煤化学第1章.

Coalchemistry2010培训版第1章煤的种类、特征与生成能源化学课程组武汉科技大学二o一o年一月1Coalchemistry本章内容1.1煤的种类和特征1.3腐殖煤的生成过程1.2成煤原始物料1.4主要成煤期与主要煤田2010培训版22010培训版Coalchemistry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。关键词植物残骸生化、物化、化学作用有机生物岩物质来源进程变化产物属性有机生物岩化学属性矿物属性3活化石—银杏Coalchemistry2010培训版1.1煤的种类和特征高等植物腐殖煤（含植物变化很小的组分形成的残殖煤，如树皮残殖煤、孢子残殖煤）藻煤由藻类形成胶泥煤烛煤煤精彻底分解的基质性同蜡烛，点火即燃结构细腻，质轻而有韧性，可雕刻工艺品4腐泥煤腐殖残殖煤低等植物（少量浮游生物）腐殖煤与腐泥煤的混合体Coalchemistry2010培训版抚顺精煤艺雕大肚能容天下事——弥勒佛威猛的将军5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火不燃烧燃烧，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＞25Coalchemistry2010培训版表1腐殖煤与腐泥煤的主要特征表1-1腐殖煤与腐泥煤的主要特征6Coalchemistry2010培训版1.1.2腐殖煤的主要特征和一般特性腐殖煤是自然界分布最广，蕴藏量最多的煤，以下未加特别说明，所说的煤均指腐殖煤。根据煤化度的不同，腐殖煤进一步依次划分为四大类：泥炭、褐煤、烟煤、无烟煤煤化度升高7Coalchemistry2010培训版1.1.2.1泥炭peat严格地讲，peat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，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%。8Coalchemistry2010培训版1.1.2.1泥炭peat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。泥炭的有机质:腐殖酸、沥青质、末分解的植物组织和变化不大的植物稳定组分（角质、树脂、孢粉、木栓质）等。9Coalchemistry2010培训版泥炭的赋存形态：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。泥炭的用途：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。蔬菜育苗专用泥炭近年来，其开发与利用发展迅速。10Coalchemistry2010培训版1.1.2.2褐煤内蒙准格尔褐煤泥炭成岩的初期产物，外观褐色或暗褐色，因而得名。按煤化度与外表特征分为：土状褐煤、暗褐煤和亮褐煤，此外还有一种保存有明显木质结构痕迹的木褐煤。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。11Coalchemistry2010培训版1.1.2.2褐煤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%。华北又以内蒙古东部最多。以中生代的晚侏罗世时期形成的为主，主要分布在内蒙古东部与东北三省相连的东三盟地区，如扎赉诺尔、霍林河、伊敏河、大雁等煤田。西南以云南省为主，为新生代第三纪褐煤，主要有昭通、小龙潭和先锋等煤田。12Coalchemistry2010培训版1.1.2.2褐煤用途：适宜成型作气化原料；可生产热值为18.84～20.93MJ/Nm3的优质城市煤气，焦油产率达6.0%～8.5%；制成(蒽)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。微生物转化与利用越来越受到关注，其研究正方兴未艾。但褐煤易风化破碎，故一般不宜长途运输。13Coalchemistry2010培训版1.1.2.3烟煤煤化度低于无烟煤而高于褐煤，因燃烧时烟多而得名。烟煤中已不含有游离腐殖酸，因此，烟煤不能使酸、碱溶液染色。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。14Coalchemistry2010培训版1.1.2.3烟煤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。它们被粉碎后高温干馏时，能不同程度地“软化”和“熔融”成为塑性体，然后再固化为块状的焦炭。传统观念认为这些煤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，故称之为非炼焦用煤。随着煤准备与炼焦工艺的发展，扩大了炼焦用煤的资源。新的炼焦技术已能使用所有的烟煤，甚至无烟煤作为原料成分，不再仅仅局限于这些传统炼焦煤15Coalchemistry2010培训版1.2.4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。宝钢3号高炉16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无原始植物残体呈条带状无明显条带在沸腾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-3密度/g·cm1.10～1.401.20～1.451.35～1.90硬度很低低较高高燃烧现象有烟有烟多烟无烟Coalchemistry2010培训版表1-2四类腐殖煤的主要特征与区分标志172010培训版Coalchemistry1.2成煤原始物料三种成煤假说：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。182010培训版Coalchemistryl.2.1地质年代与主要成煤植物植物低等植物高等植物菌藻植物裸蕨植物蕨类植物裸子植物被子植物低等植物主要是由单细胞或多细胞构成的丝状或叶片状植物体，没有根、茎、叶的划分，如细菌和藻类。它们大多数生活在水中，是地球上最早出现的生物。高等植物则有根、茎、叶等器官的划分。除了苔藓外，高等植物常能长成高大的乔木，具有粗壮的茎和根，成为重要的成煤物质来源。19Coalchemistry2010培训版l.2.1地质年代与主要成煤植物植物演化的时间进程可以用地质年代来描述。地质年代是指地层形成的年代，亦可指煤层形成的年代。地质年代通常划分为代、纪、世、期、时；地层系统通常也划分为界、系、统、组、段。地质年代与地层系统之间存在着一一对应的关系。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。由表1-3可见，植物的演化对煤的形成有十分重要的影响，只有当植物广泛分布、繁茂生长时才可能有成煤作用发生，而新门类的植物群的出现是出现新的成煤期的前提。20代古2010培训版代（界）植物新生代（界）纪（系）第四纪（系）距今年代中国主要（百万年）成煤期▲1.6被子植物生物演化动物出现古人类煤种泥炭▲哺乳动物褐煤为主，少量烟煤晚第三纪（系）早第三纪（系）2365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▲两牺动物烟煤无烟煤二叠纪（系）石炭纪（系）泥盆纪（系）290355410蕨类植物裸蕨植物早生志留纪（系）438菌藻植物鱼类石煤无脊椎动物奥陶纪（系）寒武纪（系）510570（元界古）代震旦（系）新元古代中元古代古元古代太古代（界）1000160025004000Coalchemistry表1-3地层系统、地质年代、成煤植物与主要煤种21Coalchemistry2010培训版1.2.2成煤植物的有机族组成及成煤性质约4亿年前起，高等植物新种群出现与繁茂时期，即出现相应的成煤期。高等植物的有机族组成在不同程度上以不同的形式参与成煤。地球历史上共有三个主要造煤期：首先最主要的是距今3.45~2.8亿年古生代的石炭纪和二叠纪。其次是距今1.95亿年中生代的侏罗纪。距今0.37亿年新生代的第三纪。22Coalchemistry2010培训版石炭纪与二叠纪的孢子植物——著名的有鳞木、芦木、封印木等23Coalchemistry2010培训版侏罗纪是裸子植物的黄金时代，银杏类、松柏类和苏铁类主宰了地球大地，它们也称为恐龙时代的植物24Coalchemistry2010培训版新生代第三纪——五彩缤纷的被子植物统治了世界25Coalchemistry2010培训版261.2.2.1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糖类及其衍生物包括纤维素、半纤维素和果胶质等。纤维素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(C6H10O5)表示。分子结构如图1-1所示。图1-1纤维素的分子结构式纤维素的结构示意图Coalchemistry2010培训版（1）糖类及其衍生物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CO2和H2O，即：细菌水解C6H12O6+6O26CO2+6H2O当环境缺氧时，厌氧细菌使纤维素发酵生成CH4、CO2、C3H7COOH和CH3COOH等。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。半纤维素也是多糖，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：C5H8O4nnH2OnC5H10O527Coalchemistry2010培训版（1）糖类及其衍生物果胶质是糖的衍生物，呈果冻状存在于植物的果实和木质部中。果胶质分子中有半乳糖醛酸。HOC—(CHOH)4—COOH，故呈酸性。果胶质的结构式如图1-2所示。图1-2果胶质的分子结构式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。28植物针叶树阔叶树禾木单体松柏醇芥子醇γ-香豆醇Coalchemistry2010培训版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C（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—OCH3、—