《煤化学》第02章-煤的生成.ppt

1 煤 化 学 第 二 章 煤 的 生 成 化学科学与工程学院 郭绍辉 2009年36月第 三 节 成 煤 环 境 第 四 节 成 煤 作 用 过 程 课 程 编 号 ： 0103012409-1学 时 40开 课 时 间 ： 7 16周上 课 教 室 ：周 二 18:30 20:15 3-302#周 五 15:30 17:15 3-302#学 生 ： 化 工 2006 2-3时 间 3月 4月 5月 6月周 二 31 7、 14、 21、 28 5、 12、 19、 26 2周 五 3、 10、 17、 24 1、 8、 15、 22、 31 5 2 第 三 节 成 煤 环 境 植 物 遗 体 堆 积 并 转 变 为 泥 炭 ， 需 要 一 定 的 条 件 大 量 植 物 的 持 续 繁 殖 植 物 遗 体 没 有 被 全 部 氧 化 分 解 ， 能 够 保 存 下 来 具 备 这 样 条 件 的 场 所 - 沼 泽 3 河 口 三 角 洲 常 有 巨 大 漂 木 堆 积 埋 藏 後 也 有 可 能 形 成 异 地生 成 的 煤 。 成 煤 植 物 在 沼 泽 中 的 堆 积 有 两 种 基 本 方 式 ： 原 地 生 成 异 地 生 成 成 煤 植 物 在 其 生 长 繁 殖 的 原 地 堆 积 转 变 成 泥 炭成 煤 植 物 经 长 距 离 搬 运 再 堆 积 则 称 异 地 生 成 自 然 界 绝 大 部 分 煤 层 均 属 原 地 生 成 底 板 中 直 立 的 植 物 根系 化 石 或 树 干 化 石 就 是 证 据异 地 生 成 的 泥 炭 很 难 形 成 有 经 济 价 值 的 煤 层 4 一 、 泥 炭 沼 泽 的 起 源 常 年 积 水 或 及 其 潮 湿 的 地 段内 有 大 量 植 物 生 长 和 堆 积植 物 死 亡 后 遗 体 被 沼 泽 水 覆 盖植 物 遗 体 不 致 完 全 氧 化 分 解经 过 生 物 化 学 作 用 转 变 为 泥 炭泥 炭 沼 泽 形 成 条 件 取 决 于 ：煤 层 通 常 源 自 沉 积 在 沼 泽 中 的 泥 炭沼 泽 是 在 一 定 的 气 候 、 地 貌 和 水 文 条 件 下 的 产 物古 植 物古 气 候古 地 理大 地 构 造 母 质 层潜 育 层腐 植 泥 层草 根 层潜 育 沼 泽 结 构 示 意 图 5 植 物 遗 体 的 大 量 堆 积 是 泥 炭 形 成 的 基 础 尽 管 泥 盆 纪 已 有 陆 生 植 物 出 现 ， 但 数 量 不 多 ， 未 能 形 成有 工 业 价 值 的 煤 层 。 只 有 植 物 演 化 到 一 定 阶 段 ， 高 大 的 木 本 植 物 繁 殖 堆 积 ， 才可 形 成 广 泛 的 、 工 业 意 义 的 煤 层 。 1. 古 植 物 ： 5.454.954.54.13.52.52.01.40.650.018被 子 植 物 裸 子 植 物 蕨 类 , 种子 植 物 裸 蕨植 物 菌 藻 植 物 6 在 潮 湿 温 暖 的 气 候 下 沉 积 的 煤 层 中 含 有 许 多 由 粗 大 树 干 形成 的 光 亮 煤 宽 条 带 温 和 或 微 冷 的 气 候 下 则 光 亮 煤 相 对 较 少 2. 古 气 候 ：植 物 生 长 需 要 适 宜 的 温 度 和 湿 度 其 中 湿 度 最 重 要 ， 只 要 有 足 够 的 湿 度 ， 热 带 、 亚 热 带 、 温带 和 寒 带 都 可 发 育 泥 炭 沼 泽 ， 并 形 成 泥 炭 层气 温 ： 影 响 植 物 繁 殖 速 度 及 植 物 遗 体 分 解 速 度 7 3. 古 地 理 ：提 供 成 煤 的 场 所 （ 泥 炭 形 成 环 境 ） 常 年 积 水 的 洼 地包 括 地 形 和 沉 积 环 境 煤 层 的 前 身 是 泥 炭 和 腐泥 - 沼 泽 的 产 物 古 地 理 环 境 决 定 了 煤 层 发 育的 一 般 地 段 和 最 有 利 地 段 虽 然 许 多 泥 炭 沼 泽 是 由 于 海 退 形成 的 ， 但 另 一 些 则 是 由 于 海 浸 的 结 果 8 提 供 成 煤 作 用 缓 慢 而 均 匀 的 沉 降 运 动 （ 均 衡 补 偿 ） 和 成 煤坳 陷 ， 同 时 也 产 生 坳 陷 内 部 的 次 级 隆 起 以 及 坳 陷 所 导 致 的 沉 积作 用 分 异 。 地 壳 的 剧 烈 或 过 缓 沉 降 运 动 都 不 利 于 厚 层 泥 炭 层 的 形 成 ，植 物 的 堆 积 和 地 壳 沉 降 的 平 衡 ， 决 定 泥 炭 层 形 成 厚 度 。4. 大 地 构 造 （ 地 壳 运 动 ） ： 9 古 气 候 、 古 地 理 受 大 地 构 造 的 影 响 ， 而 古 生 物 的 大 量 繁 殖又 是 在 合 适 的 古 气 候 、 古 地 理 条 件 下 产 生 的 。 在 以 上 4个 条 件 中 ， 大 地 构 造 因 素 往 往 起 主 导 作 用 10 从 低 等 植 物 到 高 等 植 物 ， 从 水 生 植 物 、 半 水 生 植 物 到 陆 生植 物 ， 从 简 单 到 复 杂 ， 形 成 种 类 繁 多 的 植 物 世 界 ， 为 煤 的 聚集 提 供 了 物 质 基 础 。 正 由 于 植 物 群 落 的 演 变 呈 现 出 继 承 性 、 阶 段 性 发 展 ， 使 中国 地 史 上 聚 煤 模 式 经 过 了 四 个 阶 段 ， 而 且 每 一 个 阶 段 具 有 一定 的 特 点 ， 并 在 煤 岩 性 质 方 面 留 下 了 不 同 的 标 志 。 5.454.954.54.13.52.52.01.40.650.018被 子 植 物 裸 子 植 物 蕨 类 , 种子 植 物 裸 蕨植 物 菌 藻 植 物 11 地 球 上 除 南 极 尚 未 发 现 沼 泽 外 ， 各 地 均 有 沼 泽 分 布 。 由 于沼 泽 地 的 土 壤 有 泥 炭 土 与 潜 育 土 之 分 ， 沼 泽 可 分 为 泥 炭 沼 泽和 潜 育 沼 泽 两 大 类 。 地 球 上 最 大 的 泥 炭 沼 泽 区 在 西 西 伯 利 亚 低 地 ， 它 南 北 宽800km， 东 西 长 1800km - 堆 积 了 地 球 全 部 泥 炭 的 40 世 界 上 最 大 面 积 的 冰 冻 泥 炭 沼 泽 占地 相 当 于 法 国 和 德 国 面 积 之 和 ， 现 在 正在 融 化 ， 该 冻 土 带 最 初 是 从 11000年 前形 成 的 。 西 西 伯 利 冰 冻 泥 炭 沼 泽 地 含 有 10亿吨 甲 烷 12 13 二 、 煤 相 的 发 育 显 微 组 分矿 物 组 分 （ 显 微 煤 岩 类 型 组 合 ）与 煤 级 关 系 不 大 的 某 些 化 学 参 数 如 ： 硫 、 氮 的 含 量 和 镜 质 组 的 氢 碳 比某 些 结 构 特 征工 艺 类 型煤 相 一 定 的 形 成 环 境 下 所 沉 积 的 泥 炭 物 质 的 表 现是 煤 的 原 始 成 因 类 型 ， 它 取 决 与 泥 炭 形 成 时 的 环 境煤 相 的 表 征 参 数 ： 14 不 同 的 煤 相 类 型 ， 成 因 不 同 ， 工 艺 性 质 也 不 相 同 煤 层 的 原 始 性 质 取 决 于 ： 堆 积 方 式 （ 原 地 生 成 的 、 异 地 生 成 的 ） 形 成 泥 炭 的 植 物 群 落 沉 积 环 境 （ 浅 沼 ， 湖 沼 ， 微 咸 水 咸 水 ， 富 含 钙 质 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 的 温 度 氧 化 还 原 电 位 （ 需 氧 的 ， 厌 氧 的 ）根 据 沼 泽 的 特 征 ， 煤 相 可 分 为 ： 陆 地 森 林 沼 泽 煤 相 （ FTM）森 林 沼 泽 煤 相 （ FM）芦 苇 沼 泽 煤 相 （ RM）开 阔 水 体 沼 泽 煤 相 （ OM） 15 c 古 生 代 煤 中 生 代 煤b 古 生 代 煤 中 生 代 煤 在 等 变 质 条 件 下 （ R0 相 近 ） ， 由 于 成 煤 时 代 不 同 ， 煤 的活 性 组 分 含 量 、 煤 粘 结 指 数 有 不 同 的 变 化 规 律 R = 0.11.2%这 个 等 变 质 阶 段 煤 ， 当 显 微 组 分 中 活 性 组分 含 量 相 同 时 ， 古 生 代 煤 的 粘 结 性 比 中 生 代 煤 高 古 生 代 煤 中 生 代 煤a 不 同 成 煤 时 代 煤 中 活 性 组 分 的 粘 结 性 差 异 16 这 不 仅 反 映 在 粘 结 性 指 标 上 ， 如 G、 b(膨 胀 度 )和 煤 塑 性 体吉 氏 最 大 流 动 度 ， 而 且 煤 中 含 硫 量 也 有 明 显 差 异 。 这 说 明 当 煤 层 的 煤 阶 相 同 、 煤 岩 组 成 相 近 时 ， 两 种 煤 在 化学 、 物 理 、 结 构 和 工 艺 性 质 上 都 存 在 很 大 差 异 。 也 说 明 影 响 煤 质 的 因 素 除 煤 的 变 质 程 度 和 岩 相 组 成 外 ，还 有 第 三 个 因 素 -还 原 程 度 。 17 煤 的 还 原 程 度 是 影 响 我 国 煤 性 质 的 另 一 个 成 因 因 素 主 要 体 现 在 煤 的 成 因 类 型 上 。 不 同 还 原 程 度 （ 类 型 ） 的 煤 由 于 形 成 环 境 及 组 成 上 的 差 异 ，必 然 致 使 煤 质 发 生 明 显 的 变 化 ：煤 的 化 学 组 成 与 性 质 化 学 工 艺 性 质煤 在 埋 藏 过 程 中 的 产 烃 能 力煤 的 自 然 发 火 倾 向 18 强 还 原 煤 比 弱 还 原 煤 ： 有 较 高 的 氢 碳 原 子 比 （ H/C） 硫 含 量 （ St,d） 挥 发 分 产 率 （ Vdaf） 焦 油 产 率 （ Tardaf） 较 强 的 粘 结 能 力 （ 粘 结 指 数 G 和 Y 值 ） 强 还 原 煤 是 一 般 较 好 的 直 接 液 化 煤 较 强 还 原 煤 具 有 较 好 的 粘 结 能 力 ， 是 良 好 的 炼 焦 煤 弱 还 原 煤 在 这 些 方 面 都 比 强 还 原 煤 差煤 的 还 原 程 度 决 定 了 煤 性 质 上 的 差 异 ， 在 不 同 的 煤 阶 下 ： 19 煤 的 还 原 程 度 与 煤 的 自 然 发 火 的 倾 向 ：自 然 发 火 倾 向 小自 然 发 火 倾 向 大 20 随 着 研 究 的 深 入 ， 对 煤 还 原 程 度 的 认 识 将 日 益 深 入 ， 国内 外 学 者 对 “ 还 原 程 度 ” 这 一 客 观 存 在 ， 逐 渐 取 得 共 识 。 但还 存 在 一 些 问 题 ： 煤 的 还 原 程 度 的 表 征 无 法 从 化 学 结 构 上 对 其 差 异 作 出 科 学 的 解 释 21 第 四 节 成 煤 作 用 过 程 由 植 物 转 化 为 煤 要 经 历 复 杂 而 漫 长 的 过 程 ， 一 般 需 要 几 千万 年 到 几 亿 年 的 时 间 无 烟 煤烟 煤褐 煤泥 炭 （ 腐 泥 ）植 物 逐 步 由 低 级 向 高 级 转 化泥 炭 化 作 用 （ 腐 泥 化 作 用 ） 煤 化 作 用成 岩 作 用 过 程 变 质 作 用 过 程 22 一 、 泥 炭 化 作 用 与 腐 泥 化 作 用 （ 一 ） 泥 炭 化 作 用 高 等 植 物 死 亡 后 ， 在 生 物 化 学 作 用 下 ， 变 成 泥 炭 的 过 程 植 物 所 有 的 有 机 组 分 和 泥 炭 沼 泽 中 的 微 生 物 都 参 加 了 成 煤作 用 ， 而 且 各 种 组 分 对 于 形 成 泥 炭 与 泥 炭 进 一 步 转 变 为 成 煤的 过 程 均 有 影 响 ， 并 在 不 同 程 度 上 决 定 着 煤 的 性 质 。 23 第 一 阶 段 ： 植 物 遗 体 中 的 有 机 化 合 物 ， 经 过 氧 化 分 解 和 水 解 作 用 ，转 化 为 简 单 的 化 学 性 质 活 泼 的 化 合 物 ； 第 二 阶 段 ： 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 等 。泥 炭 化 过 程 中 的 生 物 化 学 作 用 大 致 分 为 两 个 阶 段 ： 这 两 个 阶 段 不 是 截 然 分 开 的 ， 在 植 物 分 解 作 用 进 行 不 久 ，合 成 作 用 也 就 开 始 了 24细菌分解 各 类 微 生 物 中 ， 喜 氧 性 细 菌 中 的 无 芽 孢 杆 菌 具 有 强 烈 分 解蛋 白 质 的 能 力 ， 在 分 解 植 物 遗 体 的 初 期 占 优 势 。 真 菌 能 分 解 糖 类 、 淀 粉 、 纤 维 素 、 木 质 素 和 鞣 质 等 有 机 质第 一 阶 段细 菌 分 解 分 解 纤 维 素 的 微 生 物 种 类 很 多 ， 如 喜 氧 性 细 菌 通 过 纤 维 素酶 的 催 化 作 用 ， 把 纤 维 素 水 解 成 二 氧 化 碳 和 水 。(C6H10O5)n+ nH2O nC6H12O6（单糖）6CO 2 + 6H2O + 热量（放热）C6H12O6 + 6O2 25 微 生 物 也 分 解 脂 肪 ， 它 首 先 从 脂 肪 中 分 解 出 脂 肪 酸 ， 脂 肪酸 再 进 一 步 氧 化 ， 则 分 解 为 二 氧 化 碳 和 水 。 蛋 白 质 在 微 生 物 的 作 用 下 最 后 分 解 为 水 、 氨 、 二 氧 化 碳 及硫 、 磷 的 氧 化 物 等 ， 在 分 解 过 程 中 也 可 以 生 成 氨 基 酸 、 卟 啉 等含 氮 化 合 物 参 与 泥 炭 化 作 用 第一阶段 当 环 境 逐 渐 转 化 为 缺 氧 时 ， 纤 维 素 、 果 胶 质 又 在 厌 氧 性 细菌 作 用 下 产 生 发 酵 作 用 ， 形 成 甲 烷 、 二 氧 化 碳 、 氢 气 、 丁 酸 、醋 酸 等 中 间 产 物 ， 参 与 泥 炭 化 作 用 。3 C6H12O6 2C4H8O2 + 2C2H4O2 + 2 H2O + 2CH4+ 4CO2 26 可 见 ， 植 物 各 有 机 组 分 抵 抗 微 生 物 分 解 的 能 力 不 同按 其 稳 定 性 来 看 ： 最 易 分 解 的 是 原 生 质 其 次 是 脂 肪 、 果 胶 质 、 纤 维 素 、 半 纤 维 素 最 后 是 木 质 素 、 木 栓 质 、 角 质 、 孢 粉 质 、 蜡 质 和 树 脂 实 验 表 明 :把 植 物 遗 体 ， 埋 在 土 壤 中 ， 一 年 后 ， 在 微 生 物 的 分 解 作 用 下糖 类 消 失 99%半 纤 维 素 消 失 75%木 质 素 消 失 50%蜡 质 消 失 25%酸 消 失 10% 27 比 较 稳 定 的 木 质 素 ， 也 能 被 特 定 的 真 菌 和 芽 孢 菌 所 分 解 植 物 的 角 质 层 、 孢 子 、 花 粉 和 树 脂 具 有 抗 微 生 物 分 解 的 性能 ， 所 以 当 其 他 组 分 已 被 分 解 消 失 之 后 ， 它 们 仍 能 很 好 地 保 存下 来 。 植 物 中 各 有 机 组 分 对 微 生 物 分 解 作 用 的 稳 定 性 是 相 对 的 ，是 随 着 一 定 的 条 件 而 变 化 的 。 近 年 的 研 究 表 明 ， 在 通 气 条 件 好 、 pH值 高 的 条 件 下 ， 孢 子也 能 很 快 地 分 解 ， 有 的 煤 层 中 就 发 现 过 受 了 凝 胶 化 作 用 和 丝 炭化 作 用 的 孢 子 。第一阶段 28 随 着 植 物 遗 体 的 堆 积 和 分 解 ， 在 泥 炭 层 底 部 的 氧 化 环 境 逐步 被 还 原 环 境 所 替 代 ， 分 解 作 用 逐 步 减 弱 。 与 此 同 时 ， 在 厌 氧 性 细 菌 的 参 与 下 ， 分 解 产 物 之 间 的 合 成作 用 和 分 解 产 物 与 植 物 遗 体 之 间 的 相 互 作 用 开 始 占 主 导 地 位 。第 二 阶 段 由 于 微 生 物 本 身 含 有 大 量 蛋 白 质 ， 因 此 它 亦 参 与 成 煤 作用 。 这 种 合 成 作 用 导 致 一 系 列 新 产 物 的 出 现 ， 最 主 要 的 产 物就 是 腐 植 酸 和 沥 青 质 。 木 质 素 、 纤 维 素 、 蜡 质 、 脂 肪 及 其 水 解 、 氧 化 产 物 都 含有 大 量 活 泼 的 官 能 团 （ C=O 、 O H 、 CO O H 以 及 活 泼 的 -氢 ） ， 大 量 活 泼 的 官 能 团 的 共 同 存 在 ， 相 互 反 应 ， 相 互 作 用 29 由 植 物 转 变 为 泥 炭 ， 在 化 学 组 成 上 发 生 了 质 的 变 化第二阶段植 物 与 泥 炭 元 素 组 成 % 有 机 组 成 %C H N O+S 纤 维 素 ，半 纤 维 素 木 质 素 蛋 白 质 沥 青 A 腐 植 酸莎 草 47.205.61 1.61 39.37 50.00 2030 5 10 5 10 0表 2-6 植 物 与 泥 炭 化 学 组 成 的 比 较合 浦 木 本 泥 炭 65.466.53 1.20 26.75 0.89 0.39 0 0 42.88桦 川 草 本 泥 炭 55.876.35 2.90 34.97 19.59 0.75 0 3.50 43.58木 本 植 物 50.156.20 1.05 42.10 50.60 20.30 1 7 1 3 0 在 元 素 组 成 上 ， 泥 炭 中 的 碳 含 量 比 植 物 中 的 碳 含 量 高 ， 氮含 量 也 有 所 增 加 ， 而 氧 含 量 减 少 。 说 明 泥 炭 化 过 程 中 植 物 的 各 种 有 机 组 分 发 生 了 复 杂 的 变 化 ，形 成 了 新 的 产 物 。 这 些 产 物 的 组 成 和 性 质 与 原 来 植 物 的 组 成 和 性 质 是 不 同 的 。 30 泥 炭 的 有 机 组 成 主 要 包 括 一 下 几 个 部 分 ：(1) 腐 植 酸 ： 它 是 泥 炭 中 最 主 要 的 成 分 。 腐 植 酸 是 高 分 子 羟 基 芳 香 羧 酸所 组 成 的 复 杂 混 合 物 ， 具 有 酸 性 ， 溶 于 碱 性 溶 液 而 呈 黑 色 ， 是一 种 无 定 形 的 高 分 子 胶 体 ， 能 吸 水 而 膨 胀 。(2) 沥 青 质 ： 由 合 成 作 用 形 成 的 ， 也 可 以 由 树 脂 、 蜡 质 、 孢 粉 质 等 转 化而 来 。 沥 青 质 溶 于 一 般 的 有 机 溶 剂 。(3) 未 分 解 或 完 全 分 解 的 纤 维 素 、 半 纤 维 素 、 果 胶 质 和 木 质 素(4) 变 化 不 多 的 稳 定 组 分 ， 如 角 膜 、 树 脂 和 孢 粉 等 。第二阶段 31 成 煤 植 物 经 过 泥 炭 作 用 形 成 的 泥 炭 ， 呈 棕 褐 色 或 黑 褐 色 的不 均 匀 物 质 ， 含 有 大 量 的 水 分 ， 达 70% 90%。 开 采 出 来 的 泥 炭 经 过 自 然 干 燥 ， 其 水 分 可 降 至 25% 35% 干 燥 后 的 泥 炭 为 棕 褐 色 或 黑 褐 色 的 土 状 碎 块 ， 其 真 密 度 为1.29 1.61g/cm3， 经 风 干 后 泥 炭 的 体 积 约 缩 小 40%。 泥 炭 中 含 有 大 量 未 分 解 的 植 物 组 织 ， 如 根 、 茎 、 叶 等 残 留物 ， 有 时 肉 眼 就 可 以 看 出 来 。 因 此 ， 泥 炭 的 主 要 特 征 是 碳 水 化 合 物 含 量 很 高 泥 炭 除 含 有 碳 水 化 合 物 外 ， 还 含 有 腐 植 酸 。 泥 炭 具 有 胶 体 的 特 征 ， 能 将 水 吸 入 其 微 孔 结 构 而 本 身 并 不膨 胀 。 泥 炭 可 用 作 锅 炉 和 煤 气 发 生 炉 的 燃 烧 ， 也 可 进 行 低 温 干 馏 ，以 制 取 人 造 液 体 燃 料 和 多 种 化 工 原 料 。 泥 炭 中 的 腐 殖 酸 可 做 腐 植 酸 肥 料 。 第二阶段 32 （ 二 ） 腐 泥 化 作 用 在 停 滞 缺 氧 的 还 原 水 盆 中 ， 浮 游 生 物 和 菌 类 死 亡 后 的 分 解产 物 相 互 作 用 并 沉 入 水 底在 还 原 环 境 下 ， 由 低 等 植 物 转 变 为 腐 泥 的 作 用密 度 增 大 逐 渐 形 成 腐 泥形 成 一 种 含 水 多 的 棉 絮 状 胶 体 物 质低 等 植 物 中 的 蛋 白 质 、 碳 水 化 合 物 、 脂 肪 等 遭 到 分 解通 过 厌 氧 细 菌 的 作 用聚 合 和 缩 合 作 用进 一 步 变 化 ， 去 水 致 密 腐 泥 煤 第二阶段 33腐 泥 中 常 混 有 细 小 的 泥 质 和 砂 质 颗 粒 。 腐 泥 是 在 滞 水 条 件 下 堆 积 的 有 机 软 泥沼 泽 的 深 水 地 带 、 逐 渐 沼 泽 化 的 丛 生 湖 泊 中淡 水 湖 泊 、 半 淡 水 湖 泊 中半 咸 水 的 泄 湖 、 海 湾 中形 成 环 境有 机 质 来 源 ：主 要 是 水 中 浮 游 生 物 （ 如 绿 藻 、 兰 绿 藻 等 群 体 绿 藻 ）浮 游 微 体 动 物 等水 底 和 浅 水 的 植 物 群混 入 一 些 被 风 和 水 带 来 的 高 等 植 物 遗 体如 孢 子 、 花 粉 、 角 质 膜 和 植 物 组 织 的 碎 片 等第二阶段 34 二 、 煤 化 作 用 19世 纪 70年 代 “ 煤 化 作 用 ” 一 词 开 始 用 于 说 明 泥 炭 在 成 煤第 二 阶 段 演 变 为 煤 的 作 用 。 当 泥 炭 为 其 他 沉 积 物 覆 盖 时 ， 泥 炭 化 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 ， 由 于 有 机物 和 煤 对 温 度 和 压 力 变 化 的 反 应 比 无 机 沉 积 要 灵 敏 的 多 ， 煤 化过 程 中 有 机 质 发 生 相 应 的 变 化 。 由 于 煤 对 于 温 度 敏 感 的 特 点 ， 根 据 化 学 组 成 和 物 理 结 构 在 煤 化 过 程 中 的 变 化 ， 将 煤 划 分 出 若 干 个 煤 化 阶 段 。 35 在 上 覆 沉 积 物 的 压 力 作 用 下 ， 泥 炭 发 生 了 压 紧 、 失 水 、 胶体 老 化 、 固 结 等 一 系 列 变 化 ， 微 生 物 的 作 用 逐 渐 消 失 ， 取 而 代之 的 是 缓 慢 的 物 理 化 学 作 用 。 泥 炭 逐 渐 变 成 了 较 为 致 密 的 岩 石状 的 褐 煤 。 褐 煤 的 形 成褐 煤 转 化 为 烟 煤 、 无 烟 煤 当 褐 煤 层 继 续 沉 降 到 地 壳 较 深 处 时 ， 上 覆 岩 层 压 力 不 断 增大 ， 地 温 不 断 增 高 ， 褐 煤 中 的 物 理 化 学 作 用 速 度 加 快 ， 煤 的 分子 结 构 和 组 成 产 生 了 较 大 的 变 化 。 碳 含 量 明 显 增 加 ， 氧 含 量 迅速 减 小 ， 腐 植 酸 也 迅 速 减 小 并 消 失 。 褐 煤 逐 渐 转 化 成 为 烟 煤 。 随 着 煤 层 沉 降 速 度 的 加 大 ， 压 力 和 温 度 的 提 高 ， 煤 的 分 子结 构 继 续 变 化 ， 煤 的 性 质 也 继 续 发 生 不 断 的 变 化 ， 最 终 变 成 无烟 煤 36 褐 煤 向 烟 煤 和 无 烟 煤 的 转 化 称 为 变 质 作 用 。促 进 煤 变 质 作 用 的 主 要 因 素 是 温 度 和 时 间 。 温 度 过 低 （ 50 60 ） ， 褐 煤 的 变 质 就 不 明 显 。 如 ： 莫 斯 科 煤 田 ， 至 今 有 3亿 年 以 上 ， 仍 处 于 褐 煤 阶 段 煤 化 程 度 是 煤 受 热 温 度 和 持 续 时 间 的 函 数 。 温 度 越 高 变 质作 用 的 速 度 越 快 。 因 为 变 质 作 用 的 实 质 是 煤 分 子 的 化 学 变 化 ，温 度 高 促 进 了 化 学 反 应 速 度 的 提 高 。 因 此 ， 在 较 低 的 温 度 下 长 时 间 受 热 和 较 高 温 度 下 短 时 间 受热 ， 都 可 能 得 到 同 样 煤 化 程 度 的 煤 。 如 有 些 成 煤 年 代 较 早 ， 而 其 煤 化 程 度 却 不 如 成 煤 年 代 较 晚 37 植 物 遗 体泥 炭褐 煤烟 煤无 烟 煤超 无 烟 煤 泥 炭 化 阶 段成 岩 作 用 变质作用 煤化作用成煤作用 成 煤 阶 段 划 分 38u 煤 的 各 种 物 理 化 学 性 质 在 煤 化 过 程 中 或 多 或 少 、 或 快 或 慢地 变 化 ， 其 中 某 些 性 质 变 化 显 著 ， 可 以 作 为 较 好 的 煤 化 程 度 指标 ， 或 在 某 阶 段 变 化 比 较 明 显 ， 适 于 作 某 阶 段 的 煤 化 程 度 指 标u 不 同 煤 化 阶 段 具 有 不 同 的 煤 化 指 标 ， 表 明 煤 的 演 化 是 一 个复 杂 的 过 程 。u 煤 化 程 度 指 标 简 称 煤 化 指 标 ， 亦 称 为 煤 级 指 标 。 煤 化 作 用 ： 化 学 结 构 变 化 ：三 、 煤 化 程 度 指 标 孔 隙 度 、 反 射 率 、 光 学 异 向 性物 理 结 构 变 化 ： 如 C、 H、 O 含 量 和 Vdaf的 变 化 39 进 行 煤 化 程 度 研 究 ， 对 于 试 样 有 统 一 要 求 一 边 进 行 比 较 目 前 习 惯 于 以 工 业 牌 号 表 示 煤 的 变 质 程 度 和 煤 化 程 度 以 煤 层 平 均 煤 样 的 干 燥 无 灰 基 挥 发 分 Vdaf值 作 为 主 要 指 标 煤 的 各 种 显 微 组 分 在 煤 化 过 程 中 变 化 的 步 调 并 不 一 致 ， 而平 均 煤 样 的 Vdaf值 显 然 要 受 煤 岩 成 分 的 影 响 ， 通 常 不 能 准 确 地表 示 煤 化 程 度 和 变 质 程 度 。 因 此 ， 工 业 牌 号 只 能 在 煤 岩 成 分 没 有 明 显 差 别 的 情 况 下 ，近 似 地 代 表 煤 化 程 度 和 煤 的 变 质 程 度 。 在 各 种 显 微 组 分 中 ， 烟 煤 、 无 烟 煤 的 镜 质 组 和 褐 煤 的 腐 植组 ， 与 其 他 组 分 相 比 ， 具 有 杂 质 少 、 质 地 比 较 纯 净 均 一 、 、 分布 广 而 且 易 于 剥 离 等 优 点 反 映 煤 化 程 度 （ 变 质 程 度 ） 时 ， 化 学 分 析 资 料 最 好 取 自 微镜 煤 ， 测 定 反 射 率 时 也 要 求 用 镜 质 组 的 反 射 率 。 40 表 2-9 主 要 煤 化 程 度 指 标 变 化 41表 2-9 主 要 煤 化 程 度 指 标 变 化 42 43 四 、 煤 化 作 用 跃 变 及 实 质 在 煤 的 演 变 过 程 中 ， 出 现 四 次 较 明 显 的 变 化 ， 称 为 煤 化 作用 跃 变与 其 他 显 微 组 分 相 比 ， 镜 质 组 在 煤 化 过 程 中 演 变 的 内 容 最 丰富 常 用 镜 质 组 的 反 射 率 Ro 作 为 煤 的 演 化 程 度 指 标 44 第 一 次 煤 化 跃 变第 一 次 跃 变 的 特 点 ： 沥 青 化 作 用 的 发 生 并 进 入 了 最 明 显 的 阶 段 。 沥 青 化 作 用 的 残 余 产 物 ， 由 于 进 一 步 的 缩 合 ， 增 高 了 反 射率 （ 约 在 Vdaf=44% 40% 阶 段 ） 。 另 外 从 长 焰 煤 到 肥 煤 阶 段 水 分 继 续 下 降 ， 发 热 量 和 碳 含 量相 应 增 高 。 在 长 焰 煤 的 开 始 阶 段 Cdaf = 80% Vdaf = 43% Ro,max = 0.6% 45 由 于 煤 中 甲 烷 大 量 逸 出 ， 从 而 释 放 掉 大 量 氢 所 造 成 的 。 但在 这 一 阶 段 开 始 时 ， 煤 的 密 度 下 降 到 最 小 值 。 煤 的 显 微 孔 隙 度随 之 逐 步 减 小 ， 水 分 也 相 应 减 少第 二 次 煤 化 跃 变 在 肥 煤 阶 段 Cdaf = 87%Vdaf = 29%Ro,max = 1.3%但 随 后 因 化 学 结 构 的 变 化 ， 水 分 含 量 又 有 所 回 升 腐 植 凝 胶 基 本 上 完 成 了 脱 水 作 用 ， 水 分 和 孔 隙 度 都 达 到了 最 低 值 ， 而 发 热 量 则 升 高 到 最 大 值 。 Cdaf = 89%Vdaf = 20%Ro,max= 1.7%到 焦 煤 阶 段 46 此 外 ， 出 现 在 第 二 次 煤 化 跃 变 的 最 大 值 和 最 小 值 有 ： 表 示 这 一 系 列 物 理 化 学 的 曲 线 ， 在 出 现 最 大 值 或 最 小 值 处转 换 了 方 向 ， 因 此 第 二 次 煤 化 跃 变 又 叫 煤 化 作 用 转 折（ coalification break）内 表 面 积润 湿 热 等最 小 值 耐 磨 性焦 化 流 动 性粘 结 性内 生 裂 隙 数 目 等最 大 值 47 在 烟 煤 与 无 烟 煤 的 分 界 附 近 在 无 烟 煤 与 超 无 烟 煤 的 交 界 附 近第 三 次 煤 化 跃 变第 四 次 煤 化 跃 变 由 于 在 前 阶 段 ， 特 别 是 无 烟 煤 阶 段 ， 释 放 出 大 量 甲 烷 ， 因此 无 烟 煤 阶 段 也 以 H含 量 和 H/C比 的 迅 速 降 低 为 特 征 ； 甲 烷 大 量 释 放 的 同 时 ， 芳 香 族 稠 环 增 大 ， 缩 合 程 度 提 高 ，反 射 率 迅 速 增 高 。 在 超 无 烟 煤 阶 段 ， 芳 香 族 稠 环 在 上 覆 压 力 不 断 增 高 的 条 件下 ， 顺 层 面 的 排 列 更 加 规 则 化 ， 镜 质 组 的 最 大 反 射 率 甚 至 大 于丝 质 体 ， 光 学 异 向 性 明 显 增 强 ， 因 此 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 。 Cdaf = 93.5%Vdaf = 4%、Ro,max= 3.7%Cdaf = 91%Vdaf = 8%、Ro,max= 2.5% 48 我 国 目 前 使 用 的 煤 工 业 分 类 方 案 根 据 平 均 煤 样 的 化 学 工 艺性 质 （ 挥 发 分 Vdaf和 粘 结 指 数 G） 进 行 划 分 。 Vdaf不 仅 受 煤 化 程 度 的 影 响 ， 而 且 还 受 不 同 煤 岩 显 微 组 分的 影 响 ， 如 壳 质 组 或 惰 质 组 的 挥 发 分 就 比 镜 质 组 的 高 或 低 ， 仅用 挥 发 分 来 反 映 平 均 煤 样 的 煤 化 程 度 就 会 带 来 误 差 ， 只 有 当 平均 煤 样 是 属 于 光 亮 煤 或 半 亮 煤 （ 以 镜 质 组 为 主 ） 时 ， 煤 的 工 业牌 号 才 与 煤 阶 相 当 。 当 前 主 要 根 据 镜 质 组 的 反 射 率 划 分 煤 变 质 阶 段 或 煤 级 （ 煤 阶 ）煤 化 跃 变 Cdaf % Vdaf % RO, max %第 一 次 80 43 0.6第 二 次 87 29 1.3第 三 次 91 8 2.5第 四 次 93.5 4 3.7 49 依 据 镜 质 组 的 反 射 率 可 以 将 中 国 腐 植 煤 划 分 为 以 下 8个 煤 阶 ：褐 煤烟 煤无 烟 煤 长 焰 煤气 煤肥 煤焦 煤瘦 煤贫 煤 Ro,max 0.50%Ro,max 0.500.60%Ro,max 0.650.90%Ro,max 0.901.20%Ro,max 1.201.70%Ro,max 1.702.00%R o,max 2.50%低 煤 化 烟 煤中 煤 化 烟 煤高 煤 化 烟 煤 RO0.40.80.8 50 褐 煤烟 煤无 烟 煤 长 焰 煤气 煤肥 煤焦 煤瘦 煤贫 煤低 煤 化 烟 煤中 煤 化 烟 煤高 煤 化 烟 煤 12.7%17.3%42.4% 占 烟 煤 的 13.6%占 烟 煤 的 24.3%占 烟 煤 的 15.1%40.3% 占 烟 煤 的 46.9% 我 国 的 煤 炭 资 源 中 ， 从 褐 煤 到 无 烟 煤 的 各 种 煤 炭 资 源 都 有 ，但 其 数 量 和 分 布 及 不 均 衡 。在 我 国 已 发 现 资 源 中 ： 硬 煤 87.3%硬 煤 （ 烟 煤 无 烟 煤 ） 中 ：