【应用化工系】煤化学--习题

第一章 习题
1. 中国能源结构、煤炭资源的分布特点及生产格局、能源发展战略是什么?P1
答:中国能源结构:煤炭资源比较丰富,油气资源总量偏少。(富煤、贫油、少气)
煤炭资源的分布:东少西多,南贫北丰,相对集中。
生产格局:北煤南运,西煤东调。
能源发展战略:节能优先、结构多元、环境友好。
 
2. 煤炭利用带来的环境问题有哪些?
答:煤炭利用带来的环境问题如酸雨、臭氧减少、全球气候变暖、烟雾等。
 
3. 何谓洁净煤技术?有哪些研究内容?
答:洁净煤技术是指从煤炭开发到利用的全过程中旨在减少污染排放与提高利用效率的加工、燃烧、转化及污染控制等新技术。
洁净煤技术的主要包括:煤炭开采、 煤炭加工、煤炭燃烧、 煤炭转化、污染排放控制与废弃物处理等。如:选煤,型煤,水煤浆,超临界火力发电,先进的燃烧器,流化床燃烧,煤气化联合循环发电,烟道气净化,煤炭气化,煤炭液化,燃料电池等。
 
4. 煤化学的主要研究内容?P4
答:煤化学是研究煤的生成、组成(包括化学组成和岩相组成)、结构(包括分子结构和孔隙结构)、性质、分类以及它们之间相互关系的科学。广义煤化学的研究内容还包括煤炭转化工艺及其过程机理等问题。
 
第二章 习题
1. 煤是由什么物质形成的?P6
答:煤是由植物生成的。
在煤层中发现大量保存完好的古代植物化石和炭化了的树干;煤层底板岩层中发现了大量的根化石、痕木化石等植物化石;在显微镜下观察煤制成的薄片可以看到植物细胞的残留痕迹以及孢子、花粉、树脂、角质层等植物残体;在实验室用树木进行的人工煤化试验,也可以得到外观和性质与煤类似的人造煤。这就有力地证实了腐植煤是由高等植物变来的。
 
2. 按成煤植物的不同,煤可以分几大类? P12
答:按成煤植物的不同,煤主要分为腐植煤、腐泥煤、腐植腐泥煤。
腐植煤:高等植物
腐泥煤:低等植物
腐植腐泥煤:高等植物+低等植物
3. 简述成煤条件。P20-21
答:煤的形成必须具备古植物、古气候、古地理和古构造等条件。
古植物:大量植物的持续繁殖
古气候:温暖、潮湿的气候环境
古地理:沼泽和湖泊
古构造:合适的地壳升降运动
4. 由高等植物形成煤,要经历哪些过程和变化?P22
答:由高等植物形成煤,要经历泥炭化作用和煤化作用两个过程。
泥炭化作用过程:高等植物→泥炭
煤化作用过程又分为成岩作用和变质作用两个阶段。成岩作用阶段:泥炭→褐煤;变质作用阶段:褐煤→无烟煤。
5. 泥炭化作用、成岩作用和变质作用的本质是什么?P22、P25、P26
答:泥炭化作用是指高等植物残骸在泥炭沼泽中,经过生物化学和地球化学作用演变成泥炭的过程。
成岩作用:泥炭在沼泽中层层堆积,越积越厚,当地壳下沉的速度超过植物堆积速度时,泥炭将被黏土、泥砂等沉积物覆盖。无定形的泥炭在上覆无机沉积物的压力作用下,逐渐发生压紧、失水、胶体老化硬结等物理和物理化学变化,转变为具有岩石特征的褐煤的过程。
变质作用:褐煤沉降到地壳深处,受长时间地热和高压作用,组成、结构、性质发生变化,转变为烟煤和无烟煤的过程。
6. 按煤化程度,腐植煤可以分为几大类?它们有哪些区分标志?
答:按煤化程度,腐植煤可以分为泥炭、褐煤、烟煤和无烟煤四个大类。
泥炭与褐煤的区分标志:外观上,泥炭有原始植物残体,呈土状;褐煤无原始植物残体,无明显条带。
褐煤与烟煤的区分标志:颜色,褐煤呈褐色或黑褐色;烟煤呈黑色。
烟煤与无烟煤的区分标志
特征与标志 烟煤 无烟煤
颜色 黑色 灰黑色
光泽 有一定光泽 金属光泽
外观 呈条带状 无明显条带
燃烧现象 多烟 无烟
 
 
7. 影响煤变质作用的因素有哪些,对煤的变质程度有何影响?P28
答:影响煤变质作用的因素主要有:温度、时间和压力。
温度是影响煤变质作用的主要因素,存在一个煤变质的临界温度。转变为不同煤化阶段所需的温度大致为:褐煤:40~50 ℃,长焰煤:<100 ℃,典型烟煤:<200 ℃,无烟煤:<350 ℃。
    时间是影响煤的重要因素,这里所说的时间是指煤在一定温度和压力条件下作用时间的长短。作用时间影响的重要性表现在:温度、压力相同,时间越长,变质程度越高;温度不同,短时间较高温度与长时间较低温度可达到相同的变质程度。
    压力也是煤变质不可缺少的条件。在压力作用下,煤主要变化是压紧、失水、孔隙率降低,并使煤岩组分沿垂直压力的方向呈定向排列。静压力使煤的芳香稠环平行层面呈有规则的排列;动压力使煤层产生破裂、滑动,低变质程度煤的芳香稠环层面的堆砌高度增加。
8. 煤变质作用有哪几种?并简述之。P26-28
答:根据变质条件和变质特征的不同,煤变质作用分为深成变质作用、岩浆变质作用和动力变质作用三种类型。
深成变质作用在正常地温状态下,煤的变质程度随着煤层沉降幅度的加大、地温的增高和受热时间的持续而增加。此变质作用与大规模的地壳升降活动有关,具有广泛的区域性。(垂直分布规律和水平分带规律:Hilt定律)
岩浆变质作用可分为区域岩浆热变质作用和接触变质作用两种类型。区域岩浆热变质作用是指聚煤坳陷内有岩浆活动,岩浆的热量、岩浆内放射性元素的蜕变热以及热液、热气使区域内地温场增高,形成地热异常带所导致煤的变质作用。接触变质作用是指岩浆直接接触或侵入煤层,由于岩浆的高温、热液、挥发性气体和压力促使煤发生变质的作用。
动力变质作用是指由于褶皱及断裂运动所产生的动压力及伴随构造变化所产生的热量促使煤发生变质的作用。
9. 什么是煤层气?P31
答:煤层气俗称“瓦斯”,与煤炭伴生、以吸附状态储存于煤层内的非常规天然气。
第三章 习题
1. 反映煤分子结构的参数有哪些?P36
答:煤的结构参数有芳碳率、芳氢率和芳环数。
芳碳率()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。

芳氢率()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。

芳环数()是指煤的基本结构单元中芳香环数的平均数量。
2. 研究煤分子结构的方法有哪些?P45
答:煤结构的研究方法主要有三类:物理研究法、化学研究法和物理化学研究法。
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、核磁共振、X射线衍射、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。
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,并据此推测煤的结构。
物理化学研究法:利用溶剂抽提,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. 煤分子结构理论的主要观点有哪些?P46
答:⑴ 煤是三维空间高度交联的非晶质的高分子缩聚物
煤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。
⑵ 煤分子基本结构单元的规则部分
规则部分(缩合芳香核):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。
⑶ 煤分子基本结构单元的不规则部分
不规则部分:烷基侧链和官能团。烷基侧链的长度随煤化程度的提高而减少。官能团主要是含氧官能团:羟基、羧基、羰基、甲氧基等,随着煤化程度的提高,甲氧基和羧基很快消失,其他含氧基团在各种煤化程度的煤中均有存在;少量的含硫官能团和含氮官能团。
⑷ 连接基本结构单元的桥键
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,主要形式为前三种。
⑸ 氧、硫和氮的存在形式
氧:除含氧官能团外,还有醚键和杂环等;硫:巯基、硫醚和噻吩等;氮:吡咯环、胺基和亚胺基等。
⑹ 低分子化合物
低分子化合物:脂肪族化合物,如褐煤和泥炭中的树脂和蜡等。
⑺ 煤化程度对煤结构的影响
低煤化程度煤的缩合芳香核较小,侧链长而多,官能团多,煤的结构比较疏松,孔隙率较大,比表面积较高。
    中等煤化程度煤(肥煤和焦煤)的缩合芳香核增大,含氧官能团和烷基侧链减少,结构单元之间的桥键减少,煤的结构较为致密,孔隙率低,比表面积小,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。
    高等煤化程度煤的缩合芳香核显著增大,大分子排列的有序化增强,产生收缩应力,形成裂隙,孔隙率增加,比表面积增大。
4. 煤有哪些代表性的结构模型?P40-45
答:煤的化学结构模型:Fuchs模型、Given模型、Wiser模型、本田模型和Shinn模型。
煤的物理结构模型:Hirsch模型、交联模型、两相模型和单相模型。
煤结构的综合模型:Oberlin模型和球(Sphere)模型。
第四章 习题
1. 简述煤岩学的研究方法。P71
答:煤岩学的研究方法有宏观研究法和微观研究法。
宏观研究法是用肉眼或放大镜来观察煤,根据煤的颜色、条痕、光泽、硬度、密度、断口等物理性质,确定宏观煤岩成分和宏观煤岩类型,对煤层进行整体的观察和描述,初步评定煤的性质和用途。
    微观研究法是利用显微镜来观察煤片,识别并研究煤的显微组分的方法。常用的方法有两种:一种是在透射光下观察煤的薄片(0.02mm),根据颜色、形态、结构、轮廓等特征鉴别煤的显微组分;另一种是在反射光下观察煤块光片(1.5~2cm),根据颜色、形态、结构、轮廓、突起等特征鉴别煤的显微组分。
2. 什么是宏观煤岩成分?宏观煤岩成分有哪几种?P48
答:宏观煤岩成分是用肉眼或放大镜可以区分的煤的基本组成单位。
根据颜色、光泽、断口、裂隙、硬度等性质,用肉眼或放大镜将煤分为镜煤、亮煤、暗煤和丝炭四种宏观煤岩成分。
3. 宏观煤岩类型是根据什么划分的?共分哪几种?P50-51
答:根据烟煤的平均光泽强度,烟煤的宏观煤岩类型:光亮煤、半亮煤、半暗煤和暗淡煤。
根据褐煤组成成分体积分数和结构,褐煤的宏观煤岩类型:基质煤、富木质煤、富木炭煤和富矿物质煤。
4. 什么是煤的显微组分?煤的有机显微组分可分哪几组?P52
答:在显微镜下才能识别的煤中的基本组成单元称为显微组分。
    煤的有机显微组分:镜质组V、壳质组E和惰质组I。
5. 什么是凝胶化作用和丝炭化作用?P52、P59
答:凝胶化作用是指泥炭化作用阶段成煤植物的组织在积水较深、气流闭塞的沼泽环境下,产生极其复杂的变化,一方面,植物组织在微生物作用下,分解、水解、化合形成新的化合物并破坏植物组织器官的细胞结构;另一方面,植物组织在沼泽水的浸泡下吸水膨胀,使植物细胞结构变形、破坏乃至消失,或进一步再分解为凝胶的过程。
丝炭化作用是指成煤植物的组织在积水较少、湿度不足的条件下,木质纤维组织经脱水作用和缓慢的氧化作用后,又转入缺氧的环境,进一步经煤化作用后转化为丝炭化组分。
6. 判别煤的煤化程度的指标有哪些?为什么说镜质组反射率是表征煤化程度的科学指标?
答:判别煤的煤化程度的指标很多,主要有干燥无灰基挥发分Vdaf、干燥无灰基碳含量Cdaf、恒湿无灰基高位发热量Qgr,maf、镜质组的平均最大反射率等。
在以上表征煤化程度的众多指标中,镜质组反射率是公认的科学指标,其原因如下:
⑴ 镜质组是煤中的代表性显微组分;
⑵ 镜质组反射率随煤化程度呈线性变化 ;
⑶ 用镜质组反射率表征煤化程度可以避免煤岩显微组成异常的影响。
7. 试比较各种显微组分的反射率及其随煤化程度的变化。
答:镜质组、壳质组和惰质组随煤化程度的变化如图4-1所示。

图4-1 显微组分反射率随煤化程度的变化
由图4-1可见,当煤化程度相同时,:惰质组I>镜质组V>壳质组E。
随着煤化程度的增加,镜质组的反射率呈线性增加,增率明显;壳质组的反射率增加明显,低煤化程度时呈线性增加;惰质组的反射率略有增加,但增率很小。大约Cdaf>95%后,三种显微组分的反射率趋于一致。
8. 煤中的矿物质主要有哪几类?P61
答:煤中的矿物质主要有黏土类矿物、硫化物类矿物、碳酸盐类矿物和氧化物类矿物等四类。
黏土类矿物:煤中最主要的矿物,常见的黏土类矿物有高岭石、伊利石、蒙脱石、水云母等。
硫化物类矿物:煤中常见的硫化物类矿物是黄铁矿,还有白铁矿、闪锌矿、方铅矿、雄黄、雌黄、辰砂等。
碳酸盐类矿物:煤中常见的碳酸盐类矿物有方解石、菱铁矿、白云石、铁白云石等。
氧化物类矿物:煤中常见的氧化物矿物有石英,还有玉髓、蛋白石、赤铁矿等;氢氧化物矿物有褐铁矿、硬水铝石等。
 
9. 简述煤岩学的应用。(具体如何应用:见讲稿)
答:煤岩学的应用:选煤、炼焦、煤质评价、煤分类和煤田地质(煤的成因类型和成煤环境、确定煤田煤炭资源的煤化程度和地质勘探)等。
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