煤化学第2章煤的生成与分类课件

第二章煤的生成与分类煤的分类：腐殖（植）煤（前生物以高等植物为主）与腐泥煤（前生物以低等植物如藻类与细菌为主）两大类。腐殖（植）煤依据煤化程度不同分为：褐煤、（次烟煤）、烟煤和无烟煤三大类腐泥煤的分类：藻煤和烛煤两类（资源很少）褐煤无烟煤烟煤泥炭煤种泥炭褐煤褐煤烟煤长焰煤不粘煤弱粘煤气煤肥煤焦煤瘦煤贫煤无烟煤无烟煤超无烟煤超无烟煤物料植物草本植物木本植物泥炭草本泥炭木本泥炭褐煤低煤化度褐煤典型褐煤高煤化度褐煤烟煤长焰煤气煤肥煤焦煤瘦煤贫煤无烟煤超无烟煤腐殖煤与腐泥煤的主要特征特征腐殖煤腐泥煤颜色褐色和黑色，多数为黑色多数为褐色光泽光亮者居多暗用火柴点燃不燃烧燃烧，有沥青气味氢含量/%一般＜6一般＞6低温干馏焦油产率/%一般＜20一般＞25四类腐殖煤的主要特征与区分标志

特征与标志泥炭褐煤烟煤无烟煤颜色棕褐色褐色、黑褐色黑色灰黑色光泽无大多数无光泽有一定光泽金属光泽外观有原始植物残体，土状无原始植物残体，无明显条带呈条带状无明显条带在沸腾的KOH中棕红-棕黑褐色无色无色在稀HNO3中棕红红色无色无色自然水分多较多较少少密度/g·cm-31.10～1.401.20～1.451.35～1.90硬度很低低较高高燃烧现象有烟有烟多烟无烟煤的着火点煤的反应性是指：测定煤在900℃高温干馏后的煤焦还原CO2的能力，以CO2的还原率表示煤对CO2的化学反应性。腐殖煤与腐泥煤的主要特征特征腐殖煤腐泥煤颜色褐色和黑色，多数为黑色多数为褐色光泽光亮者居多暗用火柴点燃不燃烧燃烧，有沥青气味氢含量/%一般＜6一般＞6低温干馏焦油产率/%一般＜20一般＞25腐泥煤的煤岩成分烛煤宏观上，为黑色，暗淡有时具有弱油脂光泽。均一致密坚硬而韧性大，贝壳状断口，镜下一般显示规则的显微层理；烛煤易燃，燃烧时发出明亮的火焰，像蜡烛一样，故名烛煤。藻煤是原始物质以藻类为主的腐泥煤，是腐泥煤的一种主要类型。为棕色或灰色，光泽暗淡，结构均一，具块状构造，常具贝壳状断口，挥发分、氢含量和含油率都较高，易燃，有沥青味，适于炼油。显微镜下见到的组分主要是藻类形态分子和腐泥基质，高等植物的遗体很少见。四类腐殖煤的主要特征与区分标志

特征与标志泥炭褐煤烟煤无烟煤颜色棕褐色褐色、黑褐色黑色灰黑色光泽无大多数无光泽有一定光泽金属光泽外观有原始植物残体，土状无原始植物残体，无明显条带呈条带状无明显条带在沸腾的KOH中棕红-棕黑褐色无色无色在稀HNO3中棕红红色无色无色自然水分多较多较少少密度/g·cm-31.10～1.401.20～1.451.35～1.90硬度很低低较高高燃烧现象有烟有烟多烟无烟褐煤无烟煤烟煤泥炭第二章煤的分类与生成地质年代地质年代是地壳发展的时间表，是根据地层生成的先后次序，由老到新排列的一个地层系统。根据地层中发现的古生物化石，将地壳的发展史划分成若干级地质年代单位，即宙、代、纪、世、期、时。其中，宙、代、纪、世是国际性的地质时间单位，期和时是区域性的地质时间单位。地质年代单位与年代地层单位（即宇、界、系、统、阶、带）一一对应。如地质年代中古生代形成的地层称古生界地层；太古代形成的地层称太古界地层；把侏罗纪形成的地层称侏罗系地层…..把晚侏罗世形成的地层称侏罗统地层…..等等；代纪世距今年龄（亿年）开始繁殖时期植物动物新生代第四纪全新世更新世0~0.018被子植物大量繁殖，为成煤提供原始物质古人类出现哺乳动物新近纪上新世中新世~0.238古近纪渐新世始新世古新世~0.65中生代白垩纪晚白垩世早白垩世~1.442被子植物出现裸子植物极盛，为成煤提供原始物质爬行动物侏罗纪晚侏罗世中侏罗世早侏罗世~2.03三叠纪晚三叠世中三叠世早三叠世~2.51地质年代表代纪世距今年龄（亿年）开始繁殖时期植物动物古生代晚古生代二叠纪晚二叠世中二叠世早二叠世~2.98裸子植物出现蕨类植物（孢子植物）极盛，为成煤提供原始物质裸蕨植物繁盛两栖动物石炭纪晚石炭世早石炭世~3.54泥盆纪晚泥盆世中泥盆世早泥盆世~4.1早古生代志留纪晚志留世中志留世早志留世~4.40裸蕨植物出现海藻大量繁殖，为石煤的形成提供原始物质鱼类无脊椎动物奥陶纪晚奥陶世中奥陶世早奥陶世~4.95寒武纪晚寒武世中寒武世早寒武世~5.45代纪世距今年龄（亿年）开始繁殖时期植物动物新元古代震旦纪晚震旦世早震旦世~6.80菌藻类南华纪晚南华世早南华世~8.00青白口纪晚青白口世早青白口世10.00中元古代蓟县纪晚蓟县世早蓟县世14.00长城纪晚长城世早长城世~18.00代纪世距今年龄（亿年）开始繁殖时期植物动物古元古代滹沱纪~25.00新太古代~28.00中太古代~32.00古太古代~36.00始太古代~45.00各地质年代植物生长和造煤情况地层系统、地质年代、成煤植物与主要煤种

代（界）纪（系）距今年代（百万年）中国主要成煤期▲生物演化煤种植物动物新生代（界）第四纪（系）1.6

被子植物出现古人类泥炭晚第三纪（系）23▲哺乳动物褐煤为主，少量烟煤早第三纪（系）65中生代（界）白垩纪（系）135裸子植物爬行动物褐煤、烟煤，少量无烟煤侏罗纪（系）205▲三叠纪（系）250古生代（界）晚古生代二叠纪（系）290▲蕨类植物两牺动物烟煤无烟煤石炭纪（系）355泥盆纪（系）410裸蕨植物早古生代志留纪（系）438菌藻植物鱼类石煤奥陶纪（系）510无脊椎动物寒武纪（系）570元古代（界）新元古代震旦（系）1000中元古代1600古元古代2500太古代（界）4000代纪距今年代百万年植物演进植物种类煤种煤矿始生代2003无化石发展无生物石煤南方几个省原生代1458海藻等演化藻类植物古生代寒武纪553石灰藻及其它藻类繁殖，无陆生植物奥陶纪448石灰藻遍地，陆生植物仍少见志留纪381陆生植物出现，但不如藻类盛蕨类、孢子植物无烟煤云南禄劝、广东台山和秦岭西段等泥盘纪354陆生植物渐盛，有裸蕨类、石松类石炭纪▲309气候温湿、裸蕨类、石松类、木贼类等、孢子植物繁盛，形体庞大，森林茂密无烟煤和烟煤本溪、淮南、开滦、山西、太行山一带等▲二叠纪223松、柏、银杏等裸子植物繁盛，蕨类植物衰落裸子植物中生代三叠纪185松、柏、银杏、苏铁等遍及全球，蕨类植物中石松消灭，羊齿、木贼等仍有烟煤新疆、内蒙等地侏罗纪▲157裸子植物全盛、苏铁更盛▲白垩纪125被子植物勃兴，有花植物传播，如柏杨、枫等被子植物烟煤、褐煤阜新、大同、平乡、北票等新生代第三纪▲现代五谷果类甚盛（主要为双子叶和单子叶植物）▲褐煤、烟煤云南、广西、广东、辽宁、台湾等第四纪褐煤、泥炭现代泥炭中国主要成煤期▲地史上较强的聚煤期新生代：新近纪—古近纪(第三纪)被子植物中生代：晚侏罗世—早白垩世裸子植物+被子植物

早、中侏罗世裸子植物全盛晚三叠世裸子植物晚古生代：晚二叠世裸子植物

晚石炭世—早二叠世蕨类植物+孢子植物早石炭世孢子植物早古生代：早寒武世藻类植物地质历史上主要成煤期早古生代及之前：少量石煤晚石炭-早二叠世：距今约3.0亿年晚二叠世：距今约2.5亿年晚三叠世：距今2.0~2.5亿年早侏罗世-中侏罗世：距今约2.0亿年晚侏罗世-早白垩世：距今约1.5~1.0亿年第三纪：距今约2000~5000万年第四纪：只有少量泥炭沉积石炭纪侏罗纪第三纪（古近纪-新近纪）中国主要成煤期植物分类植物分为低等植物和高等植物。低等植物是最早出现的植物，它由单细胞或多细胞构成的丝状和叶片状植物体，没有根、茎、叶等器官的划分，如细菌和藻类。高等植物有根、茎、叶等器官的划分，包括苔藓植物、蕨类植物、裸子植物和被子植物。新生代中生代晚古生代早古生代成煤物质植物的演化过程由老到新分为五个阶段：（1）菌藻植物时代；（2）裸蕨植物时代；（3）蕨类和裸子植物时代；（4）裸子植物时代（5）被子植物时代；这几个阶段与煤的形成和聚积有直接关系。植物的有机组成低等植物主要由蛋白质和碳水化合物组成，脂肪含量比较高；高等植物组成以纤维素、半纤维素和木质素为主。植物的有机组成可分为4类：即糖类及其衍生物、木质素、蛋白质和脂类化合物。糖类及其衍生物包括纤维素、半纤维素和果胶质等成分，纤维素是一种高分子的碳水化合物。纤维素的化学结构

纤维素在需氧细菌通过水解酶可以分解为单糖，最终氧化为水+CO2；若在缺氧环境，则可由还原细菌发酵成脂肪酸，参与成煤作用。1.糖类及其衍生物---纤维素、半纤维素和果胶质等成分半纤维素不同于纤维素，由木糖、甘露糖或葡萄糖组成的多糖。其分子量比纤维素小。木质素的化学结构2.木质素

高等植物的主要组成部分，是植物细胞壁的主要成分，具有增强细胞壁、粘合纤维的作用。结构为高分子量聚酚，其单体基本上是由酚丙烷衍生物构成，常带有甲氧基等官能团。比纤维素稳定，不易水解，但可被氧化成芳香酸、酚类和脂肪酸，直至彻底分解。在缺氧的水体中，在水和微生物的作用下，木质素分解，与其它化合物生成腐植酸。蛋白质是生物体内的基本组成，植物细胞中重要组成之一，是由多种α-氨基酸分子(nH2N－CH2－COOH)通过肽键(－CO－NH－)连接而成的复杂高分子化合物，在酸、碱、酶的作用下，蛋白质发生水解形成氨基酸。有机体死亡之后，氨基酸仍保存在遗骸中，氨基酸可与糖类发生缩合反应生成复杂的腐殖质，参与成煤作用。煤中的氮可能与植物的蛋白质有关。3、蛋白质

指所有不溶于水而易溶于乙醚、氯仿、苯等低极性有机溶剂的脂状物质，其中包括：脂肪、树蜡、蜡质、角质(植物叶片表面角质层)、木栓质(指细胞壁发生栓质化时壁中所堆积的物质

)和孢粉质(孢子和花粉的简称

)等。

化学稳定性好，不受微生物破坏，能较好地保存在煤中。4.类脂化合物

不论高等植物还是低等植物，包括微生物，都是成煤的原始物质，这是煤具有高度复杂性的原因之一。由于成煤的原始物质不同，必然导致煤炭性质上的差异和用途上的不同。比如，低等植物主要由蛋白质和多糖类物质，脂肪含量比较高；而高等植物则以木质素、纤维素半纤维素为主；即使同种植物，不同组织部分的有机组成也差别较大。由高等植物形成的煤叫“腐植煤”；由低等植物形成的煤叫“腐泥煤”；藻煤由二者共同形成的煤叫“腐植腐泥煤”。-（烛煤——性同蜡烛，点火即燃，煤精——结构细腻，质轻而有韧性，能雕琢工艺美术品）

如成煤的原始物质主要是根、茎等木质素纤维素组织，则煤的氢含量较低。如成煤原始物质由类脂化合物所组成，氢含量就高；如果成煤原始物质是藻类，则煤的氢含量更高。残植煤残植化作用：使凝胶化组分和丝炭化组分不断遭到破坏，而脂肪、树蜡、蜡质、角质、木栓质和孢粉质等壳质组不断富集的作用。成煤环境煤是由堆积在沼泽中的植物遗体转化而来，首先需要大量的植物繁殖，植物遗体其中一部分未被氧化分解而被保存下来转变为泥炭。泥炭形成的场所是沼泽，水体的存在是必需的条件之一。古植物、古气候、古地理、大地构造对沼泽泥炭的形成具有决定作用。成煤环境适于泥炭沼泽发育的沉积环境分为海滨、湖泊沿岸、三角洲平原、冲积平原、冲积扇平原等。泥炭沼泽可以按照水分补充来源和矿物质营养化差异分为低位、高位、中位泥炭沼泽；也可按照距离海岸距离远近分为近海泥炭沼泽（包括滨海、三角洲平原、红树林泥炭沼泽）和内陆沼泽（最典型的是内陆湖泊泥炭沼泽，冲积扇平原泥炭沼泽）；还可以按植物群落分为草本和木本泥炭沼泽。还可按水介质盐度分为淡水、半咸水和咸水沼泽。成煤环境由于泥炭沼泽的成因，沉积环境、沉积时间等因素导致不同的成煤沉积模式，继而导致煤层形态、性质等诸多差异。成煤沉积模式主要分为海滨、湖泊、冲积扇以及河流成煤沉积体系（不细讲解，自学）。海相成煤，湖相成煤，海陆交替相成煤（即三角洲）的特点（由于还原程度不同，导致硫、灰、挥发分产率、焦油产率和粘结能力的高低差异）。影响煤层原始特征的因素：堆积方式、形成泥炭的植物群落、沉积环境、养分供给（富养分的、贫养分的）、PH值、细菌活动性、硫的供给、泥炭温度、氧化还原电位（需氧的、厌氧的）。煤的还原程度是影响我国煤性质的另一成因因素，在相同的煤阶下：①强还原煤有较高的H/C原子比、硫含量、挥发分产率、焦油产率和较强的粘结能力；②强还原煤有较高的氢含量和产烃率。成煤作用过程煤是植物遗体经过生物化学作用、物理化学作用而转变成的沉积物，是多种高分子化合物和矿物质组成的混合物。成煤作用的概念：从植物死亡、堆积到转变为煤经历的演变过程。成煤作用分为两个阶段：泥炭化（腐泥化）阶段和煤化作用阶段。泥炭化（腐泥化）阶段：植物在泥炭沼泽、湖泊或浅海中不断繁殖，其遗体在微生物参与下不断分解、化合、聚集的过程。煤化作用阶段：即泥炭、腐泥在以温度和压力为主的作用下变化为煤的过程。在温度和压力的影响下，泥炭进一步变为褐煤（成岩作用），再由褐煤变为烟煤和无烟煤（变质作用）。

成煤作用的阶段划分

泥炭化阶段成岩作用植物遗体泥炭

褐煤

烟煤

无烟煤

超无烟煤变质作用煤化作用成煤过程植物泥炭褐煤烟煤无烟煤作用地点、水中作用时间：数千年到数万年主要因素：生化作用转变顺序转变条件转变阶段化学示性式物化作用[温度（需要从外部供应能量）]（加压失水）第一阶段泥炭化阶段第二阶段成岩阶段变质阶段煤化阶段植物泥炭褐煤烟煤无烟煤-3H2O、CO2-2H2O-CO2-2CH4、H2OC17H24O10C16H18O5C16H14O3C15H14OC13H4成煤过程地下数百万年地下数百万年泥炭化作用高等植物死亡后，在生物化学和地球化学作用下，演变成泥炭的过程称为泥炭化作用。泥炭化过程分为两个阶段：

第一阶段，在浅水、多氧条件下，植物遗体中的有机化合物，在需氧细菌作用下，经过氧化分解和水解作用，逐渐转化为简单的化学性质活泼的化合物；第二阶段，在深水、缺氧条件下，在厌氧细菌作用下分解产物相互作用，进一步合成新的较稳定的有机化合物，如腐植酸、沥青质等。第二阶段对于泥炭化至关重要。否则氧化作用将进行到底…

泥炭化作用幸好在沼泽环境下，第二阶段发生是必然的，原因在于：泥炭沼泽水的覆盖和植物遗体不断堆积厚度增加；植物遗体转变过程不断分解出气体、液体以及微生物活动使沼泽酸性不断增加，抑制了需氧细菌的生存和活动；植物本身防腐和杀菌成分如酚类的逐步增加。从物理化学的角度来看，泥炭化过程实际上可以归纳为的两种不同作用：凝胶化作用和丝炭化作用。凝胶化作用凝胶化作用是指植物主要组分在泥炭化阶段经过生物化学变化和物理化学变化，形成以腐殖酸和沥青质物质（沥青状物质）为主体的凝胶状物质的过程。凝胶化作用条件：在沼泽中停滞、不太深的覆水条件下，弱氧化至还原环境。丝炭化作用植物的木质纤维组织在泥炭沼泽的氧化环境中，受到需氧细菌的氧化作用，产生贫氢富碳的腐殖物质，或遭受森林火灾而炭化成木炭的过程，称为丝炭化作用。丝炭化作用产物称丝炭，依成因分为氧化丝质体与火焚丝质体。丝炭化作用结果是脱氢、脱水和富碳。泥炭成煤（高等）植物经过泥炭化作用形成的泥炭，呈棕褐色或黑褐色的不均匀物质，含大量水分（70%-90%），经风干后体积约缩小40%。泥炭泥炭中含有大量的碳水化合物，此外还含有腐植酸。泥炭蕴藏量很大，泥炭可用作锅炉燃料和煤气发生炉的燃料，也可进行低温干馏制取人造液体燃料和多种化工原料，泥炭中的腐植酸可作肥料。腐泥化作用与高等植物的泥炭化作用相对应的低等植物则发生腐泥化作用-------在还原环境下，由低等植物转变为腐泥的作用，称为腐泥作用。煤化作用泥炭在成煤第二阶段演变为煤的作用，当泥炭为其它沉积物覆盖时，泥炭阶段结束，生物化学作用逐渐减弱直至停止。在温度和压力为主的物理化学作用下，泥炭经历了由褐煤向烟煤、无烟煤转变的煤化作用。腐泥则经历了由硬腐泥、腐泥褐煤、腐泥亚烟煤、腐泥烟煤到腐泥无烟煤的煤化作用。煤化作用包括先后进行的成岩作用和变质作用。成岩作用泥炭因受上覆无机沉积物的巨大压力，逐渐发生压紧、失水、胶体老化硬结等地球化学转变为具有生物岩石特征的褐煤的作用阶段。成岩作用的主要因素是压力和作用时间。覆盖物厚度200-400m，温度小于60度。成岩作用中泥炭的变化：压紧、失水、胶体老化、固结；成岩作用程度的主要指标：水分（75％）、碳含量（60％）、游离纤维素是否存在；成岩作用实际上在泥炭层底部即已开始。变质作用由褐煤在长时间地热和高压作用下转变为烟煤及无烟煤的作用阶段。在变质作用阶段，煤层所受压力可达几十到几百MPa，温度一般在<200℃。各种煤都是成煤过程中某一阶段的产物，彼此间并无绝对界限。煤变质作用的实质是在温度、压力和时间的作用下，有机质发生的化学和物理结构变化。煤化程度指标煤化作用包括化学结构和物理结构两个方面的变化，前者如C、H、O含量和挥发分产率的变化，后者反映孔隙度和反射率的变化以及光学异向性增强等。煤化程度指标简称煤化指标，亦称煤级指标。目前主要以煤样的干燥无灰基挥发分Vdaf值、镜质组的反射率作为煤化指标。考虑煤岩成分的影响，测定煤化程度时，化学分析煤样最好取自微镜煤，测定反射率时要求用镜质组的反射率。煤阶参数水分：适用于低变质煤；发热量：适用于低变质煤；碳含量：适用于长焰煤～气煤，以及无烟煤阶段；氢含量：适用于无烟煤阶段；挥发分产率：主要适用于气煤～贫煤阶段；镜质组反射率：主要适用于长焰煤以上各变质阶段；X射线衍射：适用于无烟煤；物料C/%O/%腐殖酸/%（daf）V/%（daf）W/%(ad)植物草本植物48503942木本植物泥炭草本泥炭5666342643537070＞40＞40木本泥炭褐煤低煤化度褐煤6771732523176822358504510~30典型褐煤高煤化度褐煤烟煤长焰煤气煤肥煤焦煤瘦煤贫煤7782858890911310543.82.80000004341332516151031.50.90.91.3无烟煤932.70＜102.3煤化作用跃变根据国外近期研究，在煤的演变过程中，出现4次较明显的变化，称为煤化作用跃变，简称煤化跃变。第一次跃变在长焰煤的开始阶段；（Cdaf=80%,Vdaf=43%,Romax=0.6%)其明显特点是沥青化作用的发生并进入明显阶段；粘结性增强。第二次跃变出现在肥煤阶段；（Cdaf=87%,Vdaf=29%,Romax=1.3%)特点是煤的孔隙度、水分减少，耐磨性、粘结性、热值等升高；煤化作用转折，煤质变化“剧烈”。第三次煤化跃变发生在烟煤与无烟煤的分界附近（Cdaf=91%,Vdaf=8%,Romax=2.5%)氢含量迅速降低，芳构化急剧加深；第四次煤化跃变出现在无烟煤与超无烟煤的交界处（Cdaf=93.5%,Vdaf=4%,Romax=3.7%)无烟煤特征是H含量和H/C比迅速降低，反射率迅速提高；超无烟煤阶段又以反射率和光学异向性的急剧增强为特点。煤空间结构接近于次石墨。褐煤烟煤—无烟煤—低煤化烟煤——中煤化烟煤——高煤