第1章 煤的外表特征和生成

1、 第一章第一章 煤的外表特征和生成煤的外表特征和生成 主要內(nèi)容：主要內(nèi)容： （1）煤的種類和外表特征）煤的種類和外表特征 （2）煤是如何形成的？）煤是如何形成的？煤的定義：煤的定義： 煤是由遠古植物殘骸沒入水中經(jīng)過生物化煤是由遠古植物殘骸沒入水中經(jīng)過生物化學作用，然后被地層覆蓋并經(jīng)過物理化學與學作用，然后被地層覆蓋并經(jīng)過物理化學與化學作用而形成的有機生物巖。化學作用而形成的有機生物巖。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：第一節(jié)第一節(jié) 煤的種類和外表特征煤的種類和外表特征一、煤的成因類型一、煤的成因類型低等植物低等植物地衣地衣低等植物低等植物蘑菇蘑菇高等植物高等植物華南毛蕨華南毛蕨高等植物高等植物松樹松樹3 3 煤

2、的種類和外表特征煤的種類和外表特征表表1-11-1 腐植煤與腐泥煤的主要特征腐植煤與腐泥煤的主要特征煤化度：煤在成煤諸因素共同作用下所達到的化學成熟程度（即煤化程度）二、腐植煤的外表特征二、腐植煤的外表特征1 1 泥炭泥炭 嚴格地講，泥炭并不是煤，而是植物向煤轉(zhuǎn)變的過渡產(chǎn)物。 外觀棕褐色或黑褐色，無光澤，質(zhì)地柔軟且不均勻，富含未分解的植物組織，如根、莖、葉等殘留物。 原始泥炭含水量高達85%95%。風干后含水25%35%。泥炭的有機質(zhì)：（1）腐殖酸。它是泥炭最主要的有機成分，是一種由高分子羥基羧酸組成的復(fù)雜混合物膠體，具有酸性。（2）瀝青質(zhì)。它指可用苯、甲醇等有機溶劑抽提出的有機物，部分由樹脂

3、和樹蠟轉(zhuǎn)化而成，部分由植物組分的還原產(chǎn)物通過合成反應(yīng)生成。（3）未分解或尚未完全分解的植物族組成，包括纖維素、半纖維素、木質(zhì)素和果膠質(zhì)等。（4）變化不大的植物穩(wěn)定組分，如角質(zhì)、樹脂、孢子等。 從物理化學的觀點，泥炭是一個以水為分散介質(zhì)的膠體體系。其膠體性質(zhì)表現(xiàn)為：（1）能將大量的水吸入微孔結(jié)構(gòu)，而本身并不膨脹；（2）含腐植酸，具有酸性，并有較強的吸附能力。泥炭用途：泥炭用途廣泛：氣化、液化、焦化原料；制甲醇等化工原料；建材、肥料等。泥炭的賦存形態(tài)： 泥炭是由植物殘骸在沼澤中形成的。 泥炭的埋藏深度很淺，裸露泥炭上無泥沙覆蓋。埋藏泥炭上的泥沙也僅有幾十厘米至幾十米厚，適宜露天開采。 世界上泥炭豐

4、富的國家有俄羅斯、芬蘭、愛爾蘭、瑞典、加拿大和美國等。我國的泥炭約有270億噸。2 褐煤 褐煤成巖的初期產(chǎn)物，外觀褐色或黑褐色，因而得名。 隨著煤化度增高，主要在成巖作用壓力的影響下，褐煤發(fā)生一系列變化：顏色變深，密度增加，硬度變大，腐殖酸含量減少，水分顯著降低。 德國、澳大利亞等國有豐富的褐煤資源。 我國已探明的保有儲量約1400 億t，占全國煤炭儲量的17%。分布于東北、西北、西南和華北等地。用途：適宜成型作氣化原料；可生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)城市煤氣，焦油產(chǎn)率6.0%8.5%；制成油煤漿后催化加氫，褐煤有機質(zhì)的80%可以轉(zhuǎn)化成氣態(tài)和液態(tài)產(chǎn)品，油收率約占35%；經(jīng)溶劑抽提所得褐煤蠟(又名蒙旦蠟)，具有熔點

5、高、化學穩(wěn)定性好、防水性強、導電性低、耐酸、強度高和表面光亮等特性，可用作表面活性劑、表面光亮劑、疏水劑、色素溶劑和吸油介質(zhì)等。但褐煤易風化破碎，故一般不宜長途運輸。3 煙煤 煙煤呈黑色，水分含量較少，因燃燒時煙多而得名。 一般煙煤具有不同程度的光澤，絕大多數(shù)呈明暗交替條帶狀。所有的煙煤都是比較致密的，真密度較高(1.201.45 g/cm3)，硬度亦較大。 煙煤是自然界最重要，分布最廣，儲量最大，品種最多的煤種。 按煤化度由低至高， 我國將其劃分為長焰煤、不粘煤、弱粘煤、1/2中粘煤、氣煤、氣肥煤、1/3焦煤、肥煤、焦煤、瘦煤、貧瘦煤和貧煤等。 在煙煤中，氣煤、氣肥煤、1/3焦煤、肥煤、焦煤

6、和瘦煤都具有不同程度的黏結(jié)性，是煉焦的主要原料煤，故稱之為煉焦煤；除此以外的其他煤沒有或基本沒有黏結(jié)性，只能用于低溫干餾、造氣或動力燃料等。4 無煙煤 煤化度最高的腐殖煤，燃燒時無煙，外觀灰黑色，有金屬光澤，無明顯條帶。其碳含量、真密度、 硬度、燃點等均達到最大化。主要用途： 民用、發(fā)電燃料；合成氨原料；炭素產(chǎn)品原料；高爐噴吹燃料；冶金脫氧劑、增碳劑等。一、成煤的原始物質(zhì)一、成煤的原始物質(zhì)1 三種成煤假說： 煤是和地球一起形成的，有地球就有煤； 煤是由巖石變化而來的； 煤是由植物殘骸形成的。煤由植物形成的證據(jù)： 常常發(fā)現(xiàn)在煤層中有保存完好的古植物化石和由樹干變成的煤，有的甚至保留著原來斷裂樹干

7、的形狀;煤層底極多富含植物根化石或痕木化石，證明它曾經(jīng)是植物生長的土壤； 顯微鏡下觀察煤制成的薄片可以直接看到原始植物的木質(zhì)細胞結(jié)構(gòu)和其他殘骸，如孢子、花粉、樹脂、角質(zhì)層和木栓體等； 在實驗室用樹木進行人工煤化試驗，可以得到外觀和性質(zhì)與煤類似的人造煤。 因此，煤是由植物而且主要是由高等植物轉(zhuǎn)變而來的觀點已成為人們的共識。第二節(jié)第二節(jié) 煤的生成煤的生成2 2 植物的演化植物的演化3 3 地質(zhì)年代與主要成煤植物地質(zhì)年代與主要成煤植物地質(zhì)年代： 地質(zhì)學家綜合了地層層序、生物演化、地殼運動等因素，把地質(zhì)歷史劃分為很多階段，每個大階段又劃分為次級階段，這樣就產(chǎn)生了地質(zhì)年代單位。常用的地質(zhì)年代單位主要有代

8、、紀、世。 國際通用的地層系統(tǒng)與地質(zhì)年代的關(guān)系如表1-3所示；該表參照1989年國際地質(zhì)聯(lián)合會(ICS)的地球地層表，列出了相應(yīng)的成煤植物及主要煤種開始生成的地質(zhì)年代。 4 4 植物的有機族組成植物的有機族組成 從化學的觀點看，植物的有機族組成可以分為四類，即糖類及其衍生物、木質(zhì)素、蛋白質(zhì)和脂類化合物。（1）糖類及其衍生物 糖類及其衍生物含有碳、氫、氧三種元素，常用的通式Cn（H2O）m 包表示，被稱為碳水化合物，括纖維素、半纖維素和果膠質(zhì)等。a纖維素 纖維素是組成植物細胞壁的主要成分，是一種高分子的碳水化合物，屬于多糖；其鏈式結(jié)構(gòu)可用通式 表示。分子結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。 纖維素在生長著的植物

9、體內(nèi)很穩(wěn)定，但植物死亡后，需氧細菌通過纖維素水解酶的催化作用可將纖維素水解為單糖，后者進一步氧化則分解為 。 在沼澤環(huán)境缺氧時，厭氧細菌使纖維素發(fā)酵生成 無論是水解產(chǎn)物還是發(fā)酵產(chǎn)物，它們都可與植物的其他分解產(chǎn)物縮合形成更復(fù)雜的物質(zhì)參與成煤，或成為微生物的營養(yǎng)來源。b 半纖維素 半纖維素也是植物細胞壁的組成部分，也是多糖，其結(jié)構(gòu)多種多樣，例如多維戊糖 就是其中的一種。它們也能在微生物作用下分解成單糖： 這種單糖后續(xù)變化和纖維素的情況類似。c果膠質(zhì) 果膠質(zhì)是不穩(wěn)定的，在泥炭形成的開始階段，即可因生物化學作用水解成一系列的單糖和糖醛酸，進一步分解可形成脂肪酸類物質(zhì)而參與成煤。（2）木質(zhì)素 木質(zhì)素主要

10、分布在高等植物的細胞壁中，包圍著纖維素并填滿其間隙，以增加莖部的堅固性。 木質(zhì)素是具有芳香結(jié)構(gòu)的化合物，它的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，至今還不能用一個結(jié)構(gòu)式來表示。但已知它具有一個芳香核，帶有側(cè)鏈并含有甲氧基（ ）、 、 -O-和 等多種官能團。木質(zhì)素的組成因植物的種類而異，目前已查明有三種類型的單體如表1-5所:針葉樹的松柏醇落葉樹的芥子醇落葉樹的芥子醇喬木的喬木的 香豆醇香豆醇OHCHCHO-CH3CH2OHOHO-CH3H3C-OCHCHCH2OHOHCHCHCH2OH 木質(zhì)素的單體以不同的鏈連接成三度空間的大分子，因而比纖維素穩(wěn)定，不易水解。但在多氧的情況下，經(jīng)微生物的作用易氧化成芳香酸和脂肪酸而參與

11、成煤。木質(zhì)素是成煤的主要植物成分。（3）蛋白質(zhì) 蛋白質(zhì)是構(gòu)成植物細胞原生質(zhì)的主要物質(zhì)，也是有機體生命起源最重要的物質(zhì)基礎(chǔ)。 蛋白質(zhì)是一種無色透明半流動狀態(tài)的膠體，由許多不同的氨基酸分子縮合而成的復(fù)雜高分子化合物。蛋白質(zhì)的元素組成有碳、氫、氧、氮、硫等元素，煤中的氮和硫元素可能來自成煤植物中的蛋白質(zhì)。 植物死亡后，蛋白質(zhì)在氧化條件下可分解為氣態(tài)產(chǎn)物。在泥炭沼澤中，它可水解生成氨基酸。如氨基酸與糖類縮合則生成結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的腐殖物質(zhì)參與成煤。（4）脂類化合物 脂類化合物通常指不溶于水，而溶于苯、醚和氯仿等有機溶劑的一類有機化合物，包括脂肪、樹脂、蠟質(zhì)、角質(zhì)、木栓質(zhì)和孢粉質(zhì)等。a脂肪 脂肪屬于長鏈脂肪

12、酸的甘油脂。低等植物含脂肪較多，如藻類含脂肪可達20%。高等植物一般僅含1%2%，且多集中在植物的孢子或種子中。 脂肪受生物化學作用可被水解，生成脂肪酸和甘油，前者參與成煤作用。在天然條件下，脂肪酸具有一定的穩(wěn)定性，因此從泥炭或褐煤的抽提瀝青中能發(fā)現(xiàn)脂肪酸。b樹脂 樹脂是植物生長過程中的分泌物，當植物受創(chuàng)時，不斷分泌出膠狀的樹脂來保護傷口。高等植物中的針狀植物含樹脂最多。低等植物不含樹脂。 樹脂的化學性質(zhì)十分穩(wěn)定，不受微生物破壞，也不溶于有機酸，因此能較好地保存在煤中。我國撫順第三紀褐煤中的“琥珀”就是由植物的樹脂演變而成的。c樹蠟 樹蠟的化學性質(zhì)類似于脂肪，但比脂肪更穩(wěn)定。它呈薄層覆于植物的

13、葉、莖和果實表面，以防止水分的過度蒸發(fā)和微生物的侵入。其化學性質(zhì)穩(wěn)定，遇強酸也不易分解。在泥炭和褐煤中經(jīng)常可發(fā)現(xiàn)樹蠟。d角質(zhì) 角質(zhì)是角質(zhì)膜的主要成分，其含量可達50%以上。植物的葉、嫩枝、幼芽和果實的表皮常常覆蓋著角質(zhì)膜，作用亦是防止水分的過度蒸發(fā)和微生物的侵入。角質(zhì)是脂肪酸脫水或聚合的產(chǎn)物，化學性質(zhì)穩(wěn)定，能較好的保持在煤中。e木栓質(zhì) 木栓質(zhì)將植物的木栓組織浸透以提高其抵抗微生物作用腐爛變質(zhì)的能力。在木栓中木栓質(zhì)約含25%50%。木栓質(zhì)的主要成分是脂肪醇酸、二羧酸、碳原子數(shù)大于20的長鏈羧酸和醇類?；瘜W性質(zhì)穩(wěn)定，能保持在煤中。f孢粉質(zhì) 孢粉質(zhì)是構(gòu)成植物繁殖器官孢子、花粉外壁的主要有機成分，具有

14、脂肪芳香族網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)?；瘜W性質(zhì)非常穩(wěn)定，耐酸耐堿且不溶于有機溶劑，并可耐較高的溫度而不發(fā)生分解，常完好的保存在煤中。 脂類化合物的共同特點是化學性質(zhì)穩(wěn)定，因此能較完整地保存在煤中。5 成煤原始物質(zhì)對煤質(zhì)的影響 成煤植物的性質(zhì)及其對成煤的影響,不同種類的植物，同種植物的不同部分，有機族組分的百分含量均不同。例如，木本植物各部分的有機族組成差別甚大，如表1-4所示。 除了植物的有機化合物組成外，植物有機質(zhì)的元素組成也影響著成煤特征和煤的利用。構(gòu)成植物有機質(zhì)的元素種類雖少，但含量大，主要有碳、氫、氧、氮4種元素(表l-6)。表1-4 植物的有機組成% 低等植物中蛋白質(zhì)、脂類化合物含量較高，由低等植物形

15、成的煤中氫含量較高。 在高等植物形成的煤中，如果成煤植物殘骸以植物的莖、根等木質(zhì)纖維組織為主，煤氫含量就較低；如果成煤植物殘骸中角質(zhì)、木栓質(zhì)、樹脂、孢粉等脂類化合物較多，煤的氫含量就較高。 煤的組成、性質(zhì)的差異，影響煤的工業(yè)利用，所以，煤的原始物質(zhì)是影響煤質(zhì)的重要因素之一。二 成煤過程 成煤過程是指從植物死亡，遺體堆積知道轉(zhuǎn)變成煤所經(jīng)歷的一系列演變過程。1 成煤條件（1）古植物條件 植物是成煤的物質(zhì)基礎(chǔ)，只有植物大量繁殖的時期才是成煤的有利時期。 在植物發(fā)展史上只有當植物演化發(fā)展到一定階段，即有高大的木本植物大量繁殖堆積，才能廣泛形成有工業(yè)意義的煤層。（2）氣候條件 氣候?qū)Τ擅旱挠绊懼饕憩F(xiàn)在

16、兩個方面：首先，氣候能影響植物的繁殖，只有溫暖、潮濕的氣候環(huán)境最適宜植物的生長繁殖。其次，氣候控制著泥炭沼澤的發(fā)育。 所以，溫暖、潮濕的氣候條件最適宜成煤。當年平均降水量年平均蒸發(fā)量（3）自然地理條件 泥炭沼澤是發(fā)生聚煤作用的良好古地理環(huán)境。沼澤 植物死亡后被水掩蓋，避免植物全部氧化。氣候濕潤，適宜植物的生長、繁殖。（4）地殼運動條件主要表現(xiàn)在：地殼運動對自然地理環(huán)境起控制作用。當?shù)貧ぐl(fā)生沉降運動時，可以使近海平原或內(nèi)陸洼地積水，形成沼澤。沼澤的面積大小，覆水深度、演化過程都受地殼運動控制。泥炭層的堆積要求地殼發(fā)生緩慢的下降。下降的速度最好與植物殘骸堆積的速度大致平衡（水層厚度2 m ），這種

17、平衡持續(xù)的時間越長，形成的煤層也越厚。下降的速度植物殘骸堆積的速度植物生長繁殖受限下降的速度植物殘骸堆積的速度植物遺體氧化破壞2 成煤過程(1)腐泥煤的生成 低等植物的遺體經(jīng)過復(fù)雜的生物化學變化轉(zhuǎn)變成腐泥的過程腐泥化作用。腐泥化作用形成的環(huán)境和條件：低等植物和浮游生物水體較深：湖泊、積水較深的沼澤、海灣、淺海等還原環(huán)境：厭氧細菌作用作用：蛋白質(zhì)、脂肪等分解再聚合、縮合產(chǎn)物：富含水的有機軟泥（腐泥）氣態(tài)產(chǎn)物：富含氫的液態(tài)和固態(tài)瀝青質(zhì)物質(zhì)腐泥 腐泥經(jīng)煤化作用而成腐泥煤。隨煤化程度的增加，腐泥煤發(fā)生的變化與腐植煤相似。(2)腐植煤的生成 腐殖煤的生成過程稱為成煤過程，包括植物遺體堆積到形成無煙煤的全

18、過程。可大致分為兩個階段： 泥炭化作用和煤化作用泥炭化作用 泥炭化作用是指高等植物遺體經(jīng)過復(fù)雜的生物化學變化和物理化學變化轉(zhuǎn)變成泥炭的過程。 生物化學變化與物理化學變化a生物化學變化 此過程相繼發(fā)生氧化分解和還原聚合兩個階段的變化。第一階段 氧化分解 纖維素單糖 木質(zhì)素芳香酸和脂肪酸 蛋白質(zhì)氨基酸第二階段 氧化分解 還原聚合 纖維素、果膠丁乙酸等 蛋白質(zhì)氨基酸 脂肪脂肪酸腐殖酸鹽、硫化氫、二氧化碳、甲烷等腐殖酸鹽、硫化氫、二氧化碳、甲烷等表表17 植物與泥炭化學組成的比較植物與泥炭化學組成的比較 元素組成，元素組成，%有機組成，有機組成，%植物與泥炭植物與泥炭CHNO+S纖維素纖維素半纖維素半

19、纖維素木質(zhì)木質(zhì)素素蛋白蛋白質(zhì)質(zhì)瀝青瀝青腐植腐植酸酸莎草莎草47.205.611.6139.3750.0020305105100木本植物木本植物50.156.201.0542.1050.6020.3017130樺川草本泥樺川草本泥炭炭55.876.352.9034.9719.690.7503.5043.58合浦木本泥合浦木本泥炭炭65.466.531.2026.75o.890.390042.88植物變成泥炭后組成的變化植物變成泥炭后組成的變化 植物轉(zhuǎn)變成泥炭后，蛋白質(zhì)消失了，木質(zhì)素、纖維素等減少，而產(chǎn)生了植物中沒有的大量腐殖酸。元素組成中，泥炭的碳含量和氮含量有所增加，而氧含量減少。b物理化學變

20、化 在泥炭化階段：氧化與還原、需氧菌和厭氧菌、分解與聚合，這些矛盾的綜合作用，對成煤的影響非常復(fù)雜，從物理化學的角度看，可歸并為兩種作用。凝膠化作用 植物的主要組分在泥炭化階段經(jīng)過生物化學、物理化學變化，形成以腐殖酸和瀝青質(zhì)為主體的膠體物質(zhì)的過程。其在成巖作用階段的延續(xù)又稱為鏡煤化作用。絲炭化作用 植物的木質(zhì)纖維組織，主要受氧化作用（遭受森林火災(zāi)）而產(chǎn)生貧氫富碳的絲炭化物質(zhì)過程。其中火災(zāi)是偶然現(xiàn)象。 凝膠化作用 絲炭化作用煤化作用 始于泥炭被泥沙沉積物覆蓋，生化作用逐漸停止，地質(zhì)化學作用逐漸增強。分為成巖作用和變質(zhì)作用兩個階段，它們與成煤的關(guān)系見下圖。 a成巖作用 無定形的泥炭沉積之后由于地殼

21、持續(xù)下降，因受上覆無機沉積物的巨大壓力，逐漸發(fā)生壓緊、失水、膠體老化硬結(jié)等物理和物理化學變化，轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂袔r石特征的褐煤的過程。條件：深度不大（200400m）的地下，溫度60主要作用因素：壓力及壓力作用時間變化：壓緊、失水、膠體老化。 發(fā)生一定程度的分解與縮聚，纖維素、半纖維素、木質(zhì)素消失，腐殖酸不斷降低至消失，H、O減少，C增加。b變質(zhì)作用 褐煤沉降到地殼深處，受長時間地熱和高壓作用，組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)發(fā)生變化，轉(zhuǎn)變?yōu)闊熋汉蜔o煙煤的過程。變化：脫水、脫羧、脫CH4、縮聚， 分子內(nèi)排列規(guī)則化，分子量增加。元素組成和含量發(fā)生變化，碳含量進一步增加，氧氫含量進一步減少。揮發(fā)分和水分的含量減少，腐殖酸

22、完全消失。光澤度增強、密度增加。變質(zhì)的原因： 溫度：主因 時間：重要因素 在此指溫度與壓力作用時間的長短。 作用時間影響的重要性表現(xiàn)在： 溫度相同時，時間長則變質(zhì)程度高； 溫度不同時，短時間較高溫度與長時間較低溫度可達到相同的變質(zhì)程度。 壓力：次因 壓力范圍幾十至幾百兆帕。在壓力作用下，煤主要變化是壓緊、失水、孔隙率降低，但也略有促進化學變化的作用，如促使芳香稠環(huán)的排列出現(xiàn)定向化趨勢。瓦斯和煤層氣的生成 瓦斯突出和瓦斯爆炸是煤炭開采過程中的主要危害形式，但瓦斯又是寶貴的資源。煤中的瓦斯主要是在煤化作用過程中形成的。在煤化作用過程中，煤分子上的側(cè)鏈和官能團不斷分解和脫落，生成低分子氣體，即煤層氣

23、，其主要成分為甲烷（70%96%）。在自然條件下，生成1噸褐煤可產(chǎn)生68 m3甲烷，生成1噸肥煤、瘦煤、無煙煤分別可產(chǎn)生甲烷230 m3、330 m3和400m3。 如果煤層周圍的圍巖不透氣，在煤化作用過程中產(chǎn)生的氣體或被吸附在煤的孔隙中，或逐漸聚積形成煤層氣田。 沼澤是在一定的氣候、地貌和水文條件下，常年積水或極其潮濕的地段，內(nèi)有大量植物生長和堆積。 沼澤的分類（1）按水分補給來源的不同，可劃分為三種類型： 低位沼澤、高位沼澤、中位沼澤低位沼澤：主要由地下水和地表水補給； 水質(zhì)微酸性到中性，富含礦物質(zhì)和無機鹽，且有地表水攜帶的泥沙沉積。泥炭灰分含量高，干燥基灰分一般大于7% 。成煤環(huán)境對煤質(zhì)的影響高位沼澤：主要以大氣降水為補