煤化学 第四章PPT课件

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2.煤中含氧官能团随煤化程度的变化
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由图可见：
1）煤中的含氧官能团随煤化程度增加而 急剧降低，其中以羟基为最多，其次是 羰基和羧基，在煤化过程中，甲氧基首 先消失，接着是羧基，它在典型烟煤中 已不再存在，而羟基和羰基仅在数量上 减少，即使在无烟煤中也还存在。
2) 图中其余含氧主要指醚键和杂环氧， 它们所占的比例对中等变质程度的煤是 相当大的。
第四章 煤的有机质的结构
第一节 煤结构单元 核心部分的结构
第二节 煤结构单元 外围部分的结构
第三节 煤的结构模型 和分子结构概念
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第一节 煤结构单元核心部分的 结构
一、煤的基本结构单元 1.定义 构成煤的大分子聚合物的“相似化
合物”被称作基本结构单元。 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。
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4.环缩合度指数
2 N(R)1 N(C)
2 N(R)1 N(C)
中N(R)为基本结构单元中缩合环的
数目，N(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的关系：
2N N (R (C ) )1 2 fa c rN N ( (H C ) )
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另外还有其他结构参数。 5.环指数 6.芳环紧密度 7.芳族大小 8.聚合强度 9.聚合度
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第二节 煤结构单元外围 部分的结构
煤结构单元的外围部分主要是含 氧官能团、含硫官能团、含氮官能团 和烷基侧链。
通常它们的数量随着煤化程 度增加而减少。
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一、含氧官能团
1. 氧的存在形式可分为两类： 一类是含氧官能团，如羧基、酚羟
基、羰基、醌基和甲氧基等，煤化程度 越低，这一部分的比例越大；
另一类是醚键和呋喃环，它们在年 老煤中占优势。
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2.芳氢率
f
H ar
f H Nar(H) ar Ntotal(H)
煤的基本结构单元中，属于芳香族结构 的氢原子数Nar (H) 与总的氢原子数Ntotal (H) 之比。
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3.芳环率
f
R ar
f R Nar(R) ar Ntotal(R)
是指煤的基本结构单元中，芳香环数 Nar (R) 与总环数Ntotal (R) 之比。
中等煤化程度的煤桥键数目最少，主要形式是—

CH2—和—O—；至无烟煤阶段桥键又增多，主
要是芳香碳-碳键。
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第三节煤的结构模型
一、煤的化学结构模型 1.威斯化学结构模型 该模型（图）是目前公认为比较合理的一种
化学结构模型，基本上反映了煤化学结构的新进 展，可以解释煤的热解、氢化、氧化、酚解聚和 水解等一些化学反应。
煤分子间通过交联键缠绕在空间以一定 方式排列，形成不同的立体结构。
交联键有化学键、非化学键。
化学键， 如桥键 ；
非化学键，如氢键、电子给予-接受键 和范德华力等。
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6.低分子化合物 煤中的低分子化合物主要是指分子量小于
500的有机化合物。 煤中低分子化合物的含量随煤化程度的增
高而降低。
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7.不同煤化程度煤的结构差异 低煤化程度的煤含有较多的非芳香结构
和含氧基团，芳香核心较小。 中等变质程度的烟煤（肥煤和焦煤）的
含氧基团和烷基侧链减少，结构单元间的平 行定向程度有所提高。
更高煤化程度的煤向高度缩合的石墨化 结构发展，芳香碳-碳交联增加，物理上出 现各向异性，化学上具有明显的惰性。
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综上所述，煤的分子结构可以这样概括：
煤的分子结构的基本单元是大分子芳香 族稠环化合物，也称大分子六碳环平面网格。 在大分子绸环周围，连接有很多烃类侧链结 构，氧键和各种官能团，侧链和氧键又将大 分子碳网格在空间以不同角度互相连接起来， 构成了煤的复杂的大分子结构。碳原子大部 分集中在六碳环平面网格内，氢、氧等基本 上集中在平面网格周围的侧链中。
图中箭头指处为键能较低、结合薄弱的桥键。
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（二）本田化学结构模型
该模型的特点是最早在有机结构部分 设想存在着低分子化合物，考虑到煤的低 分子化合物的存在，缩合芳香环以菲为主， 它们之间有比较长的次甲基键连接，对氧 的存在形式考虑比较全面。
不足之处是没有包括硫和氮的结构。
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第四节 煤分子结构的近代概念
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3.煤中的含硫和含氮官能团
•煤中有机硫的主要存在形式是噻吩， 其次是硫醚键和巯基（SH）。 •煤中含氮量多在1%~2%，大约 50%~75%的氮以吡啶环或喹啉环形 式存在，此外还有胺基、亚胺基、腈 基和五元杂环等。
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二、烷基侧链
烷基侧链随煤化程度增加开始很 快缩短，然后变化渐趋平缓。对年老 褐煤和年轻烟煤的烷基碳原子数平均 为2左右，无烟煤则减少到1，即主要 含甲基。另外，烷基碳占总碳的比例 也随煤化程度增加而减少，煤中C为 70%时，烷基碳占总碳的8%左右； 80%时约占6%；90%时，只有3.5% 左右。
官能团主要是酚羟基和羰基等。 4.煤中氧、氮和硫的存在形式
煤中氧的存在形式除含氧官能团外，还 有醚键和杂环；硫的存在形式有巯基、硫 醚和噻吩等；氮的存在形式有吡啶和吡咯 环、胺基和亚胺基等。
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5.结构单元之间的桥键
不同长度的次甲基键、醚键、次甲基醚 键和芳香碳-碳键等都可以是结构单元之间 的桥键。
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第一节 煤结构单元核心部分的 结构
2.基本结构单元的规则部分 指结构单元的核心部分，由几个或
十几个苯环、脂环、氢化芳香环及杂环 （含氮、氧、硫）所组成。随煤化程度的 增大，苯环逐渐增多。
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二、煤的结构参数
1.芳碳率
f
c ar
f c
Nar(C)
ar Ntotal(C)
指煤的基本结构单元中，属于芳 香族结构的碳原子数Nar(C)与总的碳原 子数Ntotal(C)之比。
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三、桥键
桥键是连接结构单元的化学键：
1.次甲基键 —CH2—，—CH2—CH2—， —CH2— CH2—CH2等；
2.醚键和硫醚键 —O—，—S—，—S—S—等；
3.次甲基醚键 —CH2—O—，—CH2—S—等； 4.芳香碳-碳键 Car—Car。
在低煤化程度煤中桥键发达，其类型主要是
前面三种，尤以长的次甲基键和次甲基醚键为多；
1.煤的主体是三维空间的高分子物质 它煤的大分子不是由均一的“单体”聚
合而成，而是由许多结构相似但又不完全相 同的结构单元通过桥键联结而成。 2.煤结构单元的核心为缩合芳香环
煤结构的缩合芳香环数随煤化程度增加 而增加。
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3.煤结构单元的外围为烷基侧链和官能团 烷基中主要是—CH3和—CH2—CH2—，