第1章 煤的外表特征和生成.ppt

第一章煤的外表特征和生成 主要内容 1 煤的种类和外表特征 2 煤是如何形成的 煤的定义 煤是由远古植物残骸没入水中经过生物化学作用 然后被地层覆盖并经过物理化学与化学作用而形成的有机生物岩 关键词 第一节煤的种类和外表特征 一 煤的成因类型 2低等植物和高等植物的特点低等植物 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 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 3煤的种类和外表特征 表1 1腐植煤与腐泥煤的主要特征 煤化度 煤在成煤诸因素共同作用下所达到的化学成熟程度 即煤化程度 二 腐植煤的外表特征 1泥炭严格地讲 泥炭并不是煤 而是植物向煤转变的过渡产物 外观棕褐色或黑褐色 无光泽 质地柔软且不均匀 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 泥炭的有机质 1 腐殖酸 它是泥炭最主要的有机成分 是一种由高分子羟基羧酸组成的复杂混合物胶体 具有酸性 2 沥青质 它指可用苯 甲醇等有机溶剂抽提出的有机物 部分由树脂和树蜡转化而成 部分由植物组分的还原产物通过合成反应生成 3 未分解或尚未完全分解的植物族组成 包括纤维素 半纤维素 木质素和果胶质等 4 变化不大的植物稳定组分 如角质 树脂 孢子等 从物理化学的观点 泥炭是一个以水为分散介质的胶体体系 其胶体性质表现为 1 能将大量的水吸入微孔结构 而本身并不膨胀 2 含腐植酸 具有酸性 并有较强的吸附能力 泥炭用途 泥炭用途广泛 气化 液化 焦化原料 制甲醇等化工原料 建材 肥料等 泥炭的赋存形态 泥炭是由植物残骸在沼泽中形成的 泥炭的埋藏深度很浅 裸露泥炭上无泥沙覆盖 埋藏泥炭上的泥沙也仅有几十厘米至几十米厚 适宜露天开采 世界上泥炭丰富的国家有俄罗斯 芬兰 爱尔兰 瑞典 加拿大和美国等 我国的泥炭约有270亿吨 2褐煤褐煤成岩的初期产物 外观褐色或黑褐色 因而得名 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 分布于东北 西北 西南和华北等地 用途 适宜成型作气化原料 可生产优质城市煤气 焦油产率6 0 8 5 制成油煤浆后催化加氢 褐煤有机质的80 可以转化成气态和液态产品 油收率约占35 经溶剂抽提所得褐煤蜡 又名蒙旦蜡 具有熔点高 化学稳定性好 防水性强 导电性低 耐酸 强度高和表面光亮等特性 可用作表面活性剂 表面光亮剂 疏水剂 色素溶剂和吸油介质等 但褐煤易风化破碎 故一般不宜长途运输 3烟煤烟煤呈黑色 水分含量较少 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 20 1 45g 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 按煤化度由低至高 我国将其划分为长焰煤 不粘煤 弱粘煤 1 2中粘煤 气煤 气肥煤 1 3焦煤 肥煤 焦煤 瘦煤 贫瘦煤和贫煤等 在烟煤中 气煤 气肥煤 1 3焦煤 肥煤 焦煤和瘦煤都具有不同程度的黏结性 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 4无烟煤煤化度最高的腐殖煤 燃烧时无烟 外观灰黑色 有金属光泽 无明显条带 其碳含量 真密度 硬度 燃点等均达到最大化 主要用途 民用 发电燃料 合成氨原料 炭素产品原料 高炉喷吹燃料 冶金脱氧剂 增碳剂等 一 成煤的原始物质1三种成煤假说 煤是和地球一起形成的 有地球就有煤 煤是由岩石变化而来的 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 煤层底极多富含植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 第二节煤的生成 2植物的演化 3地质年代与主要成煤植物地质年代 地质学家综合了地层层序 生物演化 地壳运动等因素 把地质历史划分为很多阶段 每个大阶段又划分为次级阶段 这样就产生了地质年代单位 常用的地质年代单位主要有代 纪 世 国际通用的地层系统与地质年代的关系如表1 3所示 该表参照1989年国际地质联合会 ICS 的地球地层表 列出了相应的成煤植物及主要煤种开始生成的地质年代 4植物的有机族组成从化学的观点看 植物的有机族组成可以分为四类 即糖类及其衍生物 木质素 蛋白质和脂类化合物 1 糖类及其衍生物 糖类及其衍生物含有碳 氢 氧三种元素 常用的通式Cn H2O m包表示 被称为碳水化合物 括纤维素 半纤维素和果胶质等 a纤维素纤维素是组成植物细胞壁的主要成分 是一种高分子的碳水化合物 属于多糖 其链式结构可用通式表示 分子结构如图1 1所示 纤维素在生长着的植物体内很稳定 但植物死亡后 需氧细菌通过纤维素水解酶的催化作用可将纤维素水解为单糖 后者进一步氧化则分解为 在沼泽环境缺氧时 厌氧细菌使纤维素发酵生成无论是水解产物还是发酵产物 它们都可与植物的其他分解产物缩合形成更复杂的物质参与成煤 或成为微生物的营养来源 b半纤维素半纤维素也是植物细胞壁的组成部分 也是多糖 其结构多种多样 例如多维戊糖就是其中的一种 它们也能在微生物作用下分解成单糖 这种单糖后续变化和纤维素的情况类似 c果胶质 果胶质是不稳定的 在泥炭形成的开始阶段 即可因生物化学作用水解成一系列的单糖和糖醛酸 进一步分解可形成脂肪酸类物质而参与成煤 2 木质素 木质素主要分布在高等植物的细胞壁中 包围着纤维素并填满其间隙 以增加茎部的坚固性 木质素是具有芳香结构的化合物 它的结构复杂 至今还不能用一个结构式来表示 但已知它具有一个芳香核 带有侧链并含有甲氧基 O 和等多种官能团 木质素的组成因植物的种类而异 目前已查明有三种类型的单体如表1 5所 木质素的单体以不同的链连接成三度空间的大分子 因而比纤维素稳定 不易水解 但在多氧的情况下 经微生物的作用易氧化成芳香酸和脂肪酸而参与成煤 木质素是成煤的主要植物成分 3 蛋白质 蛋白质是构成植物细胞原生质的主要物质 也是有机体生命起源最重要的物质基础 蛋白质是一种无色透明半流动状态的胶体 由许多不同的氨基酸分子缩合而成的复杂高分子化合物 蛋白质的元素组成有碳 氢 氧 氮 硫等元素 煤中的氮和硫元素可能来自成煤植物中的蛋白质 植物死亡后 蛋白质在氧化条件下可分解为气态产物 在泥炭沼泽中 它可水解生成氨基酸 如氨基酸与糖类缩合则生成结构更为复杂的腐殖物质参与成煤 4 脂类化合物脂类化合物通常指不溶于水 而溶于苯 醚和氯仿等有机溶剂的一类有机化合物 包括脂肪 树脂 蜡质 角质 木栓质和孢粉质等 a脂肪脂肪属于长链脂肪酸的甘油脂 低等植物含脂肪较多 如藻类含脂肪可达20 高等植物一般仅含1 2 且多集中在植物的孢子或种子中 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 在天然条件下 脂肪酸具有一定的稳定性 因此从泥炭或褐煤的抽提沥青中能发现脂肪酸 b树脂树脂是植物生长过程中的分泌物 当植物受创时 不断分泌出胶状的树脂来保护伤口 高等植物中的针状植物含树脂最多 低等植物不含树脂 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 我国抚顺第三纪褐煤中的 琥珀 就是由植物的树脂演变而成的 c树蜡树蜡的化学性质类似于脂肪 但比脂肪更稳定 它呈薄层覆于植物的叶 茎和果实表面 以防止水分的过度蒸发和微生物的侵入 其化学性质稳定 遇强酸也不易分解 在泥炭和褐煤中经常可发现树蜡 d角质角质是角质膜的主要成分 其含量可达50 以上 植物的叶 嫩枝 幼芽和果实的表皮常常覆盖着角质膜 作用亦是防止水分的过度蒸发和微生物的侵入 角质是脂肪酸脱水或聚合的产物 化学性质稳定 能较好的保持在煤中 e木栓质木栓质将植物的木栓组织浸透以提高其抵抗微生物作用腐烂变质的能力 在木栓中木栓质约含25 50 木栓质的主要成分是脂肪醇酸 二羧酸 碳原子数大于20的长链羧酸和醇类 化学性质稳定 能保持在煤中 f孢粉质孢粉质是构成植物繁殖器官孢子 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 常完好的保存在煤中 脂类化合物的共同特点是化学性质稳定 因此能较完整地保存在煤中 5成煤原始物质对煤质的影响成煤植物的性质及其对成煤的影响 不同种类的植物 同种植物的不同部分 有机族组分的百分含量均不同 例如 木本植物各部分的有机族组成差别甚大 如表1 4所示 除了植物的有机化合物组成外 植物有机质的元素组成也影响着成煤特征和煤的利用 构成植物有机质的元素种类虽少 但含量大 主要有碳 氢 氧 氮4种元素 表l 6 表1 4植物的有机组成 低等植物中蛋白质 脂类化合物含量较高 由低等植物形成的煤中氢含量较高 在高等植物形成的煤中 如果成煤植物残骸以植物的茎 根等木质纤维组织为主 煤氢含量就较低 如果成煤植物残骸中角质 木栓质 树脂 孢粉等脂类化合物较多 煤的氢含量就较高 煤的组成 性质的差异 影响煤的工业利用 所以 煤的原始物质是影响煤质的重要因素之一 二成煤过程成煤过程是指从植物死亡 遗体堆积知道转变成煤所经历的一系列演变过程 1成煤条件 1 古植物条件植物是成煤的物质基础 只有植物大量繁殖的时期才是成煤的有利时期 在植物发展史上只有当植物演化发展到一定阶段 即有高大的木本植物大量繁殖堆积 才能广泛形成有工业意义的煤层 2 气候条件气候对成煤的影响主要表现在两个方面 首先 气候能影响植物的繁殖 只有温暖 潮湿的气候环境最适宜植物的生长繁殖 其次 气候控制着泥炭沼泽的发育 所以 温暖 潮湿的气候条件最适宜成煤 3 自然地理条件泥炭沼泽是发生聚煤作用的良好古地理环境 气候湿润 适宜植物的生长 繁殖 4 地壳运动条件主要表现在 地壳运动对自然地理环境起控制作用 当地壳发生沉降运动时 可以使近海平原或内陆洼地积水 形成沼泽 沼泽的面积大小 覆水深度 演化过程都受地壳运动控制 泥炭层的堆积要求地壳发生缓慢的下降 下降的速度最好与植物残骸堆积的速度大致平衡 水层厚度2m 这种平衡持续的时间越长 形成的煤层也越厚 下降的速度 植物残骸堆积的速度 植物生长繁殖受限下降的速度 植物残骸堆积的速度 植物遗体氧化破坏 2成煤过程 1 腐泥煤的生成低等植物的遗体经过复杂的生物化学变化转变成腐泥的过程腐泥化作用 腐泥化作用形成的环境和条件 低等植物和浮游生物水体较深 湖泊 积水较深的沼泽 海湾 浅海等还原环境 厌氧细菌作用作用 蛋白质 脂肪等分解再聚合 缩合 产物 富含水的有机软泥 腐泥 气态产物 富含氢的液态和固态沥青质物质 腐泥腐泥经煤化作用而成腐泥煤 随煤化程度的增加 腐泥煤发生的变化与腐植煤相似 2 腐植煤的生成腐殖煤的生成过程称为成煤过程 包括植物遗体堆积到形成无烟煤的全过程 可大致分为两个阶段 泥炭化作用和煤化作用 泥炭化作用泥炭化作用是指高等植物遗体经过复杂的生物化学变化和物理化学变化转变成泥炭的过程 生物化学变化与物理化学变化a生物化学变化此过程相继发生氧化分解和还原聚合两个阶段的变化 第一阶段氧化分解纤维素 单糖木质素 芳香酸和脂肪酸蛋白质 氨基酸 第二阶段氧化分解还原聚合纤维素 果胶 丁乙酸等蛋白质 氨基酸脂肪 脂肪酸腐殖酸盐 硫化氢 二氧化碳 甲烷等 植物变成泥炭后组成的变化 植物转变成泥炭后 蛋白质消失了 木质素 纤维素等减少 而产生了植物中没有的大量腐殖酸 元素组成中 泥炭的碳含量和氮含量有所增加 而氧含量减少 b物理化学变化在泥炭化阶段 氧化与还原 需氧菌和厌氧菌 分解与聚合 这些矛盾的综合作用 对成煤的影响非常复杂 从物理化学的角度看 可归并为两种作用 凝胶化作用植物的主要组分在泥炭化阶段经过生物化学 物理化学变化 形成以腐殖酸和沥青质为主体的胶体物质的过程 其在成岩作用阶段的延续又称为镜煤化作用 丝炭化作用植物的木质纤维组织 主要受氧化作用 遭受森林火灾 而产生贫氢富碳的丝炭化物质过程 其中火灾是偶然现象 凝胶化作用 丝炭化作用 煤化作用始于泥炭被泥沙沉积物覆盖 生化作用逐渐停止 地质化学作用逐渐增强 分为成岩作用和变质作用两个阶段 它们与成煤的关系见下图 a成岩作用无定形的泥炭沉积之后由于地壳持续下降 因受上覆无机沉积物的巨大压力 逐渐发生压紧 失水 胶体老化硬结等物理和物理化学变化 转变为具有岩石特征的褐煤的过程 条件 深度不大 200 400m 的地下 温度 60 主要作用因素 压力及压力作用时间变化 压紧 失水 胶体老化 发生一定程度的分解与缩聚 纤维素 半纤维素 木质素消失 腐殖酸不断降低至消失 H O减少 C增加 b变质作用褐煤沉降到地壳深处 受长时间地热和高压作用 组成 结构 性质发生变化 转变为烟煤和无烟煤的过程 变化 脱水 脱羧 脱CH4 缩聚 分子内排列规则化 分子量增加 元素组成和含量发生变化 碳含量进一步增加 氧氢含量进一步减少 挥发分和水分的含量减少 腐殖酸完全消失 光泽度增强 密度增加 变质的原因 温度 主因 时间 重要因素在此指温度与压力作用时间的长短 作用时间影响的重要性表现在 温度相同时 时间长则变质程度高 温度不同时 短时间较高温度与长时间较低温度可达到相同的变质程度 压力 次因压力范围几十至几百兆帕 在压力作用下 煤主要变化是压紧 失水 孔隙率降低 但也略有促进化学变化的作用 如促使芳香稠环的排列出现定向化趋势 瓦斯和煤层气的生成 瓦斯突出和瓦斯爆炸是煤炭开采过程中的主要危害形式 但瓦斯又是宝贵的资源 煤中的瓦斯主要是在煤化作用过程中形成的 在煤化作用过程中 煤分子上的侧链和官能团不断分解和脱落 生成低分子气体 即煤层气 其主要成分为甲烷 70 96 在自然条件下 生成1吨褐煤可产生68m3甲烷 生成1吨肥煤 瘦煤 无烟煤分别可产生甲烷230m3 330m3和400m3 如果煤层周围的围岩不透气 在煤化作用过程中产生的气体或被吸附在煤的孔隙中 或逐渐聚积形成煤层气田 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 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