第二章煤的形成ppt课件.ppt

1,煤 化 学Coking Chemistry,2,矿产开采,露天开采,3,地下开采,4,5,6,7,8,9,第二章 煤的形成Chaprt 2：Coal Formation,主要内容：Main contents：（1）成煤物质 Material for coal formation？（2）煤如何形成 How was coal formed？,10,第一节 成煤物质(Materials of coal formation),1、煤是由植物（plant）形成的 煤是由 植物遗体（plant debris）生物化学作用（biochemcal reaction）物理化学作用（physical-chemcal reaction）沉积有机岩（Sedimentary organic rock）,11,1.1 植物的演化及种类按进化论的观点，植物是由低级向高级逐步演化的，植物界传统划分为四大类：藻菌植物、苔藓植物、蕨类植物和种子植物，或将第一种称为低等植物，后三种称为高等植物。前三种又称为孢子植物，就是植物用孢子繁殖。而种子植物则能产生种子，用种子繁殖。低等植物与高等植物的组成差别较大，且对成煤的性质有较大影响。,12,低等植物(Lower Plants)：包括菌类和藻类，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(Higher Plants)：包括苔藓、蕨类、裸子植物和被子植物。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。,2、低等植物和高等植物的特点(characteristics),13,低等植物（菌藻类）海带 kelp 藻类,14,低等植物（菌藻类）地衣(lichen),15,低等植物（真菌类）蘑菇 mushroom,16,高等植物蕨类植物 ferns,17,高等植物松树 pine,18,3、植物的主要化学组成(constituents),（1）糖类（saccharide）及其衍生物（碳水化合物-carbohydrates）（2）木质素（lignins）（3）蛋白质（proteins）（4）脂类化合物（lipids/fatty compounds）,19,包括纤维素、半纤维素及果胶质 纤维素(cellulose)：是构成植物细胞壁的主要成分。纤维素一般不溶于水，在溶液中能生成胶体，容易水解。在泥炭沼泽的酸性介质中，纤维素可以分解为纤维二糖和葡萄糖等简单化合物。,碳水化合物（carbohydrates）,20,碳水化合物（carbohydrates）,半纤维素(hemi-cellulose)：化学组成和性质与纤维素相近，但比纤维素更易分解或水解为糖类和酸。果胶(pectin/pectic substance)：糖的衍生物，呈果冻状。在生物化学作用下，可水解成一系列单糖和糖醛酸。,21,木质素也是植物细胞壁的主要成分，常分布在植物根、茎部的细胞壁中。木本植物的木质素含量高，木质素是具有苯基丙烷芳香结构的高分子聚合物，含甲氧基methoxyl、羟基hydroxyl等官能团。木质素的单体以不同的链连接成三度空间的大分子，比纤维素稳定，不易水解，易于保存下来。,木质素 Lignin,22,在泥炭沼泽中，在水和微生物作用下发生分解，与其他化合物共同作用生成腐植酸类物质，这些物质最终转化成为煤。所以木质素是植物转变为煤的原始物质中最重要的有机组分。,木质素 Lignin,23,针叶树的松柏醇,落叶树的芥子醇,乔木的香豆醇,木质素，其组成因植物的种类不同而异,24,蛋白质：由若干个氨基酸(amino acid)结合而形成的结构复杂的高分子。由于含羧基carboxyl和羟基hydroxyl，蛋白质具有酸性和碱性官能团，强烈亲水性胶体。高等植物中蛋白质含量少；低等植物中蛋白质含量高。,蛋白质 proteins,25,蛋白质 proteins,植物死亡后，完全氧化条件下，蛋白质完全分解为气态物质；在泥炭沼泽和湖泊的水中，蛋白质分解成氨基酸、喹啉等含氮化合物，参与成煤作用，但对煤的性质没有决定性的影响。是煤中硫、氮元素的来源之一。,26,脂类化合物是指不溶于水而溶于醚、苯、氯仿等有机溶剂的有机化合物。在植物中脂类化合物主要有以下几种。脂肪(fat)：属于长链脂肪酸的甘油酯。高等植物中含量少(1-2%)，低等植物含量高(20%左右)。在生化作用下在酸性或碱性溶液中分解生成脂肪酸和甘油，参与成煤作用。,脂类化合物 lipids/fatty compounds,27,脂类化合物 lipids/fatty compounds,脂肪脂肪属于长链脂肪酸的甘油酯。低等植物脂肪较多，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。树脂树脂是植物生长过程中的分泌物，高等植物中的针状物含树脂最多。树脂是混合物，其成分主要是二萜类和三萜类的衍生物。在树脂中存在的典型树脂酸有松香和右旋海松酸。这两种树脂酸具有不饱和性，能起聚合作用。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。,28,蜡质wax：蜡质的化学性质类似于脂肪，但比脂肪更稳定，通常以薄层覆盖于植物的叶、茎和果实 表面，成分比较复杂，蜡质的主要成分是长链脂肪酸和含有2436(或更多)个碳原子的高级一元醇形成的酯类(如甘油硬脂酸类)，其化学性质稳定，不易分解。在泥炭和褐煤中常常发现有蜡质存在。角质cutin：角质是角质膜的主要成分，植物的叶、嫩枝、幼芽和果实的表皮常常覆盖着角质膜。角质是脂肪酸脱水或聚合作用的产物，其主要成分是含有1618个碳原子的角质酸。,脂类化合物 lipids/fatty compounds,29,木栓质phellem：木栓质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。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。除上述4类有机化合物外，植物中还有少量螺质、色素等成分。,脂类化合物 lipids/fatty compounds,30,根据形成煤炭的物质基础划分煤炭的类型称为成因类型。主要是：腐植煤、腐泥煤和腐植腐泥煤。（1）腐植煤 Humic Coal：由高等植物经过成煤过程中复杂的生化和地质变化作用生成的。,4、煤炭的成因类型 genesic type,31,（2）腐泥煤 sapropelite：主要由湖沼或浅水海湾中藻类等低等植物形成。储量大大低于腐植煤，工业意义不大。（3）腐植腐泥煤humic-sapropelic coal：由高等植物、低等植物共同形成的煤。,32,第二节 成煤作用过程 surroundings,一、成煤条件 煤炭的生成，必须有气候、生物、地理、地质等条件的相互配合，才能生成具有工业利用价值的煤炭矿藏。这些条件包括：（1）古植物、古气候：大量植物的持续繁殖(生物life-form、气候climate的影响),33,（2）古地理：植物遗体不能完全腐烂适合的堆积场所(沼泽、湖泊swamps and lakes等)（3）大地构造：地质作用的配合（地壳的沉降运动subside形成上覆岩层和顶底板多煤层）,34,由高等植物转化为腐植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。整个成煤作用可划分为两个阶段：即泥炭化作用 Peatification过程和煤化作用Coalification。煤化作用又分为两个连续的过程，即成岩作用diagenesis和变质作用metamorphism.,二、腐植煤的成煤作用过程,35,图示如下：,36,37,1 泥炭化作用peatification,泥炭化作用：高等植物死亡后，在生物化学作用下biochemical reactions，变成泥炭的过程称为泥炭化作用。在这一阶段，植物首先在微生物作用下，分解和水解为分子量较小的性质活泼的化合物，然后小分子化合物之间相互作用，进一步合成新的较稳定的有机化合物，如腐植酸humic acid、沥青质pitch等。,38,生物化学作用可分为两个阶段。第一阶段：需氧细菌和真菌等微生物 氧化分解、水解作用第二阶段：次氧细菌、厌氧细菌 分解产物之间的合成作用 分解产物与植物遗体之间的相互作用,39,1 泥炭化作用peatification,第阶段：多氧条件下 植物遗体暴露在空气中或在沼泽浅部的多氧条件下，由于喜氧细菌和真菌等微生物的作用，植物遗体中的有机化合物，经过氧化分解和水解作用。一部分被彻底破坏，变成气体和水；另一部分分解为简单的化学性质活泼的化合物，它们在一定条件下可化合成为腐植酸，而未分解的稳定部分则保留下来。,40,第二阶段：缺氧条件下 在沼泽水的覆盖下，出现缺氧条件，喜氧微生物被厌氧细菌所替代。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。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。,41,42,植物变成泥炭后组成的变化,43,1.4 泥炭化作用中微生物的活动1.4.1 泥炭的分层 泥炭层的垂直剖面，分为氧化环境表层、中间层及还原环境底层。,44,1.4 泥炭化作用中微生物的活动1.4.2 各泥炭层中的微生物特性 泥炭表层空气流通，温度高，又有大量有机质，有利于微生物的生存。植物的氧化分解和水解作用，主要是在泥炭沼泽表层进行，因而泥炭沼泽表层又称为泥炭形成层。,45,1.4 泥炭化作用中微生物的活动1.4.2 各泥炭层中的微生物特性 泥炭表层以下，随着深度的增加，喜氧细菌、真菌和放线菌的数目减少，而厌氧细菌活跃，它们利用了有机质的氧，留下富氢的残留物。在微生物的活动过程中，植物有机组分一部分成为微生物的食料，另一部分则被加工成为新的化合物。若条件适宜，植物会被完全分解成为气体和液体而流失，不能形成煤炭。但实际上，在泥炭沼泽中，植物中的化合物会转化、保留下来成为煤炭，原因是：？,46,（1）泥炭沼泽水的覆盖，使正在分解的植物遗体逐渐与大气隔绝，进入弱氧化或还原环境。（2）微生物要在一定的酸碱度环境中才能正常生长。在泥炭化过程中，植物分解形成酸性产物，使沼泽水变为酸性，则不利于喜氧细菌的生存。所以泥炭的酸度越大，细菌越少，植物的结构就保存得越完好。（3）有的植物本身就具有防腐和杀菌的成分，如高位沼泽泥炭藓能分泌酚类，某些阔叶树有丹宁保护纤维素，某些针叶树含酚，并有树脂保护纤维素，都使植物不致遭到完全破坏。,47,1.5 泥炭的组成 泥炭主要由有机物、矿物质和水组成，其中含水量70%90%，矿物质含量随泥炭产地不同差异很大，有机物的组成包括一下几个部分：（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，溶于碱性溶液而呈褐黑，它是一种无定形的高分子胶体，能吸水而膨胀。,48,1.5 泥炭的组成（2）沥青质：它是由合成作用形成的，也可以由树脂、蜡质、孢扮质等转化而来。沥青质溶于一般的有机溶剂。（3）未分解或未完全分解的纤维素、半纤维素、果胶质和木质素。（4）变化不多的稳定组分，如角质膜、树脂和孢粉等。另外，在泥炭中一般可以看到植物的组织，如根、茎、叶等。,49,1.6 泥炭的分类 高位泥炭：高位沼泽中形成，为温带高纬度植物埋在地层下经长期堆积炭化而形成。以羊胡子草属、水藓属植物为主，分解程度较低，氮和灰分元素含量少，酸性较强，pH值在4至5之间。容重较小，吸水透气性好，一般可吸持水分为其干重的10倍以上，适合作无土栽培基质，但pH值必须调至5.5至6.0 左右，也可用于配制培养土。,50,1.6 泥炭的分类 低位泥炭：低位沼泽中形成，以生长需要无机盐分较多的苔草属、芦苇属植物为主，以及冲积下来的各种植物残枝落叶，经漫长时间的积累形成，分解程度较高，氮和灰分元素含量较多，酸性不强，肥分有效性较高，风干粉碎后可直接作肥料使用。因其容重大，吸水和通气性较差，不宜单独作栽培基质。中位泥炭：中位沼泽中形成，为介于两者之间的过渡性泥炭，性状也介于二者之间，既可用于无土栽培，也可用于配制培养土。,51,泥炭,52,泥炭,53,泥炭,54,什么是沼泽?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：主要由地下水补给、潜水面较高的沼泽；高位沼泽：主要以大气降水为补给来源的泥炭沼泽；,55,中位沼泽或过渡沼泽：兼有低位沼泽和高位沼泽的特点，其水源部分由地下水补给，部分又由大气降水补给的沼泽。（2）根据沼泽距离海岸的远近，分为近海泥炭沼泽与内陆泥炭沼泽。（3）根据水介质的含盐度，沼泽又可分为淡水的、半咸水的和咸水的。,56,草本沼泽是典型的低位沼泽,57,中位沼泽,58,高位沼泽,59,2 煤化作用 Coalification,煤化作用包括成岩作用和变质作用两个连续的过程。2.1 成岩作用diagenesis 泥炭在沼泽中层层堆积，越积越厚，当地壳下降速度较大时，泥炭将被泥沙等沉积物覆盖。在上覆沉积物sedimentary cover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,60,物的作用逐渐消失，取而代之的是缓慢的物理化学作用。这样，泥炭逐渐变成了较为致密的岩石状的褐煤。,61,2.2 变质作用 metamorphism,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，氧含量迅速减少，腐植酸也迅速减少并很快消失，褐煤逐渐转化成为烟煤。随着煤层沉降深度的加大，压力和温度提高，煤的分子结构继续变化，煤的性质也发生不断的变化，最终变成无烟煤。,62,2.2.1 变质作用类型 根据变质条件和变质特征的不同，煤的变质作用可以分为深成变质作用、岩浆变质作用和动力变质作用三种类型。（1）深成变质作用 深成变质作用是指在正常地温状态下，煤的变质随煤层的沉降幅度的加大、地温的增高和受热时间的持续而增高。这种变质作用与大规模的地壳升降活动直接相关，具有广泛的区域性，过去常被称为区域变质作用。,63,（1）深成变质作用 希尔特定律：它是煤变质程度的垂直分布规律，指在同一煤田大致相同的构造条件下，随着煤层埋深的增加，煤的挥发分逐渐减少，变质程度逐渐增加。深成变质作用的另一个重要特点就是：煤变质程度具有水平分带规律。因为在同一煤田中，同一煤层或煤层组原始沉积时沉降幅度可能不同，成煤后下降的深度也可能不同。按照希尔特定律，这一煤层或煤层组在不同深度上变质程度也就不同，反映到平面上即为变质程度的水平分带规律。,64,65,（2）岩浆变质作用 岩浆变质作用可分为区域岩浆热变质作用和接触变质作用两种类型。区域岩浆热变质作用是指聚煤坳陷内有岩浆活动，岩浆及其所携带气液体的热量可使地温场增高，形成地热异常带，从而引起煤的变质作用。,66,接触变质作用 接触变质作用是指岩浆直接接触或侵入煤层，由于其所带来的高温、气体、液体和压力，促使煤发生变质的作用,67,（3）动力变质作用 动力变质作用是指由于褶皱及断裂运动所产生的动压力及伴随构造变化所产生的热量促使煤发生变质的作用。根据对构造挤压带煤的研究证明，动压力具有使煤的发热量降低、比重增大、挥发分降低等特点。煤田地质研究表明，地壳构造活动引起的煤的异常变质范围一般不大，一条具有几十米至百余米断距的压扭性断裂，引起煤结构发生变化的范围不过几十米。因此动力变质只是局部现象。,68,2.3 变质作用的因素：影响煤变质的因素主要有温度、压力和时间。2.3.1 温度的影响 促成煤变质作用的主要因素是温度。温度过低（5060），褐煤的变质就不明显了，通常认为，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。,69,2.3 变质作用的因素：影响煤变质的因素主要有温度、压力和时间。2.3.2 时间的影响 时间是影响煤变质的另一重要因素。时间因素的重要性表现在以下两个方面：第一，在温度、压力大致相同的条件下，受热时间越长，煤化程度越高。第二，煤受短时间较高温度的作用或受长时间较低温度（超过变质临界温度）作用，可以达到相同的变质程度。,70,2.3.3 压力的影响 压力可以使煤压实，孔隙率降低，水分减少；并使煤岩组分沿垂直压力的方向作定向排列。静压力促使煤的芳香族稠环平行层面作有规则的排列。尽管一定的压力有促进煤物理结构变化的作用，但只有化学变化才对煤的化学结构有决定性的影响。人工煤化实验表明，当静压力过大时，由于化学平衡移动的原因，压力反而会抑制煤结构单元中侧链或基团的分解析出，从而阻碍煤的变质。因此，人们一般认为压力是煤变质的次要因素。,71,