煤化学 第一章

1、第一节 煤的种类和外表特征煤的定义： 煤是植物遗体以及浮游生物遗体覆盖在地层下，经复杂的生物化学和物理化学作用，转化而成的固体有机可燃沉积岩。 煤是一种主要的能源，在国民经济中起着举足轻重的作用。煤作为一种商品和工业原料，其性质、质量与煤的价格、煤的利用关系密切，为了有计划地开采和合理利用煤炭资源，就需要对煤质进行研究，在影响煤质的诸多因素中，成煤原始物质和成煤环境至关重要。 按进化论的观点，植物是由低级向高级逐步演化的，植物界传统划分为四大类：藻菌植物、苔藓植物、蕨类植物和种子植物，或将第一种称为低等植物，后三种称为高等植物。前三种又称为孢子植物，就是植物用孢子繁殖。而种子植物则能产生种子，

2、用种子繁殖。低等植物与高等植物的组成差别较大，且对成煤的性质有较大影响。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。 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。低等植物地衣低等植物蘑菇高等植物华南毛蕨高等植物松树1.3 我国主要聚煤期新 生 代 新近纪-古近纪（约0.240.65亿年）中 生 代 晚侏罗世-早白垩世（约1.44亿年） 早、中侏罗世（约2.03亿年） 晚三叠世（约2.5亿年）晚古生代 晚二叠世（约3亿年） 晚石炭世-早二叠世（约33.54亿年） 早石炭世（约3.54亿年

3、）早古生代 早寒武世（约5.45亿年） （1）碳水化合物（2）木质素（3）脂类化合物（4）蛋白质是构成植物细胞壁的主要成分。纤维素的分子式是(C6H10O5)n，具长链状结构，其分子量约为100万200万。纤维素一般不溶于水，在溶液中能生成胶体，容易水解。在活的植物中，纤维素对于微生物的作用很稳定，但当植物死亡后，在氧化性条件下，易受微生物作用而分解成CO2、CH4和水。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。的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。糖的衍生物，呈果冻状。在生物化学作用下，水解成一系列单糖和糖醛酸。 木质素也是植物细胞壁的

4、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。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。 木质素，其组成因植物的种类不同而异。 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。 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

5、溶液中分解生成脂肪酸和甘油，参与成煤作用。 主要是长链脂肪酸与含有2426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。 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。 蛋白质 由若干个氨基酸结合而形成的结构复杂的高分子。由于含羧基和羟基，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

6、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。 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细 菌菌绿绿 藻藻苔苔 藓藓蕨蕨 类类草草 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60756

7、5605202030201000182570235825309010 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： 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。自然界中分布最广，蕴藏量最大。煤化学的主要研究对象。 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。 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。残植煤在自然界中的储量很少，常呈薄层或透镜体夹在腐植煤中。由高等植物、低等植物共同形成的煤。一、煤的成因类型腐殖煤类腐泥煤类腐殖腐泥类泥炭褐煤烟煤无烟煤二、煤的外表特征 腐殖煤是煤加工、利用的主要对象；他

8、们的外表特征有较明显差异。1.泥炭 泥炭几千年形成的天然沼泽地产物，（又称为草炭或是泥煤）是煤化程度最低的煤，是煤最原始的状态，是植物向煤转变的过渡产物。外观棕褐色或黑褐色，富含未分解的植物组织，如根、茎、叶等残留物。 原始泥炭含水量高达85%95%。风干后含水25%35%。 严格地讲， 泥炭并不是煤，它可作为栽培基质，又是良好的土壤调解剂，并含有很高的有机质，腐殖酸及营养成份。2.褐煤 褐煤，又名柴煤，是煤化程度最低的矿产煤。泥炭成岩的初期产物，外观褐色或暗褐色，因而得名。按煤化度与外表特征分为：土状褐煤、暗褐煤和亮褐煤，此外还有一种保存有明显木质结构痕迹的木褐煤。是一种介于泥炭与沥青煤之间

9、的棕黑色、无光泽的低级煤。化学反应性强，在空气中容易风化，不易储存和远运。 随着煤化度增高，主要在成岩作用压力的影响下，褐煤发生一系列变化：颜色变深，密度增加，硬度变大，腐殖酸含量减少，水分显著降低。 德国、澳大利亚等国有丰富的褐煤资源。 我国已探明的保有储量约1400 亿t， 占全国煤炭储量的17%。 3.烟煤 煤化度低于无烟煤而高于褐煤，因燃烧时烟多而得名。 一般烟煤具有不同程度的光泽，绝大多数呈明暗交替条带状。所有的烟煤都是比较致密的，真密度较高(1.201.45 g/cm3)，硬度亦较大。 烟煤是自然界最重要，分布最广，储量最大，品种最多的煤种。 在烟煤中，气煤、气肥煤、1/3焦煤、肥

10、煤、焦煤和瘦煤都具有不同程度的黏结性。它们被粉碎后高温干馏时，能不同程度地“软化”和“熔融”成为塑性体，然后再固化为块状的焦炭。传统观念认为这些煤是炼焦的主要原料煤，故称之为炼焦煤；除此以外的其他煤没有或基本没有黏结性，只能用于低温干馏、造气或动力燃料等，故称之为非炼焦用煤。 随着煤准备与炼焦工艺的发展，扩大了炼焦用煤的资源。新的炼焦技术已能使用所有的烟煤，甚至无烟煤作为原料成分，不再仅仅局限于这些传统炼焦煤。4.无烟煤 是煤化程度最大的煤。无烟煤固定碳含量高，挥发分产率低，密度大，硬度大，燃点高，燃烧时不冒烟。黑色坚硬，有金属光泽。以脂摩擦不致染污，断口成介壳状，燃烧时火焰短而少烟。不结焦。

11、一般含碳量在90%以上，挥发物在10%以下。无胶质层厚度。有时把挥发物含量特大的称做半无烟煤；特小的称做高无烟煤。 无烟煤通常作民用和动力燃料；质量好的无烟煤可作气化原料、高炉喷吹和烧结铁矿石的燃料以及作铸造燃料等；用优质无烟煤还可以制造碳化硅、碳粒砂、人造刚玉、人造石墨、电极、电石和炭素材料。 四类腐殖煤的主要特征与区分标志第二节 煤的生成一、三种成煤假说： 1.煤是和地球一起形成的，有地球就有煤； 2.煤是由岩石变化而来的； 3.煤是由植物残骸形成的。 煤由植物形成的证据： 常常发现在煤层中有保存完好的古植物化石和由树干变成的煤，有的甚至保留着原来断裂树干的形状; 煤层顶、底板岩层多富含植

12、物根化石或痕木化石，证明它曾经是植物生长的土壤； 显微镜下观察煤制成的薄片可以直接看到原始植物的木质细胞结构和其他残骸，如孢子、花粉、树脂、角质层和木栓体等； 在实验室用树木进行人工煤化试验，可以得到外观和性质与煤类似的人造煤。 因此，煤是由植物而且主要是由高等植物转变而来的观点已成为人们的共识。 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、气候的影响) （2）植物遗体不能完全氧化适合的堆积场所(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）二、煤的生成过程植物

13、的残骸埋在沙和泥中沉积物承受上覆岩层的巨大压力经过数百万年后，转变成煤 从植物死亡、堆积到转变为煤经过一系列复杂的演变过程，这个过程称为成煤作用。 在地质历史上，沼泽森林覆盖了大片土地，包括菌类、蕨类、 灌木、乔木等植物。 经过漫长的地质作用，在温度增高、压力变大的还原环境中，最后会转变为煤层。 因埋深和埋藏时间的差异，形成的煤也不尽相同 但在不同时代海平面常有变化. 当水面升高时，植物因被淹而死亡 死亡的植物被沉积物覆盖而不透氧气，植物就不会完全分解，而是在地下形成有机地层。随着海平面的升降，会产生多层有机地层石油和天然气的开采 植物演化的时间进程可以用地质年代来描述。地质年代是指地层形成的

14、年代，亦可指煤层形成的年代。地质年代通常划分为代、纪、世、期、时；地层系统通常也划分为界、系、统、组、段。地质年代与地层系统之间存在着一一对应的关系。 地球历史上共有三个主要造煤期：首先最主要的是距今3.452.8亿年古生代的石炭纪和二叠纪。其次是距今1.95亿年中生代的侏罗纪。然后是距今0.37亿年新生代的第三纪。 石炭纪与二叠纪的孢子植物著名的有鳞木、芦木、封印木等。 侏罗纪是裸子植物的黄金时代，银杏类、松柏类和苏铁类主宰了地球大地，它们也称为恐龙时代的植物。新生代第三纪五彩缤纷的被子植物统治了世界中国聚煤区划分示意图中国聚煤区划分示意图晚侏罗纪晚侏罗纪东北、内蒙东北、内蒙早、中侏罗纪早、

15、中侏罗纪西北西北华北华北石炭二叠纪石炭二叠纪中、新生代中、新生代滇藏滇藏晚二叠纪晚二叠纪华南华南第三纪第三纪台湾台湾晚侏罗纪晚侏罗纪东北、内蒙东北、内蒙早、中侏罗纪早、中侏罗纪西北西北华北华北石炭二叠纪石炭二叠纪中、新生代中、新生代滇藏滇藏晚二叠纪晚二叠纪华南华南第三纪第三纪台湾台湾三、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：即泥炭化作用过程和煤化作用。图示如下：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 煤化程度的概念：在褐煤向烟煤、无烟煤转化的

16、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，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、烟煤（长焰煤、气煤、肥煤、焦煤、瘦煤、贫煤）、无烟煤。四、 泥炭化作用 泥炭化作用的概念：高等植物死亡后，在生物化学作用下，变成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、沥青质等。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

17、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。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，%有机组成，有机组成，%植物与泥炭植物与泥炭CHNO+S纤维素纤维素半纤维素半纤维素木质木质素素蛋白蛋白质质沥青沥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桦川草本泥桦川草

18、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植物变成泥炭后组成的变化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沼泽中植物与泥炭层的形成泥 炭五、 煤化作用 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 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。这样，泥炭逐渐变成了较为致密的岩石状的褐煤

19、。 六、 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。 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。变质作用的因素： 促成煤变质作用的主要因素是。温度过低（5060），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。 腐殖煤的生成过程： ，即成煤植物的种类，植物遗体的堆积环境和堆积方式，泥炭化阶段经受的生物化学作用等影响泥炭形成并保存的诸因素，决定了煤在显微结构上具有。 ，即泥炭成岩后煤变质作用的类型、温度、压力、时间及其相互作用决定了煤的化学成熟程度，亦即煤化程度，又称。煤的成因因素煤的变质因素