长焰煤的结构与理化性质研究

摘 要 文章从基本结构单元、基本结构单元的边缘基团以及结构参数等方面介绍了长焰煤的结构特征，从表面性质、机械性质、热性质、电性质、光学性质、磁性质、润湿性空隙度及比表面积等方面系统阐述了长焰煤的理化性质。对长焰煤较为完整的探究弥补了长期以来业界对长焰煤具体机构与理化性质研究的缺失，对长焰煤煤炭资源综合开发及利用有参考意义。

关键词 长焰煤；煤的结构；理化性质

中图分类号：TQ531 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）13-0157-01

在我国的煤炭分类中，长焰煤是变质程度最低的烟煤，是煤化程度仅高于褐煤的煤种。长焰煤作为我国重要的动力用煤和民用煤，在一次能源结构中占着不可或缺的重要地位。对长焰煤的煤质特征进行分析，研究查明其变化规律，对长焰煤煤炭资源综合开发及利用具有重要的意义。我国长焰煤多数为侏罗纪低变质程度煤，已探明储量约155.1 Gt[1]，主要产地有甘肃的靖运、河南的义马、陕西的彬县、辽宁的阜新、抚顺，山西的大同及平朔等[2]。

1 长焰煤的结构特征

1）基本结构单元。

煤的基本结构单元包括规则部分和不规则部分。规则部分为基本结构单元的核部分，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。在苯环的周围连接着各种含氧基团和烷基侧链，属于基本结构单元的不规则部分。

随着煤化程度的提高，苯核逐渐增多，而不规则部分逐渐减少。长焰煤的基本结构单元如图1。

图1 长焰煤分子结构的两种主要形式

2）基本结构单元的边缘基团。

长焰煤基本单元结构的边缘基团是其结构的不规则部分，主要是含氧官能团和烷基侧链，还有很少的氮和硫的官能团以及桥键。

①含氧官能团。长焰煤的含氧官能团主要为酚羟基（—OH）。一般认为，绝大多数煤只含酚羟基而极少含有醇羟基。它们存在于泥炭、褐煤和烟煤中，是长焰煤的主要含氧官能团。另外，在长焰煤的基本结构单元中还含有一些羰基（C=O）。

②烷基侧链。煤的红外光谱、核磁共振、氧化和热裂解的研究都已确认煤的结构单元上连接有烷基侧链。烷基侧链随煤化程度的增加很快缩短，然后变化减缓。长焰煤属低变质程度的烟煤，其烷基侧链碳原子数平均为2左右。

③含硫和含氮官能团。硫中有机硫的主要形式是噻吩。其次是硫醚键和巯基（—SH）。长焰煤中含氮1%～2%，大约50%～75%的氮存在于吡啶环或喹啉环形式中，此外还有氨基、亚氨基、腈基和五元杂环等，其结构非常稳定。

④桥键：

次甲基键—CH2—，—CH2—CH2—，—CH2—CH2—CH2—等；

醚键和硫醚键—O—，—S—，—S—S—等；

次甲基醚键—CH2—O—，—CH2—S—等；

芳香碳—碳键—CAR-—CAR—。

在长焰煤结构中桥键发达，且主要以前三种形式存在。

2 长焰煤的理化性质

1）表面性质。长焰煤新鲜断面有沥青光泽或弱沥青光泽，断口多为参差状[4]，颜色黑中带褐。其在磁板上画出条痕的颜色为浅棕色。

2）密度。长焰煤的孔隙和裂隙对其密度造成一定的影响。经测定，长焰煤视密度变化范围从1.41到1.53 g/cm3，平均

1.45 g/cm3。

3）机械性质。

①硬度。从褐煤开始，显微硬度随着煤化程度的提高而上升，在碳含量为75%到80%之间有一个极大值；此后，显微硬度随着煤化程度的提高而下降，在碳含量达到85%左右最低；煤化程度再提高，显微硬度又开始上升，到无烟煤阶段，显微硬度几乎随着煤化程度的提高而呈直线上升。长焰煤的显微硬度约30 kg/mm2。

②脆度。煤的脆度与煤的煤岩组成和煤化程度有关。煤化程度向气煤、弱粘煤、不粘煤、长焰煤方向降低时，其脆性也逐渐降低。

③弹性。煤的弹性与煤的种类、粒度组成和矿物组成及含量等多种因素有关。综合各种因素，长焰煤的弹性较低，但应根据不同煤种做具体判断。

④可磨性。在低煤化程度阶段，随煤化程度的增加，煤化程度的可磨性缓慢增加，但不同长焰煤的哈氏可磨性指数（HGI）也有较大的差异，例如义马千秋矿HGI较高为78，而杨村矿和常村矿煤的HGI则分别为60和61。

4）热性质。煤的热稳定性和成煤过程中的地质条件有关，也与煤中矿物质的组成及化学成分有关。对于长焰煤而言，由于其煤化程度较低，空隙度较大、含水分较多、在骤然升温过程中水分突然析出，会使块煤破裂而降低其热稳定性，而且不同地区长焰煤甚至不同煤层长焰煤热稳定性波动较大。

5）电性质。煤是一种导体和半导体，其电阻率受煤化程度、煤岩成分、矿物质的数量和组成、煤的水分、孔隙度和煤的结构等影响。其电导率随煤化程度的加深而增加，碳含量达到87%以后，电导率急剧增加。褐煤的电阻率较低，随着煤化程度的加深电阻率增加，到长焰煤时达到最大，此后煤化程度加深，煤的电阻率呈缓慢下降趋势，碳含量达到90%以上的无烟煤，电阻率急速下降。

6）磁性质。煤的有机质一般具有抗磁性，即在外磁场的作用下产生的附加磁场与外磁场的方向相反。比磁化率x是指在1高斯磁场强度下，1 g物质的磁化率。煤的比磁化率随煤化程度的提高而呈直线增加，碳含量在79%～91%之间出现转折，增大幅度减缓，此后则急剧增大。长焰煤的比磁化率x在0.60×10-6～0.65×10-6cm3·g-1之间。

7）润湿性。煤的润湿性根本上取决于煤表面的分子结构特点。随着碳含量的增加，煤对水的润湿性是下降的。由于长焰煤分子中含有较大的极性含氧官能团，所以长焰煤相比其它烟煤和无烟煤具有略微高的润湿性，即亲水性，可浮性略差。

3 结论

长焰煤是变质程度最低的高挥发分非炼焦烟煤，其分子结构中侧链官能团较多，硬度差，孔隙率较大，亲水性较强。

参考文献

[1]陈忠峰，郑明东，张代林，等.长焰煤配煤炼焦的可行性研究[J].选煤技术，2010（12）.

[2]青渝.我国煤炭种类知多少[J].中国地理教学参考，2000（03）.

[3]张双全，吴国光.煤化学[M].中国矿业大学出版社，2004.

[4]郭菲，王卓，赵杰.阜新—雷家区长焰煤煤质特征[J].中国新技术新产品，2011（05）.

作者简介

李文静（1990-），女，汉族，山东人，硕士研究生在读，研究方向：矿物加工原理、工艺及设备。endprint

摘 要 文章从基本结构单元、基本结构单元的边缘基团以及结构参数等方面介绍了长焰煤的结构特征，从表面性质、机械性质、热性质、电性质、光学性质、磁性质、润湿性空隙度及比表面积等方面系统阐述了长焰煤的理化性质。对长焰煤较为完整的探究弥补了长期以来业界对长焰煤具体机构与理化性质研究的缺失，对长焰煤煤炭资源综合开发及利用有参考意义。

关键词 长焰煤；煤的结构；理化性质

中图分类号：TQ531 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）13-0157-01

在我国的煤炭分类中，长焰煤是变质程度最低的烟煤，是煤化程度仅高于褐煤的煤种。长焰煤作为我国重要的动力用煤和民用煤，在一次能源结构中占着不可或缺的重要地位。对长焰煤的煤质特征进行分析，研究查明其变化规律，对长焰煤煤炭资源综合开发及利用具有重要的意义。我国长焰煤多数为侏罗纪低变质程度煤，已探明储量约155.1 Gt[1]，主要产地有甘肃的靖运、河南的义马、陕西的彬县、辽宁的阜新、抚顺，山西的大同及平朔等[2]。

1 长焰煤的结构特征

1）基本结构单元。

煤的基本结构单元包括规则部分和不规则部分。规则部分为基本结构单元的核部分，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。在苯环的周围连接着各种含氧基团和烷基侧链，属于基本结构单元的不规则部分。

随着煤化程度的提高，苯核逐渐增多，而不规则部分逐渐减少。长焰煤的基本结构单元如图1。

图1 长焰煤分子结构的两种主要形式

2）基本结构单元的边缘基团。

长焰煤基本单元结构的边缘基团是其结构的不规则部分，主要是含氧官能团和烷基侧链，还有很少的氮和硫的官能团以及桥键。

①含氧官能团。长焰煤的含氧官能团主要为酚羟基（—OH）。一般认为，绝大多数煤只含酚羟基而极少含有醇羟基。它们存在于泥炭、褐煤和烟煤中，是长焰煤的主要含氧官能团。另外，在长焰煤的基本结构单元中还含有一些羰基（C=O）。

②烷基侧链。煤的红外光谱、核磁共振、氧化和热裂解的研究都已确认煤的结构单元上连接有烷基侧链。烷基侧链随煤化程度的增加很快缩短，然后变化减缓。长焰煤属低变质程度的烟煤，其烷基侧链碳原子数平均为2左右。

③含硫和含氮官能团。硫中有机硫的主要形式是噻吩。其次是硫醚键和巯基（—SH）。长焰煤中含氮1%～2%，大约50%～75%的氮存在于吡啶环或喹啉环形式中，此外还有氨基、亚氨基、腈基和五元杂环等，其结构非常稳定。

④桥键：

次甲基键—CH2—，—CH2—CH2—，—CH2—CH2—CH2—等；

醚键和硫醚键—O—，—S—，—S—S—等；

次甲基醚键—CH2—O—，—CH2—S—等；

芳香碳—碳键—CAR-—CAR—。

在长焰煤结构中桥键发达，且主要以前三种形式存在。

2 长焰煤的理化性质

1）表面性质。长焰煤新鲜断面有沥青光泽或弱沥青光泽，断口多为参差状[4]，颜色黑中带褐。其在磁板上画出条痕的颜色为浅棕色。

2）密度。长焰煤的孔隙和裂隙对其密度造成一定的影响。经测定，长焰煤视密度变化范围从1.41到1.53 g/cm3，平均

1.45 g/cm3。

3）机械性质。

①硬度。从褐煤开始，显微硬度随着煤化程度的提高而上升，在碳含量为75%到80%之间有一个极大值；此后，显微硬度随着煤化程度的提高而下降，在碳含量达到85%左右最低；煤化程度再提高，显微硬度又开始上升，到无烟煤阶段，显微硬度几乎随着煤化程度的提高而呈直线上升。长焰煤的显微硬度约30 kg/mm2。

②脆度。煤的脆度与煤的煤岩组成和煤化程度有关。煤化程度向气煤、弱粘煤、不粘煤、长焰煤方向降低时，其脆性也逐渐降低。

③弹性。煤的弹性与煤的种类、粒度组成和矿物组成及含量等多种因素有关。综合各种因素，长焰煤的弹性较低，但应根据不同煤种做具体判断。

④可磨性。在低煤化程度阶段，随煤化程度的增加，煤化程度的可磨性缓慢增加，但不同长焰煤的哈氏可磨性指数（HGI）也有较大的差异，例如义马千秋矿HGI较高为78，而杨村矿和常村矿煤的HGI则分别为60和61。

4）热性质。煤的热稳定性和成煤过程中的地质条件有关，也与煤中矿物质的组成及化学成分有关。对于长焰煤而言，由于其煤化程度较低，空隙度较大、含水分较多、在骤然升温过程中水分突然析出，会使块煤破裂而降低其热稳定性，而且不同地区长焰煤甚至不同煤层长焰煤热稳定性波动较大。

5）电性质。煤是一种导体和半导体，其电阻率受煤化程度、煤岩成分、矿物质的数量和组成、煤的水分、孔隙度和煤的结构等影响。其电导率随煤化程度的加深而增加，碳含量达到87%以后，电导率急剧增加。褐煤的电阻率较低，随着煤化程度的加深电阻率增加，到长焰煤时达到最大，此后煤化程度加深，煤的电阻率呈缓慢下降趋势，碳含量达到90%以上的无烟煤，电阻率急速下降。

6）磁性质。煤的有机质一般具有抗磁性，即在外磁场的作用下产生的附加磁场与外磁场的方向相反。比磁化率x是指在1高斯磁场强度下，1 g物质的磁化率。煤的比磁化率随煤化程度的提高而呈直线增加，碳含量在79%～91%之间出现转折，增大幅度减缓，此后则急剧增大。长焰煤的比磁化率x在0.60×10-6～0.65×10-6cm3·g-1之间。

7）润湿性。煤的润湿性根本上取决于煤表面的分子结构特点。随着碳含量的增加，煤对水的润湿性是下降的。由于长焰煤分子中含有较大的极性含氧官能团，所以长焰煤相比其它烟煤和无烟煤具有略微高的润湿性，即亲水性，可浮性略差。

3 结论

长焰煤是变质程度最低的高挥发分非炼焦烟煤，其分子结构中侧链官能团较多，硬度差，孔隙率较大，亲水性较强。

参考文献

[1]陈忠峰，郑明东，张代林，等.长焰煤配煤炼焦的可行性研究[J].选煤技术，2010（12）.

[2]青渝.我国煤炭种类知多少[J].中国地理教学参考，2000（03）.

[3]张双全，吴国光.煤化学[M].中国矿业大学出版社，2004.

[4]郭菲，王卓，赵杰.阜新—雷家区长焰煤煤质特征[J].中国新技术新产品，2011（05）.

作者简介

李文静（1990-），女，汉族，山东人，硕士研究生在读，研究方向：矿物加工原理、工艺及设备。endprint

摘 要 文章从基本结构单元、基本结构单元的边缘基团以及结构参数等方面介绍了长焰煤的结构特征，从表面性质、机械性质、热性质、电性质、光学性质、磁性质、润湿性空隙度及比表面积等方面系统阐述了长焰煤的理化性质。对长焰煤较为完整的探究弥补了长期以来业界对长焰煤具体机构与理化性质研究的缺失，对长焰煤煤炭资源综合开发及利用有参考意义。

关键词 长焰煤；煤的结构；理化性质

中图分类号：TQ531 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）13-0157-01

在我国的煤炭分类中，长焰煤是变质程度最低的烟煤，是煤化程度仅高于褐煤的煤种。长焰煤作为我国重要的动力用煤和民用煤，在一次能源结构中占着不可或缺的重要地位。对长焰煤的煤质特征进行分析，研究查明其变化规律，对长焰煤煤炭资源综合开发及利用具有重要的意义。我国长焰煤多数为侏罗纪低变质程度煤，已探明储量约155.1 Gt[1]，主要产地有甘肃的靖运、河南的义马、陕西的彬县、辽宁的阜新、抚顺，山西的大同及平朔等[2]。

1 长焰煤的结构特征

1）基本结构单元。

煤的基本结构单元包括规则部分和不规则部分。规则部分为基本结构单元的核部分，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。在苯环的周围连接着各种含氧基团和烷基侧链，属于基本结构单元的不规则部分。

随着煤化程度的提高，苯核逐渐增多，而不规则部分逐渐减少。长焰煤的基本结构单元如图1。

图1 长焰煤分子结构的两种主要形式

2）基本结构单元的边缘基团。

长焰煤基本单元结构的边缘基团是其结构的不规则部分，主要是含氧官能团和烷基侧链，还有很少的氮和硫的官能团以及桥键。

①含氧官能团。长焰煤的含氧官能团主要为酚羟基（—OH）。一般认为，绝大多数煤只含酚羟基而极少含有醇羟基。它们存在于泥炭、褐煤和烟煤中，是长焰煤的主要含氧官能团。另外，在长焰煤的基本结构单元中还含有一些羰基（C=O）。

②烷基侧链。煤的红外光谱、核磁共振、氧化和热裂解的研究都已确认煤的结构单元上连接有烷基侧链。烷基侧链随煤化程度的增加很快缩短，然后变化减缓。长焰煤属低变质程度的烟煤，其烷基侧链碳原子数平均为2左右。

③含硫和含氮官能团。硫中有机硫的主要形式是噻吩。其次是硫醚键和巯基（—SH）。长焰煤中含氮1%～2%，大约50%～75%的氮存在于吡啶环或喹啉环形式中，此外还有氨基、亚氨基、腈基和五元杂环等，其结构非常稳定。

④桥键：

次甲基键—CH2—，—CH2—CH2—，—CH2—CH2—CH2—等；

醚键和硫醚键—O—，—S—，—S—S—等；

次甲基醚键—CH2—O—，—CH2—S—等；

芳香碳—碳键—CAR-—CAR—。

在长焰煤结构中桥键发达，且主要以前三种形式存在。

2 长焰煤的理化性质

1）表面性质。长焰煤新鲜断面有沥青光泽或弱沥青光泽，断口多为参差状[4]，颜色黑中带褐。其在磁板上画出条痕的颜色为浅棕色。

2）密度。长焰煤的孔隙和裂隙对其密度造成一定的影响。经测定，长焰煤视密度变化范围从1.41到1.53 g/cm3，平均

1.45 g/cm3。

3）机械性质。

①硬度。从褐煤开始，显微硬度随着煤化程度的提高而上升，在碳含量为75%到80%之间有一个极大值；此后，显微硬度随着煤化程度的提高而下降，在碳含量达到85%左右最低；煤化程度再提高，显微硬度又开始上升，到无烟煤阶段，显微硬度几乎随着煤化程度的提高而呈直线上升。长焰煤的显微硬度约30 kg/mm2。

②脆度。煤的脆度与煤的煤岩组成和煤化程度有关。煤化程度向气煤、弱粘煤、不粘煤、长焰煤方向降低时，其脆性也逐渐降低。

③弹性。煤的弹性与煤的种类、粒度组成和矿物组成及含量等多种因素有关。综合各种因素，长焰煤的弹性较低，但应根据不同煤种做具体判断。

④可磨性。在低煤化程度阶段，随煤化程度的增加，煤化程度的可磨性缓慢增加，但不同长焰煤的哈氏可磨性指数（HGI）也有较大的差异，例如义马千秋矿HGI较高为78，而杨村矿和常村矿煤的HGI则分别为60和61。

4）热性质。煤的热稳定性和成煤过程中的地质条件有关，也与煤中矿物质的组成及化学成分有关。对于长焰煤而言，由于其煤化程度较低，空隙度较大、含水分较多、在骤然升温过程中水分突然析出，会使块煤破裂而降低其热稳定性，而且不同地区长焰煤甚至不同煤层长焰煤热稳定性波动较大。

5）电性质。煤是一种导体和半导体，其电阻率受煤化程度、煤岩成分、矿物质的数量和组成、煤的水分、孔隙度和煤的结构等影响。其电导率随煤化程度的加深而增加，碳含量达到87%以后，电导率急剧增加。褐煤的电阻率较低，随着煤化程度的加深电阻率增加，到长焰煤时达到最大，此后煤化程度加深，煤的电阻率呈缓慢下降趋势，碳含量达到90%以上的无烟煤，电阻率急速下降。

6）磁性质。煤的有机质一般具有抗磁性，即在外磁场的作用下产生的附加磁场与外磁场的方向相反。比磁化率x是指在1高斯磁场强度下，1 g物质的磁化率。煤的比磁化率随煤化程度的提高而呈直线增加，碳含量在79%～91%之间出现转折，增大幅度减缓，此后则急剧增大。长焰煤的比磁化率x在0.60×10-6～0.65×10-6cm3·g-1之间。

7）润湿性。煤的润湿性根本上取决于煤表面的分子结构特点。随着碳含量的增加，煤对水的润湿性是下降的。由于长焰煤分子中含有较大的极性含氧官能团，所以长焰煤相比其它烟煤和无烟煤具有略微高的润湿性，即亲水性，可浮性略差。

3 结论

长焰煤是变质程度最低的高挥发分非炼焦烟煤，其分子结构中侧链官能团较多，硬度差，孔隙率较大，亲水性较强。

参考文献

[1]陈忠峰，郑明东，张代林，等.长焰煤配煤炼焦的可行性研究[J].选煤技术，2010（12）.

[2]青渝.我国煤炭种类知多少[J].中国地理教学参考，2000（03）.

[3]张双全，吴国光.煤化学[M].中国矿业大学出版社，2004.

[4]郭菲，王卓，赵杰.阜新—雷家区长焰煤煤质特征[J].中国新技术新产品，2011（05）.

作者简介

李文静（1990-），女，汉族，山东人，硕士研究生在读，研究方向：矿物加工原理、工艺及设备。endprint