第2章 煤炭的形成及結(jié)構(gòu)

煤層COAL礦井

COAL露天礦

COAL露天礦

COAL第二講煤炭的形成及結(jié)構(gòu)123主要知識點：煤的組成和結(jié)構(gòu)煤的分類與用途煤的形成過程煤的形成過程11.1成煤物質(zhì)●煤是由植物形成的煤是由植物遺體經(jīng)過生物化學(xué)作用和物理化學(xué)作用演變而成的固體可燃沉積有機巖。煤的形成過程11.1成煤物質(zhì)●低等植物和高等植物的特點

低等植物包括菌類和藻類，是由單細胞和多細胞構(gòu)成的絲狀體或葉狀體植物，沒有根、莖、葉等器官的分化。

高等植物包括苔蘚、蕨類、裸子植物和被子植物，此類植物構(gòu)造復(fù)雜，有根、莖、葉的區(qū)別。低等植物

海帶低等植物地衣高等植物蕨類高等植物

松樹地史上植物演化年代煤的形成過程11.2成煤的條件和環(huán)境

煤炭的生成，必須有氣候、生物、地理、地質(zhì)等條件的相互配合，才能生成具有工業(yè)利用價值的煤炭礦藏。包括：（1）大量植物的持續(xù)繁殖(生物、氣候的影響)

（2）植物遺體不能完全腐爛—適合的堆積場所(沼澤、湖泊等)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。煤的形成過程11.2成煤的條件和環(huán)境

煤炭的生成，必須有氣候、生物、地理、地質(zhì)等條件的相互配合，才能生成具有工業(yè)利用價值的煤炭礦藏。包括：（1）大量植物的持續(xù)繁殖(生物、氣候的影響)

（2）植物遺體不能完全腐爛—適合的堆積場所

(沼澤、湖泊等)

提供成煤作用緩慢而均勻的沉降運動和成煤坳陷。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。（3）地質(zhì)作用的配合（地殼沉降運動—形成頂?shù)装濉嗝簩樱╉敯宓装?009年11月在新疆沙爾湖煤田勘查區(qū)鉆孔，鉆探出可采煤層11層，總厚度達301米，其中一處單一煤層的最大厚度達217.14米，再次刷新了全國紀錄。

煤的形成過程11.3成煤作用過程

由高等植物轉(zhuǎn)化為腐植煤要經(jīng)歷復(fù)雜而漫長的過程，一般需要幾千萬年到幾億年的時間。腐植煤成煤作用可劃分為兩個階段：即泥炭化作用和煤化作用。煤化作用又分為成巖作用和變質(zhì)作用。圖示如下：植物泥炭化作用泥炭成巖作用褐煤變質(zhì)作用煙煤、無煙煤煤化作用煤的形成過程煤的形成過程11.3.1泥炭化作用

高等植物死亡后，在生物化學(xué)作用下，變成泥炭的過程稱為泥炭化作用。在這一階段，植物首先在微生物作用下，分解和水解為性質(zhì)活潑的小分子化合物，然后小分子化合物之間相互作用，進一步合成新的較穩(wěn)定的有機化合物，如腐植酸、瀝青質(zhì)等。泥炭泥炭泥炭煤的形成過程1●泥炭的組成

泥炭主要由有機物、礦物質(zhì)和水組成，其中含水量70%~90%,礦物質(zhì)含量隨泥炭產(chǎn)地不同差異很大，有機物的組成包括一下幾個部分：（1）腐植酸它是泥炭中最主要的成分。腐植酸是高分子羥基芳香羧酸所組成的復(fù)雜混合物，具有酸性，溶于堿性溶液而呈褐黑，它是一種無定形的高分子膠體，能吸水而膨脹。煤的形成過程1●泥炭的組成

（2）瀝青質(zhì)它是由合成作用形成的，也可以由樹脂、蠟質(zhì)、孢扮質(zhì)等轉(zhuǎn)化而來。瀝青質(zhì)溶于一般的有機溶劑。（3）未分解或未完全分解的纖維素、半纖維素、果膠質(zhì)和木質(zhì)素。（4）變化不多的穩(wěn)定組分，如角質(zhì)膜、樹脂和孢粉等。另外，在泥炭中一般可以看到植物的組織，如根、莖、葉等。煤的形成過程11.3.2成巖作用

泥炭在沼澤中層層堆積，越積越厚，當?shù)貧は陆邓俣容^大時，泥炭將被泥沙等沉積物覆蓋。在上覆沉積物的壓力作用下，泥炭發(fā)生了壓緊、失水、膠體老化、固結(jié)等一系列變化，微生物的作用逐漸消失，取而代之的是緩慢的物理化學(xué)作用。這樣，泥炭逐漸變成了較為致密的巖石狀的褐煤。煤的形成過程11.3.3變質(zhì)作用

當褐煤層繼續(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。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，最終變成無煙煤。煤的形成過程1●變質(zhì)作用的影響因素溫度壓力時間煤的形成過程1●變質(zhì)作用的影響因素

（1）溫度的影響促成煤變質(zhì)作用的主要因素是溫度。溫度過低（<50~60℃），褐煤的變質(zhì)就不明顯了。通常認為，溫度越高，變質(zhì)作用的速度越快。莫斯科煤田早石炭世煤至今已有3億年以上，但仍處于褐煤階段。煤的形成過程1●變質(zhì)作用的影響因素

（2）時間的影響時間是影響煤變質(zhì)的另一重要因素。時間因素的重要性表現(xiàn)在以下兩個方面：第一，在溫度、壓力大致相同的條件下，受熱時間越長，煤化程度越高；第二，煤受短時間較高溫度的作用或受長時間較低溫度（超過變質(zhì)臨界溫度）作用，可以達到相同的變質(zhì)程度。煤的形成過程1●變質(zhì)作用的影響因素

（3）壓力的影響壓力可以使煤壓實，孔隙率降低，水分減少；并使煤巖組分沿垂直壓力的方向作定向排列。靜壓力促使煤的芳香族稠環(huán)平行層面作有規(guī)則的排列。盡管一定的壓力有促進煤物理結(jié)構(gòu)變化的作用，但只有化學(xué)變化才對煤的化學(xué)結(jié)構(gòu)有決定性的影響。因此，人們一般認為壓力是煤變質(zhì)的次要因素。煤化實驗表明，當靜壓力過大時，由于化學(xué)平衡移動的原因，壓力反而會抑制煤結(jié)構(gòu)單元中側(cè)鏈或基團的分解析出，從而阻礙煤的變質(zhì)。煤的形成過程煤的分類與用途22.1褐煤

褐煤是煤化程度最低的煤。其特點是水分高、比重小、揮發(fā)分高、不粘結(jié)、化學(xué)反應(yīng)性強、熱穩(wěn)定性差、發(fā)熱量低，含有不同數(shù)量的腐殖酸。多被用作燃料、氣化、液化或低溫干餾的原料，也可用來提取褐煤蠟、腐殖酸，制造磺化煤或活性炭。一號褐煤還可以作農(nóng)田、果園的有機肥料。煤的分類與用途22.2長焰煤

長焰煤的揮發(fā)分含量很高，沒有或只有很小的粘結(jié)性，膠質(zhì)層厚度不超過5mm，易燃燒，燃燒時有很長的火焰，故得名長焰煤?？勺鳛闅饣偷蜏馗绅s的原料，也可作民用和動力燃料。煤的分類與用途22.3不粘煤

不粘煤水分大，沒有粘結(jié)性，加熱時基本不產(chǎn)生膠質(zhì)體，燃燒時發(fā)熱量較小，含有一定的次生腐殖酸。主要用作制造煤氣和民用或動力燃料。煤的分類與用途22.4弱粘煤

弱粘煤水分大，粘結(jié)性較弱，揮發(fā)分較高，加熱時能產(chǎn)生較少的膠質(zhì)體，能單獨結(jié)焦，但結(jié)成的焦塊小而易碎，這種煤主要用作氣化原料和動力燃料。煤的分類與用途22.51/2中粘煤1/2中粘煤具有中等粘結(jié)性和中高揮發(fā)分。可以作為配煤煉焦的原料，也可以作為氣化用煤和動力燃料。煤的分類與用途22.6氣煤

氣煤揮發(fā)分高，膠質(zhì)層較厚，熱穩(wěn)定性差。能單獨結(jié)焦，但煉出的焦炭細長易碎，收縮率大，且縱裂紋多，抗碎和耐磨性較差。故只能用作配煤煉焦，還可用來煉油、制造煤氣、生產(chǎn)氮肥或作動力燃料。煤的分類與用途22.7氣肥煤

氣肥煤的揮發(fā)分和粘結(jié)性都很高，結(jié)焦性介于氣煤和肥煤之間，單獨煉焦時能產(chǎn)生大量的氣體和液體化學(xué)物質(zhì)。最適合高溫干餾制造煤氣，更是配煤煉焦的好原料。煤的分類與用途22.8肥煤

肥煤具有很好的粘結(jié)性和中等及中高等揮發(fā)分，加熱時能產(chǎn)生大量的膠質(zhì)體，形成大于25mm的膠質(zhì)層，結(jié)焦性最強。用這種煤來煉焦，可以煉出熔融性和耐磨性都很好的焦炭，但這種焦炭橫裂紋多，且焦根部分常有蜂焦，易碎成小塊。肥煤的粘結(jié)性強，是配煤煉焦中的主要成分。煤的分類與用途22.91/3焦煤1/3焦煤是介于焦煤、肥煤和氣煤之間的過渡煤，具有很強的粘結(jié)性和中高等揮發(fā)分，單獨用來煉焦時，可以形成熔融性良好、強度較大的焦炭，是良好的配煤煉焦的基礎(chǔ)煤。煤的分類與用途22.10焦煤

焦煤具有中低等揮發(fā)分和中高等粘結(jié)性，加熱時可形成穩(wěn)定性很好的膠質(zhì)體，單獨用來煉焦，能形成結(jié)構(gòu)致密、塊度大、強度高、耐磨性好、裂紋少、不易破碎的焦炭。但因其膨脹壓力大，易造成推焦困難，損壞爐體，故一般都作為煉焦配煤使用。煤的分類與用途22.11瘦煤

瘦煤具有較低揮發(fā)分和中等粘結(jié)性。單獨煉焦時，能形成塊度大、裂紋少、抗碎強度較好，但耐磨性較差的焦炭。常用于配煤煉焦的瘦化劑，瘦煤可以起到骨架和緩和收縮應(yīng)力，從而增大焦炭塊度的作用，以提高焦炭的塊度，減少焦炭的裂紋。也用作氣化的原料，或用作燃料。煤的分類與用途22.12貧瘦煤

貧瘦煤揮發(fā)分低，粘結(jié)性較弱，結(jié)焦性較差。單獨煉焦時生成的焦粉很多。但它能起到瘦化劑的作用。故可作煉焦配煤使用，同時，也是民用和動力的好燃料。煤的分類與用途22.13貧煤

貧煤具有一定的揮發(fā)分，加熱時不產(chǎn)生膠質(zhì)體，沒有粘結(jié)性或只有微弱的粘結(jié)性，燃燒火焰短，煉焦時不結(jié)焦。主要用于動力和民用燃料。在缺乏瘦料的地區(qū)，也可充當配煤煉焦的瘦化劑。煤的分類與用途22.14無煙煤

無煙煤是煤化程度最高的煤。揮發(fā)分低、比重大、燃燒時煙少火苗短、火力強、硬度高。通常作民用和動力燃料。質(zhì)量好的無煙煤可作氣化原料、高爐噴吹和燒結(jié)鐵礦石的燃料，以及制造電石、電極和炭素材料等。煤的組成和結(jié)構(gòu)33.1煤的元素組成

煤的化學(xué)組成很復(fù)雜，但歸納起來可分為有機質(zhì)和無機質(zhì)兩大類，以有機質(zhì)為主體。(1)煤中的有機質(zhì)主要由碳、氫、氧、氮和有機硫等五種元素組成。其中，碳、氫、氧占有機質(zhì)的95%以上。此外，還有極少量的磷和其他元素。(2)煤中的無機質(zhì)主要是水分和礦物質(zhì)，它們的存在降低了煤的質(zhì)量和利用價值，其中絕大多數(shù)是煤中的有害成分。(3)還有一些稀有元素，例如，鍺、鎵、銦、釷、釩、鈦、鈾等，它們分別以有機或無機化合物的形態(tài)存在于煤中。煤的組成和結(jié)構(gòu)33.1.1煤中的碳元素（C）

煤中的碳是組成煤有機質(zhì)的第一重要元素。它是煤有機質(zhì)中含量最高的元素，也是煤在燃燒過程中產(chǎn)生熱量的重要元素之一（每1Kg純碳完全燃燒能放出34038KJ的熱量），還是組成煤的大分子骨架的主要元素之一。C+O2CO2+Q煤的組成和結(jié)構(gòu)33.1.2煤中的氫元素（H）

煤中的氫是組成煤有機質(zhì)的第二重要元素。它雖然含量不高，但卻是煤中重要的可燃物質(zhì)，每1Kg氫完全燃燒能放出142961KJ的熱量（是碳的3.8~4.2倍）；氫也是組成煤大分子的骨架和側(cè)鏈的不可缺少的重要元素。腐泥煤中氫含量＞6%；腐植煤中的氫含量＜6%，并隨煤化程度的增高而降低。H2+O2H2O+Q煤的組成和結(jié)構(gòu)33.1.3煤中的氧元素（O）

煤中的氧是組成煤有機質(zhì)的第三重要元素，其含量僅次于碳，但它是煤中不可燃成分。由于氧元素在煤的燃燒過程中不產(chǎn)生熱量，卻能與產(chǎn)生熱量的氫生成水，使煤的發(fā)熱量降低，因此氧含量高對動力用煤來說是不利的；對于煉焦用煤，氧含量增高會使其粘結(jié)性和結(jié)焦性大為降低，甚至失去粘結(jié)性；但氧是煤中反應(yīng)能力較強的元素，當煤用于制取芳香羧酸和腐植酸類物質(zhì)時，氧的存在是有利的。煤的組成和結(jié)構(gòu)33.1.3煤中的氧元素（O）含氧官能團—OH主要是酚羥基，煙煤的主要官能團—COOH褐煤特性官能團，酸性比乙酸強>C=O無酸性，煤中分布很廣—OCH3

存在于泥炭和軟褐煤中—O—年老褐煤中占優(yōu)勢煤的組成和結(jié)構(gòu)33.1.4煤中的氮元素（N）

煤中的氮元素含量僅為0.4%~2.6%，但它是煤中唯一完全以有機狀態(tài)存在的元素。當煤作為高溫?zé)峒庸ぴ线M行加熱時，煤中氮的一部分變成N2、NH3及其它一些有機含氮物質(zhì)逸出，而這些化合物可回收制成氮肥、硝酸、藥品等化學(xué)產(chǎn)品；煤燃燒時，氮是不可燃成分，煤中一部分氮轉(zhuǎn)變?yōu)榈难趸铮纬闪巳济核欧诺膹U氣中氮的氧化物總量的一部分，是空氣污染物；另一部分氮則呈游離狀態(tài)進入廢氣中。煤的組成和結(jié)構(gòu)33.1.4煤中的氮元素（N）主要以六元雜環(huán)、吡啶環(huán)或喹啉環(huán)等形式存在煤的組成和結(jié)構(gòu)33.1.5煤中的硫元素（S）

煤中硫是煤中的主要有害元素之一。在各種類型煤中都含有數(shù)量不等的硫分，少的在1%左右，高者可達10%以上。在燃燒和氣化時，煤中的硫轉(zhuǎn)變成的二氧化硫、硫化氫既腐蝕設(shè)備又污染環(huán)境，還使催化劑中毒，影響生產(chǎn)正常進行和產(chǎn)品質(zhì)量；用于煉焦時，其中70%~80%的硫轉(zhuǎn)入焦炭，焦炭用于冶金，使煉出的生鐵含硫較多而具有熱脆性，不僅使生鐵的質(zhì)量差，而且還使高爐的生產(chǎn)能力下降并嚴重腐蝕設(shè)備。因此，要求煉焦用煤的硫分應(yīng)小于l.0%；在煤的儲存時，煤中的FeS2能促進煤的氧化和自燃等。煤的組成和結(jié)構(gòu)33.1.5煤中的硫元素（S）含硫官能團硫醇（R—SH）硫醚（R—S—R’）二硫醚（R—S—S—R’）

硫醌

雜環(huán)硫煤的組成和結(jié)構(gòu)33.2煤的大分子結(jié)構(gòu)◎煤是由分子量不同、分子結(jié)構(gòu)相似但又不完全相同的一組“相似化合物”的混合物組成?！蚨鄠€相似的“基本結(jié)構(gòu)單元”通過橋鍵連接而成的立體結(jié)構(gòu)。3.2.1煤大分子結(jié)構(gòu)的概念煤的組成和結(jié)構(gòu)33.2.2不同煤化程度煤的基本結(jié)構(gòu)單元褐煤次煙煤高揮發(fā)分煙煤低揮發(fā)分煙煤無煙煤石墨●芳碳率fCar

芳香族結(jié)構(gòu)的碳原子數(shù)與總碳原子數(shù)之比?！穹細渎蔲Har

芳香族結(jié)構(gòu)的氫原子數(shù)與總氫原子數(shù)之比?！穹辑h(huán)率基本結(jié)構(gòu)單元中芳香環(huán)數(shù)與總環(huán)數(shù)之比。煤的組成和結(jié)構(gòu)33.2.3煤的結(jié)構(gòu)參數(shù)煤的組成和結(jié)構(gòu)33.2.4煤的結(jié)構(gòu)模型

Fuchs模型

——

20世紀60年代以前的代表模型。

由W.Fuchs（德）提出，1957年經(jīng)VanKrevelen修改特點：二戰(zhàn)前，以化學(xué)研究方法為主，僅獲得一些定性的概念，可用于建模的定量數(shù)據(jù)很少。采用“統(tǒng)計結(jié)構(gòu)分析”方法，第一次突破。定量描述了煤結(jié)構(gòu)中的芳香和脂肪簇，并首次引用X射線分析和紅外光譜的結(jié)果來證明其結(jié)論。特點是具有很大的蜂窩狀縮合芳香環(huán)——比較片面，不能全面反映煤結(jié)構(gòu)的特征。特點：低煤化度煙煤，首次提出煤具有三維空間結(jié)構(gòu)，主要是萘環(huán)以脂環(huán)互聯(lián)，分子線性排列構(gòu)成折疊狀的無序的三維空間大分子；存在各種官能團、氫鍵和含氮雜環(huán)；加強了氫