chap1煤的的形成

高等煤化学Advanced Coal Chemistry 张双全Chaprt 1： Coal FormationMain contents：n （ 1） What is the material for coal formation？n （ 2） How was coal formed？第一节 成煤物质 (Materials of coal formation)1、煤是由植物（ plant ）形成的煤是由植物遗体 （ plant debris）经过生物化学作用 （ biochemcal reaction）和物理化学作用 （ physical-chemcal reaction）演变而成的沉积有机岩 （ Sedimentary organic rock）。1.2 低等植物和高等植物的特点 (characteristics)低等植物 (Lower Plants)： 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、叶等器官的分化。高等植物 (Higher Plants) ： 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。低等植物 海带 kelp低等植物 地衣 (lichen)低等植物 蘑菇 mushroom高等植物 蕨类植物 ferns高等植物 松树 pine1.4 植物的主要化学组成 (constituents) （ 1）碳水化合物 （ carbohydrates ）（ 2）木质素 （ lignins ） （ 3）蛋白质 （ proteins ） （ 4）脂类化合物 （ lipids/fatty compounds ）包括 纤维素、半纤维素及果胶质。纤维素 (cellulose)： 是构成植物细胞壁的主要成分。纤维素一般不溶于水，在溶液中能生成胶体，容易水解。 在泥炭沼泽的酸性介质中，纤维素可以分解为纤维二糖和葡萄糖等简单化合物 。半纤维素 (hemi-cellulose)： 化学组成和性质与纤维素相近， 但比纤维素更易分解或水解为糖类和酸 。果胶 (pectin / pectic substance)： 糖的衍生物，呈果冻状。 在生物化学作用下，可水解成一系列单糖和糖醛酸 。 1.4.1 碳水化合物 （ carbohydrates ） 1.4.2 木质素 Lignin 木质素也是植物细胞壁的主要成分，常分布在植物根、茎部的细胞壁中。木本植物的木质素含量高，木质素是具有 苯基丙烷芳香结构的高分子聚合物 ，含甲氧基 methoxyl 、羟基 hydroxyl等官能团。木质素的单体以不同的链连接成三度空间的大分子，比纤维素稳定， 不易水解，易于保存下来 。在泥炭沼泽中， 在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，这些物质最终转化成为煤 。所以木质素是植物转变为煤的原始物质中最重要的有机组分。针叶树的松柏醇落叶树的芥子醇乔木的 香豆醇木质素，其组成因植物的种类不同而异， 见图 。1.4.3 脂类化合物 lipids/fatty compounds 脂类化合物是指不溶于水而溶于醚、苯、氯仿等有机溶剂的有机化合物。在植物中脂类化合物主要有以下几种。脂肪 (fat)： 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 )。 在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 (wax) ： 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 resin/rosin: 树脂是植物生长过程中的分泌物，当植物受伤时，胶状的树脂不断分泌出来保护伤口。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，微生物也不能破坏它，因此能很好地保存在煤中。角质 cutin和木栓质 phellem： 化学性质十分稳定，不溶于有机酸，微生物也难以作用，在成煤过程中能保存下来。 1.4.3 脂类化合物 fatty compounds 1.4.4 蛋白质 proteins 蛋白质： 由若干个氨基酸 (amino acid)结合而形成的结构复杂的高分子。由于含羧基 carboxyl和羟基 hydroxyl，蛋白质具有酸性和碱性官能团，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，蛋白质完全分解为气态物质； 在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， 但对煤的性质没有决定性的影响。 是煤中硫、氮元素的来源之一。1.4.5 不同植物化学组成的差异性植 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122830403050506050706070001020302030203050804050152010155101752010208103551013木本植物的不同部分木质部叶木 栓孢粉质原生质6075656052020302010001825702358253090101.5 煤炭的成因类型 genesic type根据形成煤炭的物质基础划分煤炭的类型称为成因类型。主要是： 腐植煤、腐泥煤、残植煤和腐植腐泥煤 。（ 1）腐植煤 Humic Coal： 由高等植物经过成煤过程中复杂的生化和地质变化作用生成。（ 2） 腐泥煤 sapropelite： 主要由湖沼或浅水海湾中藻类等低等植物形成。储量大大低于腐植煤，工业意义不大。（ 3） 残植煤 liptobiolite： 由高等植物残骸中对生物化学作用最稳定的组分 (孢子、角质层、树皮、树脂 )富集而成。（ 4）腐植腐泥煤 humic-sapropelic coal： 由高等植物、低等植物共同形成的煤。第二节 成煤的条件和环境 surroundings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。 这些条件包括：（ 1） 大量植物的持续繁殖 (生物 life-form、气候 climate的影响 )（ 2）植物遗体不能完全腐烂适合的堆积场所 (沼泽、湖泊 swamps and lakes等 )（ 3）地质作用的配合（地壳的 沉降运动 subside形成上覆岩层和顶底板 多煤层 ）第三节 成煤作用过程 由高等植物转化为腐植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。整个成煤作用可划分为两个阶段：即 泥炭化作用 Peatification过程和 煤化作用 Coalification。煤化作用又分为两个连续的过程，即成岩作用diagenesis和变质作用 metamorphism.图示如下：植物 泥炭化 泥炭 成岩作用 褐煤变质作用 烟煤、无烟煤煤化作用第三节 成煤作用过程 煤化程度 metamorphic grade的概念 ： 在褐煤向烟煤、无烟煤转化的进程中 ，由于地质条件和成煤年代的差异，使煤处于不同的转化阶段。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 (Rank)。 按煤化程度由低到高依次是：褐煤 lignite/brown coal、烟煤 Bituminous Coal （长焰煤、气煤、肥煤、焦煤、瘦煤、贫煤）无烟煤 Anthracite。1 泥炭化作用 peatification泥炭化作用的概念： 高等植物死亡后，在生物化学作用下 biochemical reactions，变成泥炭的过程称为泥炭化作用。在这一阶段，植物 首先 在 微生物 作用下，分解和水解为分子量较小的性质活泼的化合物， 然后 小分子化合物之间相互作用，进一步合成新的较稳定的有机化合物，如腐植酸 humic acid、沥青质 pitch等。植物经泥炭化作用成为泥炭，在两方面发生巨大变化：（ 1）组织 tissue器官 organs（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；（ 2）组成成分发生了很大的变化 ，如植物中大量存在的纤维素和木质素在泥炭中显著减少，蛋白质消失，而植物中不存在的腐植酸却大量增加，并成为泥炭的最主要的成分之一，通常达到 40% 以上。1 泥炭化作用 peatification表 26 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 C H N O+S 纤维素半纤维素木质素蛋白质沥青 腐植酸莎草 47.20 5.61 1.61 39.37 50.00 2030 510 510 0木本植物 50.15 6.20 1.05 42.10 50.60 20.30 17 13 0桦川草本泥炭55.87 6.35 2.90 34.97 19.69 0.75 0 3.50 43.58合浦木本泥炭65.46 6.53 1.20 26.75 o.89 0.39 0 0 42.88植物变成泥炭后组成的变化2 煤化作用 Coalification煤化作用包括 成岩作用 和 变质作用 两个连续的过程。2.1 成岩作用 diagenesis 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sedimentary cover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。这样，泥炭逐渐变成了较为致密的岩石状的褐煤。 2.2 变质作用 metamorphism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的变化。 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，褐煤逐渐转化成为烟煤。 随着煤层沉降深度的加大，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的变化，最终变成无烟煤。2 煤化作用 Coalification变质作用的因素 ：促成煤变质作用的 主要因素是温度 。温度过低（50 60 ），褐煤的变质就不明显了，如莫斯科煤田早石炭世煤至今已有 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。因为变质作用的 实质 是煤分子的化学变化，温度高促进了化学反应速度的提高。 什么是沼泽什么是沼泽 ?沼泽是在一定的气候、地貌和