第二章-煤的形成电子教案

煤化学

CokingChemistry第一页，共71页。1矿产(kuàngchǎn)开采露天开采第二页，共71页。2地下开第三页，共71页。3第四页，共71页。4第五页，共71页。5第六页，共71页。6第七页，共71页。7第八页，共71页。8第二章煤的形成(xíngchéng)

Chaprt2：CoalFormation主要内容(nèiróng)：Maincontents：（1）成煤物质Materialforcoalformation？（2）煤如何形成Howwascoalformed？第九页，共71页。9第一节成煤物质(wùzhì)

(Materialsofcoalformation)1、煤是由植物(zhíwù)（plant）形成的煤是由植物(zhíwù)遗体（plantdebris）生物化学作用（biochemcalreaction）物理化学作用（physical-chemcalreaction）沉积有机岩（Sedimentaryorganicrock）

第十页，共71页。101.1植物的演化及种类(zhǒnglèi)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，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。第十一页，共71页。11低等植物(zhíwù)(LowerPlants)：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(zhíwù)，没有根、茎、叶等器官的分化。高等植物(zhíwù)(HigherPlants)：包括苔藓、蕨类、裸子植物(zhíwù)和被子植物(zhíwù)。进化论认为，高等植物(zhíwù)由低等植物(zhíwù)长期进化而来，构造复杂，有根、茎、叶的区别。2、低等植物和高等植物(gāoděngzhíwù)的特点(characteristics)第十二页，共71页。12低等植物(dīděngzhíwù)（菌藻类）——海带kelp藻类第十三页，共71页。13低等植物(dīděngzhíwù)（菌藻类）——地衣(lichen)第十四页，共71页。14低等植物(dīděngzhíwù)（真菌类）——蘑菇mushroom第十五页，共71页。15高等植物(gāoděngzhíwù)——蕨类植物ferns第十六页，共71页。16高等植物(gāoděngzhíwù)——松树pine第十七页，共71页。173、植物的主要(zhǔyào)化学组成(constituents)（1）糖类(tánɡlèi)（saccharide）及其衍生物（碳水化合物-carbohydrates）

（2）木质素（lignins）

（3）蛋白质（proteins）

（4）脂类化合物（lipids/fattycompounds）第十八页，共71页。18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(róngyè)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。

碳水化合物（carbohydrates）第十九页，共71页。19碳水化合物（carbohydrates）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(ɡuǒjiāo)(pectin/pecticsubstance)：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。第二十页，共71页。20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(běnjī)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。木质素Lignin第二十一页，共71页。21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(yǒujī)组分。木质素Lignin第二十二页，共71页。22针叶树的松柏(sōnɡbǎi)醇落叶树的芥子(jièzǐ)醇乔木(qiáomù)的－香豆醇木质素，其组成因植物的种类不同而异第二十三页，共71页。23蛋白质：由若干个氨基酸(aminoacid)结合而形成的结构复杂的高分子。由于含羧基carboxyl和羟基(qiǎngjī)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。蛋白质proteins第二十四页，共71页。24蛋白质proteins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(yuánsù)的来源之一。第二十五页，共71页。25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(shēnɡchénɡ)脂肪酸和甘油，参与成煤作用。

脂类化合物lipids/fattycompounds

第二十六页，共71页。26脂类化合物lipids/fattycompounds①脂肪脂肪属于长链脂肪酸的甘油酯。低等植物(zhíwù)脂肪较多，如藻类含脂肪可达20%。高等植物(zhíwù)一般仅含1%~2%，且多集中在植物(zhíwù)的孢子或种子中。脂肪受生物化学作用可被水解，生成脂肪酸和甘油，前者参与成煤作用。②树脂树脂是植物(zhíwù)生长过程中的分泌物，高等植物(zhíwù)中的针状物含树脂最多。树脂是混合物，其成分主要是二萜类和三萜类的衍生物。在树脂中存在的典型树脂酸有松香和右旋海松酸。这两种树脂酸具有不饱和性，能起聚合作用。树脂的化学性质十分稳定，不受微生物破坏也不溶于有机酸，因此能较好地保存在煤中。第二十七页，共71页。27③蜡质wax：蜡质的化学性质类似于脂肪，但比脂肪更稳定，通常以薄层覆盖于植物(zhíwù)的叶、茎和果实表面，成分比较复杂，蜡质的主要成分是长链脂肪酸和含有24~36(或更多)个碳原子的高级一元醇形成的酯类(如甘油硬脂酸类)，其化学性质稳定，不易分解。在泥炭和褐煤中常常发现有蜡质存在。

④角质cutin：角质是角质膜的主要成分，植物(zhíwù)的叶、嫩枝、幼芽和果实的表皮常常覆盖着角质膜。角质是脂肪酸脱水或聚合作用的产物，其主要成分是含有16~18个碳原子的角质酸。脂类化合物lipids/fattycompounds第二十八页，共71页。28⑤木栓质phellem：木栓质主要成分是ω脂肪醇酸、二羧酸、碳原子数大于20的长链羧酸和醇类。⑥孢粉质孢粉质是构成(gòuchéng)植物繁殖器官孢子花粉外壁的主要有机成分，具有脂肪-芳香族网状结构。化学性质非常稳定，耐酸耐碱且不溶于有机溶剂，并可耐较高的温度而不发生分解。除上述4类有机化合物外，植物中还有少量螺质、色素等成分。脂类化合物lipids/fattycompounds第二十九页，共71页。29根据形成煤炭的物质基础划分煤炭的类型称为成因(chéngyīn)类型。主要是：腐植煤、腐泥煤和腐植腐泥煤。（1）腐植煤HumicCoal：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的。4、煤炭(méitàn)的成因类型genesictype第三十页，共71页。30（2）腐泥煤sapropelite：主要由湖沼或浅水(qiǎnshuǐ)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）腐植腐泥煤humic-sapropeliccoal：由高等植物、低等植物共同形成的煤。第三十一页，共71页。31第二节成煤作用(zuòyòng)过程surroundings一、成煤条件煤炭的生成(shēnɡchénɡ)，必须有气候、生物、地理、地质等条件的相互配合，才能生成(shēnɡchénɡ)具有工业利用价值的煤炭矿藏。这些条件包括：

（1）古植物、古气候：大量植物的持续繁殖(生物life-form、气候climate的影响)

第三十二页，共71页。32（2）古地理：植物遗体不能完全腐烂－－适合的堆积场所(沼泽、湖泊swampsandlakes等)（3）大地构造：地质(dìzhì)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）

第三十三页，共71页。33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(liǎnɡɡè)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(liǎnɡɡè)连续的过程，即成岩作用diagenesis和变质作用metamorphism.

二、腐植煤的成煤作用(zuòyòng)过程第三十四页，共71页。34图示如下(rúxià)：植物泥炭化泥炭成岩作用褐煤变质作用烟煤、无烟煤煤化作用第三十五页，共71页。35第三十六页，共71页。361泥炭化作用peatification泥炭化作用：高等植物死亡后，在生物化学作用下biochemicalreactions，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(huópo)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humicacid、沥青质pitch等。第三十七页，共71页。37生物化学作用(zuòyòng)可分为两个阶段。第一阶段：需氧细菌和真菌等微生物氧化分解、水解作用(zuòyòng)第二阶段：次氧细菌、厌氧细菌分解产物之间的合成作用(zuòyòng)分解产物与植物遗体之间的相互作用(zuòyòng)第三十八页，共71页。381泥炭化作用peatification第—阶段：多氧条件下

植物遗体暴露在空气中或在沼泽浅部的多氧条件下，由于喜氧细菌和真菌等微生物的作用，植物遗体中的有机化合物，经过(jīngguò)氧化分解和水解作用。一部分被彻底破坏，变成气体和水；另一部分分解为简单的化学性质活泼的化合物，它们在一定条件下可化合成为腐植酸，而未分解的稳定部分则保留下来。第三十九页，共71页。39第二阶段：缺氧条件下

在沼泽水的覆盖下，出现缺氧条件，喜氧微生物被厌氧细菌所替代。分解产物相互作用，进一步合成新的较稳定的有机(yǒujī)化合物，如腐植酸、沥青质等。这两个阶段不是截然分开的，在植物分解作用进行不久，合成作用也就开始了。第四十页，共71页。40第四十一页，共71页。41表2—6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65.466.531.2026.75o.890.390042.88植物变成泥炭后组成(zǔchénɡ)的变化第四十二页，共71页。421.4泥炭化作用中微生物的活动1.4.1泥炭的分层泥炭层的垂直剖面，分为氧化环境表层、中间层及还原(huányuán)环境底层。氧化环境层过渡层还原环境层第四十三页，共71页。431.4泥炭化作用中微生物的活动1.4.2各泥炭层中的微生物特性泥炭表层空气流通，温度高，又有大量有机质，有利于微生物的生存。植物的氧化分解和水解作用，主要是在泥炭沼泽表层进行，因而(yīnér)泥炭沼泽表层又称为泥炭形成层。

第四十四页，共71页。441.4泥炭化作用中微生物的活动(huódòng)1.4.2各泥炭层中的微生物特性泥炭表层以下，随着深度的增加，喜氧细菌、真菌和放线菌的数目减少，而厌氧细菌活跃，它们利用了有机质的氧，留下富氢的残留物。在微生物的活动(huódòng)过程中，植物有机组分一部分成为微生物的食料，另一部分则被加工成为新的化合物。若条件适宜，植物会被完全分解成为气体和液体而流失，不能形成煤炭。但实际上，在泥炭沼泽中，植物中的化合物会转化、保留下来成为煤炭，原因是：？第四十五页，共71页。45（1）泥炭(nítàn)沼泽水的覆盖，使正在分解的植物遗体逐渐与大气隔绝，进入弱氧化或还原环境。（2）微生物要在一定的酸碱度环境中才能正常生长。在泥炭(nítàn)化过程中，植物分解形成酸性产物，使沼泽水变为酸性，则不利于喜氧细菌的生存。所以泥炭(nítàn)的酸度越大，细菌越少，植物的结构就保存得越完好。（3）有的植物本身就具有防腐和杀菌的成分，如高位沼泽泥炭(nítàn)藓能分泌酚类，某些阔叶树有丹宁保护纤维素，某些针叶树含酚，并有树脂保护纤维素，都使植物不致遭到完全破坏。第四十六页，共71页。461.5泥炭的组成泥炭主要由有机物、矿物质和水组成，其中含水量70%～90%，矿物质含量随泥炭产地不同差异很大，有机物的组成包括一下几个部分：（1）腐植酸：它是泥炭中最主要的成分。腐植酸是高分子羟基芳香羧酸(suōsuān)所组成的复杂混合物，具有酸性，溶于碱性溶液而呈褐黑，它是一种无定形的高分子胶体，能吸水而膨胀。

第四十七页，共71页。471.5泥炭的组成（2）沥青质：它是由合成作用形成的，也可以由树脂、蜡质、孢扮质等转化而来。沥青质溶于一般的有机溶剂。（3）未分解或未完全分解的纤维素、半纤维素、果胶质和木质素。（4）变化不多的稳定组分，如角质膜、树脂和孢粉等。另外，在泥炭中一般可以看到植物(zhíwù)的组织，如根、茎、叶等。

第四十八页，共71页。481.6泥炭的分类

①高位泥炭：高位沼泽中形成，为温带高纬度植物埋在地层下经长期堆积炭化而形成。以羊胡子草属、水藓属植物为主，分解程度较低，氮和灰分元素含量少，酸性较强，pH值在4至5之间。容重较小，吸水透气性好，一般可吸持水分为其干重的10倍以上，适合作无土栽培基质，但pH值必须(bìxū)调至5.5至6.0左右，也可用于配制培养土。第四十九页，共71页。491.6泥炭的分类

②低位泥炭：低位沼泽中形成，以生长需要无机盐分较多的苔草属、芦苇属植物为主，以及冲积下来(xiàlái)的各种植物残枝落叶，经漫长时间的积累形成，分解程度较高，氮和灰分元素含量较多，酸性不强，肥分有效性较高，风干粉碎后可直接作肥料使用。因其容重大，吸水和通气性较差，不宜单独作栽培基质。③中位泥炭：中位沼泽中形成，为介于两者之间的过渡性泥炭，性状也介于二者之间，既可用于无土栽培，也可用于配制培养土。第五十页，共71页。50泥炭(nítàn)第五十一页，共71页。51泥炭(nítàn)第五十二页，共71页。52泥炭(nítàn)第五十三页，共71页。53什么是沼泽?

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(duījī)。沼泽的分类（1）按水分补给来源的不同，可划分为三种类型：低位沼泽：主要由地下水补给、潜水面较高的沼泽；高位沼泽：主要以大气降水为补给来源的泥炭沼泽；第五十四页，共71页。54中位沼泽或过渡沼泽：兼有低位沼泽和高位沼泽的特点，其水源部分由地下水补给，部分又由大气降水补给的沼泽。（2）根据沼泽距离海岸的远近，分为近海(jìnhǎi)泥炭沼泽与内陆泥炭沼泽。（3）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。第五十五页，共71页。55草本沼泽(zhǎozé)是典型的低位沼泽(zhǎozé)第五十六页，共71页。56中位沼泽第五十七页，共71页。57高位沼泽第五十八页，共71页。582煤化(méihuà)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(nítàn)在沼泽中层层堆积，越积越厚，当地壳下降速度较大时，泥炭(nítàn)将被泥沙等沉积物覆盖。在上覆沉积物sedimentarycover的压力作用下，泥炭(nítàn)发生了压紧、失水、胶体老化、固结等一系列变化，微生第五十九页，共71页。59物的作用逐渐(zhújiàn)消失，取而代之的是缓慢的物理化学作用。这样，泥炭逐渐(zhújiàn)变成了较为致密的岩石状的褐煤。第六十页，共71页。602.2变质(biànzhì)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(suízhe)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。第六十一页，共71页。612.2.1变质作用类型(lèixíng)根据变质条件和变质特征的不同，煤的变质作用可以分为深成变质作用、岩浆变质作用和动力变质作用三种类型(lèixíng)。（1）深成变质作用深成变质作用是指在正常地温状态下，煤的变质随煤层的沉降幅度的加大、地温的增高和受热时间的持续而增高。这种变质作用与大规模的地壳升降活动直接相关，具有广泛的区域性，过去常被称为区域变质作用。第六十二页，共71页。62（1）深成变质作用希尔特定律：它是煤变质程度的垂直分布规律，指在同一煤田大致相同的构造条件下，随着煤层埋深的增加，煤的挥发(huīfā)分逐渐减少，变质程度逐渐增加。深成变质作用的另一个重要特点就是：煤变质程度具有水平分带规律。因为在同一煤田中，同一煤层或煤层组原始沉积时沉降幅度可能不同，成煤后下降的深度也可能不同。按照希尔特定律，这一煤层或煤层组在不同深度上变质程度也就不同，反映到平面上即为变质程度的水平分带规律。第六十三页，共71页。63第六十四页，共71页。64（2）岩浆变质作用(zuòyòng)岩浆变质作用(zuòyòng)可分为区域岩浆热变质作用(zuòyòng)和接触变质作用(zuòyòng)两种类型。区域岩浆热变质作用(zuòyòng)是指聚煤坳陷内有岩浆活动，岩浆及其所携带气液体的热量可使地温场增高，形成地热异常带，从而引起煤的变质作用(zuòy