第二章-煤的形成電子教案

煤化學(xué)

CokingChemistry第一頁，共71頁。1礦產(chǎn)(kuàngchǎn)開采露天開采第二頁，共71頁。2地下開第三頁，共71頁。3第四頁，共71頁。4第五頁，共71頁。5第六頁，共71頁。6第七頁，共71頁。7第八頁，共71頁。8第二章煤的形成(xíngchéng)

Chaprt2：CoalFormation主要內(nèi)容(nèiróng)：Maincontents：（1）成煤物質(zhì)Materialforcoalformation？（2）煤如何形成Howwascoalformed？第九頁，共71頁。9第一節(jié)成煤物質(zhì)(wùzhì)

(Materialsofcoalformation)1、煤是由植物(zhíwù)（plant）形成的煤是由植物(zhíwù)遺體（plantdebris）生物化學(xué)作用（biochemcalreaction）物理化學(xué)作用（physical-chemcalreaction）沉積有機巖（Sedimentaryorganicrock）

第十頁，共71頁。101.1植物的演化及種類(zhǒnglèi)按進化論的觀點，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。第十一頁，共71頁。11低等植物(zhíwù)(LowerPlants)：包括菌類和藻類，是由單細胞和多細胞構(gòu)成的絲狀體或葉狀體植物(zhíwù)，沒有根、莖、葉等器官的分化。高等植物(zhíwù)(HigherPlants)：包括苔蘚、蕨類、裸子植物(zhíwù)和被子植物(zhíwù)。進化論認為，高等植物(zhíwù)由低等植物(zhíwù)長期進化而來，構(gòu)造復(fù)雜，有根、莖、葉的區(qū)別。2、低等植物和高等植物(gāoděngzhíwù)的特點(characteristics)第十二頁，共71頁。12低等植物(dīděngzhíwù)（菌藻類）——海帶kelp藻類第十三頁，共71頁。13低等植物(dīděngzhíwù)（菌藻類）——地衣(lichen)第十四頁，共71頁。14低等植物(dīděngzhíwù)（真菌類）——蘑菇mushroom第十五頁，共71頁。15高等植物(gāoděngzhíwù)——蕨類植物ferns第十六頁，共71頁。16高等植物(gāoděngzhíwù)——松樹pine第十七頁，共71頁。173、植物的主要(zhǔyào)化學(xué)組成(constituents)（1）糖類(tánɡlèi)（saccharide）及其衍生物（碳水化合物-carbohydrates）

（2）木質(zhì)素（lignins）

（3）蛋白質(zhì)（proteins）

（4）脂類化合物（lipids/fattycompounds）第十八頁，共71頁。18包括纖維素、半纖維素及果膠質(zhì)纖維素(cellulose)：是構(gòu)成植物細胞壁的主要成分。纖維素一般不溶于水，在溶液(róngyè)中能生成膠體，容易水解。在泥炭沼澤的酸性介質(zhì)中，纖維素可以分解為纖維二糖和葡萄糖等簡單化合物。

碳水化合物（carbohydrates）第十九頁，共71頁。19碳水化合物（carbohydrates）半纖維素(hemi-cellulose)：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(ɡuǒjiāo)(pectin/pecticsubstance)：糖的衍生物，呈果凍狀。在生物化學(xué)作用下，可水解成一系列單糖和糖醛酸。第二十頁，共71頁。20木質(zhì)素也是植物細胞壁的主要成分，常分布在植物根、莖部的細胞壁中。木本植物的木質(zhì)素含量高，木質(zhì)素是具有苯基(běnjī)丙烷芳香結(jié)構(gòu)的高分子聚合物，含甲氧基methoxyl、羥基hydroxyl等官能團。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。木質(zhì)素Lignin第二十一頁，共71頁。21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。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(yǒujī)組分。木質(zhì)素Lignin第二十二頁，共71頁。22針葉樹的松柏(sōnɡbǎi)醇落葉樹的芥子(jièzǐ)醇喬木(qiáomù)的－香豆醇木質(zhì)素，其組成因植物的種類不同而異第二十三頁，共71頁。23蛋白質(zhì)：由若干個氨基酸(aminoacid)結(jié)合而形成的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的高分子。由于含羧基carboxyl和羥基(qiǎngjī)hydroxyl，蛋白質(zhì)具有酸性和堿性官能團，強烈親水性膠體。高等植物中蛋白質(zhì)含量少；低等植物中蛋白質(zhì)含量高。蛋白質(zhì)proteins第二十四頁，共71頁。24蛋白質(zhì)proteins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。

是煤中硫、氮元素(yuánsù)的來源之一。第二十五頁，共71頁。25脂類化合物是指不溶于水而溶于醚、苯、氯仿等有機溶劑的有機化合物。在植物中脂類化合物主要有以下幾種。脂肪(fat)：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(shēnɡchénɡ)脂肪酸和甘油，參與成煤作用。

脂類化合物lipids/fattycompounds

第二十六頁，共71頁。26脂類化合物lipids/fattycompounds①脂肪脂肪屬于長鏈脂肪酸的甘油酯。低等植物(zhíwù)脂肪較多，如藻類含脂肪可達20%。高等植物(zhíwù)一般僅含1%~2%，且多集中在植物(zhíwù)的孢子或種子中。脂肪受生物化學(xué)作用可被水解，生成脂肪酸和甘油，前者參與成煤作用。②樹脂樹脂是植物(zhíwù)生長過程中的分泌物，高等植物(zhíwù)中的針狀物含樹脂最多。樹脂是混合物，其成分主要是二萜類和三萜類的衍生物。在樹脂中存在的典型樹脂酸有松香和右旋海松酸。這兩種樹脂酸具有不飽和性，能起聚合作用。樹脂的化學(xué)性質(zhì)十分穩(wěn)定，不受微生物破壞也不溶于有機酸，因此能較好地保存在煤中。第二十七頁，共71頁。27③蠟質(zhì)wax：蠟質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)類似于脂肪，但比脂肪更穩(wěn)定，通常以薄層覆蓋于植物(zhíwù)的葉、莖和果實表面，成分比較復(fù)雜，蠟質(zhì)的主要成分是長鏈脂肪酸和含有24~36(或更多)個碳原子的高級一元醇形成的酯類(如甘油硬脂酸類)，其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不易分解。在泥炭和褐煤中常常發(fā)現(xiàn)有蠟質(zhì)存在。

④角質(zhì)cutin：角質(zhì)是角質(zhì)膜的主要成分，植物(zhíwù)的葉、嫩枝、幼芽和果實的表皮常常覆蓋著角質(zhì)膜。角質(zhì)是脂肪酸脫水或聚合作用的產(chǎn)物，其主要成分是含有16~18個碳原子的角質(zhì)酸。脂類化合物lipids/fattycompounds第二十八頁，共71頁。28⑤木栓質(zhì)phellem：木栓質(zhì)主要成分是ω脂肪醇酸、二羧酸、碳原子數(shù)大于20的長鏈羧酸和醇類。⑥孢粉質(zhì)孢粉質(zhì)是構(gòu)成(gòuchéng)植物繁殖器官孢子花粉外壁的主要有機成分，具有脂肪-芳香族網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，耐酸耐堿且不溶于有機溶劑，并可耐較高的溫度而不發(fā)生分解。除上述4類有機化合物外，植物中還有少量螺質(zhì)、色素等成分。脂類化合物lipids/fattycompounds第二十九頁，共71頁。29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(chéngyīn)類型。主要是：腐植煤、腐泥煤和腐植腐泥煤。（1）腐植煤HumicCoal：由高等植物經(jīng)過成煤過程中復(fù)雜的生化和地質(zhì)變化作用生成的。4、煤炭(méitàn)的成因類型genesictype第三十頁，共71頁。30（2）腐泥煤sapropelite：主要由湖沼或淺水(qiǎnshuǐ)海灣中藻類等低等植物形成。儲量大大低于腐植煤，工業(yè)意義不大。（3）腐植腐泥煤humic-sapropeliccoal：由高等植物、低等植物共同形成的煤。第三十一頁，共71頁。31第二節(jié)成煤作用(zuòyòng)過程surroundings一、成煤條件煤炭的生成(shēnɡchénɡ)，必須有氣候、生物、地理、地質(zhì)等條件的相互配合，才能生成(shēnɡchénɡ)具有工業(yè)利用價值的煤炭礦藏。這些條件包括：

（1）古植物、古氣候：大量植物的持續(xù)繁殖(生物life-form、氣候climate的影響)

第三十二頁，共71頁。32（2）古地理：植物遺體不能完全腐爛－－適合的堆積場所(沼澤、湖泊swampsandlakes等)（3）大地構(gòu)造：地質(zhì)(dìzhì)作用的配合（地殼的沉降運動subside－－形成上覆巖層和頂?shù)装澹嗝簩樱?/p>

第三十三頁，共71頁。33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間。整個成煤作用可劃分為兩個(liǎnɡɡè)階段：即泥炭化作用Peatification過程和煤化作用Coalification。煤化作用又分為兩個(liǎnɡɡè)連續(xù)的過程，即成巖作用diagenesis和變質(zhì)作用metamorphism.

二、腐植煤的成煤作用(zuòyòng)過程第三十四頁，共71頁。34圖示如下(rúxià)：植物泥炭化泥炭成巖作用褐煤變質(zhì)作用煙煤、無煙煤煤化作用第三十五頁，共71頁。35第三十六頁，共71頁。361泥炭化作用peatification泥炭化作用：高等植物死亡后，在生物化學(xué)作用下biochemicalreactions，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(huópo)的化合物，然后小分子化合物之間相互作用，進一步合成新的較穩(wěn)定的有機化合物，如腐植酸humicacid、瀝青質(zhì)pitch等。第三十七頁，共71頁。37生物化學(xué)作用(zuòyòng)可分為兩個階段。第一階段：需氧細菌和真菌等微生物氧化分解、水解作用(zuòyòng)第二階段：次氧細菌、厭氧細菌分解產(chǎn)物之間的合成作用(zuòyòng)分解產(chǎn)物與植物遺體之間的相互作用(zuòyòng)第三十八頁，共71頁。381泥炭化作用peatification第—階段：多氧條件下

植物遺體暴露在空氣中或在沼澤淺部的多氧條件下，由于喜氧細菌和真菌等微生物的作用，植物遺體中的有機化合物，經(jīng)過(jīngguò)氧化分解和水解作用。一部分被徹底破壞，變成氣體和水；另一部分分解為簡單的化學(xué)性質(zhì)活潑的化合物，它們在一定條件下可化合成為腐植酸，而未分解的穩(wěn)定部分則保留下來。第三十九頁，共71頁。39第二階段：缺氧條件下

在沼澤水的覆蓋下，出現(xiàn)缺氧條件，喜氧微生物被厭氧細菌所替代。分解產(chǎn)物相互作用，進一步合成新的較穩(wěn)定的有機(yǒujī)化合物，如腐植酸、瀝青質(zhì)等。這兩個階段不是截然分開的，在植物分解作用進行不久，合成作用也就開始了。第四十頁，共71頁。40第四十一頁，共71頁。41表2—6植物與泥炭化學(xué)組成的比較

元素組成，%有機組成，%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47.205.611.6139.3750.0020~305~105~100木本植物50.156.201.0542.1050.6020.301~71~30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(zǔchénɡ)的變化第四十二頁，共71頁。421.4泥炭化作用中微生物的活動1.4.1泥炭的分層泥炭層的垂直剖面，分為氧化環(huán)境表層、中間層及還原(huányuán)環(huán)境底層。氧化環(huán)境層過渡層還原環(huán)境層第四十三頁，共71頁。431.4泥炭化作用中微生物的活動1.4.2各泥炭層中的微生物特性泥炭表層空氣流通，溫度高，又有大量有機質(zhì)，有利于微生物的生存。植物的氧化分解和水解作用，主要是在泥炭沼澤表層進行，因而(yīnér)泥炭沼澤表層又稱為泥炭形成層。

第四十四頁，共71頁。441.4泥炭化作用中微生物的活動(huódòng)1.4.2各泥炭層中的微生物特性泥炭表層以下，隨著深度的增加，喜氧細菌、真菌和放線菌的數(shù)目減少，而厭氧細菌活躍，它們利用了有機質(zhì)的氧，留下富氫的殘留物。在微生物的活動(huódòng)過程中，植物有機組分一部分成為微生物的食料，另一部分則被加工成為新的化合物。若條件適宜，植物會被完全分解成為氣體和液體而流失，不能形成煤炭。但實際上，在泥炭沼澤中，植物中的化合物會轉(zhuǎn)化、保留下來成為煤炭，原因是：？第四十五頁，共71頁。45（1）泥炭(nítàn)沼澤水的覆蓋，使正在分解的植物遺體逐漸與大氣隔絕，進入弱氧化或還原環(huán)境。（2）微生物要在一定的酸堿度環(huán)境中才能正常生長。在泥炭(nítàn)化過程中，植物分解形成酸性產(chǎn)物，使沼澤水變?yōu)樗嵝?，則不利于喜氧細菌的生存。所以泥炭(nítàn)的酸度越大，細菌越少，植物的結(jié)構(gòu)就保存得越完好。（3）有的植物本身就具有防腐和殺菌的成分，如高位沼澤泥炭(nítàn)蘚能分泌酚類，某些闊葉樹有丹寧保護纖維素，某些針葉樹含酚，并有樹脂保護纖維素，都使植物不致遭到完全破壞。第四十六頁，共71頁。461.5泥炭的組成泥炭主要由有機物、礦物質(zhì)和水組成，其中含水量70%～90%，礦物質(zhì)含量隨泥炭產(chǎn)地不同差異很大，有機物的組成包括一下幾個部分：（1）腐植酸：它是泥炭中最主要的成分。腐植酸是高分子羥基芳香羧酸(suōsuān)所組成的復(fù)雜混合物，具有酸性，溶于堿性溶液而呈褐黑，它是一種無定形的高分子膠體，能吸水而膨脹。

第四十七頁，共71頁。471.5泥炭的組成（2）瀝青質(zhì)：它是由合成作用形成的，也可以由樹脂、蠟質(zhì)、孢扮質(zhì)等轉(zhuǎn)化而來。瀝青質(zhì)溶于一般的有機溶劑。（3）未分解或未完全分解的纖維素、半纖維素、果膠質(zhì)和木質(zhì)素。（4）變化不多的穩(wěn)定組分，如角質(zhì)膜、樹脂和孢粉等。另外，在泥炭中一般可以看到植物(zhíwù)的組織，如根、莖、葉等。

第四十八頁，共71頁。481.6泥炭的分類

①高位泥炭：高位沼澤中形成，為溫帶高緯度植物埋在地層下經(jīng)長期堆積炭化而形成。以羊胡子草屬、水蘚屬植物為主，分解程度較低，氮和灰分元素含量少，酸性較強，pH值在4至5之間。容重較小，吸水透氣性好，一般可吸持水分為其干重的10倍以上，適合作無土栽培基質(zhì)，但pH值必須(bìxū)調(diào)至5.5至6.0左右，也可用于配制培養(yǎng)土。第四十九頁，共71頁。491.6泥炭的分類

②低位泥炭：低位沼澤中形成，以生長需要無機鹽分較多的苔草屬、蘆葦屬植物為主，以及沖積下來(xiàlái)的各種植物殘枝落葉，經(jīng)漫長時間的積累形成，分解程度較高，氮和灰分元素含量較多，酸性不強，肥分有效性較高，風干粉碎后可直接作肥料使用。因其容重大，吸水和通氣性較差，不宜單獨作栽培基質(zhì)。③中位泥炭：中位沼澤中形成，為介于兩者之間的過渡性泥炭，性狀也介于二者之間，既可用于無土栽培，也可用于配制培養(yǎng)土。第五十頁，共71頁。50泥炭(nítàn)第五十一頁，共71頁。51泥炭(nítàn)第五十二頁，共71頁。52泥炭(nítàn)第五十三頁，共71頁。53什么是沼澤?

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(duījī)。沼澤的分類（1）按水分補給來源的不同，可劃分為三種類型：低位沼澤：主要由地下水補給、潛水面較高的沼澤；高位沼澤：主要以大氣降水為補給來源的泥炭沼澤；第五十四頁，共71頁。54中位沼澤或過渡沼澤：兼有低位沼澤和高位沼澤的特點，其水源部分由地下水補給，部分又由大氣降水補給的沼澤。（2）根據(jù)沼澤距離海岸的遠近，分為近海(jìnhǎi)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。第五十五頁，共71頁。55草本沼澤(zhǎozé)是典型的低位沼澤(zhǎozé)第五十六頁，共71頁。56中位沼澤第五十七頁，共71頁。57高位沼澤第五十八頁，共71頁。582煤化(méihuà)作用Coalification煤化作用包括成巖作用和變質(zhì)作用兩個連續(xù)的過程。2.1成巖作用diagenesis

泥炭(nítàn)在沼澤中層層堆積，越積越厚，當?shù)貧は陆邓俣容^大時，泥炭(nítàn)將被泥沙等沉積物覆蓋。在上覆沉積物sedimentarycover的壓力作用下，泥炭(nítàn)發(fā)生了壓緊、失水、膠體老化、固結(jié)等一系列變化，微生第五十九頁，共71頁。59物的作用逐漸(zhújiàn)消失，取而代之的是緩慢的物理化學(xué)作用。這樣，泥炭逐漸(zhújiàn)變成了較為致密的巖石狀的褐煤。第六十頁，共71頁。602.2變質(zhì)(biànzhì)作用metamorphism當褐煤層繼續(xù)沉降到地殼較深處時，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(suízhe)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。第六十一頁，共71頁。612.2.1變質(zhì)作用類型(lèixíng)根據(jù)變質(zhì)條件和變質(zhì)特征的不同，煤的變質(zhì)作用可以分為深成變質(zhì)作用、巖漿變質(zhì)作用和動力變質(zhì)作用三種類型(lèixíng)。（1）深成變質(zhì)作用深成變質(zhì)作用是指在正常地溫狀態(tài)下，煤的變質(zhì)隨煤層的沉降幅度的加大、地溫的增高和受熱時間的持續(xù)而增高。這種變質(zhì)作用與大規(guī)模的地殼升降活動直接相關(guān)，具有廣泛的區(qū)域性，過去常被稱為區(qū)域變質(zhì)作用。第六十二頁，共71頁。62（1）深成變質(zhì)作用希爾特定律：它是煤變質(zhì)程度的垂直分布規(guī)律，指在同一煤田大致相同的構(gòu)造條件下，隨著煤層埋深的增加，煤的揮發(fā)(huīfā)分逐漸減少，變質(zhì)程度逐漸增加。深成變質(zhì)作用的另一個重要特點就是：煤變質(zhì)程度具有水平分帶規(guī)律。因為在同一煤田中，同一煤層或煤層組原始沉積時沉降幅度可能不同，成煤后下降的深度也可能不同。按照希爾特定律，這一煤層或煤層組在不同深度上變質(zhì)程度也就不同，反映到平面上即為變質(zhì)程度的水平分帶規(guī)律。第六十三頁，共71頁。63第六十四頁，共71頁。64（2）巖漿變質(zhì)作用(zuòyòng)巖漿變質(zhì)作用(zuòyòng)可分為區(qū)域巖漿熱變質(zhì)作用(zuòyòng)和接觸變質(zhì)作用(zuòyòng)兩種類型。區(qū)域巖漿熱變質(zhì)作用(zuòyòng)是指聚煤坳陷內(nèi)有巖漿活動，巖漿及其所攜帶氣液體的熱量可使地溫場增高，形成地熱異常帶，從而引起煤的變質(zhì)作用(zuòy