煤化学理论基础

国内现有煤化学图书，大多是教材类的，知识体系比较完整，从煤的形成、组成（工业分析、元素分析、煤岩等多方面讨论）、结构（煤结构表征方法、煤大分子结构等）、性质（物理、化学、物理化学、机械、工艺等性质）到分类。 《煤化学理论基础》这本书在视角、认识深度、内容、体系等方面与国内已出版图书都有不同，该书重点在解析煤结构，除了叙述认识煤结构的分析表征方法（各种光谱分析），还从分子内能、量子化学等角度和层次去探讨煤结构与其性质、反应能力间的关系，对煤炭有机质片段模型化合物理化特性进行专门描述，并对煤的萃取、煤热解、煤加氢等常见煤加工转化方法从化学的本质上重新审视。这些都是有别于国内现有煤化学知识体系的方法和内容。换言之，本书的主要特色是在分子层次上认识煤（结构）、认识几种重要的煤加工转化过程，正如作者在前言中所说的那样，“以现代物质结构观念为基础，科学地解释对分子结构和超分子结构的理化研究成果”。

译者前言
中国新疆与俄罗斯及中亚诸国在能源和煤化工领域的科技合作具有得天独厚的地理优势和很强的互补性，是“一带一路”合作的重要方面。
俄罗斯国家科学院A.м.久利马里耶夫教授等人合著的《煤化学理论基础》一书，利用量子化学、化学热力学和动力学等方法，通过对煤及其模型化合物从分子层面的研究，提出了煤炭结构与其特性间的构效关系，为煤的加氢液化、气化、焦化和溶剂提质等加工过程提供了重要的理论依据。另外，通过该书也能够了解俄罗斯现代煤化学理论的发展现状。
本书可作为能源化工专业师生教学和科学研究的参考书，也可供煤炭利用问题的专家们所用。 
本书由新疆科技发展战略研究院资深翻译聂书岭、助理研究员叶小伟历经两年翻译完成，由新疆大学马凤云教授和赵新教授多次专业校对后，修改定稿。
在此，向完成本书审校工作并提出宝贵建议的马凤云教授和赵新教授表示感谢。对大力帮助本书图表制作的新疆大学刘景梅老师、莫文龙老师、马亚博士研究生和孙志强博士等表示感谢！
原著作者俄罗斯国家科学院石油化学合成研究所A.м.久利马里耶夫教授和哈萨克斯坦卡拉干达国立大学 М.И.拜克诺夫教授对本书出版也给予了很大帮助，一并致谢！
由于时间仓促，水平有限，书中难免会有不足之处，敬请读者批评指正！

译者
2020年5月


前言
煤不仅是一种有机起源的载能体，还是一种化工原料。
煤的结构和性质千差万别，这就要求我们对燃料煤和非燃料煤的加工过程进行细致研究，以找到其最佳利用方式。任何一个加工环节都要有理论依据，无论是工艺过程本身，还是所用的原料，抑或是转化反应，都应如此。因此，理论研究的主要任务是确定煤炭结构与性质之间的关系，揭示煤炭在变质过程中的性质转变规律，以现代物质结构观念为基础科学地解释对分子结构和超分子结构的理化研究成果，创造新的化学术语，等等。我们认为，这对于煤化学的发展具有重大意义。
在世界煤炭结构理论和煤化学工艺研究领域，俄罗斯科学院可燃矿物研究所的科学家们做出了不可磨灭的贡献，他们中的佼佼者包括Г.Л.斯塔德尼科夫、Л.М.萨泼日尼科夫、Н.М.卡拉瓦耶夫、А.Б.切尔内舍夫、А.З.尤洛夫斯基、А.В.拉佐沃伊、В.И.卡萨托奇津、С.М.格里高利耶夫、Т.А.胡哈连科和И.В.叶列明等。
随着煤炭科学的不断发展和相关知识的日益丰富，无论是专著还是教科书，对煤化学这一学科的论述也在进步。但遗憾的是，至今还没有一个能从物质构造理论基础的角度全面解释煤化学理论及其加工工艺的专门学说。本书能部分填补这一领域的空白。
尽管笔者知道解决上述问题是很难的，但仍然希望本书能为煤化学研究者提供有益的指导。本书的目标读者为煤化学专业的科研人员、研究生和大学生以及高校教师。
在此，特向完成了本书审校工作并提出宝贵建议的А.А.克里奇科教授、М. Я.什皮尔特教授、С.Г.加加林化学副博士和Е.А.斯模棱斯基化学副博士表示感谢。
书中肯定会有一些不足之处，若能得到读者的批评指正，笔者将不胜感激。

聂书岭，新疆科技发展战略研究院，副院长，国家软科学研究计划项目《中国新疆与周边国家在石化工业领域合作途径与对策研究》，承担调研、翻译、实施工作，已验收，获得2011年度自治区科技进步奖二等奖（名列第七）。
商务部研究课题《上海合作组织农业合作发展规划研究》（2008），承担调研、翻译、实施工作，已验收，获得2012年度自治区科技进步奖三等奖（名列第四）。
科技部专项《科技支撑引领新疆跨越发展的战略研究》（2010），承担“中国新疆—中亚区域科技合作战略研究”专题的调研、翻译、实施工作，已验收。

本书利用量子化学、化工热力学和动力学方法，通过模型化合物以及煤的直接研究，提出煤炭结构与其特性构效关系的理论依据，为煤炭萃取、气化、焦化以及加氢液化奠定了理论基础，对了解俄罗斯现代煤化学原理具有重要借鉴意义。本书的主要特色是在分子层次上认识煤结构、了解几种重要的煤加工转化过程。
主要读者对象为煤化学专业的科研人员、研究生和大学生，以及高校教师。可作为能源化工专业师生教学参考书，也可供煤炭利用问题专家使用。

第1章煤的一般特性
1.1 煤的起源	2
1.2 煤作为一种分散体系	8
1.2.1 水分	9
1.2.2 矿物杂质	9
1.2.3 有机质	10
1.3 煤的化学分析	12
1.4 煤的工艺指标	13
1.4.1 反射率	13
1.4.2 挥发分产率	16
1.4.3 燃烧热值	16
1.5 煤的分类	17
参考文献	19

第2章煤结构的光谱分析
2.1 总则	22
2.1.1 量子数	22
2.1.2 原子光谱项	24
2.1.3 测量单位和命名	26
2.2 红外光谱	28
2.2.1 方法介绍	28
2.2.2 煤炭的红外光谱	35
2.3 核磁共振波谱	41
2.3.1 方法介绍	41
2.3.2 煤炭的核磁共振波谱	46
2.4 电子顺磁共振	54
2.4.1 方法介绍	54
2.4.2 煤炭中的顺磁性	57
2.5 X射线衍射	66
2.5.1 方法介绍	66
2.5.2 碳同素异形体的X射线衍射分析	69
2.5.3 煤的X射线衍射分析	74
参考文献	79

第3章分子系统内能及其与温度的关系
3.1 内能分量平均值定义	84
3.1.1 平移运动能量	85
3.1.2 旋转运动能量	86
3.1.3 振动运动能量	87
3.1.4 化学反应的热和焓	89
3.2 化学键能	90
3.3 内旋转能	94
3.4 分子间相互作用能	96
3.5 温度对物质的影响	101
参考文献	105

第4章煤有机质的结构和特性
4.1 分子结构	109
4.1.1 平均结构单元的概念	109
4.1.2 结构模型	110
4.1.3 广义模型	112
4.2 超分子结构	114
4.2.1 两相模型	115
4.2.2 多聚体模型	116
4.3 结构与性能的关系	125
4.3.1 分子结构单元数量之间的线性关系	126
4.3.2 煤镜质体中结构单元数	140
4.3.3 煤的结构单元和性质	141
4.3.4 计算煤炭性质的加和方法	152
4.3.5 煤变质结构参数	158
4.3.6 煤的温度特性	167
参考文献	169

第5章煤炭有机质片段模型化合物的理化特性
5.1 煤化学研究中模型化合物的近似作用	174
5.2 π电子结构与共轭分子的反应能力	174
5.2.1 有效哈密顿函数法	174
5.2.2 分子轨道能量与第一电子激发态跃迁能	181
5.2.3 聚合共轭系统的π电子结构	187
5.2.4 共轭分子的反应能力	192
5.3 饱和烃的电子结构	203
5.4 烃C—H和C—C键断裂能	205
5.5 芳烃的烷基衍生物的反应能力	210
5.6 煤炭有机质平均组成单位模型化合物的量子化学特点	213
5.7 模型化合物的酸碱性质	214
5.8 模型化合物的热化学性质	216
5.8.1 烷烃	216
5.8.2 烷烃衍生物	222
5.8.3 芳香族化合物及其衍生物	226
5.9 模型化合物热力学函数的加成计算法	227
5.10 对脱除杂原子N、O、S反应的热力学研究	230
参考文献	236

第6章煤的化学转化
6.1 煤化学的热力学研究方法	240
6.1.1 平衡常数表达式	240
6.1.2 普通化学反应系统平衡组分计算	242
6.1.3 用统计力学法确定热力学函数的平移、旋转和振荡分量	245
6.1.4 氢分子热分解反应	248
6.1.5 两相多组分系统平衡组分的计算方法	249
6.2 萃取	257
6.2.1 溶剂的理化性质和煤的溶解度	258
6.2.2 镜质组的分子间作用能和希尔布莱德溶解度参数	267
6.2.3 煤的溶胀度和萃取物产率与溶剂理化参数的关系	270
6.3 煤的热加工过程	275
6.3.1 煤热分解的一般特性	275
6.3.2 煤的还原指数	278
6.3.3 煤热解的动力学模型	279
6.3.4 快速加热	281
6.3.5 利用热解重量分析数据计算煤的热分解动力参数	284
6.3.6 煤气化过程中平衡气相组分的热力学计算	287
6.3.7 燃烧过程中产生烟气的理论温度计算	290
6.3.8 煤的结构特点与结焦性	292
6.3.9 焦炭反应能力指数	299
6.4 煤的加氢反应	301
6.4.1 概况	301
6.4.2 主要加氢反应的热力学特性	306
6.4.3 温度和压力的作用	312
6.4.4 供氢体和氢载体的作用	316
6.4.5 溶剂的作用	319
6.4.6 煤加氢液化过程的催化剂	321
6.4.7 煤加氢液化过程的动力学特性	337
参考文献	342

后记 / 348