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第三部分 第三章 煤的结构 第三章 煤的结构 主要内容： （1）煤分子结构是如何构成的？ （2）煤结构模型？ （3）煤分子结构理论 第一节 煤的大分子结构 一、煤的结构 1、煤的结构基本概念 2、研究煤的结构的意义 二、煤的大分子结构基本概念 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”组成的混合物。煤的结构十分复杂，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。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。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。 煤的大分子结构模型示意图 煤的大分子结构模型示意图 煤的大分子结构模型示意图 三、煤的结构参数 （1）芳碳率（ farC ）：是指煤的基本结构单元中属 于芳香族结构的碳原子数与总碳原子数之比，farC＝ Car/C。 （2）?芳氢率（ farH ）：是指煤的基本结构单元中 属于芳香族结构的氢原子数与总氢原子数之比，farH ＝Har/H。 （3）芳环率（fRa）：是指煤的基本结构单元中芳 香环数与总环数之比，fRa＝Ra/R。 （4）环缩合度指数为2(R-1)/C：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。 煤分子基本结构单元的核随煤化程度的变化规律： (1) 低煤化程度煤基本结构单元的核以苯环、萘环和 菲环为主;中等煤化程度的烟煤基本结构单元的核以 菲环、蒽环和芘环为主;在无烟煤阶段,基本结构单元 核的芳香环数急剧增加,逐渐向石墨结构转变。 (2) 从褐煤开始,随着煤化程度的提高,煤大分子基本 结构单元的核缓慢增大,核中的缩合环数逐渐增多,当 碳含量超过90%以后,基本结构单元核的芳香环数急 剧增大,逐渐向石墨结构转变。 五、煤基本结构单元的不规则部分 基本结构单元的缩合环上连接有数量不等的烷基侧链、官能团和桥键。 (二) 官能团 煤分子上的官能团主要是含氧官能团，有羟基（–OH）、羧基（–COOH）、羰基（=C=O）、甲氧基（–OCH3）等。 煤中含氧官能团随煤化程度提高而减少。其中甲氧基消失得最快，在年老褐煤中就几乎不存在了；其次是羧基，到中等煤化程度的烟煤时，羧基已基本消失；羟基和羰基在整个烟煤阶段都存在，甚至在无烟煤阶段还有发现。 煤中除含氧官能团外，还有少量的含氮官能团和含硫官能团。含氮官能团主要是吡啶和喹啉的衍生物和胺基（–NH2）等；含硫官能团多以硫醇（–SH）、硫醚（R–S–R?）、和二硫化物（–S–S–）等形式存在。 (三) 桥键 煤的大分子是由若干基本结构单元连接而成，结构单元之间的连接是通过次甲基键－CH2－、－CH2－CH2－；醚键―O－；硫醚键－S－、 －S－S－； 次甲基醚键 －CH2－O－、－CH2－S－；以及芳香碳－碳键Car－Car等桥键实现的。 不同煤化程度煤的结构单元模型 (四) 煤中的低分子化合物 煤中低分子化合物主要是指游离或镶嵌在煤大 分子主体结构中的一些相对分子质量小于500的有机 化合物。业已确定的有烃类和含氧化合物等，也有 含硫化合物存在的报道。煤中烃类主要是一些正构 烷烃，碳链长度从C1～C30以上不等，甚至还有发现 C70的报道，此外还有少量环烷烃、长链烯烃以及 1～6环的芳烃，但主要是以1～2环芳烃为主。含氧 化合物有长链脂肪酸、醇、酮和甾醇类化合物等。 含硫化合物主要是噻吩、苯并噻吩、二苯并噻吩、 萘并噻吩以及它们的C1-4 烷基取代衍生物。 低分子化合物含量随煤化程度增高而降低，通 常认为，褐煤和年轻烟煤中含量约为10％-20％ 。 第二节 煤的结构模型 Wiser模型 本田模型 二、物理结构模型 1、Hirsch模型 Hirsch模型将不同煤化程度的煤划分为三种物理结构。 （1）敞开式结构：属于低煤化度烟煤，其特征是芳香层片小，不规则的“无定形结构”比例较大。芳香层片间由交联键连接，并或多或少在所有方向上任意取向，形成多孔的立体结构。 （2）液态结构：属于中等煤化度烟煤，其特征是芳香层片在一定程度上定向，并形成包含两个或两个以上层片的微晶。层片间的交联大大减少，故活动性大。这种煤的孔隙率小，机械强度低，热解时易形成胶质体。 （3）无烟煤结构：属于无烟煤，其特征是芳香层片增大，定向程度增大。由于缩聚反应剧烈，使煤体积收缩，故形成大量孔隙。 Hirsch模型比较直观地反映了煤的物理结构特 征，解释了不少现象。但芳香层片的含义不够确切， 也没有反映出煤分子构成的不确定性。 2、两相模型 两相