煤的热物性

查看完整版本: [-- 煤的物理性质和固态胶体性质--]炎黄焦化论坛-煤焦化行业专业交流平台-> 备煤工艺技术-> 煤的物理性质和固态胶体性质[打印本页]登录-> 注册-> 回复主题-> 发表主题我牛12010-11-16 13:37煤的物理性质和固态胶体性质煤的物理性质主要包括空间结构性质、机械性质、光学性质、电性质等。

从胶体化学的观点，可将煤看作是一种特殊和复杂的固态胶体体系。

为此研究煤作为固态胶体所表现的物理化学性质。

煤的物理和物理化学性质也和煤的其他性质一样，主要取决于煤化度和煤岩组成，有时还取决于煤的还原程度。

煤的某些物理性质还与矿物质（数量、性质与分布）、水分和风化程度有关。

由于物质结构和它的物理常数等有直接的关系，所以对煤的物理性质、物理化学性质的测定和研究反映了煤分子的化学组成与结构、分子空间结构及其变化特点，为煤结构的研究和煤化学学科的发展提供重要的信息。

此外，了解煤的物理与物理化学性质，对煤的开采、破碎、洗选、型煤制造、热加工和新产品的开发等工艺和技术进步也有很大的实际意义。

1 煤的密度物质密度的大小取决于分子结构和分子排列的紧密度，因而与分子空间结构有关。

因此密度是性质与结构的重要参数，应了解煤的密度随煤化度的变化规律。

(1) 煤密度的几个基本概念煤的密度是单位体积煤的质量，单价是g/cm3或kg/m3。

煤的相对体积质量（亦称相对密度）是煤的密度与参考物质的密度在规定条件下的比，量纲为1。

密度与相对体积质量数值相同，但物理意义不同。

学术多使用密度，而工业上习惯用相对体积质量。

中国已将煤相对体积质量的测定方法列为国家标准。

①煤的真相对体积质量煤的真相对体积质量（亦称真相对密度）是指煤的密度（不包括煤中空隙的体积）与参考物质的密度在规定条件下之比。

煤的真相对体积质量代表符号是TRD，它是计算煤层平均质量与煤质研究的一项重要指标。

TRD，可用比重瓶法（参考GB217）或其他置换法求得。

②煤的视相对体积质量煤的视相对体积质量（亦称视相对密度）是指煤的密度（包括煤的内孔隙）与参考物质的密度在规定条件下之比。

煤的视相对体积质量代表符号是ARD,在计算煤的理藏量及煤的运输、粉碎、燃烧等过程都需要用此数据。

ARD可用涂蜡法（参考GB6949)、凡士林法或水银法测定。

根据煤的真密度和视密度可计算出煤的孔隙率，计算公式如下：孔隙率=（真密度一视密度）／真密度×100%③煤的散密度煤的散密度（旧称堆积密度或堆比重）是指用自由堆积方法装满容器的煤粒的总质量与容器容积之比，以t/cm3或kg/m3为单位。

散密度的测定，可在一定容积的容器中用自由堆积方法装满煤，然后称出煤的质量，再换算成单位体积的质量（t/m3 ) 。

我牛12010-11-16 13:40在设计煤仓，估计煤堆质量、计算炼焦炉装煤量及计算商品煤的装车质量时，都需用煤散密度的数据。

对同一煤样，煤的真密度数值最大，视密度其次，散密度的数值最小。

(2) 煤真密度的测定及其随煤化度的变化用不同物质（例如氦、甲醇、水、正己烷和苯等）作为置换物质测定煤的密度时所得的数值是不同的，通常以氦作为置换物所测得的结果叫煤的真密度（也称氦密度）。

因为煤中的最小气孔的直径约为0.5—lnm，而氦分子的直径为0.178nm，因此氦能完全进入煤的孔隙内。

另外，由于氦不凝聚在煤的表面上，故不会干扰密度的测定。

镜质组密度开始随煤化程度增加而慢慢降低，在C 85-87%之间达到最低值，当C达到90％以上时，密度急剧增高。

开始密度下降的原因是氧含量降低的影响大与碳含量增加的影响，同时在这一阶段煤分子结构的紧密程度变化不大，它的作用小于化学组成变化的效应。

在高变质阶段密度急剧升高的原因是芳香碳网的增大，排列规则化和更为紧凑。

煤中各显微组分的真密度与小到大的次序是：丝质组＞镜质组＞稳定组。

当C达到94％以上时，三者趋于一致。

2 煤的机械性质煤的机械性质是质煤在外来机械力作用下表现的各种特性，其中比较重要的是煤的硬度、脆度、可磨性和弹性等。

煤的机械性质在煤的开发及加工利用方面有重要的应用价值，并能为煤结构的研究提供重要信息。

(1) 煤的硬度煤的硬度反应煤抵抗外来机械作用的能力。

煤的硬度影响采煤机械的工作效率，采煤机械的应用范围，各种机械和截齿的磨损情况，同时它还决定破碎、成型加工的难易程度。

根据外加机械力的不同，煤硬度有不同的表示和测定方法。

通常有刻划硬度（莫氏硬度），弹性回跳硬度（肖氏硬度），压痕硬度（努普硬度、维氏显微硬度）和耐磨硬度（突起）等。

常用和较重要的是刻化硬度与维氏显微硬度。

显微维氏硬度简称显微硬度，代表符号为MH(Hm )，它是在显微镜下根据具有静载荷的金刚石压锥压入显微组分的程度来测定。

压痕愈大煤的显微硬度愈低，显微硬度的数值是以压锥与煤的单位实际接触面积上所承受的载荷量来表示，即kg/mm2。

显微硬度与煤化度的关系曲线像一个靠背椅，“椅背”是无烟煤，“椅面”是烟煤，“椅脚，，为褐煤。

这条特殊形状的曲线可用煤的组成和结构的变化来解析。

①“椅脚”的褐煤阶段，由于具有约50％高塑性的腐植酸及沥青质，这些成分的硬度值很小。

因此褐煤的显微硬度最低，其最低值＜20kg/mm2。

随着煤化度的增加，Cdaf从65％逐渐上升，煤中的腐植酸不断转变为结构紧密和强度较高的腐植质，沥青质含量也渐次减少，因此其显微硬度逐渐提高。

当Cdaf达到78％刚刚转入烟煤阶段时，显微硬度达到一极大值，>35kg/mm2.②在Cdaf>78％的烟煤阶段，其显微硬度逐渐变小与其中氧含量有关。

煤中氧的存在形式及多少常使煤的性质发生巨大的改变，随着氧原子的减少，氧桥(-O-）的减少，使分子间的结合力降低。

反映在硬度上就出现了自不粘煤转为粘结性煤时硬度的渐次降低，当Cdar为87%接近无烟煤阶段时，显微硬度达到一极小值，约为20kg/mm2.③从Cdaf>87％达到无烟煤阶段，由于无烟煤具有高度芳香缩合结构，其机械性质由组成高聚物空间结构的键的数量及坚固性所决定。

随着相邻碳网的结合、增大及碳网序理性（排列的整齐程度）的加强，硬度随之增大。

因而Cdaf>87%后显微硬度急剧升高，变化幅度很大，在30～200kg/mm2之间。

因此显微硬度可作为详细划分无烟煤煤化度及其与贫煤区分的指标。

煤的显微硬度除主要取决于煤化度外，还与煤的还原程度、煤岩组成和矿物杂质的含量等关系密切。

(2) 煤的脆度煤的脆度是表征煤炭机械坚固性的一个指标，即煤被破碎的难易程度。

煤炭脆度的试验方法有抗压强度法和抗碎强度法等。

最高煤化度和低煤化度煤的脆性都较小，而中等煤化度的肥煤与焦煤脆性最大。

并且挥发分小于10％的无烟煤其脆性比高挥发分的褐煤低。

煤的脆度除了与煤化度呈抛物线的变化趋势外还与岩相组成有关。

根据煤脆度的降低和韧性的增长，可以把煤烟组分按下列次序排列：丝炭最脆，镜煤、亮煤居中而暗煤最韧。

由于丝炭易碎，故通常煤粉中丝炭较多。

可见，不同煤化度和不同岩相类型煤的脆度能为煤烟选择破碎提供理论和实验依据。

(3) 煤的可磨性煤的可磨性是指煤被磨碎成煤粉的难易程度。

通常，以某矿区易磨碎烟煤作为标准煤，将其可磨性定为100。

实测的煤可磨性指数越大则容易粉碎，反之则较难粉碎。

测定煤的可磨性在某些工业部门中具有重要的意义。

例如：使用粉煤的火力发电厂和水泥厂，在设计与改进制粉系统并估算磨煤机的产量和耗电率时，常需测定煤的可磨性；在应用非炼焦煤为主的型焦工业中，为了知道所用煤料的粉碎性，以便确定粉碎系统的级数及粉碎设备的类型等，也要预先测定煤的可磨性。

此外，煤的可磨性指数也是煤质研究的重要数据。

煤的可磨性与煤化度、煤岩组成、煤中水分含量和矿物质的种类、数量及分布情况等有关。

在实验室中测定煤可磨性有不同的方法，中国国家标准（GB2565）和国际标准 (ISO 5074)规定用哈德格罗夫法测定。

哈氏可磨性的表示符号为HCI。

理论依据是磨碎定律：在研磨煤粉时所消耗的功（能量）与煤磨碎后的总表面积成正比。

在实际测定时是用被测定煤样与标准煤样相比较而得出的相对指标表示。

哈德格罗夫法的要点是：称取0.63～1.25mm的煤样50g，放在内装八个钢球的哈氏可磨性试验仪中，研磨环以20士lr/min转3min后，过0.071mm (200目）筛子。

由筛上煤样量用下式计算可磨性指数HGI:我牛12010-11-16 13:45 HGI=13＋6.93(m－m1)式中 m——煤样质量，g;m1——研磨后0.071 mm筛上煤样的质量，g.哈德格罗夫可磨性指数与煤化度的关系：随煤化度的增加，HGI呈抛物线变化，在Cdaf为90％处出现最大值，此时煤最容易磨碎。

煤的可磨性和脆度都表征了煤被粉碎的难易程度，但从实验方法可见：煤的可磨性将煤磨成细粉，该指标对非炼焦煤的制粉工艺较合适；而应用抗碎强度法所测定的煤的脆度，其力度范围与炼焦煤较为接近，因而煤的脆度用于衡量炼焦煤较为合适。

3 煤的热性质煤的热性质包括煤的质量热容（旧称比热容），导热性和热稳定性等。

研究煤的热性质不仅对煤的热加工过程及传热计算有重要意义，而且某些热性质还与煤结构关系密切。

(1) 煤的质量热容单位质量的煤温度升高1K所需的热量称为煤的质量热容，室温下煤的质量热容为l.00～1.26kJ/(kg·K)。

煤的质量热容因煤化度、水分、灰分及温度而变化。

室温下煤的质量热容随煤化度增高而减少。

煤的质量热容随其所含水分的增加而大致成直线增加，因为水的质量热容较大。

煤的灰分较多时，质量热容则下降，因为一般矿物质在室温时的质量热容为0.70-0.84kJ/ (kg·K).煤的质量热容随温度而变化，当温度从0～350℃时，质量热容增加，在270～350℃时达最大值，这是煤大分子的原子和原子团剧烈震动所致；而从350～1000℃时，质量热容下降，因为350℃后煤发生了热分解，最后接近于石墨的质量热容0.71kJ/(kg·K)。

(2) 煤的导热性煤的导热性包括煤的热导率（导热系数）λ[kJ/ (m·h·K)」和热扩散率（导温系数）a(m2/h)两个基本常数。

热导率λ是热量从煤的高温部位向低温部位传递时，单位距离上温差为1K的传热速率。

Λ和a有如下关系式：a=λ/cp式中 c——煤的质量热容，kJ/kg·K ;P——煤的密度，kg/m3物质的热导率λ应理解为热量在物体中直接传导的速度。

而物质的导温系数是不稳定导热的一个特征物理量，它代表物体具有的温度变化（加热或冷却）的能力。

由上式可知，导温系数与λ成正比，与cp成反比。

λ可表示物体的散热能力，cp表示单位体积物体温度变化1K时吸收或放出的热量，及物体的蓄热能力。