第三章 煤的结构
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2009-04-《煤化学》讲稿 03 章-煤岩学基础-1
31
（一）孢子体
孢子和花粉的外孢壁
是孢子植物的繁殖器官，都是由单细胞组成的，一般雌 性的孢子体称为大孢子，雄性的孢子体称为小孢子。 大孢子体一般直径为 0.1～ 3mm， 有时可达 5～10mm， 在煤中被挤压成扁平体，纵切面为封闭的长环状，折曲 处呈钝圆形。 大孢子表面常有瘤状、棒状和刺绣状等各种纹饰。有时3 个或4个大孢子在一起，称为三孢体或四孢体。有些大孢子破 碎成长条带状，其孢壁两边均较光滑，不显锯齿形而区别于角 质层。
19
（二）无结构镜质体 在普通显微镜下没有显示植物细胞结构的镜质组分。 它常作为其他各种显微组分碎片和共生矿物的基质胶体 物或填充物。 显微组分 无结构镜质体 显微亚组分 均质镜质体 胶质镜质体 基质镜质体 团块镜质体
20
1
均质镜质体 一般在较厚的镜煤或镜质组层中出现，主要由植物的木 质部和叶等组织经凝胶化作用转变而成， 常呈宽窄不等的条带状和透镜状，均一、纯净，发育垂 直裂纹，具有较正常的反射率，是作为测量反射率以确定煤级 的标准组分；
含碳酸 盐煤样
2
煤的不均一性，对煤的物理化学性质和加工工艺特性均 有很大的影响。 确定煤的岩石组成和煤化程度，是正确评价煤质、确定
煤的合理利用途径的主要依据，也是研究煤的成因和变质程度
的基础。 煤岩学研究方法是在不破坏煤的原生结构、表面性质的 情况下，以物理方法为主，直接对煤的各方面性质进行研究。 优点：制作简单、操作方便、观察测试结果直观、分析 快以及论据充分
22
未刻蚀部分
刻蚀部分
SLIDE 42 Telocollinite 均质无结构镜质体 (normal vitrinite of compressed cell wall) which has been etched (right half of particle) to show compressed cell structure (240 microns on long axis) 23
（一）孢子体
孢子和花粉的外孢壁
是孢子植物的繁殖器官，都是由单细胞组成的，一般雌 性的孢子体称为大孢子，雄性的孢子体称为小孢子。 大孢子体一般直径为 0.1～ 3mm， 有时可达 5～10mm， 在煤中被挤压成扁平体，纵切面为封闭的长环状，折曲 处呈钝圆形。 大孢子表面常有瘤状、棒状和刺绣状等各种纹饰。有时3 个或4个大孢子在一起，称为三孢体或四孢体。有些大孢子破 碎成长条带状，其孢壁两边均较光滑，不显锯齿形而区别于角 质层。
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（二）无结构镜质体 在普通显微镜下没有显示植物细胞结构的镜质组分。 它常作为其他各种显微组分碎片和共生矿物的基质胶体 物或填充物。 显微组分 无结构镜质体 显微亚组分 均质镜质体 胶质镜质体 基质镜质体 团块镜质体
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均质镜质体 一般在较厚的镜煤或镜质组层中出现，主要由植物的木 质部和叶等组织经凝胶化作用转变而成， 常呈宽窄不等的条带状和透镜状，均一、纯净，发育垂 直裂纹，具有较正常的反射率，是作为测量反射率以确定煤级 的标准组分；
含碳酸 盐煤样
2
煤的不均一性，对煤的物理化学性质和加工工艺特性均 有很大的影响。 确定煤的岩石组成和煤化程度，是正确评价煤质、确定
煤的合理利用途径的主要依据，也是研究煤的成因和变质程度
的基础。 煤岩学研究方法是在不破坏煤的原生结构、表面性质的 情况下，以物理方法为主，直接对煤的各方面性质进行研究。 优点：制作简单、操作方便、观察测试结果直观、分析 快以及论据充分
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未刻蚀部分
刻蚀部分
SLIDE 42 Telocollinite 均质无结构镜质体 (normal vitrinite of compressed cell wall) which has been etched (right half of particle) to show compressed cell structure (240 microns on long axis) 23
3.煤中有机质的结构
10
红外光谱法
常见的化学基团在4000-650cm-1（2.5-15.4µm）的中红外区 有特征基团频率，因此是最感兴趣的区域。在实际应用时，为 便于解析，常将此波数范围分为四个区域：
1. X-H伸缩振动区，4000-2500cm-1。X可以是O、N、C和S原 子。主要包括O-H、N-H、C-H和S-H键的伸缩振动。
550oC
92
90
150 300 450 600 750 900 Temperature (oC)
0.00
-0.01 -0.02 -0.03
750oC 650oC 550oC
150 300 450 600 750 900 Temperature (oC)
不同热解温度时平朔煤在CH4-CO2气氛下热解半焦的热重分析
Tansmittance (a.u.)
PS char PS coal
3200 2400 1600 Wavenumber (cm-1) LW c har LW coal
3200 2400 1600 Wavenumber (cm-1)
800 800
Tansmittance (a.u.)
Tansmittance (a.u.)
9
红外光谱法
红外光谱图解析 在红外区域出现的分子振动光谱，其吸收峰的位置和强度取决 于分子中各基团的振动形式和相邻基团的影响。因此只要掌握 了各种基团的振动频率，即吸收峰的位置，及吸收峰位置移动 的规律，即位移规律，就可以进行光谱解析。从而确定试样中 存在哪些化合物或官能团。在一定条件下，还可对这些化合物 或官能团的含量进行定量分析。
5
X射线衍射法
同一种煤的不同显微组分在 结构上的差异，也在X射线 图谱上有所反映。惰质组的 衍射谱线与无烟煤最接近， 有4条明显的谱带；镜质组 的可见谱带只有3个，壳质 组更不明显。
红外光谱法
常见的化学基团在4000-650cm-1（2.5-15.4µm）的中红外区 有特征基团频率，因此是最感兴趣的区域。在实际应用时，为 便于解析，常将此波数范围分为四个区域：
1. X-H伸缩振动区，4000-2500cm-1。X可以是O、N、C和S原 子。主要包括O-H、N-H、C-H和S-H键的伸缩振动。
550oC
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150 300 450 600 750 900 Temperature (oC)
0.00
-0.01 -0.02 -0.03
750oC 650oC 550oC
150 300 450 600 750 900 Temperature (oC)
不同热解温度时平朔煤在CH4-CO2气氛下热解半焦的热重分析
Tansmittance (a.u.)
PS char PS coal
3200 2400 1600 Wavenumber (cm-1) LW c har LW coal
3200 2400 1600 Wavenumber (cm-1)
800 800
Tansmittance (a.u.)
Tansmittance (a.u.)
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红外光谱法
红外光谱图解析 在红外区域出现的分子振动光谱，其吸收峰的位置和强度取决 于分子中各基团的振动形式和相邻基团的影响。因此只要掌握 了各种基团的振动频率，即吸收峰的位置，及吸收峰位置移动 的规律，即位移规律，就可以进行光谱解析。从而确定试样中 存在哪些化合物或官能团。在一定条件下，还可对这些化合物 或官能团的含量进行定量分析。
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X射线衍射法
同一种煤的不同显微组分在 结构上的差异，也在X射线 图谱上有所反映。惰质组的 衍射谱线与无烟煤最接近， 有4条明显的谱带；镜质组 的可见谱带只有3个，壳质 组更不明显。
煤的结构
不同煤化程度 metamorphic grade煤的结构 单元变化规律
煤分子基本结构单元的核随煤化程度的变化规律
煤分子基本结构单元的核主要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。
从褐煤开始，随煤化程度的提高，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。研究表明，碳含量为 70% ～ 83%时，平均环数为2左右；碳含量为83%~90%时，平均 环数为 3 ～ 5 ；碳含量为大于 90% 时，环数急剧增加，碳 含量大于 95% 时，平均环数大于 40 。煤的芳碳率，烟煤 一般小于0.8，无烟煤则趋近于1。
1.2.3 桥键 bridge bond 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－；
芳香碳－碳键Car－Car等桥键实现的。
3. 煤中的低分子化合物 micromolecular compound
以及 1～ 6环的芳烃 aromatic hydrocarbon，但主要是以 1～2环芳烃为主。
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Part 3：煤的结构Coal structure 第三章：煤的结构Coal structure
第三章 煤的结构Coal structure
Main contents： （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 煤结构概述 summarization
1.2．基本结构单元的不规则部分(disordered part)
第三章煤层.ppt
3
（1）简单结构 是指煤层中不含矸石层或仅局部含有矸石层 （图3—1）。
（2）复杂结构 指煤层中含有一层或数层连续的矸石层（图 3—2）。煤层中的矸石层成分为粘土岩、炭质泥岩、泥质 岩或粉砂岩，有时为石灰岩、硅质岩、油页岩、细砂岩甚 至砾岩等。
图3—1 简单煤层结构
图3—2 复杂煤层结构
4
煤层中矸石层的层数多少，厚度大小及矸石层的形态 和稳定程度，主要取决于聚煤期的古构造和古地理条件。 一般说来，在聚煤期沉积环境比较稳定情况下形成的煤层 所含的矸石层层数少、厚度小，且稳定，多为层状、似层 状，而聚煤期沉积环境不稳定情况下形成的煤层所含的矸 石层层数多，形态多为透镜状，而且不稳定。
（1）伪顶 它直接位于煤层之上，很薄的，随煤层开采一起 垮落的岩层，多为几厘米至十几厘米厚的炭质泥岩或泥岩， 富含植物化石。在采煤过程中，因常常随采随落，而不易 维护。
（2）直接顶 位于伪顶或直接位于煤层（无伪顶时）之上的 岩层，常为数米厚的砂岩、粉砂岩、泥岩及少量石灰岩。 它比伪顶稳定，在采煤过它位于直接底之下，常为 厚层状砂砾岩或石灰岩。
煤层顶底板示意图
10
煤层顶、底板的发育程度，受当时沉积作用和后期构 造变动的影响，因此不同煤层顶、底板性质及发育程度不 同。有的煤层顶板发育完好，几种类型的顶、底板都有， 有的煤层则缺少某种类型的顶板或底板。
在观察和研究煤层顶、底板时，要注意顶、底板的岩 性，及其与煤层之间的接触关系。因为它们是反映煤层形 成前、后的沉积环境及其变化情况的标志。有的煤层顶、 底板岩石本身就是有用矿产，有的特征明显又可作为煤层 对比的标志层。
煤层中矸石的层数、厚度、成分、赋存形态，所含化 石的种类和保存及其变化情况等，对于恢复成煤环境、对 比煤层、评价煤田等都有重要意义。因此，在观察和描述 复杂结构煤层时，应注意矸石层的这些特征。
（1）简单结构 是指煤层中不含矸石层或仅局部含有矸石层 （图3—1）。
（2）复杂结构 指煤层中含有一层或数层连续的矸石层（图 3—2）。煤层中的矸石层成分为粘土岩、炭质泥岩、泥质 岩或粉砂岩，有时为石灰岩、硅质岩、油页岩、细砂岩甚 至砾岩等。
图3—1 简单煤层结构
图3—2 复杂煤层结构
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煤层中矸石层的层数多少，厚度大小及矸石层的形态 和稳定程度，主要取决于聚煤期的古构造和古地理条件。 一般说来，在聚煤期沉积环境比较稳定情况下形成的煤层 所含的矸石层层数少、厚度小，且稳定，多为层状、似层 状，而聚煤期沉积环境不稳定情况下形成的煤层所含的矸 石层层数多，形态多为透镜状，而且不稳定。
（1）伪顶 它直接位于煤层之上，很薄的，随煤层开采一起 垮落的岩层，多为几厘米至十几厘米厚的炭质泥岩或泥岩， 富含植物化石。在采煤过程中，因常常随采随落，而不易 维护。
（2）直接顶 位于伪顶或直接位于煤层（无伪顶时）之上的 岩层，常为数米厚的砂岩、粉砂岩、泥岩及少量石灰岩。 它比伪顶稳定，在采煤过它位于直接底之下，常为 厚层状砂砾岩或石灰岩。
煤层顶底板示意图
10
煤层顶、底板的发育程度，受当时沉积作用和后期构 造变动的影响，因此不同煤层顶、底板性质及发育程度不 同。有的煤层顶板发育完好，几种类型的顶、底板都有， 有的煤层则缺少某种类型的顶板或底板。
在观察和研究煤层顶、底板时，要注意顶、底板的岩 性，及其与煤层之间的接触关系。因为它们是反映煤层形 成前、后的沉积环境及其变化情况的标志。有的煤层顶、 底板岩石本身就是有用矿产，有的特征明显又可作为煤层 对比的标志层。
煤层中矸石的层数、厚度、成分、赋存形态，所含化 石的种类和保存及其变化情况等，对于恢复成煤环境、对 比煤层、评价煤田等都有重要意义。因此，在观察和描述 复杂结构煤层时，应注意矸石层的这些特征。
煤炭的分子结构
煤炭的分子结构煤炭是一种由有机物质形成的矿石，主要成分为碳、氢、氧、氮、硫和少量的其他元素。
它的分子结构主要由碳原子构成，形成了独特的晶体结构。
煤炭的分子结构可以分为两个层面来看待：宏观结构和微观结构。
从宏观结构来看，煤炭可以分为三大类：无烟煤、烟煤和褐煤。
无烟煤是最纯净的煤种，其分子结构中的碳原子数最多，同时含有较少的杂质。
烟煤的分子结构中的碳原子数较少，含有较多的杂质。
褐煤的分子结构中的碳原子数最少，含有较多的水分。
从微观结构来看，煤炭的分子结构非常复杂。
煤炭中的碳原子通过共价键相互连接，形成了链状、环状和三维结构。
其中，链状结构是最常见的一种结构形式，碳原子通过共价键连接成长链或短链。
环状结构由碳原子构成的环组成，环的大小和形状不同，也会影响煤炭的性质。
三维结构由碳原子构成的网状结构组成，具有更高的稳定性和坚固度。
在煤炭的分子结构中，碳原子之间还可能存在着其他元素的杂质。
这些杂质可以是氢、氧、氮和硫等元素。
其中，氢原子和碳原子通过共价键连接，形成了一些有机基团，如烷基、烯基和芳香基等。
氧原子和碳原子之间可以形成羟基、醚基和酮基等。
氮原子和碳原子之间可以形成胺基和吡啶基等。
硫原子和碳原子之间可以形成硫醚基和硫酚基等。
这些有机基团和其他元素的存在，使得煤炭具有了很多特殊的性质。
煤炭的分子结构对其物理和化学性质具有重要影响。
煤炭中的链状结构和环状结构影响着煤炭的燃烧特性，如燃烧速率和热值等。
煤炭中的有机基团和其他元素的存在，使得煤炭具有一些特殊的性质，如吸附性、还原性和催化性等。
煤炭的分子结构也影响着煤炭的利用方式，不同结构的煤炭适用于不同的工业和生活领域。
煤炭的分子结构是一种复杂而多变的结构，由碳原子构成的链状、环状和三维结构对煤炭的性质和用途有着重要影响。
煤炭中的有机基团和其他元素的存在，使得煤炭具有了丰富的特性和用途。
研究煤炭的分子结构不仅有助于深入了解煤炭的本质，还能为煤炭的有效利用和环境保护提供科学依据。
煤化学之煤的结构
（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。
2、物理结构模型(physical Structure model)
2.1 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 (aromatic
layer)小，不规则的“无定形结构”比例较大。芳香层片间 由交联键(crosslink bond)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。
1.2.2 官能团 functional group
（2）含硫官能团(sulfur containing functional group )， 如： 硫醇（–SH） 、硫醚（R–S–R）、 二硫化物（–S–S–）
（3）含氮官能团(nitrogen containing functional group )， 如： 吡啶 、喹啉的衍生物 胺基（–NH2）
(1)煤是三维空间高度交联的非晶质的高分子缩聚物
煤不是由均一的单体聚合而成，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。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。
(2) 结构单元的核心是缩合芳香核
缩合芳香核为缩聚的芳环、氢化芳环或各种杂环 （含硫、氮），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；碳含量为大于90%时，环数急剧 增加，碳含量大于95%时，平均环数大于40。煤的芳碳 率，烟煤一般小于0.8，无烟煤则趋近于1。
第三章煤的岩石组成
孢子体sporophyte； 树脂体rosin； 木栓体phellem等 壳 质 组 在 透 射 光 下 透 明 transparent 到 半 透 明 translucent ，呈现黄色到橙红色salmon pink ，轮廓清 楚，外形特殊；在反射光下呈现深灰色，大多数有突起。 花粉体pollen
结性越差。
煤中各种显微组分工艺性质的差异在其它一些方
面也有体现。例如：干馏时或加氢液化时，壳质组的
煤气产率和焦油产率最高，较容易液化，镜质组次之
，而惰质组属惰性组分，很难液化，所以用于液化使 用的煤，应选择惰质组含量低的煤。
第三节
煤岩学的研究方法
宏观研究法和显微研究法
一、煤岩显微组分的分离和富集
（2）另一方面植物组织在沼泽水的浸泡immersion下
吸水膨胀swell，发生胶体化学变化，使细胞腔逐渐缩小，
直至失去细胞结构成为凝胶体。 植物组织经凝胶化作用并经煤化作用后形成凝胶化组 分（镜质组）。镜质组是煤中最主要煤岩组分，含量60 －80％，甚至90％。
镜质组（vitrinite又称凝胶化组分）的形成
一、煤的有机显微组分
指在显微镜下能识别的有机质的基本单位。（60多种）。
根据结构、性质相似的原则，又可将其分组（类） 国内外关于有机显微组分的分类方案很多见（表2-2，表23，2-4）
腐植煤的有机显微组分包括： 镜质组vitrinite 惰质组inertinite 壳质组exinite 。
1、镜质组：透射光transmission light下呈透明
二、 煤中的矿物质——无机显微成分
煤的无机显微成分主要是指粘土矿物、黄铁矿、石英、 方解石等，在显微镜下可以进行区分。 粘土类矿物Clay minerals;：高岭石kaolinite，伊利石， 水云母，… 硫化物类矿物sulfide minerals ：黄铁矿pyrite，白铁矿， … 碳酸盐类矿物carbonate minerals ：方解石calcite，菱铁 矿，… 氧化物类矿物oxide minerals ：石英quartz，… 硫酸盐类矿物sulphate minerals ：石膏gypsum，…
结性越差。
煤中各种显微组分工艺性质的差异在其它一些方
面也有体现。例如：干馏时或加氢液化时，壳质组的
煤气产率和焦油产率最高，较容易液化，镜质组次之
，而惰质组属惰性组分，很难液化，所以用于液化使 用的煤，应选择惰质组含量低的煤。
第三节
煤岩学的研究方法
宏观研究法和显微研究法
一、煤岩显微组分的分离和富集
（2）另一方面植物组织在沼泽水的浸泡immersion下
吸水膨胀swell，发生胶体化学变化，使细胞腔逐渐缩小，
直至失去细胞结构成为凝胶体。 植物组织经凝胶化作用并经煤化作用后形成凝胶化组 分（镜质组）。镜质组是煤中最主要煤岩组分，含量60 －80％，甚至90％。
镜质组（vitrinite又称凝胶化组分）的形成
一、煤的有机显微组分
指在显微镜下能识别的有机质的基本单位。（60多种）。
根据结构、性质相似的原则，又可将其分组（类） 国内外关于有机显微组分的分类方案很多见（表2-2，表23，2-4）
腐植煤的有机显微组分包括： 镜质组vitrinite 惰质组inertinite 壳质组exinite 。
1、镜质组：透射光transmission light下呈透明
二、 煤中的矿物质——无机显微成分
煤的无机显微成分主要是指粘土矿物、黄铁矿、石英、 方解石等，在显微镜下可以进行区分。 粘土类矿物Clay minerals;：高岭石kaolinite，伊利石， 水云母，… 硫化物类矿物sulfide minerals ：黄铁矿pyrite，白铁矿， … 碳酸盐类矿物carbonate minerals ：方解石calcite，菱铁 矿，… 氧化物类矿物oxide minerals ：石英quartz，… 硫酸盐类矿物sulphate minerals ：石膏gypsum，…
煤的结构模型ppt课件
化学结构一模、型煤的物理结构
➢ Fuchs结构模型 ➢ Given结构模型 ➢ Wiser结构模型 ➢ 本田结构模型 ➢ Shinn结构模型
Fuchs模一型、煤的物理结构 ——20世纪60年代以前的代表模型。由W. Fuchs（德）提出， 1957年经Van Krevelen修改
特点： Fuchs模型是20世纪60年代以前煤的化学结构模型的代表。当时煤化 结构的研究主要是用化学方法进行的，得出的是一些定性的概念，可用于 建立煤化学结构模型的定量数据还很少。Fuchs模型就是基于这种研究水平 而提出的，该模型将煤描绘成由很大的蜂窝状缩合芳香环和在其边缘上任 意分布着以含氧官能团为主的基团所组成。——比较片面，不能全面反映 煤结构的特征
– 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
第一煤节的煤大的分大子分结子构结构
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
煤煤大大分分子子结结构构的的基基本本概概念念
不同煤化程度煤的基本结构单元
褐煤
次烟煤
高挥发分烟煤
石墨
无烟煤
低挥发分烟煤
煤的结构参数
➢ 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
基本结构单元的核
➢ 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
• 尽管每一模型都有相关实验证据的有力支持， 但没有一种模型可以解释所有的实验现象。 也许对于煤这种复杂物质，也不存在这样一 种模型
煤的岩相组成
显微组分及其成因 煤岩学的研究方法 煤岩学的应用1935年：“显微组分”概念1953年：国际煤岩学委员会（宏观煤岩组成：肉眼naked eye微观显微组分：显微镜，包括透射光、反射光宏观煤岩成分与有机显微组分之间的关系宏观成分显微成分镜质组壳质组惰质组宏观煤岩组成肉眼或放大镜→腐植煤的宏观煤岩组成镜煤vitrain丝炭fusain亮煤clarain暗煤durain成因：由成煤植物的木质纤维组织经凝胶化作用形成木质纤维组织：包括以木质素、纤维素和半纤维素组成的生物质显微镜下观察以镜质组为主，还含有数量不等的惰质组和壳质组不少煤层以亮煤为主组成较厚的分层，甚至整个煤层宏观煤岩组成─亮煤外观：光泽暗淡、灰黑色、表面粗糙、结构致密、比重大粘结性差；富含壳质组的暗煤，宏观略带油脂光泽，挥发分和氢含量较高，粘结性较好，且比重较小；含大量矿物质的暗煤，则密度大，灰分产率高，煤质差宏观煤岩组成外观：与木炭相似，灰黑色、性脆、多孔、呈纤维状结构成因：由成煤植物的木质纤维组织经丝炭化作用和火焚作用而形成的丝质体和半丝质体宏观煤岩组成煤暗煤暗淡、黑色或灰黑色、坚硬、表面粗糙丝炭丝绢光泽、黑色、纤维状、软、很脆、组分不均一腐泥煤烛煤暗淡或微油脂光泽、黑色、均匀、非层状、很硬、贝壳状断口、黑色条痕藻煤类似烛煤，外表微带褐色，褐色条痕宏观煤岩类型总体相对光泽强度光亮煤半亮煤半暗煤暗淡煤煤的显微组分：在显微镜下区别和辨识的基本组成成分煤的显微组分腐植煤的有机显微组分✓镜质组vitrinite✓惰质组inertinite✓壳质组liptinite煤的有机显微组分●木质纤维组织在厌氧细菌作用下形成腐植酸、沥青质等→结构镜质体●木质纤维组织在沼泽水的浸泡下吸水膨胀，发生胶体化学变化，使植物细胞结构破坏乃至消失，成为凝胶体→无结构镜质体透射光：黄色→橙红色普通反射光下呈灰色，无凸起；油浸反射光下呈深灰色傅家谟等《煤成烃地球化学》科学出版社，北京，火焚：沼泽森林火灾中形成的类似木炭的物质，成煤过程中形成惰质组。
煤的结构
特点：大分子网络为固定相，小分子则为流动相。煤的 多聚芳环是主体，对于相同煤种主体是相似的，而流动 相小分子是作为客体掺杂于主体之中，不同煤种的个体 是相异的。
单相模型—— 1992年，Nashioka在分布溶剂萃取试验中发现抽提物
的煤分子量呈连续分布而提出 一、煤的物理结构
特点：煤中存在强的分子内和分子间作用，分子簇间靠静电型或
硫 醚（R—S—R’）
二硫醚（R—S—S—R’）
硫 醌
杂环硫
煤中的杂原子
• 含氮官能团
• 主要以六元杂环、吡啶环或喹啉环等形式存在
• 还有胺基、亚胺基、腈基等
连接基本结构单元的桥键
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
20世纪中叶前所说的煤化学结构，其实是元素分析 和主要有机官能团的分析
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 缺乏必要的手段
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
煤 第 的 一 结 节 构
煤的组成 一、煤的物理结构
煤的组成
– 有机质 – 矿物质
煤的结构
– 大分子结构 – 物理空间结构 – 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
Fig.1 Diagram of the major constituents in coal: organic material, fragments of plant debris (macerals), inorganic inclusions, and an extensive pore net work.
煤的分子结构
煤的分子结构煤是一种由有机物质经过长时间的地质作用形成的岩石状燃料。
它主要由碳、氢、氧和少量的氮、硫等元素组成。
煤的分子结构是由多种有机化合物组成的复杂混合物。
以下将对煤的分子结构进行解释。
1. 煤的主要组成煤的主要组成是碳元素。
当植物残渣经过压力和高温等地质作用时，其中的有机化合物会逐渐分解，释放出氧和水分子，留下富含碳的残渣。
这些残渣在进一步的地质作用下形成了煤。
煤中的碳元素以不同的形式存在，主要有纤维素、半纤维素和腈基等。
2. 煤的结构组成煤的分子结构主要由多环芳香烃、醚、酮、酚等有机化合物组成。
这些有机化合物通过共价键连接在一起，形成了复杂的聚合物结构。
多环芳香烃是煤中最主要的有机化合物之一，由苯环和其他环芳香烃组成，具有很高的稳定性和难以降解的特性。
3. 煤的结构类型根据煤的成熟度和形成过程的不同，煤可以分为不同的结构类型，主要包括褐煤、烟煤和无烟煤。
褐煤是最不成熟的煤，其分子结构中含有较多的氧和水分子。
烟煤是中等成熟度的煤，其分子结构中的氧含量较少，碳含量较高。
无烟煤是最成熟的煤，其分子结构中的氧和水分子含量很低，碳含量最高。
4. 煤的结构特性煤的分子结构决定了其物理和化学性质。
由于煤中含有大量的碳元素，因此煤具有高热值和较长的燃烧时间。
此外，煤中的多环芳香烃结构决定了它具有很高的化学稳定性，不容易被分解和燃烧。
另外，煤还含有很多的杂质，如硫和氮等，这些杂质会影响煤的燃烧性能和环境影响。
总结：煤的分子结构是由多种有机化合物组成的复杂混合物。
它主要由碳、氢、氧和少量的氮、硫等元素组成。
煤的结构包括多环芳香烃、醚、酮、酚等有机化合物的聚合物结构。
根据煤的成熟度和形成过程的不同，煤可以分为褐煤、烟煤和无烟煤等结构类型。
煤的分子结构决定了其物理和化学性质，如高热值、化学稳定性等。
同时，煤中的杂质也会对煤的性质产生影响。
煤的结构
Part 3：煤的结构Coal structure
第三章：煤的结构Coal structure
第三章 煤的结构Coal structure
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 煤结构概述 summarization
第一节 煤结构概述 summarization
2.1 Hirsch模型(physical structure model)
（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。
2.2 两相模型(host-guest model)
两相模型又称为主—客模型。认为煤中有机物大分子 多数是交联的大分子网络结构，为固定相；低分子因非 共价键力的作用陷在大分子网状结构中，为流动相。煤 的多聚芳环是主体，对于相同煤种主体是相似的，而流 动相小分子是作为客体搀杂于主体之中。采用不同溶剂 抽提可以将主客体分离。在低阶煤中，非共价键的类型 主要是离子键和氢键；在高阶煤中，-电子相互作用和 电荷转移力起主要作用。
1、化学结构模型(chemical structure model) 1.1 Wiser模型：被认为是比较全面合理的一个模型，该
模型也是针对年轻烟煤（碳含量82%~83%），它展示 了煤结构的大部分现代概念，可以合理解释煤的液化 和其他化学反应性质。缺点是没有考虑小分子化合物。 1.2 本田模型：本田模型的特点是考虑了低分子化合物的 存在，缩合环以菲为主，它们之间有较长的次甲基键 相连接。模型中氧的存在形式比较全面，但没有考虑 氮和硫的结构。
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。 已确定的有：
第三章：煤的结构Coal structure
第三章 煤的结构Coal structure
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 煤结构概述 summarization
第一节 煤结构概述 summarization
2.1 Hirsch模型(physical structure model)
（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。
2.2 两相模型(host-guest model)
两相模型又称为主—客模型。认为煤中有机物大分子 多数是交联的大分子网络结构，为固定相；低分子因非 共价键力的作用陷在大分子网状结构中，为流动相。煤 的多聚芳环是主体，对于相同煤种主体是相似的，而流 动相小分子是作为客体搀杂于主体之中。采用不同溶剂 抽提可以将主客体分离。在低阶煤中，非共价键的类型 主要是离子键和氢键；在高阶煤中，-电子相互作用和 电荷转移力起主要作用。
1、化学结构模型(chemical structure model) 1.1 Wiser模型：被认为是比较全面合理的一个模型，该
模型也是针对年轻烟煤（碳含量82%~83%），它展示 了煤结构的大部分现代概念，可以合理解释煤的液化 和其他化学反应性质。缺点是没有考虑小分子化合物。 1.2 本田模型：本田模型的特点是考虑了低分子化合物的 存在，缩合环以菲为主，它们之间有较长的次甲基键 相连接。模型中氧的存在形式比较全面，但没有考虑 氮和硫的结构。
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。 已确定的有：
煤的结构模型
煤的结构模型
煤是一种来源广泛的可燃性矿物质，由于其独特的结构模型，具有极高的能量密度，因此被广泛应用于能源产业。
煤的结构由有机质和矿物质两部分组成，相应地，其结构模型也有机质成分模型和整体模型两种。
有机质成分模型描述了煤中最基本的单位——有机质单元（OMU）的组成和结构。
OMU是指由碳、氢、氧、氮等元素构成的一类复杂的有机化合物，它们的大小通常在1~50μm之间，是煤的基本单元。
有机质成分模型通过研究OMU的组成和排列方式，揭示了煤的有机质成分与其物理性质之间的关系，为煤炭学、岩石学、油气地质学等领域的研究提供了重要的基础。
整体模型则是对煤的宏观结构的描述，其包括了排列方式、大小、形态、成分等方面的信息。
在整体模型中，煤被看作是一个具有多级的等级结构的材料，从微观到宏观表现出不同的结构特征。
整体模型不仅可以用来描述煤的物理性质，还可以为煤的加工、利用等应用领域提供参考。
总的来说，煤的结构模型是煤炭学领域的重要研究内容，其对于煤的加工、利用、贮存等方面都有着重要的指导作用。
随着煤炭学领域的
不断深入，煤的结构模型也将不断完善和发展，为我们更好地利用和开发煤炭资源提供有力支撑。
模块七第三讲煤的化学结构模型(共12张PPT)
第9页，共12页。
第三讲 煤的化学结构模型
H2 CC
O
H H2 CC CH3
OH O
CH2 CH2 HC CH3
H 2C
O
H 3C
O 低分子
低分子
CH2 HC CH2
H2 H2 CC
CH2
CH2 H2 HC C
H2
HO
CH2
低分子 O
CH3
H H2 H2 CCCC
CH3 HO
CH3 H 2C
CH3
模块七 煤的有机质结构
第三讲 煤的化学结构模型
第1页，共12页。
第三讲 煤的化学结构模型
从20世纪初开始研究煤结构以来，人们提出的煤分子结构模型已有十几个之多， 本讲将对五个有代表性的结构模型予以简要介绍，以期从不同的侧面了解煤的化学 结构。
➢ Fuchs化学结构模型
➢ Given化学结构模型 ➢ Wiser化学结构模型 ➢ 本田化学结构模型
CH2
CH3
H 2C
H 3C C C CH3
H C
2
H2 C
CH3
图6-6 本田化学结构模型
第10页，共12页。
第三讲 煤的化学结构模型
5. Shinn化学结构模型
Shinn化学结构模型是目前广为人们接受的煤大分子模型，是根据煤在一段和二 段液化过程产物的分布提出来的，所以又叫做反应结构模型，如图6-7所示。
Wiser化学结构模型的主要不足在于缺乏立体结构的考虑，即缺乏对给出 的官能团、取代基以及缩合芳环等在立体空间中形成稳定化学结构和谐性的 考虑。
第7页，共12页。
第三讲 煤的化学结构模型
OH SH
OH CH2
OH CH3
第三讲 煤的化学结构模型
H2 CC
O
H H2 CC CH3
OH O
CH2 CH2 HC CH3
H 2C
O
H 3C
O 低分子
低分子
CH2 HC CH2
H2 H2 CC
CH2
CH2 H2 HC C
H2
HO
CH2
低分子 O
CH3
H H2 H2 CCCC
CH3 HO
CH3 H 2C
CH3
模块七 煤的有机质结构
第三讲 煤的化学结构模型
第1页，共12页。
第三讲 煤的化学结构模型
从20世纪初开始研究煤结构以来，人们提出的煤分子结构模型已有十几个之多， 本讲将对五个有代表性的结构模型予以简要介绍，以期从不同的侧面了解煤的化学 结构。
➢ Fuchs化学结构模型
➢ Given化学结构模型 ➢ Wiser化学结构模型 ➢ 本田化学结构模型
CH2
CH3
H 2C
H 3C C C CH3
H C
2
H2 C
CH3
图6-6 本田化学结构模型
第10页，共12页。
第三讲 煤的化学结构模型
5. Shinn化学结构模型
Shinn化学结构模型是目前广为人们接受的煤大分子模型，是根据煤在一段和二 段液化过程产物的分布提出来的，所以又叫做反应结构模型，如图6-7所示。
Wiser化学结构模型的主要不足在于缺乏立体结构的考虑，即缺乏对给出 的官能团、取代基以及缩合芳环等在立体空间中形成稳定化学结构和谐性的 考虑。
第7页，共12页。
第三讲 煤的化学结构模型
OH SH
OH CH2
OH CH3
3 煤储层组成及孔裂结构特征
3 1—粗粒体；2—粗粒体；3—微粒体；4—微粒体 4
有细胞结构。
▲ 部分菌类体，透射光：棕色、黑棕色；反射光：灰白、
灰白色，可归入半镜质组、镜质组中。
⑹
惰屑体
特征：丝质体，半丝质体，菌类体碎片， 1~10um， 菱角状，不规则状外形，轮廓清晰。
1
成因： ① 泥炭化阶段形成，真菌，放射菌氧化
2
② 森林火灾，搬运沉积 ③ 挤压破碎
原生结构破坏 构造镜面发育 主要粒级在 1mm 以上 易捻搓成碎 粒或煤粉 主要粒级在 1mm 以下 易捻搓成煤 粉或煤尘
3、煤储层中的气相介质
煤储层中赋存的气相介质和由“准液态” 转化为气相介质的主要有 CH4、 N2、 CO2、 C2H6等。
表 3-2 甲烷在煤储层中赋存形态和分布（据 A.T 艾鲁尼） 赋存位置 裂隙、大孔和块体空间内 裂隙、大孔和块体内表面 显微裂隙和微孔隙 芳香层缺陷内 芳香碳晶体内 中煤级煤，埋深 800~1200 米 赋存形态 游离、 （水溶态） 吸附 吸附 替代式固溶体 填隙式固溶体 比例（%） 8~12（1~3） 5~12 75~80 1~5 5~12
（三）煤的结构与构造
2、宏观煤岩类型
宏观煤岩类型 光亮煤 半亮煤 半暗煤 暗淡煤 光泽 光泽极强 光泽较强 光泽暗淡 光泽极暗 镜煤＋亮煤 >75% 75% --50%
① 条带状结构
1、煤的宏观结构
宏观煤岩成分的形态、大小、厚度、生物残体所 表现出来的特征。 宽条带状结构 中条带状结构 细条带状结构 ② ③ ④ 条带宽 >5mm 条带宽 3-5mm 条带宽 1-3mm
50% —25 % <25%
线理状结构：煤岩成分呈<1mm的线理 透镜状结构：煤岩成分成透镜状 均一状结构：成分单一、均匀，镜煤、腐植腐泥煤
有细胞结构。
▲ 部分菌类体，透射光：棕色、黑棕色；反射光：灰白、
灰白色，可归入半镜质组、镜质组中。
⑹
惰屑体
特征：丝质体，半丝质体，菌类体碎片， 1~10um， 菱角状，不规则状外形，轮廓清晰。
1
成因： ① 泥炭化阶段形成，真菌，放射菌氧化
2
② 森林火灾，搬运沉积 ③ 挤压破碎
原生结构破坏 构造镜面发育 主要粒级在 1mm 以上 易捻搓成碎 粒或煤粉 主要粒级在 1mm 以下 易捻搓成煤 粉或煤尘
3、煤储层中的气相介质
煤储层中赋存的气相介质和由“准液态” 转化为气相介质的主要有 CH4、 N2、 CO2、 C2H6等。
表 3-2 甲烷在煤储层中赋存形态和分布（据 A.T 艾鲁尼） 赋存位置 裂隙、大孔和块体空间内 裂隙、大孔和块体内表面 显微裂隙和微孔隙 芳香层缺陷内 芳香碳晶体内 中煤级煤，埋深 800~1200 米 赋存形态 游离、 （水溶态） 吸附 吸附 替代式固溶体 填隙式固溶体 比例（%） 8~12（1~3） 5~12 75~80 1~5 5~12
（三）煤的结构与构造
2、宏观煤岩类型
宏观煤岩类型 光亮煤 半亮煤 半暗煤 暗淡煤 光泽 光泽极强 光泽较强 光泽暗淡 光泽极暗 镜煤＋亮煤 >75% 75% --50%
① 条带状结构
1、煤的宏观结构
宏观煤岩成分的形态、大小、厚度、生物残体所 表现出来的特征。 宽条带状结构 中条带状结构 细条带状结构 ② ③ ④ 条带宽 >5mm 条带宽 3-5mm 条带宽 1-3mm
50% —25 % <25%
线理状结构：煤岩成分呈<1mm的线理 透镜状结构：煤岩成分成透镜状 均一状结构：成分单一、均匀，镜煤、腐植腐泥煤
模块七第三讲煤的化学结构模型.
CC CH3
H2 C
H2 C
CH3
图6-6 本田化学结构模型
第三讲 煤的化学结构模型
5. Shinn化学结构模型
Shinn化学结构模型是目前广为人们接受的煤大分子模型，是根据煤 在一段和二段液化过程产物的分布提出来的，所以又叫做反应结构模型， 如图6-7所示。
与以上几种模型（C＝100左右）不同，Shinn化学结构模型以烟煤为 对象，以分于量为10000为基础，将考察结构单元扩充至C＝661，通过数 据处理和优化得出分子式为C661H561O74N16S6，此模型不仅考虑了煤分子中 杂原子的存在，而且官能团、桥键分布均比较接近实验结果。Shinn模型 中含氧较多，基本结构的芳香环数多为2~3个，其间由1~4个桥结构相连。 大多数桥结构是亚甲基（－CH2－）和醚（－O－）。氧的主要存在形式 是酚羟基。模型中有一些特征明显的结构单元，如缩合的喹啉、呋喃和吡 喃。
第三讲 煤的化学结构模型
O O
O
O
H O O
O CH3
S H
CH3
CH
CH3
O O
N H
图6-3 Fuchs化学结构模型（经Van Krevelen修改）
第三讲 煤的化学结构模型
2. Given化学结构模型
Given化学结构模型表示低煤化度烟煤是由环数不多的缩合芳香环 （主要是萘环）构成的一类大分子化合物，如图6-4所示。在这些环结构 之间以脂环相互连接，分子呈线性排列构成折叠状、无序的三维空间大分 子。氮原子以杂环形式存在，大分子结构上连有多个在反应或测试中确定 的官能团如酚羟基和醌基等。 Given模型加强了煤中氢化芳环结构，这些 结构在煤液化反应过程的初期具有供氢活性。缩合芳香环结构单元之间交 联键的主要形式是邻位亚甲基，但模型中没有含硫的结构，也没有醚键和 两个碳原子以上的次甲基桥键，这是Given化学结构模型的不足之处之 一。
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2.2
两相模型
两相模型又称为主—客模型。认为煤中有机物大分 子多数是交联的大分子网络结构，为固定相；低分子因 非共价键力的作用陷在大分子网状结构中，为流动相。 煤的多聚芳环是主体，对于相同煤种主体是相似的，而 流动相小分子是作为客体搀杂于主体之中。采用不同溶 剂抽提可以将主客体分离。在低阶煤中，非共价键的类 型主要是离子键和氢键；在高阶煤中，-电子相互作用 和电荷转移力起主要作用。
(4)连接结构单元的桥键
连接结构单元之间的桥键主要是次甲基键、醚键、 次甲基醚键、硫醚键以及芳香碳－碳键等。在低煤化程 度的煤中桥键最多，主要形式是前三种；中等煤化程度 的煤中桥键最少，主要形式是－CH2－和－O－；到无烟 煤阶段时桥键有所增多，主要形式是最后一种。
(5)氧、氮、硫的存在形式 氧的存在形式除了官能团外，还有醚键和杂环； 硫的存在形式有巯基、硫醚和噻吩等；氮的存在形式 有吡咯环、胺基和亚胺基等。
可用于研究煤结构的仪器主要有：
方 法 所 提 供 的 信 息
密度测定 比表面积测定 小角X射线散射(SAXS) 计算机断层扫描(CT) 核磁共振成象 电子投射/扫描显微镜 (TEM/SEM) 扫描隧道显微镜(STM) 原子力显微镜(AFM)
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
孔容、孔结构、气体吸附与扩散、 反应特性
形貌、表面结构、孔结构、微晶 结构
(6)
低分子化合物
在煤的高分子化合物的缝隙中还独立存在着具有 非芳香族结构的低分子化合物，它们主要是脂肪族化 合物，如褐煤、泥炭中广泛存在的树脂、蜡等。
(7)煤化程度对煤结构的影响
低煤化程度的煤含有较多非芳香结构和含氧基团，芳 香核的环数较少。除化学交联键外，分子内和分子间的氢 键力对煤的性质也有较大的影响。由于年轻煤的规则部分 小，侧链长而多，官能团也多，因此形成比较疏松的空间 结构，具有较大的孔隙率和较高的比表面积。中等煤化程 度的煤（肥煤和焦煤）含氧官能团和烷基侧链少，芳核有 所增大，结构单元之间的桥键减少，使煤的结构较为致密， 孔隙率低，故煤的物化性质和工艺性质在此处发生转折， 出现极大值或极小值。年老煤的缩合环显著增大，大分子 排列的有序化增强，形成大量的类似石墨结构的芳香层片， 同时由于有序化增强，使得芳香层片排列得更加紧密，产 生了收缩应力，以致形成了新的裂隙。这是无烟煤阶段孔 隙率和比表面积增大的主要原因。
3. 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％ 。
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。
(1)煤分子是由多个基本结构单元构成的高分子
煤不是由均一的单体聚合而成，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。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。
(2) 结构单元的核心是缩合芳香核
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； 碳含量为大于90%时，环数急剧增加，碳含量大于95%时， 平均环数大于40。煤的芳碳率，烟煤一般小于0.8，无 烟煤则趋近于1。
X射线衍射(XRD) 紫外－可见光谱(UV-Vis) 红外光谱(IR)－Raman光谱 核磁共振谱(NMR) 顺磁共振谱(ESR)
微晶结构 芳香结构大小 官能团,脂肪和芳香结构,芳香度 C,H原子分布,芳香度,芳香结构 自由基浓度,未成对电子分布
第二节
煤的大分子结构
1. 煤的大分子构成
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”的混合物组成的。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。
1.1 煤大分子规则部分：
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。
不同煤化程度 煤的结构单元 变化规律
1.2．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。
1.2.1 烷基侧链
煤的大分子模型示意图
煤的大分子模型示意图
Wiser模型
本田模型
Hirsch模型
两相模型
连接在缩合环上的烷基侧链是指甲基、乙基、丙基 等基团。烷基侧链的平均长度随煤化程度提高而迅速缩 短。
烷基侧链的平均长度 碳含量（daf，%） 65.1 74.3 80.4 84.3 侧链的长度（碳原子数） 5.0 2.3 2.2 1.8
1.2.2 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。
第三部分：煤的结构 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 煤结构概述
研究煤结构的方法主要有
（1）物理研究法 主要是利用高性能的现代分析仪器， 如红外光谱仪、核磁共振仪、X－射线衍射仪、扫描电镜 等对煤结构进行测定和分析，从中获取煤结构的信息。 （2）物理化学研究法 利用溶剂萃取手段，将煤中的组 分分离并进行分析测定，以获取煤结构的信息。 （3）化学研究法 对煤进行适当的氧化、氢化、卤化、 水解等化学处理，对产物的结构进行分析测定，推测母体 煤的结构。此外煤分子上的官能团也可以采用化学分析的 方法进行测定。
其余自学。
2、物理结构模型
2.1 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”比例教大。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。
第四节
煤分子结构理论的基本内容
经过科学家的大量研究，虽然还没有彻底了解煤的分 子结构，但对煤的分子结构有了一个较为准确的认识：
(1) 煤分子是由多个基本结构单元构成的高分子 (2) 基本结构单元的核心是缩合芳香核 (3) 基本结构单元有不规则部分：侧链和官能团
(4) 连接基本结构单元的是桥键
(5) 氧、氮、硫以官能团形式存在 (6) 低分子化合物的存在 (7) 煤化程度对煤结构的影响规律
1.2.3
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。
2. 煤的结构参数
（1）芳碳率（ fa ）：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，fa＝Ca/C。 （2） 芳氢率（fH）：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，fa＝Ha/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。
(3)结构单元的不规则部分
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（–OH）、羧基 （–COOH）、羰基（=C=O）、甲氧基（–OCH3）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；另外，煤分 子上还有少量的含硫官能团和含氮官能团。
第三节
1、化学结构模型
煤的结构模型
1.1 Wiser模型：被认为是比较全面合理的一个模型，该 模型也是针对年轻烟煤（碳含量82%~83%），它展示了 煤结构的大部分现代概念，可以合理解释煤的液化和 其他化学反应性质。缺点是没有考虑小分子化合物。
1.2 本田模型：本田模型的特点是考虑了低分子化合物 的存在，缩合环以菲为主，它们之间有较长的次甲基 键相连接。模型中氧的存在形式比较全面，但没有考 虑氮和硫的结构。