第一章緒論第二章煤的形成和顯微組分,附煤的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)山東科技大學(xué)

1、 煤化學(xué) (第二版) Coal Chemistry 何選明（武漢科技大學(xué)）何選明（武漢科技大學(xué)） 冶金工業(yè)出版社冶金工業(yè)出版社 張雙全（中國礦業(yè)大學(xué)）張雙全（中國礦業(yè)大學(xué)） 中國礦業(yè)大學(xué)出版社中國礦業(yè)大學(xué)出版社煤的間接液化典型流程煤煤腐殖煤腐殖煤 由高等植物（纖維素、木質(zhì)素等）形成的煤。由高等植物（纖維素、木質(zhì)素等）形成的煤。 因成煤過程中曾有腐植酸生成，由此得名。因成煤過程中曾有腐植酸生成，由此得名。腐泥煤腐泥煤 由低等植物和浮游生物生成的煤。由低等植物和浮游生物生成的煤。泥炭泥炭褐煤褐煤煙煤煙煤無煙煤無煙煤藻煤藻煤 藻類形成的煤藻類形成的煤石煤石煤 高變質(zhì)腐泥煤高變質(zhì)腐泥煤膠泥煤膠泥煤 其

2、中礦物質(zhì)其中礦物質(zhì)40%的稱為油頁巖的稱為油頁巖撫順、吉林樺甸、茂名等豐富油頁巖資源。撫順、吉林樺甸、茂名等豐富油頁巖資源。通常講的通常講的“煤煤 ”油頁巖油頁巖富含石油特征特征腐殖煤腐殖煤腐泥煤腐泥煤顏色顏色褐色和黑色，多數(shù)為黑色褐色和黑色，多數(shù)為黑色多數(shù)為褐色多數(shù)為褐色光澤光澤光亮者居多光亮者居多暗暗用火柴點燃用火柴點燃不燃燒不燃燒燃燒，有瀝青味道燃燒，有瀝青味道氫含量氫含量/%一般小于一般小于6一般大于一般大于6低溫干餾焦油產(chǎn)率低溫干餾焦油產(chǎn)率/%一般小于一般小于20一般大于一般大于25特征與標(biāo)志特征與標(biāo)志顏色顏色光澤光澤外觀外觀沸騰沸騰KOH中中稀稀HNO3中中自然水分自然水分密度密度

3、/g.cm-3硬度硬度燃燒現(xiàn)象燃燒現(xiàn)象泥炭泥炭褐煤褐煤煙煤煙煤無煙煤無煙煤棕褐色棕褐色褐色、黑褐色褐色、黑褐色黑色黑色灰黑色灰黑色無無大多數(shù)無光澤大多數(shù)無光澤有一定光澤有一定光澤金屬光澤金屬光澤有原始植物有原始植物殘體，土狀殘體，土狀無原始植物殘體，無原始植物殘體，無明顯條帶無明顯條帶呈條狀帶呈條狀帶無明顯條帶無明顯條帶棕紅棕黑棕紅棕黑褐色褐色無色無色無色無色棕紅棕紅紅色紅色無色無色無色無色多多較多較多較少較少少少1.101.401.201.451.351.90很低很低低低較高較高高高有煙有煙有煙有煙多煙多煙無煙無煙Lower PlantsHigher Plants低等植物低等植物地衣地衣(l

4、ichen)寄生在松樹樹干上的地衣低等植物低等植物蘑菇蘑菇 mushroom低等植物低等植物海帶海帶 kelp高等植物高等植物蕨類植物蕨類植物 高等植物高等植物松樹松樹 pine美國加利福尼亞州紅杉國家公園， 紅杉 高20層樓千年歷史億年地質(zhì)年代、成煤植物、主要煤種地質(zhì)年代、成煤植物、主要煤種OOOOOHOOOOHOHOHOHOHOHOHCH2OHCH2OHCH2OHCH2OHOOn纖維素分子結(jié)構(gòu)式纖維素分子結(jié)構(gòu)式 OOOHHHHHHOOOOCOOCH3COOCH3COOCH3COOCH3OHOHOHOHOHOHOHOHOOHHHHHHHHHHHHH果膠質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)式 主要主要高等高等包圍著纖

5、維素包圍著纖維素并填滿其間隙，以增加莖部的堅固性。并填滿其間隙，以增加莖部的堅固性。 OHCHCHO-CH3CH2OHOHO-CH3H3C-OCHCHCH2OHOHCHCHCH2OH針葉樹的針葉樹的松柏醇松柏醇落葉樹的落葉樹的芥子醇芥子醇喬木的喬木的 香豆醇香豆醇（結(jié)構(gòu)有誤）OOOH喬木的 香豆醇 但多氧情況下，經(jīng)微生物作用易氧化成芳香酸但多氧情況下，經(jīng)微生物作用易氧化成芳香酸（如（如 苯甲酸）和酚類化合物（如苯酚）。它們是組苯甲酸）和酚類化合物（如苯酚）。它們是組 成腐植酸的羧基和羥基有機化合物，酚類芳香化合物成腐植酸的羧基和羥基有機化合物，酚類芳香化合物 加熱脫水形成腐植物質(zhì)的稠環(huán)化合物。

6、加熱脫水形成腐植物質(zhì)的稠環(huán)化合物。蛋白質(zhì)蛋白質(zhì) -NH-CH-CO-NH-CH2-CH-CH2-S-S-CH2-CH2-CO-NH-CH-CO-OHCOOHCH2NH蛋白質(zhì)片斷化學(xué)結(jié)構(gòu)示例肽鍵吲哚H2C-O-CO(CH2)14CH3 HC-O-CO(CH2)14CH3H2C-O-CO(CH2)14CH3甘油三軟脂酸酯結(jié)構(gòu)式CH3COOHCH3CHCH3CH3CH3COOHCH3CH3CH CH2松香酸右旋海松酸不同植物有機族組成不同植物有機族組成(w w / / %)差別甚大，如下表。差別甚大，如下表。植植 物物碳水化合物碳水化合物木木 質(zhì)質(zhì) 素素蛋蛋 白白 質(zhì)質(zhì)脂類化合物脂類化合物細(xì)菌細(xì)菌綠

7、藻綠藻苔苔 蘚蘚蕨類蕨類草草 類類松柏及闊葉樹松柏及闊葉樹122830403050506050706070001020302030203050804050152010155101752010208103551013木木本本植植物物的的不不同同部部分分木質(zhì)部木質(zhì)部葉葉木木 栓栓孢粉質(zhì)孢粉質(zhì)原生質(zhì)原生質(zhì)607565605202030201000182570235825309010 高等植物、低等植物及微生物都是成煤的原始物質(zhì)。 沼澤環(huán)境的變化促使植物群落變遷，植物群落的生長又改變著沼澤環(huán)境。 兩種因素相輔相成，相互影響又相互制約。沼澤環(huán)境的經(jīng)常變化并交替進行，造成植物分解、保護、再分解、再保護的多

8、次過程。 成煤植物的各種有機族組成通過這些不同途徑參與成煤，這是煤具有高度復(fù)雜性的重要原因。沼澤是在一定的氣候、地貌和水文條件下，常年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。積水或極其潮濕的地段，內(nèi)有大量植物生長和堆積。 （1 1）按水分補給來源的不同，可劃分為：）按水分補給來源的不同，可劃分為： 低位沼澤低位沼澤主要由地下水補給、潛水面較高的沼澤主要由地下水補給、潛水面較高的沼澤 高位沼澤高位沼澤主要以大氣降水為補給來源的泥炭沼澤主要以大氣降水為補給來源的泥炭沼澤 中位沼澤或過渡沼澤：中位沼澤或過渡沼澤：兼有低位沼澤和高位沼澤兼有低位沼澤和高位

9、沼澤的特點，其水源部分由地下水補給，部分又由大氣降的特點，其水源部分由地下水補給，部分又由大氣降水補給的沼澤。水補給的沼澤。 （2 2）根據(jù)沼澤距離海岸的遠(yuǎn)近，分為近海泥炭）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。沼澤與內(nèi)陸泥炭沼澤。 （3 3）根據(jù)水介質(zhì)的含鹽度，沼澤又可分為淡水的、）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。半咸水的和咸水的。 大地構(gòu)造（地殼運動）大地構(gòu)造（地殼運動）： 提供成煤作用緩慢而均勻的沉降運動（均衡補償）和成煤坳陷。地殼的劇烈或過緩沉降運動都不利于厚層泥炭層的形成，植物的堆積和地殼的沉降的平衡，決定泥炭層形成厚度。 影響煤性質(zhì)因素：

10、 堆積方式(原地生成的、異地生成的)； 形成泥炭的植物群落； 沉積環(huán)境（淺沼的，湖沼的，微咸水-咸水，富含鈣質(zhì)的）； 養(yǎng)分供給（富養(yǎng)分的，貧養(yǎng)分的）； pH值，細(xì)菌活動性，硫的供給； 氧化還原電位（需氧的，厭氧的）。湖沼演化中泥炭和淤泥形成示意圖湖沼演化中泥炭和淤泥形成示意圖泥炭沼澤中植物與泥炭層的形成泥炭沼澤中植物與泥炭層的形成泥炭泥炭 第四節(jié)第四節(jié) 成煤作用過程成煤作用過程4.1 4.1 成煤過程成煤過程 是指腐殖煤的生成過程。是指腐殖煤的生成過程。 它是高等植物在泥炭沼澤中持續(xù)生長它是高等植物在泥炭沼澤中持續(xù)生長和死亡，殘骸不斷堆積，經(jīng)過長期復(fù)雜的和死亡，殘骸不斷堆積，經(jīng)過長期復(fù)雜的生物

11、化學(xué)、地球化學(xué)、物理化學(xué)和地質(zhì)化生物化學(xué)、地球化學(xué)、物理化學(xué)和地質(zhì)化學(xué)作用，逐漸演化成泥炭、褐煤、煙煤和學(xué)作用，逐漸演化成泥炭、褐煤、煙煤和無煙煤的全過程。無煙煤的全過程。植物植物泥炭化泥炭化泥炭泥炭成巖作用成巖作用褐煤褐煤變質(zhì)作用變質(zhì)作用煙煤、無煙煤煙煤、無煙煤煤化作用煤化作用成煤過程4.2 煤化程度煤化程度 degree of coalification 在褐煤向煙煤、無煙煤轉(zhuǎn)化的變質(zhì)過程中在褐煤向煙煤、無煙煤轉(zhuǎn)化的變質(zhì)過程中 ，由于，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。在煤的這種轉(zhuǎn)化階段中，各種變質(zhì)因素及其相互段。在煤的這種

12、轉(zhuǎn)化階段中，各種變質(zhì)因素及其相互作用決定了作用決定了煤的化學(xué)成熟程度，煤的化學(xué)成熟程度，即稱為即稱為煤化程度，煤化程度，又又稱稱煤化度，煤化度，有時稱為有時稱為變質(zhì)程度變質(zhì)程度metamorphism，或，或煤級煤級Rank。 煤的煤化程度和顯微成分組成（后面介紹）是表煤的煤化程度和顯微成分組成（后面介紹）是表征煤的性質(zhì)的重要指標(biāo)。征煤的性質(zhì)的重要指標(biāo)。 按煤化程度由低到高依次是：按煤化程度由低到高依次是： 褐煤褐煤 lignite/brown coal、 煙煤煙煤 bituminous coal （長焰煤、氣煤、肥煤、焦煤、（長焰煤、氣煤、肥煤、焦煤、 瘦煤、貧煤）瘦煤、貧煤） 無煙煤無煙煤

13、 anthracite。泥炭化作用泥炭化作用 表表26 植物與泥炭化學(xué)組成的比較植物與泥炭化學(xué)組成的比較 元素組成，元素組成，w %有機組成，有機組成，%植物植物與泥炭與泥炭CHNO+S纖維素纖維素半纖維半纖維木質(zhì)木質(zhì)素素蛋白蛋白質(zhì)質(zhì)瀝瀝青青A腐腐質(zhì)酸質(zhì)酸莎草莎草47.205.611.6139.3750.0020305105100木本植物木本植物50.156.201.0542.1050.6020.3017130樺川草本樺川草本泥炭泥炭55.876.352.9034.9719.690.7503.5043.58合浦木本合浦木本泥炭泥炭65.466.531.2026.75o.890.390042.8

14、8表表1 18 8 植物變成泥炭后組成的變化植物變成泥炭后組成的變化 煤巖有機顯微組分有鏡質(zhì)組、絲質(zhì)組和穩(wěn)定組三類部分。 鏡質(zhì)組通常是煤巖中最主要的顯微組分之一，它屬于高等植物木質(zhì)纖維組織凝膠化作用的產(chǎn)物，主要由腐殖物質(zhì)的腐殖酸部分形成的組分。 絲質(zhì)組是不具化學(xué)活動性的富碳貧氫組分，屬于高等植物木質(zhì)纖維組織炭化作用的產(chǎn)物。 穩(wěn)定組由高等植物中較富含氫的組織器官及植物組織分泌物所形成，如孢子體、樹脂體、角質(zhì)體、木栓質(zhì)體等。 當(dāng)褐煤層繼續(xù)沉降到地殼較深處時，上覆巖層壓力當(dāng)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)作用速度不斷增大，地溫不斷增高，褐煤中的物理化

15、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。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。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。這一過程壓力可達幾十變成無煙煤。這一過程壓力可達幾十-幾百兆帕，溫度一幾百兆帕，溫度一般般200。（。（1兆兆106） 高級變質(zhì)階段高級變質(zhì)階段

16、 如受火山巖漿等更高溫度作用，煙煤如受火山巖漿等更高溫度作用，煙煤可能轉(zhuǎn)變?yōu)樘烊唤?，無煙煤可能轉(zhuǎn)變?yōu)槭赡苻D(zhuǎn)變?yōu)樘烊唤?，無煙煤可能轉(zhuǎn)變?yōu)槭?。這已不屬于煤的變質(zhì)階段。墨。這已不屬于煤的變質(zhì)階段。 可見，可見，變質(zhì)過程變質(zhì)過程是指褐煤沉降到地殼是指褐煤沉降到地殼深處，在長時間的地?zé)幔ㄉ钐帲陂L時間的地?zé)幔?00200以下）和以下）和高壓（幾十到幾百兆帕）作用下發(fā)生化學(xué)高壓（幾十到幾百兆帕）作用下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，其組成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)發(fā)生變化，轉(zhuǎn)反應(yīng)，其組成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)發(fā)生變化，轉(zhuǎn)變?yōu)闊熋?、無煙煤的過程。變?yōu)闊熋?、無煙煤的過程。2. 5km3. 5km4. 5km5. 5km6. 0km8. 0km長焰

17、煤長焰煤氣煤氣煤肥煤肥煤焦煤焦煤瘦煤瘦煤貧煤貧煤無煙煤無煙煤長焰煤長焰煤氣煤氣煤肥肥煤焦煤焦煤瘦煤瘦煤貧煤貧煤無煙煤無煙煤煤質(zhì)的垂直分布與水平分帶關(guān)系圖煤質(zhì)的垂直分布與水平分帶關(guān)系圖煤變質(zhì)程度（煤度）隨時間的變化情況揮發(fā)物質(zhì)揮發(fā)物質(zhì)時間時間褐煤泥炭煙煤、無煙煤泥炭褐煤煙煤無煙煤埋藏壓力埋藏壓力植物煤炭泥炭化階段煤化階段生物化學(xué)變化物理化學(xué)變化成巖作用 - 生物巖變質(zhì)作用 - 褐煤、煙煤、無煙煤多氧分解水解作用缺氧還原作用凝膠化作用 - 鏡質(zhì)組絲炭化作用 絲質(zhì)組 （惰質(zhì)組）煤巖有機顯微組分鏡質(zhì)組絲質(zhì)組穩(wěn)定組是不具化學(xué)活動性的富碳貧氫組分，屬于高等植物木質(zhì)纖維組織炭化作用的產(chǎn)物。 通常是煤巖中最主

18、要的顯微組分之一，它屬于高等植物木質(zhì)纖維組織凝膠化作用的產(chǎn)物，主要由腐殖物質(zhì)的腐殖酸部分形成的組分。由高等植物中較富含氫的組織器官及植物組織分泌物所形成，如孢子體、樹脂體、角質(zhì)體、木栓質(zhì)體等。 8310 m 5.參考資料參考資料 在煤成氣中，鏡質(zhì)組和絲質(zhì)組以成氣在煤成氣中，鏡質(zhì)組和絲質(zhì)組以成氣為主，穩(wěn)定組以成油為主。為主，穩(wěn)定組以成油為主。 煤成氣主要產(chǎn)自鏡質(zhì)組。煤成氣主要產(chǎn)自鏡質(zhì)組。 穩(wěn)定組含量相對較高的煤可形成相當(dāng)穩(wěn)定組含量相對較高的煤可形成相當(dāng)量的凝析油氣或輕質(zhì)油。量的凝析油氣或輕質(zhì)油。 煤系有機質(zhì)的演化也不同于經(jīng)典的有煤系有機質(zhì)的演化也不同于經(jīng)典的有機質(zhì)演化規(guī)律：在未成熟階段以樹脂體成

19、機質(zhì)演化規(guī)律：在未成熟階段以樹脂體成烴為主，生成以甲烷占優(yōu)勢的天然氣，還烴為主，生成以甲烷占優(yōu)勢的天然氣，還有凝析油或輕質(zhì)油；在成熟階段，穩(wěn)定組、有凝析油或輕質(zhì)油；在成熟階段，穩(wěn)定組、鏡質(zhì)組分別逐次成烴，主要生成以甲烷為鏡質(zhì)組分別逐次成烴，主要生成以甲烷為主并有相當(dāng)多重?zé)N氣的天然氣，在本階段主并有相當(dāng)多重?zé)N氣的天然氣，在本階段的初期也產(chǎn)凝析油和輕質(zhì)油。的初期也產(chǎn)凝析油和輕質(zhì)油。 烏審旗地圖顯微煤巖分析儀（巖相分析）顯微煤巖分析儀（巖相分析） 知識介紹：知識介紹：顯微煤巖分析儀應(yīng)用顯微煤巖分析儀應(yīng)用等 變 質(zhì) 線1 098765437 98 18 38 58 78 99 19 39 5鏡 質(zhì) 組

20、絲 質(zhì) 組穩(wěn) 定 組HCd a fd a f褐煤長焰煤其它煙煤褐煤長焰煤其它煙煤Vd a f01 04Td a fHd a f2 03 04 05 051 01 52 02 5567dafC1009085807060daf65420圖6-3 煤 中 碳 和 氫 的 關(guān) 系（ 據(jù) 煤 炭 化 驗 手 冊 ，1976）daf1009085807060daf50403020100圖6-4 煤 的 揮 發(fā) 分 產(chǎn) 率 與 碳 含量 的 關(guān) 系（ 據(jù) 煤 炭 化 驗 手 冊 ，1976）揮發(fā)分焦渣1-2號的(氧化)煤揮發(fā)分焦渣3-7號的正常煤6.56.05.55.04.54.0321dafdaf6560

21、555045403530252010圖6-5 煤的揮發(fā)分產(chǎn)率與氫含量的關(guān)系（據(jù)煤炭化驗手冊，1976）穩(wěn) 定 組鏡 質(zhì) 組絲 質(zhì) 組d a fd a f9 59 39 18 98 78 58 38 17 91 61 41 21 086420等 變 質(zhì) 線圖6 -6 不 同 煤 巖 成 分 的 氧 含 量（ 據(jù)D .W .克 列 威 倫 ，1 9 6 1）（）容積水分內(nèi)在水分含量dafdaf0510152025303535302520151050606060606070650102030405060圖6-7 煤 中 內(nèi) 在 水 分 含 量 與 碳 含 量和 揮 發(fā) 分 之 間 的 關(guān) 系 （ 據(jù)

22、 武 漢 地 質(zhì)學(xué) 院 煤 田 教 研 室 ，1979）（）容積水分內(nèi)在水分含量dafdaf0510152025303535302520151050606060606070650102030405060圖6-7 煤 中 內(nèi) 在 水 分 含 量 與 碳 含 量和 揮 發(fā) 分 之 間 的 關(guān) 系 （ 據(jù) 武 漢 地 質(zhì)學(xué) 院 煤 田 教 研 室 ，1979）85.0%CC=OCHNHCH 脂 肪 族C=C-C=CCH32CH3CHC-O-CC-O-芳 香 族多 縮 芳 香系 統(tǒng)332系 統(tǒng)多 縮 芳 香芳 香 族C=C-C=CC-O-C-O-CCHCHCHC=OCH 脂 肪 族NHCH151005

23、151005100510150505100505050505050500000000001000000000000000波 長吸收強度（光密度）96.0%C95.0%C94.2%C93.4%C92.5%C57.3%C58.1%C70.5%C75.5%C81.5%C89.0%C24681 01 21 424681 01 21 424681 01 21 41 41 21 08642圖6 -8 煤 的 紅 外 吸 收 光 譜（ 引 自D .W .克 列 威 倫 ， co al 一 書 ，1 9 61）9 6 . 59 4 . 29 3 . 79 1 . 79 1 . 28 8 . 78 5 . 58

24、 1 . 47 5 . 96 9 . 66 5 . 1C%0 0 41 0 10 0 21 0 0 1 0 2 1 0 31 1 00 0 61 1 21 1 20 0 41 0 10 0 61 1 01 0 31 0 21 0 00 0 21 00 80 60 40 20 00 90 70 50 30 1墨石煤鏡ba2 S i n2 S i nba強度強度圖6 - 9 鏡 煤 和 石 墨 的X -射 線 衍 射 曲 線 圖（ 引 自D .W .克 列 威 倫 ， c o a l 一 書 ，1 9 6 1）HHHHOOOOOOOOCHCNNCH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2

25、CH2CH2CH2CH3CH2CH3H2H2H2H2H2H2H2H2H2CH2H2H22OHHHO圖6-10 鏡質(zhì)組（Cdaf=82%）的分子結(jié)構(gòu)模型（據(jù)武漢地質(zhì)學(xué)院煤田教研室，1979）2HHHHH OO HOOOC H5C H2C H3C H2C H2C H3H C3C H3C H33C H低 分 子 物圖6 -1 1 煤 化 學(xué) 結(jié) 構(gòu) 模 型 （ 據(jù) 武 漢地 質(zhì) 學(xué) 院 煤 田 教 研 室 ，1 9 7 9）半 焦膠 質(zhì) 層煤 樣壓 力 盤鋼 杯探 針圖6 -1 2 膠 質(zhì) 層 煤 杯 中 的 結(jié) 焦 過 程 示 意 圖 （ 據(jù) 中國 煤 田 地 質(zhì) 學(xué) （ 上 冊 ） ，1 9 7 9）xy700640580