搜索
第2章煤的种类及形成成煤的主要物质是什么？煤的种类包括哪些，各有什么特征？成煤的环境及其形成过程？（1）什么是煤？2.1主要成煤物质——由植物形成的有机岩石由植物遗体经过生物化学、物理化学等共同作用而转变成的沉积有机矿产，为多种高分子化合物和矿物质组成的混合物。进化论的观点认为:植物是由低级向高级逐步演化。植物界传统划分为四大类：①藻菌植物②苔藓植物③蕨类植物④种子植物前三种又称为孢子植物（植物用孢子繁殖），而种子植物则能产生种子，用种子繁殖。第一种称为低等植物，后三种称为高等植物。（2）植物的种类（3）低等植物和高等植物的特点低等植物：包括菌类和藻类，是由单细胞和多细胞构成的丝状体或叶状体植物，没有根、茎、叶等器官。高等植物：包括苔藓、蕨类、裸子植物和被子植物。进化论认为，高等植物由低等植物长期进化而来，构造复杂，有根、茎、叶的区别。高等植物是重要的成煤物质来源。低等植物与高等植物的组成差别较大，对成煤的性质有较大影响。（4）成煤植物的有机族组成植物的基本单元是细胞（由细胞壁和细胞质组成）。细胞壁：纤维素、半纤维素和木质素。细胞质：蛋白质和脂肪。高等植物的细胞含有的细胞质较低等植物要少。按化学观点，植物有机族组成可分为：①糖类及其衍生物(纤维素、半纤维素和果胶质)②木质素③蛋白质④脂类化合物(脂肪、树脂、角质等)①糖类及其衍生物（即碳水化合物）包括：纤维素、半纤维素和果胶质。纤维素——构成植物细胞壁的主要成分。其分子式是(C6H10O5)n，具长链结构，分子量大，溶液中能生成胶体，易水解。活植物中，纤维素可稳定存在，当植物死亡后，在氧化性条件下，易受微生物作用而分解成CO2、CH4和水。环境缺氧时，易发酵生成CO2、CH4、CH3COOH等。泥炭沼泽酸性介质中，可分解为葡萄糖等简单化合物。半纤维素——其化学组成和性质与纤维素相近，但更易分解或水解为糖类和酸。果胶质——糖的衍生物，呈果冻状存在于植物的果实或木质部中。在生物化学作用下，水解成一系列单糖等。②木质素分布于植物根、茎部的细胞壁中。木本植物的木质素含量高。木质素是具有芳香结构的高分子聚合物，含甲氧基、羟基等官能团。木质素的单体比纤维素稳定，不易水解，易于保存下来。泥炭沼泽中，水和微生物作用下发生分解，与其他化合物共同作用生成腐植酸类物质，最终转化成煤。木质素是植物转变为煤的原始物质中最重要的有机组分。③蛋白质若干个氨基酸结合形成的高分子。含有羧基和羟基，具有酸性和碱性官能团，为强烈亲水性胶体。高等植物中蛋白质含量少，低等植物中蛋白质含量高。植物死亡后，完全氧化条件下，蛋白质分解为气态物质。泥炭沼泽和湖泊的水中，蛋白质分解成氨基酸、喹啉等含氮化合物，参与成煤作用（对煤的性质无决定性影响）。蛋白质是煤中硫、氮元素的主要来源之一。④脂类化合物不溶于水而溶于醚、苯、氯仿等有机溶剂的有机化合物。脂肪——属于长链脂肪酸的甘油酯。高等植物中含量少(1%-2%)，低等植物含量高(20%左右)。生化作用下，在酸性或碱性溶液中分解生成脂肪酸和甘油，参与成煤作用。蜡质——主要是长链脂肪酸与含有24～26个碳原子的高级一元醇形成的脂类。化学性质稳定，不易受细菌分解。树脂——树脂是植物生长过程中的分泌物。针状植物含树脂较多，低等植物不含树脂。树脂不溶于有机酸，不易氧化，微生物也难以破坏，能完好的保存在煤中。（“琥珀”形成）⑤其它有机化合物包括少量丹宁、色素等成分。丹宁——不同组成的芳香族化合物。抗腐性强，难以分解。许多植物树皮中含量高，如：红树、杉树、漆树等。色素——储存和传递能量的重要因子。具有抗氧化性或抑菌作用。低等植物和高等植物，包括微生物，都是成煤的原始物质。各种有机族组分通过不同途径参与成煤，导致煤具有高度复杂性。（5）不同成煤植物有机族组分的差异性植物碳水化合物木质素蛋白质脂类化合物细菌绿藻苔藓蕨类草类松柏及阔叶树12~2830~4030~5050~6050~7060~70001020~3020~3020~3050~8040~5015~2010~155~101~75~2010~208~103~55~101~3木本植物的不同部分木质部叶木栓孢粉质原生质60~75656052020~302010001825702~35~825~309010不同种类的植物，同种植物的不同部分，其有机族组成不同。成煤原始物质不同，形成煤炭的性质和用途差别大。2.2煤的种类及特征（1）煤炭的成因类型腐泥煤由低等植物和少量浮游生物形成。包括：藻煤(山西浑源)、石煤(高变质藻煤)和胶泥煤(油页岩，辽宁抚顺)。腐殖煤由高等植物形成。植物的部分木质素、纤维组织在成煤过程中变成腐殖酸。包括：泥炭、褐煤、烟煤和无烟煤。腐殖腐泥煤上述两种煤的混合体，由高等植物和低等植物混合形成。包括：烛煤和煤精。根据形成煤炭的物质基础划分煤炭的类型称为成因类型。腐殖煤是近代煤炭综合利用的主要物质基础，是煤化学的重点研究对象。（2）腐殖煤的主要特征①泥炭植物向煤炭转变的过渡产物，外观为棕褐色或黑褐色。含有大量未分解的植物组织（根、茎、叶等），含水量高达75%~95%，自然风干后水分仍有25%~35%。多在沼泽中形成。分布情况：国外，如俄罗斯、芬兰、加拿大、美国等；国内，约270亿吨，广泛分布于三江平原、大小兴安岭等地区。用途：气体燃料、人造液体洁净燃料、泥炭焦、甲醇、泥炭纤维建筑材料、土壤改良剂、腐植酸肥料等。②褐煤泥炭沉积后经脱水、压实转变为有机生物岩的初期产物，呈褐色或暗褐色。与泥炭比较，褐煤中腐植酸的芳香核缩合程度增加，含氧官能团减少，侧链短，数量较少。褐煤含水30%~60%，易风化破裂。根据外部特征可分为：土状褐煤——泥炭变为褐煤的最初产物。结构疏松，似黏土。暗褐煤——典型褐煤，具有一定硬度，破碎时呈块状。亮褐煤——也称次烟煤，与低煤化度烟煤类似。木褐煤——亦称柴煤，具有明显的木质结构，含有腐植酸、沥青质，以及木质素、纤维素等。从土状褐煤、暗褐煤到亮褐煤煤化度依次提高，腐植酸含量逐渐减少，水分显著降低，密度和硬度提高。分布情况：国外，如德国、澳大利亚等；国内，约1400亿吨，占全国煤炭产量17%，分布于内蒙古东北部、西南等地区。用途：煤制气原料、低温干馏煤气或煤焦油、粉煤成型剂、腐植酸类产品。关于褐煤的综合利用是当前研究的热点之一。③烟煤煤化度高于褐煤，燃烧时烟多。不含游离腐殖酸。一般具有不同程度光泽。结构致密，真密度和硬度较大。根据煤化度不同可分为：长焰煤、不粘煤、弱粘煤、气煤、气肥煤、肥煤、焦煤、瘦煤、贫瘦煤、贫煤等。气肥煤、肥煤、焦煤、瘦煤统称为炼焦煤，高温干馏发生“软化”、“熔融”，固结为焦炭。目前，所有烟煤（包括部分无烟煤）均可用于冶炼焦炭。分布情况：自然界分布最广，品种最多，储量最大。用途：火力发电、动力燃料、煤制气原料、还原剂、燃料电池、催化剂等。④无烟煤煤化度最高的一种腐殖煤，燃烧时无烟。外观灰黑色，呈金属光泽，无明显条带。所有煤中其含碳量最高，挥发份最低，硬度最高，反应性最差，无粘结性。分布情况：自然界分布广，储量大。用途：火力发电、民用、制取合成氨原料、制造活性炭或炭电极等炭素材料的原料、煤气发生炉造气主要原料、高炉喷吹或铁矿烧结用替代燃料。不同腐殖煤的主要特征比较特征与标志泥炭褐煤烟煤无烟煤眼色棕褐色褐色、黑褐色黑色灰黑色光泽无多数无光泽有一定光泽金属光泽外观有原始植物残体、土状无明显条带呈条带状无明显条带沸腾KOH中棕红-棕黑褐色无色无色稀硝酸中棕红红色无色无色自然水分多较多较少少密度/g/cm-31.10~1.401.20~1.451.30~1.90硬度很低低较高高燃烧现象有烟有烟多烟无烟不同种类和形式的腐殖煤2.3成煤的环境和条件煤炭的生成，必须有气候、生物、地理、地质等条件的相互配合，才能生成具有工业利用价值的煤炭矿藏。主要包括：（1）大量植物的持续繁殖(生物、气候的影响)（2）植物遗体不能完全氧化——适合堆积场所(沼泽、湖泊等)（3）地质作用的配合（地壳的沉降运动—形成上覆岩层和顶底板—多煤层）2.4成煤的作用过程（腐殖煤的生成）植物泥炭化作用泥炭成岩作用褐煤变质作用烟煤、无烟煤煤化作用由高等植物转化为腐殖煤要经历复杂而漫长的过程，一般需要几千万年到几亿年的时间。整个成煤过程可划分为两个阶段：泥炭化阶段和煤化阶段。如下图所示：（1）泥炭化作用高等植物死亡后，在生物化学和地球化学等共同作用下变成泥炭的过程称为泥炭化作用。植物所有组分和微生物均参与反应。主要发生以下变化：生物化学变化：高等植物在微生物作用下发生生物化学变化，分解和水解为分子量较小的性质活泼的化合物；凝胶化和丝炭化：综合地球化学和物理化学作用（凝胶化和丝炭化），小分子化合物之间相互作用，合成新的较稳定的有机化合物。根据微生物类型和作用，大致可分为两个阶段：多氧条件：如：沼泽浅部、与空气接触时，需氧细菌对植物进行氧化分解，一部分彻底分解为气体和水，另一部分则分解为简单有机化合物，一定条件下合成腐植酸；未分解的稳定部分则保留下来。缺氧条件：如：沼泽水覆盖，厌氧细菌与植物有机质中的氧发生反应，留下富氢、碳的物质。①生物化学作用②凝胶化作用和丝炭化作用凝胶化作用：植物的主要组分经过生物化学和物理化学变化，形成以腐植酸、沥青质为主的胶体物质（凝胶和溶胶）。该过程发生在弱氧化或还原的环境中。经成岩和变质作用，凝胶化物质转化为煤中的镜质组。丝炭化作用：植物的木质纤维组织在泥炭沼泽的氧化环境中，受到需氧细菌的氧化作用，产生富氧贫氢的腐殖物质，或遭受“森林火灾”而炭化成木炭。该过程发生在强氧化环境中。经成岩和变质作用，丝炭化物质转化为煤中的丝质组。泥炭化过程的主要特征组织器官（如皮、叶、茎、根等）基本消失。细胞结构遭到不同程度的破坏，变成颗粒细小、含水量极大、呈胶泥状的膏状体——泥炭；组成成分发生显著变化。如，植物中大量存在的纤维素和木质素显著减少，蛋白质消失，而植物中不存在的腐植酸大量增加，并成为泥炭最主要的成分之一，通常达到40%以上。植物与泥炭化学组成的比较元素组成，%有机组成，%植物与泥炭CHNO+S纤维素半纤维素木质素蛋白质沥青腐植酸莎草47.205.611.6139.3750.0020~305~105~100木本植物50.156.201.0542.1050.6020.301~71~30桦川草本泥炭55.876.352.9034.9719.690.7503.5043.58合浦木本泥炭65.466.531.2026.750.890.3901052.88泥炭主要成分包括腐殖酸、沥青质、未完全分解的碳水化合物、脂类化合物，不含蛋白质。（2）煤化作用以泥炭被无机沉积物覆盖为标志，泥炭化阶段结束，生物化学作用减弱并逐渐停止。在物理化学等作用下，泥炭开始向褐煤、烟煤、无烟煤转变的过程称为煤化阶段，包括成岩作用和变质作用两个连续过程。①成岩作用泥炭在沼泽中层层堆积，越积越厚，当地壳下降速度较大时，泥炭将被泥沙等沉积物覆盖。在上覆沉积物的压力作用下，泥炭发生了压紧、失水、胶体老化、固结等一系列变化，微生物的作用逐渐消失，取而代之的是缓慢的物理化学作用，因而泥炭逐渐变成了较为致密的岩石状的褐煤。②变质作用当褐煤层继续沉降到地壳较深处时，上覆岩层压力不断增大，地温不断增高，褐煤中的物理化学作用速度加快，煤的分子结构和组成产生了较大变化。碳含量明显增加，氧含量迅速减少，腐植酸也迅速减少并很快消失，褐煤逐渐转化成烟煤。随着煤层沉降深度加大，压力和温度提高，煤的分子结构继续变化，煤的性质也发生不断变化，最终变成无烟煤。引起煤变质的主要因素是温度。温度、时间和压力对煤变质的影响示意简图温度过低（50～60℃），褐煤的变质不明显（如莫斯科煤田的煤至今已有3亿年以上，但仍处于褐煤阶段）。通常认为，煤化程度是煤受热温度和持续时间的函数。温度越高，变质作用的速度越快。温度高促进了化学反应速度的提高。煤化程度的概念褐煤向烟煤、无烟煤转化进程中，由于地质条件和成煤年代差异，使煤处于不同转化阶段。煤的这种转化阶段称为煤化程度，有时称为变质程度，或煤级(