第2章 煤炭的形成及结构

煤层COAL矿井

COAL露天矿

COAL露天矿

COAL第二讲煤炭的形成及结构123主要知识点：煤的组成和结构煤的分类与用途煤的形成过程煤的形成过程11.1成煤物质●煤是由植物形成的煤是由植物遗体经过生物化学作用和物理化学作用演变而成的固体可燃沉积有机岩。煤的形成过程11.1成煤物质●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、叶等器官的分化。

高等植物包括苔藓、蕨类、裸子植物和被子植物，此类植物构造复杂，有根、茎、叶的区别。低等植物

海带低等植物地衣高等植物蕨类高等植物

松树地史上植物演化年代煤的形成过程11.2成煤的条件和环境

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。包括：（1）大量植物的持续繁殖(生物、气候的影响)

（2）植物遗体不能完全腐烂—适合的堆积场所(沼泽、湖泊等)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。煤的形成过程11.2成煤的条件和环境

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。包括：（1）大量植物的持续繁殖(生物、气候的影响)

（2）植物遗体不能完全腐烂—适合的堆积场所

(沼泽、湖泊等)

提供成煤作用缓慢而均匀的沉降运动和成煤坳陷。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。（3）地质作用的配合（地壳沉降运动—形成顶底板—多煤层）顶板底板2009年11月在新疆沙尔湖煤田勘查区钻孔，钻探出可采煤层11层，总厚度达301米，其中一处单一煤层的最大厚度达217.14米，再次刷新了全国纪录。

煤的形成过程11.3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。腐植煤成煤作用可划分为两个阶段：即泥炭化作用和煤化作用。煤化作用又分为成岩作用和变质作用。图示如下：植物泥炭化作用泥炭成岩作用褐煤变质作用烟煤、无烟煤煤化作用煤的形成过程煤的形成过程11.3.1泥炭化作用

高等植物死亡后，在生物化学作用下，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，分解和水解为性质活泼的小分子化合物，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。泥炭泥炭泥炭煤的形成过程1●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。煤的形成过程1●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的组织，如根、茎、叶等。煤的形成过程11.3.2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。这样，泥炭逐渐变成了较为致密的岩石状的褐煤。煤的形成过程11.3.3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。煤的形成过程1●变质作用的影响因素温度压力时间煤的形成过程1●变质作用的影响因素

（1）温度的影响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。通常认为，温度越高，变质作用的速度越快。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。煤的形成过程1●变质作用的影响因素

（2）时间的影响时间是影响煤变质的另一重要因素。时间因素的重要性表现在以下两个方面：第一，在温度、压力大致相同的条件下，受热时间越长，煤化程度越高；第二，煤受短时间较高温度的作用或受长时间较低温度（超过变质临界温度）作用，可以达到相同的变质程度。煤的形成过程1●变质作用的影响因素

（3）压力的影响压力可以使煤压实，孔隙率降低，水分减少；并使煤岩组分沿垂直压力的方向作定向排列。静压力促使煤的芳香族稠环平行层面作有规则的排列。尽管一定的压力有促进煤物理结构变化的作用，但只有化学变化才对煤的化学结构有决定性的影响。因此，人们一般认为压力是煤变质的次要因素。煤化实验表明，当静压力过大时，由于化学平衡移动的原因，压力反而会抑制煤结构单元中侧链或基团的分解析出，从而阻碍煤的变质。煤的形成过程煤的分类与用途22.1褐煤

褐煤是煤化程度最低的煤。其特点是水分高、比重小、挥发分高、不粘结、化学反应性强、热稳定性差、发热量低，含有不同数量的腐殖酸。多被用作燃料、气化、液化或低温干馏的原料，也可用来提取褐煤蜡、腐殖酸，制造磺化煤或活性炭。一号褐煤还可以作农田、果园的有机肥料。煤的分类与用途22.2长焰煤

长焰煤的挥发分含量很高，没有或只有很小的粘结性，胶质层厚度不超过5mm，易燃烧，燃烧时有很长的火焰，故得名长焰煤。可作为气化和低温干馏的原料，也可作民用和动力燃料。煤的分类与用途22.3不粘煤

不粘煤水分大，没有粘结性，加热时基本不产生胶质体，燃烧时发热量较小，含有一定的次生腐殖酸。主要用作制造煤气和民用或动力燃料。煤的分类与用途22.4弱粘煤

弱粘煤水分大，粘结性较弱，挥发分较高，加热时能产生较少的胶质体，能单独结焦，但结成的焦块小而易碎，这种煤主要用作气化原料和动力燃料。煤的分类与用途22.51/2中粘煤1/2中粘煤具有中等粘结性和中高挥发分。可以作为配煤炼焦的原料，也可以作为气化用煤和动力燃料。煤的分类与用途22.6气煤

气煤挥发分高，胶质层较厚，热稳定性差。能单独结焦，但炼出的焦炭细长易碎，收缩率大，且纵裂纹多，抗碎和耐磨性较差。故只能用作配煤炼焦，还可用来炼油、制造煤气、生产氮肥或作动力燃料。煤的分类与用途22.7气肥煤

气肥煤的挥发分和粘结性都很高，结焦性介于气煤和肥煤之间，单独炼焦时能产生大量的气体和液体化学物质。最适合高温干馏制造煤气，更是配煤炼焦的好原料。煤的分类与用途22.8肥煤

肥煤具有很好的粘结性和中等及中高等挥发分，加热时能产生大量的胶质体，形成大于25mm的胶质层，结焦性最强。用这种煤来炼焦，可以炼出熔融性和耐磨性都很好的焦炭，但这种焦炭横裂纹多，且焦根部分常有蜂焦，易碎成小块。肥煤的粘结性强，是配煤炼焦中的主要成分。煤的分类与用途22.91/3焦煤1/3焦煤是介于焦煤、肥煤和气煤之间的过渡煤，具有很强的粘结性和中高等挥发分，单独用来炼焦时，可以形成熔融性良好、强度较大的焦炭，是良好的配煤炼焦的基础煤。煤的分类与用途22.10焦煤

焦煤具有中低等挥发分和中高等粘结性，加热时可形成稳定性很好的胶质体，单独用来炼焦，能形成结构致密、块度大、强度高、耐磨性好、裂纹少、不易破碎的焦炭。但因其膨胀压力大，易造成推焦困难，损坏炉体，故一般都作为炼焦配煤使用。煤的分类与用途22.11瘦煤

瘦煤具有较低挥发分和中等粘结性。单独炼焦时，能形成块度大、裂纹少、抗碎强度较好，但耐磨性较差的焦炭。常用于配煤炼焦的瘦化剂，瘦煤可以起到骨架和缓和收缩应力，从而增大焦炭块度的作用，以提高焦炭的块度，减少焦炭的裂纹。也用作气化的原料，或用作燃料。煤的分类与用途22.12贫瘦煤

贫瘦煤挥发分低，粘结性较弱，结焦性较差。单独炼焦时生成的焦粉很多。但它能起到瘦化剂的作用。故可作炼焦配煤使用，同时，也是民用和动力的好燃料。煤的分类与用途22.13贫煤

贫煤具有一定的挥发分，加热时不产生胶质体，没有粘结性或只有微弱的粘结性，燃烧火焰短，炼焦时不结焦。主要用于动力和民用燃料。在缺乏瘦料的地区，也可充当配煤炼焦的瘦化剂。煤的分类与用途22.14无烟煤

无烟煤是煤化程度最高的煤。挥发分低、比重大、燃烧时烟少火苗短、火力强、硬度高。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，以及制造电石、电极和炭素材料等。煤的组成和结构33.1煤的元素组成

煤的化学组成很复杂，但归纳起来可分为有机质和无机质两大类，以有机质为主体。(1)煤中的有机质主要由碳、氢、氧、氮和有机硫等五种元素组成。其中，碳、氢、氧占有机质的95%以上。此外，还有极少量的磷和其他元素。(2)煤中的无机质主要是水分和矿物质，它们的存在降低了煤的质量和利用价值，其中绝大多数是煤中的有害成分。(3)还有一些稀有元素，例如，锗、镓、铟、钍、钒、钛、铀等，它们分别以有机或无机化合物的形态存在于煤中。煤的组成和结构33.1.1煤中的碳元素（C）

煤中的碳是组成煤有机质的第一重要元素。它是煤有机质中含量最高的元素，也是煤在燃烧过程中产生热量的重要元素之一（每1Kg纯碳完全燃烧能放出34038KJ的热量），还是组成煤的大分子骨架的主要元素之一。C+O2CO2+Q煤的组成和结构33.1.2煤中的氢元素（H）

煤中的氢是组成煤有机质的第二重要元素。它虽然含量不高，但却是煤中重要的可燃物质，每1Kg氢完全燃烧能放出142961KJ的热量（是碳的3.8~4.2倍）；氢也是组成煤大分子的骨架和侧链的不可缺少的重要元素。腐泥煤中氢含量＞6%；腐植煤中的氢含量＜6%，并随煤化程度的增高而降低。H2+O2H2O+Q煤的组成和结构33.1.3煤中的氧元素（O）

煤中的氧是组成煤有机质的第三重要元素，其含量仅次于碳，但它是煤中不可燃成分。由于氧元素在煤的燃烧过程中不产生热量，却能与产生热量的氢生成水，使煤的发热量降低，因此氧含量高对动力用煤来说是不利的；对于炼焦用煤，氧含量增高会使其粘结性和结焦性大为降低，甚至失去粘结性；但氧是煤中反应能力较强的元素，当煤用于制取芳香羧酸和腐植酸类物质时，氧的存在是有利的。煤的组成和结构33.1.3煤中的氧元素（O）含氧官能团—OH主要是酚羟基，烟煤的主要官能团—COOH褐煤特性官能团，酸性比乙酸强>C=O无酸性，煤中分布很广—OCH3

存在于泥炭和软褐煤中—O—年老褐煤中占优势煤的组成和结构33.1.4煤中的氮元素（N）

煤中的氮元素含量仅为0.4%~2.6%，但它是煤中唯一完全以有机状态存在的元素。当煤作为高温热加工原料进行加热时，煤中氮的一部分变成N2、NH3及其它一些有机含氮物质逸出，而这些化合物可回收制成氮肥、硝酸、药品等化学产品；煤燃烧时，氮是不可燃成分，煤中一部分氮转变为氮的氧化物，形成了燃煤所排放的废气中氮的氧化物总量的一部分，是空气污染物；另一部分氮则呈游离状态进入废气中。煤的组成和结构33.1.4煤中的氮元素（N）主要以六元杂环、吡啶环或喹啉环等形式存在煤的组成和结构33.1.5煤中的硫元素（S）

煤中硫是煤中的主要有害元素之一。在各种类型煤中都含有数量不等的硫分，少的在1%左右，高者可达10%以上。在燃烧和气化时，煤中的硫转变成的二氧化硫、硫化氢既腐蚀设备又污染环境，还使催化剂中毒，影响生产正常进行和产品质量；用于炼焦时，其中70%~80%的硫转入焦炭，焦炭用于冶金，使炼出的生铁含硫较多而具有热脆性，不仅使生铁的质量差，而且还使高炉的生产能力下降并严重腐蚀设备。因此，要求炼焦用煤的硫分应小于l.0%；在煤的储存时，煤中的FeS2能促进煤的氧化和自燃等。煤的组成和结构33.1.5煤中的硫元素（S）含硫官能团硫醇（R—SH）硫醚（R—S—R’）二硫醚（R—S—S—R’）

硫醌

杂环硫煤的组成和结构33.2煤的大分子结构◎煤是由分子量不同、分子结构相似但又不完全相同的一组“相似化合物”的混合物组成。◎多个相似的“基本结构单元”通过桥键连接而成的立体结构。3.2.1煤大分子结构的概念煤的组成和结构33.2.2不同煤化程度煤的基本结构单元褐煤次烟煤高挥发分烟煤低挥发分烟煤无烟煤石墨●芳碳率fCar

芳香族结构的碳原子数与总碳原子数之比。●芳氢率fHar

芳香族结构的氢原子数与总氢原子数之比。●芳环率基本结构单元中芳香环数与总环数之比。煤的组成和结构33.2.3煤的结构参数煤的组成和结构33.2.4煤的结构模型

Fuchs模型

——

20世纪60年代以前的代表模型。

由W.Fuchs（德）提出，1957年经VanKrevelen修改特点：二战前，以化学研究方法为主，仅获得一些定性的概念，可用于建模的定量数据很少。采用“统计结构分析”方法，第一次突破。定量描述了煤结构中的芳香和脂肪簇，并首次引用X射线分析和红外光谱的结果来证明其结论。特点是具有很大的蜂窝状缩合芳香环——比较片面，不能全面反映煤结构的特征。特点：低煤化度烟煤，首次提出煤具有三维空间结构，主要是萘环以脂环互联，分子线性排列构成折叠状的无序的三维空间大分子；存在各种官能团、氢键和含氮杂环；加强了氢