《煤化学》第2章煤生成
煤化学第02章煤的生成精讲
2.85 3.3 4.0 4.4 5.2 6.0 9.0 25 38 46
古 生 代
陆上时代 孢子植物
元 古 代 太 古 代
震旦纪
原始细菌 （最低等原始生命产生） 20
地球初期发展阶段
依据地层中发现的古生物化石，将地壳的发展历史相对地 划分成若干级地质年代单位，即为：宙、代、纪、世、期
代
纪
世
距今年龄 （亿年）
主导作用：生物地球化学作用 低等植物 高等植物 生物地球化学作用 生物地球化学作用 腐泥 泥炭
成煤第一阶段：腐泥化阶段 或：泥炭化阶段
15
泥炭 煤化程度最低的煤 -- 煤最原始的状态 随著周围环境的转变，如压力的加大，可 以使泥炭变得更加坚固，使之成为煤。 泥炭是沼泽在形成过程中的产物，也是沼泽地形的特征之一 主要来源是泥碳苔或泥碳藓，沼泽植物，也有部分动物与 昆虫的尸体。 这些物质在死亡后沉积在沼泽底部，由于潮湿与偏酸性的 环境，而无法完全腐败分解，因而形成所谓的泥炭层。
2
有人对上述煤的成因机制提出了质疑： 1．储量问题
1ｍ厚的煤需6ｍ厚的木料，数十米的植物残骸堆积形成。 有些煤矿的煤层厚度可达数十米，甚至超过100米，如：
潞安矿区的煤层厚度30ｍ左右，仅现在大量开采的3#煤 层就有7ｍ厚，而且潞安的煤田属于沁水煤田，南北长300ｋ ｍ，东西宽200ｋｍ
抚顺露天煤矿煤层厚度达120ｍ 如此大量的植物残骸来源？ 2．赋存问题 如果煤炭真由植物堆积而成，那他的顶底板就不会那样平
含黄铁 矿煤样
含碳酸盐 煤样
18
第一节
地质年代和主要聚煤期
地球的年龄约有60亿年
新 生 代
第四纪
第 晚第三纪 三 纪 早第三纪 白垩纪 侏罗纪 三叠纪 二叠纪
煤化学复习重点总结
第二章煤的生成一、腐植煤的成煤作用过程1、从植物死亡，堆积到转变为煤经过一系列复杂的演变过程，此过程称为成煤作用。
成煤作用可划分为两个阶段：即泥炭化作用和煤化作用。
（1）泥炭化作用：高等植物残骸在泥炭沼泽中，经过生物化学和地球化学作用演变成泥炭的过程。
（2）煤化作用：泥炭在以温度和压力为主的作用下变化为煤的过程。
2、煤化作用包括成岩作用和变质作用两个连续的过程。
在温度和压力影响下，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）。
褐煤影响煤变质的因素主要有温度、压力和时间。
第三章煤岩学一、煤岩学研究方法分为宏观研究法和微观研究法。
宏观方法：肉眼或放大镜观察；微观方法：用显微镜研究；二、煤的显微组分，按其成因和工艺性质的不同可分为镜质组、壳质组、惰性组三大类，研究煤结构时一般采用镜质组作为研究对象。
第四章煤的结构一、煤的结构包括大分子结构和物理空间结构。
1、煤大分子结构：多个相似的“基本结构单元”通过桥键连接而成的，这种基本结构单元分为分规则和不规则两部分。
（1）规则部分由几个或十几个苯环、脂环、氢化芳香环及杂环（含氮、氧、硫等元素）缩聚而成，称为基本结构单元的核或芳香核。
（2）不规则部分是连接在核周围的烷基侧链和各种官能团（含氧、硫、氮官能团）；含氧官能团：羟基、羧基、羰基、甲氧基、醚键；含硫官能团：硫醇、硫醚、二硫醚、硫醌、杂环醚；含氮官能团：六元杂环、吡啶环、喹啉环；2、煤结构模型的分为化学结构模型和物理结构模型。
化学结构模型：Fuchs Given、Wiser、本田、Shinn结构模型等；物理结构模型：Hirsch模型、交联模型、两相模型、单相模型；二、煤大分子结构的现代概念1、煤是三维空间高度交联的非晶质的高分子缩聚物；2、结构单元的核心是缩合芳香核；3、结构单元的周边有不规则部分；4、结构单元之间由桥键连接；5、氧、氮、硫的存在形式；6、低分子化合物；7、煤化程度对煤结构的影响第五章煤的工业分析和元素分析一、煤是由无机组分和有机组分组成。
煤化学 第二章 煤的生成
第二章煤的生成煤是植物遗体经过生物化学作用，又经过物理化学作用而转变成的沉积有机矿产，是多种高分子化合物和矿物质组成的混合物，它是极其重要的能源和工业原料。
从植物死亡、堆积到转变为煤经过了一系列复杂的演变过程，这个过程称为成煤作用。
成煤作用大致可以分为两个阶段:第一阶段是植物在泥炭沼泽、湖泊或浅海中不断繁殖，其遗体在微生物的参与下不断分解、化合、聚积的过程。
这个过程起主导作用的是生物地球化学作用。
低等植物经过生物地球化学作用形成腐泥，高等植物形成泥炭，因此成煤第一阶段可称为腐泥化阶段或泥炭化阶段。
当已形成的泥炭或腐泥，由于地壳的下沉等原因而被上覆沉积物所掩埋时，成煤作用就转为第二阶段一一煤化作用阶段，即泥炭、腐泥在以温度和压力为主的作用下转变为煤的过程。
成煤第二阶段又包括成岩阶段和变质阶段。
在这一阶段中起主导作用的是物理化学作用。
在温度和压力的影响下，泥炭进一步转变为褐煤(成岩作用)，再由褐煤变为烟煤和无烟煤(变质作用)。
煤与煤之间的性质千差万别，不仅不同煤田的煤质差别较大，即使是同一煤田中不同煤层的煤质，其差异也很大。
若同一煤田同一煤层，但在不同地点采的煤样，其煤质也有较大的差别。
甚至是在同一煤田同一煤层同一地点采样，而采样时，将煤层从上到下分成若干个分层采样，各分层的煤质也有差别。
引起煤质千差万别的原因与成煤物质、成煤环境和成煤作用密切相关。
第一节成煤物质一、成煤的原始物质19世纪以前，人们对于成煤的原始物质并没有正确的认识。
人们对煤成因的认识并不一致，曾提出过很多假说，归纳起来主要有三种：一是认为煤和地壳中的其他岩石一样，一有地球就存在;二是认为煤是由岩石转变而成;三是认为煤是由植物残骸形成的。
随着煤炭的大规模开采，人们在煤层中常常发现保存完好的古植物化石和由树干变成的煤，在煤层底板岩层中发现了大量的根化石、痕木化石等植物化石，证明它曾经是植物生长的土壤。
随着煤岩学的发展，人们利用显微镜在煤制成的薄片中观察到许多原始植物的细胞结构和其他残骸，如孢子、花粉、树脂、角质层、木栓体等;在实验室用树木进行的人工煤化试验，也可以得到外观和性质与煤类似的人造煤。
《煤化学》02_章-煤的生成-2
亚油酸
9,12-十八碳二烯酸
γ-亚油酸
6,9,12-十八碳三烯酸
30
不饱和脂肪酸
名称 亚麻酸
9,12,15-十八碳三烯酸
构造式 CH3(CH2CH=CH)3(CH2)7COOH CH3(CH2)3(CH=CH)3(CH2)7COOH CH3(CH2)3(CH2CH=CH)4(CH2)7COOH CH3(CH2)7CH=CH(CH2)13COOH
O
O
D-木糖
C5H10O5
OH OH OH OH
α-D-木糖
CH2OH OH OH O OH OH
CH2OH OH OH O OH OH
D-甘露糖 C5H9O5CH2OH
α-D-甘露吡喃糖
CH2OH CH2OH O OH OH OH OH OH OH
β-D-甘露吡喃糖
H C H HO H H C C C C OH H OH OH O
H2C HC H2C O O O O C O C O C (CH2)14CH3 (CH2)14CH3 (CH2)14CH3
28
1、油脂的组成
高级脂肪酸甘油酯 油 -- 常温下为液体
油脂是油和脂肪的总称
脂肪--常温下为固体
组成油脂的脂肪酸，已知的约有50多种 饱和脂肪酸 组成常见油脂的重要脂肪酸 名称 构造式
主要含愈创木基-紫丁香基木质素（G-S），
G 草本植物
S
为愈创木基-紫丁香基-对-羟基苯基木质素（G-S-P）
G
S
15
P
G
裸子植物
16
G
S
被子植物
17
G
S
P
草本植物
18
木质素在木材中的含量达 20～30%
煤化学 2煤的形成
Section 1 Materials of coal formation
1.2 Carbohydrates Carbohydrate content of grasses falls in the 20-55% w/w range. Carbohydrate is the second most important substance in coal formation.
Chapter 2： Coal Formation
The questions are
（1）What are the plant components ？ （2）How was coal formed from plants？
Section 1 Materials of coal formation
1.4.5 不同植物化学组成的差异性
植 物 碳水化合物 木质素 蛋白质 脂类化合物
细 绿 苔 蕨 草
木 本 植 物 的 不 同 部 分
菌 藻 藓 类 类
松柏及阔叶树
12~28 30~40 30~50 50~60 50~70 60~70
0 0 10 20~30 20~30 20~30
50~80 40~50 15~20 10~15 5~10 1~7
ORIGINS of Coal
In general terms, the debris consisted of trees, ferns （蕨类植物）, bushes灌木, lycopods石松, and several thousand plant species that have been identified in coal beds.
1.4.3 脂类化合物
煤化学名词概念
第一章绪论煤化学的概念：煤化学是研究煤的生成、组成、结构、性质、分类以及他们之间的相互关系的科学。
煤的主要用途：燃烧、炼焦、气化、低温干馏、加氢液化以及其他深加工产品等。
煤炭的产量逐年增加的原因：钢材、水泥、焦炭、电力、电解铝。
CCT（洁净煤技术）:是指在煤炭开采、加工、转化、利用的过程中减少污染和提高效率的新技术的总称。
主要包括①煤炭开采②煤炭加工③煤炭燃烧④煤炭转化⑤污染物排放控制与废弃物处理第二章煤的生成煤的定义：煤是植物遗体经过生物化学作用，又经过物理化学的作用而转变成的沉积有机矿产。
我国的主要聚煤期：新生代中生代古生代（晚古生代、早古生代）植物的有机族:可以分为四类1、糖类以及衍生物（碳水化合物）2、木质素3、蛋白质4、脂类化合物（包括脂肪、树脂、蜡质、角质、和孢粉质）成煤环境:1、首先需要大量的植物的持续繁衍2、其次是植物遗体不致全部被氧化分解3、地质作用的配合煤炭的成因类型：根据形成的物质基础而划分的煤炭的类型称为成因类型。
主要是：腐植煤、腐泥煤、残植煤、腐植腐泥煤。
煤炭的成煤过程：植物——泥炭——褐煤——烟煤、无烟煤泥炭化--煤化作用(这两个你们看放在那个位置，文档出错了)泥炭的有机组成主要包括：1、腐植酸2、沥青质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、变化不多的壳质组，如角质膜和孢粉等变质作用因素：影响变质作用的因素主要有温度、压力和时间第三章煤的结构煤的分子结构模型：煤的大分子是由多个结构相似的“基本结构单元”通过桥键连接而成的。
这种基本结构单元类似于聚合物的聚合单体，它可分为规则部分和不规则部分煤的结构参数：1、芳碳率：芳碳率是指煤的基本结构中属于芳香族结构的碳原子数与总碳原子数之比。
2、芳氢率：芳碳率是指煤的基本结构中属于芳香族结构的氢原子数与总氢原子数之比。
3、芳环率：芳碳率是指煤的基本结构中芳香环数的平均数量。
研究煤分子结构时，一般采取镜质组作为研究对象，因为镜质组在成煤过程中，变化平稳，组成均匀，杂质含量低，而且在绝大多数煤中镜质组的含量占主导地位。
201904《煤化学》讲稿 02 章煤的生成1a.ppt
★ 3.晚石炭世—早二叠世
2.早石炭世
★
早古生代
属菌藻植物时代
1.早寒武世
形成腐泥无烟煤
17
各主要聚煤期所形成的我国煤炭资源分布：
侏罗纪最多，占总量的 39.6%
5.2
元
震旦纪
古
代
太 古
6.0
海生藻类时代 动物孕育萌芽
9.0 发展初期时代
25
原始细菌
代
38
（最低等原始生命产生）
8
地球初期发展阶段
46
依据地层中发现的古生物化石，将地壳的发展历史相对地 划分成若干级地质年代单位，即为：宙、代、纪、世、期
代纪
世
距今年龄 （亿年）
开始繁殖时期
植物
动物
第四纪
全新世 更新世
震旦纪 晚震旦世 早震旦世
～6.80
新元古代 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
蓟县纪 中元古代
长城纪
晚蓟县世 早蓟县世
晚长城世 早长城世
14.00 ～18.00
开始繁殖时期
植物
动物
菌藻类
13
代
纪
滹沱纪 古元古代
新太古代 中太古代 古太古代 始太古代
世
距今年龄 （亿年）
0～0.018
被子植物大量繁
新 生
新近纪
上新世 中新世
～0.238
殖，为成煤提供 原始物质
代
渐新世
古近纪 始新世
古新世 ～0.65
古人类出现 哺乳动物
9
代纪
动物
晚白垩世 白垩纪
早白垩世
煤的形成过程
3 成煤原始物质－植物的演化史
l 蕨类、种子蕨类时期： D3~ P1。半陆生转变为陆 生的重要时期，也是第一个重要聚煤史。
l 裸子植物时期： D3~T1。海西和印支运动，陆地面 积增大，地形分化，气候改变，适应干旱气候的被 子植物繁盛。第二个重要聚煤史。
l 被子植物： K3~今。被子植物占优势，第三个重 要聚煤史。
其结果生成一种含碳氢较原来物质为多含氧较原来物质少的新物质成煤作用植物残骸的分解方式成煤作用植物残骸的分解过程原始物质过程名称与氧的关系与水的关系作用的性质陆生植物及沼泽植物高等植物全败作用氧气自由进入有水存在完全氧化无固体含碳有机物残留半败作用有少量氧气进入有水存在腐殖化固体含碳化合物腐殖土泥炭化作用开始有氧进入后来无氧开始有水存在后来没于水中先腐殖化作用后还原作用固体含碳化合物泥炭水中有机物低等植物腐败作用腐泥化作用无氧气在无死水中主要为还原作用固体富氢造成泥炭成分性质不同的影响因素一植物群落木本植物富含木质纤维素容易形成凝胶化物质多的泥炭石炭纪聚煤期形成的煤田多以富亮光型煤为主
3 成煤原始物质－植物、煤演化关系
植物的演化对煤的形成和聚积有很重要的影响: 首先，煤的形成和大量聚积始于植物出现之后。 只有植物大量的繁殖和发展，才会有聚煤作用的发生。 其次，由于植物从水生到陆生、从低级向高级的 发展和演化，聚煤作用在地质历史发展过程中也在发 生变化，成煤环境从浅海到滨海直至扩大到内陆，聚 煤作用不断增强。 第三，新的聚煤时期的出现，都是以新门类植物 群的出现为前提。
沼泽的形成和发育是地质、地貌、气候、水文、 土壤、植被等多种自然因素综合作用的产物。
3 成煤原始物质－植物遗体的堆积环境
1）地貌 — 低洼的能够积水的地形和能够给植物提供 养分的土壤； 2）气候 — 年降水量大于蒸发量的气候条件； 3）水文 — 入水量（流入的地表水、地下水与大气降 水）>出水量（流出的地表水、地下水与蒸发量）。 2. 泥炭沼泽的发育地带 1）泥炭沼泽重要发育地带 — 滨海平原：海洋与陆地 相互作用的结果； 2）内陆有利发育泥炭沼泽的地区 — 河湖地带。
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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《煤，化厌学》氧第2章的煤）生成
14
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
母质层
潜育沼泽结构示意图
《煤化学》第2章煤生成
4
1. 古植物： 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。
裸子植物 被子植物
蕨类, 种 子植物 裸蕨
植物
菌藻植物
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。
《煤化学》第2章煤生成
9
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。
煤相的表征参数： 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
《煤化学》第2章煤生成
13
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）
不同的煤相类型，成因不同，工艺性质也不相同
3、10、 17、 24 1、 8、 15、 22、 31 5
《煤化学》第2章煤生成
1
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 ① 大量植物的持续繁殖 ② 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
《煤化学》第2章煤生成
2
成煤植物在沼泽中的堆积有两种基本方式：
R = 0.1~1.2%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
a
b
c
○ 古生代煤 ● 中生代煤
○ 古生代煤 ● 中生代煤
○ 古生代煤 ● 中生代煤
不同成煤时代煤中活性组分的粘结性差异
《煤化学》第2章煤生成
15
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。
裸子植物 被子植物
蕨类, 种 子植物 裸蕨
植物
菌藻植物
《煤化学》第2章煤生成
0.018 0.65 1.4 2.0 2.5
3.5 4.1 4.5 4.95
10
5.45
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％
① 原地生成 成煤植物在其生长繁殖的原地堆积转变成泥炭 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
② 异地生成 成煤植物经长距离搬运再堆积﹐则称异地生成 异地生成的泥炭很难形成有经济价值的煤层
河口三角洲常有巨大漂木堆积﹐埋成
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
《煤化学》第2章煤生成
11
《煤化学》第2章煤生成
12
二、煤相的发育
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
《煤化学》
§2-3
第二章 煤的生成
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
3月
4月
5月
6月
31 7、 14、 21、 28 5、12、 19、 26 2
《煤化学》第2章煤生成
7
4. 大地构造（地壳运动）：
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。
《煤化学》第2章煤生成
8
在以上4个条件中，大地构造因素往往起主导作用
3
一、泥炭沼泽的起源
沼泽是在一定的气候、地貌和水文条件下的产物
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
草根层
煤层通常源自沉积在沼泽中的泥炭
泥炭沼泽形成条件取决于：古植物 古气候 古地理 大地构造
腐植泥层 潜育层
温和或微冷的气候下则光亮煤相对较少
《煤化学》第2章煤生成
6
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
《煤化学》第2章煤生成
0.018 0.65 1.4 2.0 2.5
3.5 4.1 4.5 4.95
5
5.45
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
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
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。
《煤化学》第2章煤生成
16
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：