煤化学 8.pptVIP

煤化学与工艺 第四章煤的结构 煤结构的认识和发展 1830年煤的起源问题解决后，科学家将目光逐步转向煤结构的研究 20世纪初，试图把煤结构和起源相联系——迷茫；从一些反应产物来推断煤的结构同样被证明——非常困难。因为这些产物几乎和煤本身一样复杂。 煤结构的认识和发展 早期研究都揭示了煤科学研究的困难之处 缺乏可能的实验;在温和条件下断裂煤结构 缺乏必要的手段;分析所得到的产物 应用新分析技术和新实验方法，建立模型 作用—— 将各种方式获得的数据联系起来形成一 种可用于判断或预测的理论，有助于探测未知的现象和理解新的数据 一、煤的物理结构 煤的组成 有机质 矿物质 煤的结构 网络结构模型－整体 平均结构单元模型－有机质 化学结构一般以镜质组作为研究对象 含量多 组成均匀，变化平稳 第一节 煤的大分子结构 煤大分子结构的基本概念 煤的结构参数 基本结构单元的核 基本结构单元周围的烷基侧链和官能团 煤中的杂原子 连接基本结构单元的桥键 煤中的低分子化合物 煤大分子结构的基本概念 煤的有机质 芳香结构的环状化合物 90％ 非芳香结构的化合物（低分子化合物）含量少 煤的大分子结构通常是指煤中芳香族化合 物的结构 煤是由分子量不同、分子结构相似但又不完全相同的一组“相似化合物”的混合物组成 多个相似的“基本结构 单元”通过桥键连接而 成的立体结构 基本结构单元 类似于聚合物的聚合单体，分规则和不规则两部分 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 随着煤化程度的提高，构成核的环数增多，连接在核周围的侧链和官能团数量则不断变短和减少 芳碳率 fcar 芳香族结构的碳原子数与总碳原子数之比 芳氢率 fHar 芳香族结构的氢原子数与总氢原子数之比 芳环率 基本结构单元中芳香环数与总环数之比 缩合环结构，也称芳香环或芳香核 由不同缩合程度的芳香环构成，也含有少量的 氢化芳香环和氮、硫杂环 低煤化程度煤以苯环、萘环和菲环为主 中等煤化程度烟煤以菲环、蒽环和吡环为主 烷基侧链 ——甲基、乙基、丙基等基团 含氧官能团 —OH——主要是酚羟基，烟煤的主要官能团 —COOH—— 褐煤特性官能团，酸性比乙酸强 C=O—— 无酸性，煤中分布很广 —OCH3—— 存在于泥炭和软褐煤中 —O— —— 年老褐煤中占优势 含硫官能团 硫 醇（R—SH） 硫 醚（R—S—R’） 二硫醚（R—S—S—R’） 硫 醌 杂环硫 含氮官能团 主要以六元杂环、吡啶环或喹啉环等形式存在 煤的大分子是由若干基本结构单元通过化学键连接而成的三维结构，结构单元之间的连接是通过次甲基键、醚键、硫醚、次甲基醚以及芳香碳－碳键等桥键实现的 随煤化程度的提高，煤分子的结构单元呈规律性变化，侧链、官能团数量减少，结构单元中缩合环数增加 存在一些分散着独立的非芳香化合物，常称低分子化合物 低分子化合物与煤大分子主要通过氢键和范德华力结合 来源于成煤植物（如树脂、树蜡、萜烯等） 成煤过程中形成的未参与聚合的化合物以及形成的低分子聚合物 煤中低分子化合物分两类—— 烃类和含氧化合物 煤是三维空间高度交联的非晶质的高分子缩聚物 结构单元的核心是缩合芳香核 结构单元的周边有不规则部分 结构单元之间由桥键连接 氧、氮、硫的存在形式 低分子化合物 煤化程度对煤结构的影响 煤不是由均一的单体聚合而成的，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的。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 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；碳含量大于90％时，环数急剧增加；碳含量大于95％时，平均环数大于40 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、羧基、羰基、甲氧基等，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 有少量的含硫官能团和含氮官能团 桥键的主要类型 －CH2－ －O－(－S－ ) －O－CH2－ Car－Car 键 桥键数量与类型与煤化程度的关系 低煤化程度的煤 桥键最多 主要是前三种 中等煤化程度的煤 桥键最少 主要是前二者 无烟煤 桥键较烟煤增多 主要是Car－Car 键 氧的存在形式