煤化學(xué)第二章 煤的的形成（章節(jié)課程）

1、第二部分：煤的生成 第二章：煤的生成 1凌云書屋第二章 煤的生成 主要內(nèi)容： （1）成煤的物質(zhì)是什么？ （2）煤是如何形成的？2凌云書屋第一節(jié) 成煤物質(zhì)1、煤是由植物形成的 煤是由植物遺體經(jīng)過生物化學(xué)作用和物理化學(xué)作用演變而成的沉積有機(jī)巖。 1.1 植物的演化及種類 按進(jìn)化論的觀點(diǎn)，植物是由低級向高級逐步演化的，植物界傳統(tǒng)劃分為四大類：藻菌植物、苔蘚植物、蕨類植物和種子植物，或?qū)⒌谝环N稱為低等植物，后三種稱為高等植物。前三種又稱為孢子植物，就是植物用孢子繁殖。而種子植物則能產(chǎn)生種子，用種子繁殖。低等植物與高等植物的組成差別較大，且對成煤的性質(zhì)有較大影響。3凌云書屋1.2 低等植物和高等植物的特

2、點(diǎn) 低等植物：包括菌類和藻類，是由單細(xì)胞和多細(xì)胞構(gòu)成的絲狀體或葉狀體植物，沒有根、莖、葉等器官的分化。 高等植物：包括苔蘚、蕨類、裸子植物和被子植物。進(jìn)化論認(rèn)為，高等植物由低等植物長期進(jìn)化而來，構(gòu)造復(fù)雜，有根、莖、葉的區(qū)別。4凌云書屋低等植物海帶5凌云書屋低等植物地衣6凌云書屋低等植物蘑菇7凌云書屋高等植物華南毛蕨8凌云書屋高等植物松樹9凌云書屋1.3 植物演化史和主要聚煤期 植物演化史：見教材P6。 我國主要聚煤期：新 生 代 新近紀(jì)-古近紀(jì)（約0.240.65億年）中 生 代 晚侏羅世-早白堊世（約1.44億年） 早、中侏羅世（約2.03億年） 晚三疊世（約2.5億年）晚古生代 晚二疊世（

3、約3億年） 晚石炭世-早二疊世（約33.54億年） 早石炭世（約3.54億年）早古生代 早寒武世（約5.45億年） 10凌云書屋1.4 植物的主要化學(xué)組成 （1）碳水化合物（包括纖維素、半纖維素及果膠質(zhì) ）（2）木質(zhì)素（3）蛋白質(zhì)（4）脂類化合物11凌云書屋包括纖維素、半纖維素及果膠質(zhì)。 纖維素：是構(gòu)成植物細(xì)胞壁的主要成分。纖維素的分子式是(C6H10O5)n，具長鏈狀結(jié)構(gòu)，其分子量約為100萬200萬。纖維素一般不溶于水，在溶液中能生成膠體，容易水解。在活的植物中，纖維素對于微生物的作用很穩(wěn)定，但當(dāng)植物死亡后，在氧化性條件下，易受微生物作用而分解成CO2、CH4和水。在泥炭沼澤的酸性介質(zhì)中，

4、纖維素可以分解為纖維二糖和葡萄糖等簡單化合物。 半纖維素：的化學(xué)組成和性質(zhì)與纖維素相近，但比纖維素更易分解或水解為糖類和酸。 果膠：糖的衍生物，呈果凍狀。在生物化學(xué)作用下，水解成一系列單糖和糖醛酸。 1.4.1 碳水化合物 12凌云書屋1.4.2 木質(zhì)素 木質(zhì)素也是植物細(xì)胞壁的主要成分，常分布在植物根、莖部的細(xì)胞壁中。木本植物的木質(zhì)素含量高，木質(zhì)素是具有苯基丙烷芳香結(jié)構(gòu)的高分子聚合物，含甲氧基、羥基等官能團(tuán)。木質(zhì)素的單體以不同的鏈連接成三度空間的大分子，比纖維素穩(wěn)定，不易水解，易于保存下來。在泥炭沼澤中，在水和微生物作用下發(fā)生分解，與其他化合物共同作用生成腐植酸類物質(zhì)，這些物質(zhì)最終轉(zhuǎn)化成為煤。

5、所以木質(zhì)素是植物轉(zhuǎn)變?yōu)槊旱脑嘉镔|(zhì)中最重要的有機(jī)組分。 木質(zhì)素，其組成因植物的種類不同而異，見圖。13凌云書屋針葉樹的松柏醇落葉樹的芥子醇喬木的香豆醇14凌云書屋1.4.3 脂類化合物 脂類化合物是指不溶于水而溶于醚、苯、氯仿等有機(jī)溶劑的有機(jī)化合物。在植物中脂類化合物主要有以下幾種。 脂肪：屬于長鏈脂肪酸的甘油酯。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堿性溶液中分解生成脂肪酸和甘油，參與成煤作用。 蠟質(zhì)：主要是長鏈脂肪酸與含有2426個(gè)碳原子的高級一元醇形成的脂類，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不易受細(xì)菌分解。 樹脂: 樹脂是植物生長過程中的分泌物，當(dāng)植物受傷時(shí)，膠狀

6、的樹脂不斷分泌出來保護(hù)傷口。針狀植物含樹脂較多，低等植物不含樹脂。樹脂不溶于有機(jī)酸，不易氧化，微生物也不能破壞它，因此能很好地保存在煤中。角質(zhì)和木栓質(zhì)、孢粉質(zhì)：化學(xué)性質(zhì)十分穩(wěn)定，不溶于有機(jī)酸，微生物也難以作用，在成煤過程中能保存下來。 15凌云書屋1.4.4 蛋白質(zhì) 蛋白質(zhì)：由若干個(gè)氨基酸結(jié)合而形成的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的高分子。由于含羧基和羥基，蛋白質(zhì)具有酸性和堿性官能團(tuán)，強(qiáng)烈親水性膠體。 高等植物中蛋白質(zhì)含量少；低等植物中蛋白質(zhì)含量高。 植物死亡后，完全氧化條件下，蛋白質(zhì)完全分解為氣態(tài)物質(zhì)；在泥炭沼澤和湖泊的水中，蛋白質(zhì)分解成氨基酸、喹啉等含氮化合物，參與成煤作用，但對煤的性質(zhì)沒有決定性的影響。 煤中

7、硫、氮元素的來源之一。16凌云書屋1.4.5 不同植物化學(xué)組成的差異性植 物碳水化合物木 質(zhì) 素蛋 白 質(zhì)脂類化合物細(xì) 菌綠 藻苔 蘚蕨 類草 類松柏及闊葉樹122830403050506050706070001020302030203050804050152010155101752010208103551013木本植物的不同部分木質(zhì)部葉木 栓孢粉質(zhì)原生質(zhì)60756560520203020100018257023582530901017凌云書屋1.5 煤炭的成因類型 根據(jù)形成煤炭的物質(zhì)基礎(chǔ)劃分煤炭的類型稱為成因類型。主要是：腐植煤、腐泥煤、殘植煤。（1）腐植煤： 由高等植物經(jīng)過成煤過程中復(fù)雜的

8、生化和地質(zhì)變化作用生成。自然界中分布最廣，蘊(yùn)藏量最大。煤化學(xué)的主要研究對象。（2） 腐泥煤： 主要由湖沼或淺水海灣中藻類等低等植物形成。儲(chǔ)量大大低于腐植煤，工業(yè)意義不大。（3） 殘植煤： 由高等植物殘骸中對生物化學(xué)作用最穩(wěn)定的組分(孢子、角質(zhì)層、樹皮、樹脂)富集而成。殘植煤在自然界中的儲(chǔ)量很少，常呈薄層或透鏡體夾在腐植煤中。（4）腐植腐泥煤：由高等植物、低等植物共同形成的煤。18凌云書屋第二節(jié) 成煤的條件和環(huán)境 煤炭的生成，必須有氣候、生物、地理、地質(zhì)等條件的相互配合，才能生成具有工業(yè)利用價(jià)值的煤炭礦藏。這些條件包括： （1） 大量植物的持續(xù)繁殖(生物、氣候的影響) （2）植物遺體不能完全氧化

9、適合的堆積場所(沼澤、湖泊等) （3）地質(zhì)作用的配合（地殼的沉降運(yùn)動(dòng)形成上覆巖層和頂?shù)装宥嗝簩樱?9凌云書屋第三節(jié) 成煤作用過程 由高等植物轉(zhuǎn)化為腐植煤要經(jīng)歷復(fù)雜而漫長的過程，一般需要幾千萬年到幾億年的時(shí)間。整個(gè)成煤作用可劃分為兩個(gè)階段：即泥炭化作用過程和煤化作用。圖示如下：煤化程度的概念：在褐煤向煙煤、無煙煤轉(zhuǎn)化的進(jìn)程中 ，由于地質(zhì)條件和成煤年代的差異，使煤處于不同的轉(zhuǎn)化階段。煤的這種轉(zhuǎn)化階段稱為煤化程度，有時(shí)稱為變質(zhì)程度，或煤級(Rank)。按煤化程度由低到高依次是：褐煤、煙煤（長焰煤、氣煤、肥煤、焦煤、瘦煤、貧煤）、無煙煤。植物泥炭化泥炭成巖作用褐煤變質(zhì)作用煙煤、無煙煤煤化作用20凌云書

10、屋1 泥炭化作用 泥炭化作用的概念：高等植物死亡后，在生物化學(xué)作用下，變成泥炭的過程稱為泥炭化作用。 在這一階段，植物首先在微生物作用下，分解和水解為分子量較小的性質(zhì)活潑的化合物，然后小分子化合物之間相互作用，進(jìn)一步合成新的較穩(wěn)定的有機(jī)化合物，如腐植酸、瀝青質(zhì)等。植物經(jīng)泥炭化作用成為泥炭，在兩方面發(fā)生巨大變化：（1）組織器官（如皮、葉、莖、根等）基本消失，細(xì)胞結(jié)構(gòu)遭到不同程度的破壞，變成顆粒細(xì)小、含水量極大、呈膠泥狀的膏狀體泥炭；（2）組成成分發(fā)生了很大的變化，如植物中大量存在的纖維素和木質(zhì)素在泥炭中顯著減少，蛋白質(zhì)消失，而植物中不存在的腐植酸卻大量增加，并成為泥炭的最主要的成分之一，通常達(dá)到

11、40%以上。21凌云書屋表26 植物與泥炭化學(xué)組成的比較元素組成，%有機(jī)組成，%植物與泥炭CHNO+S纖維素半纖維素木質(zhì)素蛋白質(zhì)瀝青腐植酸莎草47.205.611.6139.3750.0020305105100木本植物50.156.201.0542.1050.6020.3017130樺川草本泥炭55.876.352.9034.9719.690.7503.5043.58合浦木本泥炭65.466.531.2026.75o.890.390042.88植物變成泥炭后組成的變化22凌云書屋2 煤化作用 煤化作用包括成巖作用和變質(zhì)作用兩個(gè)連續(xù)的過程。2.1 成巖作用 泥炭在沼澤中層層堆積，越積越厚，當(dāng)?shù)貧?/p>

12、下降速度較大時(shí)，泥炭將被泥沙等沉積物覆蓋。在上覆沉積物的壓力作用下，泥炭發(fā)生了壓緊、失水、膠體老化、固結(jié)等一系列變化，微生物的作用逐漸消失，取而代之的是緩慢的物理化學(xué)作用。這樣，泥炭逐漸變成了較為致密的巖石狀的褐煤。 23凌云書屋2.2 變質(zhì)作用 當(dāng)褐煤層繼續(xù)沉降到地殼較深處時(shí)，上覆巖層壓力不斷增大，地溫不斷增高，褐煤中的物理化學(xué)作用速度加快，煤的分子結(jié)構(gòu)和組成產(chǎn)生了較大的變化。碳含量明顯增加，氧含量迅速減少，腐植酸也迅速減少并很快消失，褐煤逐漸轉(zhuǎn)化成為煙煤。隨著煤層沉降深度的加大，壓力和溫度提高，煤的分子結(jié)構(gòu)繼續(xù)變化，煤的性質(zhì)也發(fā)生不斷的變化，最終變成無煙煤。24凌云書屋 變質(zhì)作用的因素：

13、促成煤變質(zhì)作用的主要因素是溫度。溫度過低（5060），褐煤的變質(zhì)就不明顯了，如莫斯科煤田早石炭世煤至今已有3億年以上，但仍處于褐煤階段。通常認(rèn)為，煤化程度是煤受熱溫度和持續(xù)時(shí)間的函數(shù)。溫度越高，變質(zhì)作用的速度越快。因?yàn)樽冑|(zhì)作用的實(shí)質(zhì)是煤分子的化學(xué)變化，溫度高促進(jìn)了化學(xué)反應(yīng)速度的提高。 25凌云書屋26凌云書屋3、腐泥煤的生成 腐泥化作用：在停滯缺氧的滯水盆地中，浮游生物和菌藻類等低等植物死亡后，在缺氧的環(huán)境中，由厭氧細(xì)菌的作用，低等植物中的蛋白質(zhì)、碳水化合物、脂肪受到分解，再經(jīng)聚合和縮合作用，形成一種含水很多的棉絮狀膠體物質(zhì)。這種物質(zhì)再經(jīng)過脫水、致密，比重增大，逐漸形成腐泥。 腐泥經(jīng)煤化作用而

14、成腐泥煤。隨煤化程度的增加，腐泥煤發(fā)生的變化與腐植煤相似。27凌云書屋4、瓦斯和煤層氣的生成 瓦斯突出和瓦斯爆炸是煤炭開采過程中的主要危害形式，但瓦斯又是寶貴的資源。煤中的瓦斯主要是在煤化作用過程中形成的。在煤化作用過程中，煤分子上的側(cè)鏈和官能團(tuán)不斷分解和脫落，生成低分子氣體，即煤層氣，其主要成分為甲烷（70%96%）。在自然條件下，生成1噸褐煤可產(chǎn)生68 m3甲烷，生成1噸肥煤、瘦煤、無煙煤分別可產(chǎn)生甲烷230 m3、330 m3和400m3。 如果煤層周圍的圍巖不透氣，在煤化作用過程中產(chǎn)生的氣體或被吸附在煤的孔隙中，或逐漸聚積形成煤層氣田。 28凌云書屋成煤作用過程小結(jié) 成煤作用的階段 原

15、始植物及變化產(chǎn)物成煤作用泥炭化作用或腐泥化作用植物高等植物 低等植物泥炭 腐泥煤化作用成巖作用褐煤 腐泥煤變質(zhì)作用 長焰煤 氣煤 煙煤 肥煤 焦煤 瘦煤 貧煤 無煙煤29凌云書屋什么是沼澤? 沼澤是在一定的氣候、地貌和水文條件下，常年積水或極其潮濕的地段，內(nèi)有大量植物生長和堆積。 沼澤的分類（1）按水分補(bǔ)給來源的不同，可劃分為三種類型： 低位沼澤：主要由地下水補(bǔ)給、潛水面較高的沼澤； 高位沼澤：主要以大氣降水為補(bǔ)給來源的泥炭沼澤； 中位沼澤或過渡沼澤：兼有低位沼澤和高位沼澤的特點(diǎn)，其水源部分由地下水補(bǔ)給，部分又由大氣降水補(bǔ)給的沼澤。 （2）根據(jù)沼澤距離海岸的遠(yuǎn)近，分為近海泥炭沼澤與內(nèi)陸泥炭沼澤。（3）根據(jù)水介質(zhì)的含鹽度，沼澤又可分為淡水的、半咸水的和咸水的。 30凌云書屋湖沼演化中泥炭和淤泥形成示意圖31凌云書屋32凌云書屋33凌云書屋34凌云書屋35凌云書