(1)物理研究法如红外光谱、核磁共振波谱、射线衍射、显微分光光度法扫描电镜和各种物理性质研究以及利用物理常数进行统计结构分析;(2)物理化学方法如溶剂抽提和吸附性能研究等;(3)化学研究方法如氧化、加氢、卤化、水解、热解和官能团分析等方法。
长期以来,对煤的结构研究,始终未能获得突破性的结论,只是根据实验结果分析推测,提出了煤的分子结构模型——化学结构模型和物理结构模型。近年来,对煤的结构研究取得一些进展。由于煤的显微组分中往往以镜质组分为主,再加上它在成煤过程中变化比较均匀以及矿物质含量低等优点,一般采用煤的镜质组分作为研究结构的对象。1.煤的基本结构单元煤是以有机体为主,并具有不同的分子量,不同化学结构的一组“相似化合物”的混合物。
它不象一般的聚合物,是由相同化学结构的单体聚合而成的。因此构成煤的大分子聚合物的“相似混合物”被称作基本结构单元。也就是说,煤是许许多多的基本结构单元组合而成的大分子结构。基本结构单元包括规则部分和不规则部分,规则部分为结构单元的核心部分,由几个或十几个苯环、脂环、氧化芳香环及杂环(含氮、氧、硫)组成;在苯核的周围连接着各种含氧基团和烷基侧链,属于基本结构的不规则部分。随着煤的煤化程度的提高,苯核逐渐增多,而不规则部分则逐渐减少,如图2-1。
图不同煤的结构单元或部分模
2.煤基本结构单元的边缘基因在煤基本结构单元的边缘属于不规则部分,主要有含氧官能团和烷基侧链,还有少量的氮和硫的官能团以及桥键。一般其数量随着煤化度的增加而减少。含氧官能团含有羟基、羧基、羰基、甲氧基和醌基等,煤中含氧官能团随煤的变质程度加深而减少,在年老的褐煤中基本不存在;其次是羧基,褐煤具有羧基是它的特征,到了烟煤阶段,羧基的数量已大为减少,中变质烟煤(含碳量85%左右)时,羧基已基本消失;羟基和羰基在整个烟煤阶段都存在,甚至在无烟煤阶段都存在。羰基的含量在煤中虽少,但随着煤化程度的增加而减少的幅度并不大。
煤中的氧相当一部分是以非活性状态(即比较不易起化学反应和不易热分解的那部分氧)存在,主要是醚键和杂环中的氧,它们整个存在于成煤过程中,这一部分氧无法用直接方法测定。有人认为,有一部分非活性氧经KOH的酒精溶液水解之后,可以转化为活性氧,因为,它们变成了羟基或羧基。在褐煤阶段含氧官能团含量最高,在烟煤阶段其含量就大大降低,而且以非活性氧为主,到无烟煤阶段,含氧量则更低。煤中除含氧官能团之外,还存在着含氮官能团和含硫官能团。煤中含氮量在1~2%,主要是以胺基、亚胺基、五元杂环,六元杂环,吡啶和咔唑等形式存在。含硫官能团主要以硫醇、硫醚、二硫醚、硫醌及杂环硫等形式存在。煤的基本结构单元上连接着烷基侧链。烷基侧链的平均长度,是随煤化程度的增加而迅速减少。
3.煤的结构参数由于煤的基本结构单元的确切程度尚不清楚,为了描述其结构情况,常采用若干“结构参数”,如芳香度(芳碳率和芳氢率)、芳环率、环缩合度指数等加以说明。(1)芳碳率指煤的基本结构单元中,属于芳香族结构的碳原子数与总的碳原子数之比。(2)芳氢率是煤的基本结构单元中,属于芳香族结构的氢原子数与总的氢原子数之比。
(3)芳环率是煤的基本结构单元中,芳香环数与总环数之比。(4)环缩合度指数——环缩合度指数,其中R为基本结构单元中缩合环的数目,C为基本结构单元中的碳原子数。环缩合度指数与芳碳率之间有如下关系:
二、煤的热解过程1.煤的热解过程所谓煤的热解,是指煤在隔绝空气的条件下进行加热,煤在不同温度下发生的一系列物理变化和化学反应的复杂过程。其结果生成气体(煤气),液体(焦油)和固体(半焦或焦炭)等产品。煤的热解也称为煤的干馏或热分解。目前煤加工的主要工艺仍是热加工。按热解最终温度的不同可分为:高温干馏(950~1050℃),中温干馏(700~800℃)和低温干馏(500~600℃)。煤的热解是煤热化学加工的基础。有黏结性的烟煤热解过程如图2-2所示。
图2-2有黏结性烟煤的热解过程
由图可见:有黏结性的烟煤热解过程大致可分为三个阶段:(1)第一阶段(室温~300℃)主要是煤干燥、脱吸阶段,煤没有发生外形上的变化。①120℃前,煤脱水干燥;②120~200℃,煤释放出吸附在毛隙孔中的气体,如CH、CO、C
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