第一章绪论第二章煤的形成和显微组分,附煤的化学组成和结构山东科技大学

1、 煤化学 (第二版) Coal Chemistry 何选明（武汉科技大学）何选明（武汉科技大学） 冶金工业出版社冶金工业出版社 张双全（中国矿业大学）张双全（中国矿业大学） 中国矿业大学出版社中国矿业大学出版社煤的间接液化典型流程煤煤腐殖煤腐殖煤 由高等植物（纤维素、木质素等）形成的煤。由高等植物（纤维素、木质素等）形成的煤。 因成煤过程中曾有腐植酸生成，由此得名。因成煤过程中曾有腐植酸生成，由此得名。腐泥煤腐泥煤 由低等植物和浮游生物生成的煤。由低等植物和浮游生物生成的煤。泥炭泥炭褐煤褐煤烟煤烟煤无烟煤无烟煤藻煤藻煤 藻类形成的煤藻类形成的煤石煤石煤 高变质腐泥煤高变质腐泥煤胶泥煤胶泥煤 其

2、中矿物质其中矿物质40%的称为油页岩的称为油页岩抚顺、吉林桦甸、茂名等丰富油页岩资源。抚顺、吉林桦甸、茂名等丰富油页岩资源。通常讲的通常讲的“煤煤 ”油页岩油页岩富含石油特征特征腐殖煤腐殖煤腐泥煤腐泥煤颜色颜色褐色和黑色，多数为黑色褐色和黑色，多数为黑色多数为褐色多数为褐色光泽光泽光亮者居多光亮者居多暗暗用火柴点燃用火柴点燃不燃烧不燃烧燃烧，有沥青味道燃烧，有沥青味道氢含量氢含量/%一般小于一般小于6一般大于一般大于6低温干馏焦油产率低温干馏焦油产率/%一般小于一般小于20一般大于一般大于25特征与标志特征与标志颜色颜色光泽光泽外观外观沸腾沸腾KOH中中稀稀HNO3中中自然水分自然水分密度密度

3、/g.cm-3硬度硬度燃烧现象燃烧现象泥炭泥炭褐煤褐煤烟煤烟煤无烟煤无烟煤棕褐色棕褐色褐色、黑褐色褐色、黑褐色黑色黑色灰黑色灰黑色无无大多数无光泽大多数无光泽有一定光泽有一定光泽金属光泽金属光泽有原始植物有原始植物残体，土状残体，土状无原始植物残体，无原始植物残体，无明显条带无明显条带呈条状带呈条状带无明显条带无明显条带棕红棕黑棕红棕黑褐色褐色无色无色无色无色棕红棕红红色红色无色无色无色无色多多较多较多较少较少少少1.101.401.201.451.351.90很低很低低低较高较高高高有烟有烟有烟有烟多烟多烟无烟无烟Lower PlantsHigher Plants低等植物低等植物地衣地衣(l

4、ichen)寄生在松树树干上的地衣低等植物低等植物蘑菇蘑菇 mushroom低等植物低等植物海带海带 kelp高等植物高等植物蕨类植物蕨类植物 高等植物高等植物松树松树 pine美国加利福尼亚州红杉国家公园， 红杉 高20层楼千年历史亿年地质年代、成煤植物、主要煤种地质年代、成煤植物、主要煤种OOOOOHOOOOHOHOHOHOHOHOHCH2OHCH2OHCH2OHCH2OHOOn纤维素分子结构式纤维素分子结构式 OOOHHHHHHOOOOCOOCH3COOCH3COOCH3COOCH3OHOHOHOHOHOHOHOHOOHHHHHHHHHHHHH果胶质的分子结构式 主要主要高等高等包围着纤

5、维素包围着纤维素并填满其间隙，以增加茎部的坚固性。并填满其间隙，以增加茎部的坚固性。 OHCHCHO-CH3CH2OHOHO-CH3H3C-OCHCHCH2OHOHCHCHCH2OH针叶树的针叶树的松柏醇松柏醇落叶树的落叶树的芥子醇芥子醇乔木的乔木的 香豆醇香豆醇（结构有误）OOOH乔木的 香豆醇 但多氧情况下，经微生物作用易氧化成芳香酸但多氧情况下，经微生物作用易氧化成芳香酸（如（如 苯甲酸）和酚类化合物（如苯酚）。它们是组苯甲酸）和酚类化合物（如苯酚）。它们是组 成腐植酸的羧基和羟基有机化合物，酚类芳香化合物成腐植酸的羧基和羟基有机化合物，酚类芳香化合物 加热脱水形成腐植物质的稠环化合物。

6、加热脱水形成腐植物质的稠环化合物。蛋白质蛋白质 -NH-CH-CO-NH-CH2-CH-CH2-S-S-CH2-CH2-CO-NH-CH-CO-OHCOOHCH2NH蛋白质片断化学结构示例肽键吲哚H2C-O-CO(CH2)14CH3 HC-O-CO(CH2)14CH3H2C-O-CO(CH2)14CH3甘油三软脂酸酯结构式CH3COOHCH3CHCH3CH3CH3COOHCH3CH3CH CH2松香酸右旋海松酸不同植物有机族组成不同植物有机族组成(w w / / %)差别甚大，如下表。差别甚大，如下表。植植 物物碳水化合物碳水化合物木木 质质 素素蛋蛋 白白 质质脂类化合物脂类化合物细菌细菌绿

7、藻绿藻苔苔 藓藓蕨类蕨类草草 类类松柏及阔叶树松柏及阔叶树122830403050506050706070001020302030203050804050152010155101752010208103551013木木本本植植物物的的不不同同部部分分木质部木质部叶叶木木 栓栓孢粉质孢粉质原生质原生质607565605202030201000182570235825309010 高等植物、低等植物及微生物都是成煤的原始物质。 沼泽环境的变化促使植物群落变迁，植物群落的生长又改变着沼泽环境。 两种因素相辅相成，相互影响又相互制约。沼泽环境的经常变化并交替进行，造成植物分解、保护、再分解、再保护的多

8、次过程。 成煤植物的各种有机族组成通过这些不同途径参与成煤，这是煤具有高度复杂性的重要原因。沼泽是在一定的气候、地貌和水文条件下，常年沼泽是在一定的气候、地貌和水文条件下，常年积水或极其潮湿的地段，内有大量植物生长和堆积。积水或极其潮湿的地段，内有大量植物生长和堆积。 （1 1）按水分补给来源的不同，可划分为：）按水分补给来源的不同，可划分为： 低位沼泽低位沼泽主要由地下水补给、潜水面较高的沼泽主要由地下水补给、潜水面较高的沼泽 高位沼泽高位沼泽主要以大气降水为补给来源的泥炭沼泽主要以大气降水为补给来源的泥炭沼泽 中位沼泽或过渡沼泽：中位沼泽或过渡沼泽：兼有低位沼泽和高位沼泽兼有低位沼泽和高位

9、沼泽的特点，其水源部分由地下水补给，部分又由大气降的特点，其水源部分由地下水补给，部分又由大气降水补给的沼泽。水补给的沼泽。 （2 2）根据沼泽距离海岸的远近，分为近海泥炭）根据沼泽距离海岸的远近，分为近海泥炭沼泽与内陆泥炭沼泽。沼泽与内陆泥炭沼泽。 （3 3）根据水介质的含盐度，沼泽又可分为淡水的、）根据水介质的含盐度，沼泽又可分为淡水的、半咸水的和咸水的。半咸水的和咸水的。 大地构造（地壳运动）大地构造（地壳运动）： 提供成煤作用缓慢而均匀的沉降运动（均衡补偿）和成煤坳陷。地壳的剧烈或过缓沉降运动都不利于厚层泥炭层的形成，植物的堆积和地壳的沉降的平衡，决定泥炭层形成厚度。 影响煤性质因素：

10、 堆积方式(原地生成的、异地生成的)； 形成泥炭的植物群落； 沉积环境（浅沼的，湖沼的，微咸水-咸水，富含钙质的）； 养分供给（富养分的，贫养分的）； pH值，细菌活动性，硫的供给； 氧化还原电位（需氧的，厌氧的）。湖沼演化中泥炭和淤泥形成示意图湖沼演化中泥炭和淤泥形成示意图泥炭沼泽中植物与泥炭层的形成泥炭沼泽中植物与泥炭层的形成泥炭泥炭 第四节第四节 成煤作用过程成煤作用过程4.1 4.1 成煤过程成煤过程 是指腐殖煤的生成过程。是指腐殖煤的生成过程。 它是高等植物在泥炭沼泽中持续生长它是高等植物在泥炭沼泽中持续生长和死亡，残骸不断堆积，经过长期复杂的和死亡，残骸不断堆积，经过长期复杂的生物

11、化学、地球化学、物理化学和地质化生物化学、地球化学、物理化学和地质化学作用，逐渐演化成泥炭、褐煤、烟煤和学作用，逐渐演化成泥炭、褐煤、烟煤和无烟煤的全过程。无烟煤的全过程。植物植物泥炭化泥炭化泥炭泥炭成岩作用成岩作用褐煤褐煤变质作用变质作用烟煤、无烟煤烟煤、无烟煤煤化作用煤化作用成煤过程4.2 煤化程度煤化程度 degree of coalification 在褐煤向烟煤、无烟煤转化的变质过程中在褐煤向烟煤、无烟煤转化的变质过程中 ，由于，由于地质条件和成煤年代的差异，使煤处于不同的转化阶地质条件和成煤年代的差异，使煤处于不同的转化阶段。在煤的这种转化阶段中，各种变质因素及其相互段。在煤的这种

12、转化阶段中，各种变质因素及其相互作用决定了作用决定了煤的化学成熟程度，煤的化学成熟程度，即称为即称为煤化程度，煤化程度，又又称称煤化度，煤化度，有时称为有时称为变质程度变质程度metamorphism，或，或煤级煤级Rank。 煤的煤化程度和显微成分组成（后面介绍）是表煤的煤化程度和显微成分组成（后面介绍）是表征煤的性质的重要指标。征煤的性质的重要指标。 按煤化程度由低到高依次是：按煤化程度由低到高依次是： 褐煤褐煤 lignite/brown coal、 烟煤烟煤 bituminous coal （长焰煤、气煤、肥煤、焦煤、（长焰煤、气煤、肥煤、焦煤、 瘦煤、贫煤）瘦煤、贫煤） 无烟煤无烟煤

13、 anthracite。泥炭化作用泥炭化作用 表表26 植物与泥炭化学组成的比较植物与泥炭化学组成的比较 元素组成，元素组成，w %有机组成，有机组成，%植物植物与泥炭与泥炭CHNO+S纤维素纤维素半纤维半纤维木质木质素素蛋白蛋白质质沥沥青青A腐腐质酸质酸莎草莎草47.205.611.6139.3750.0020305105100木本植物木本植物50.156.201.0542.1050.6020.3017130桦川草本桦川草本泥炭泥炭55.876.352.9034.9719.690.7503.5043.58合浦木本合浦木本泥炭泥炭65.466.531.2026.75o.890.390042.8

14、8表表1 18 8 植物变成泥炭后组成的变化植物变成泥炭后组成的变化 煤岩有机显微组分有镜质组、丝质组和稳定组三类部分。 镜质组通常是煤岩中最主要的显微组分之一，它属于高等植物木质纤维组织凝胶化作用的产物，主要由腐殖物质的腐殖酸部分形成的组分。 丝质组是不具化学活动性的富碳贫氢组分，属于高等植物木质纤维组织炭化作用的产物。 稳定组由高等植物中较富含氢的组织器官及植物组织分泌物所形成，如孢子体、树脂体、角质体、木栓质体等。 当褐煤层继续沉降到地壳较深处时，上覆岩层压力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不断增大，地温不断增高，褐煤中的物理化

15、学作用速度加快，煤的分子结构和组成产生了较大的变化。加快，煤的分子结构和组成产生了较大的变化。碳含量碳含量明显增加，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。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。这一过程压力可达几十变成无烟煤。这一过程压力可达几十-几百兆帕，温度一几百兆帕，温度一般般200。（。（1兆兆106） 高级变质阶段高级变质阶段

16、 如受火山岩浆等更高温度作用，烟煤如受火山岩浆等更高温度作用，烟煤可能转变为天然焦，无烟煤可能转变为石可能转变为天然焦，无烟煤可能转变为石墨。这已不属于煤的变质阶段。墨。这已不属于煤的变质阶段。 可见，可见，变质过程变质过程是指褐煤沉降到地壳是指褐煤沉降到地壳深处，在长时间的地热（深处，在长时间的地热（200200以下）和以下）和高压（几十到几百兆帕）作用下发生化学高压（几十到几百兆帕）作用下发生化学反应，其组成、结构和性质发生变化，转反应，其组成、结构和性质发生变化，转变为烟煤、无烟煤的过程。变为烟煤、无烟煤的过程。2. 5km3. 5km4. 5km5. 5km6. 0km8. 0km长焰

17、煤长焰煤气煤气煤肥煤肥煤焦煤焦煤瘦煤瘦煤贫煤贫煤无烟煤无烟煤长焰煤长焰煤气煤气煤肥肥煤焦煤焦煤瘦煤瘦煤贫煤贫煤无烟煤无烟煤煤质的垂直分布与水平分带关系图煤质的垂直分布与水平分带关系图煤变质程度（煤度）随时间的变化情况挥发物质挥发物质时间时间褐煤泥炭烟煤、无烟煤泥炭褐煤烟煤无烟煤埋藏压力埋藏压力植物煤炭泥炭化阶段煤化阶段生物化学变化物理化学变化成岩作用 - 生物岩变质作用 - 褐煤、烟煤、无烟煤多氧分解水解作用缺氧还原作用凝胶化作用 - 镜质组丝炭化作用 丝质组 （惰质组）煤岩有机显微组分镜质组丝质组稳定组是不具化学活动性的富碳贫氢组分，属于高等植物木质纤维组织炭化作用的产物。 通常是煤岩中最主

18、要的显微组分之一，它属于高等植物木质纤维组织凝胶化作用的产物，主要由腐殖物质的腐殖酸部分形成的组分。由高等植物中较富含氢的组织器官及植物组织分泌物所形成，如孢子体、树脂体、角质体、木栓质体等。 8310 m 5.参考资料参考资料 在煤成气中，镜质组和丝质组以成气在煤成气中，镜质组和丝质组以成气为主，稳定组以成油为主。为主，稳定组以成油为主。 煤成气主要产自镜质组。煤成气主要产自镜质组。 稳定组含量相对较高的煤可形成相当稳定组含量相对较高的煤可形成相当量的凝析油气或轻质油。量的凝析油气或轻质油。 煤系有机质的演化也不同于经典的有煤系有机质的演化也不同于经典的有机质演化规律：在未成熟阶段以树脂体成

19、机质演化规律：在未成熟阶段以树脂体成烃为主，生成以甲烷占优势的天然气，还烃为主，生成以甲烷占优势的天然气，还有凝析油或轻质油；在成熟阶段，稳定组、有凝析油或轻质油；在成熟阶段，稳定组、镜质组分别逐次成烃，主要生成以甲烷为镜质组分别逐次成烃，主要生成以甲烷为主并有相当多重烃气的天然气，在本阶段主并有相当多重烃气的天然气，在本阶段的初期也产凝析油和轻质油。的初期也产凝析油和轻质油。 乌审旗地图显微煤岩分析仪（岩相分析）显微煤岩分析仪（岩相分析） 知识介绍：知识介绍：显微煤岩分析仪应用显微煤岩分析仪应用等 变 质 线1 098765437 98 18 38 58 78 99 19 39 5镜 质 组

20、丝 质 组稳 定 组HCd a fd a f褐煤长焰煤其它烟煤褐煤长焰煤其它烟煤Vd a f01 04Td a fHd a f2 03 04 05 051 01 52 02 5567dafC1009085807060daf65420图6-3 煤 中 碳 和 氢 的 关 系（ 据 煤 炭 化 验 手 册 ，1976）daf1009085807060daf50403020100图6-4 煤 的 挥 发 分 产 率 与 碳 含量 的 关 系（ 据 煤 炭 化 验 手 册 ，1976）挥发分焦渣1-2号的(氧化)煤挥发分焦渣3-7号的正常煤6.56.05.55.04.54.0321dafdaf6560

21、555045403530252010图6-5 煤的挥发分产率与氢含量的关系（据煤炭化验手册，1976）稳 定 组镜 质 组丝 质 组d a fd a f9 59 39 18 98 78 58 38 17 91 61 41 21 086420等 变 质 线图6 -6 不 同 煤 岩 成 分 的 氧 含 量（ 据D .W .克 列 威 伦 ，1 9 6 1）（）容积水分内在水分含量dafdaf0510152025303535302520151050606060606070650102030405060图6-7 煤 中 内 在 水 分 含 量 与 碳 含 量和 挥 发 分 之 间 的 关 系 （ 据

22、 武 汉 地 质学 院 煤 田 教 研 室 ，1979）（）容积水分内在水分含量dafdaf0510152025303535302520151050606060606070650102030405060图6-7 煤 中 内 在 水 分 含 量 与 碳 含 量和 挥 发 分 之 间 的 关 系 （ 据 武 汉 地 质学 院 煤 田 教 研 室 ，1979）85.0%CC=OCHNHCH 脂 肪 族C=C-C=CCH32CH3CHC-O-CC-O-芳 香 族多 缩 芳 香系 统332系 统多 缩 芳 香芳 香 族C=C-C=CC-O-C-O-CCHCHCHC=OCH 脂 肪 族NHCH151005

23、151005100510150505100505050505050500000000001000000000000000波 长吸收强度（光密度）96.0%C95.0%C94.2%C93.4%C92.5%C57.3%C58.1%C70.5%C75.5%C81.5%C89.0%C24681 01 21 424681 01 21 424681 01 21 41 41 21 08642图6 -8 煤 的 红 外 吸 收 光 谱（ 引 自D .W .克 列 威 伦 ， co al 一 书 ，1 9 61）9 6 . 59 4 . 29 3 . 79 1 . 79 1 . 28 8 . 78 5 . 58

24、 1 . 47 5 . 96 9 . 66 5 . 1C%0 0 41 0 10 0 21 0 0 1 0 2 1 0 31 1 00 0 61 1 21 1 20 0 41 0 10 0 61 1 01 0 31 0 21 0 00 0 21 00 80 60 40 20 00 90 70 50 30 1墨石煤镜ba2 S i n2 S i nba强度强度图6 - 9 镜 煤 和 石 墨 的X -射 线 衍 射 曲 线 图（ 引 自D .W .克 列 威 伦 ， c o a l 一 书 ，1 9 6 1）HHHHOOOOOOOOCHCNNCH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2

25、CH2CH2CH2CH3CH2CH3H2H2H2H2H2H2H2H2H2CH2H2H22OHHHO图6-10 镜质组（Cdaf=82%）的分子结构模型（据武汉地质学院煤田教研室，1979）2HHHHH OO HOOOC H5C H2C H3C H2C H2C H3H C3C H3C H33C H低 分 子 物图6 -1 1 煤 化 学 结 构 模 型 （ 据 武 汉地 质 学 院 煤 田 教 研 室 ，1 9 7 9）半 焦胶 质 层煤 样压 力 盘钢 杯探 针图6 -1 2 胶 质 层 煤 杯 中 的 结 焦 过 程 示 意 图 （ 据 中国 煤 田 地 质 学 （ 上 册 ） ，1 9 7 9）xy700640580