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1、能源化学讲稿煤化学1.煤的种类、特征和生成1煤的种类、特征与生成（多媒体课件教案）教学目标：掌握煤在泥炭化阶段、变质阶段的煤质变化原理，了解各种煤炭的基本特征，了解主要成煤期与重要煤田。教学内容： （1）煤的种类和特征（2）腐植煤的主要特征与一般特性（3）煤的生成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 植物残骸物质来源 生化、物化、化学作用进程变化 有机生物岩产物属性 有机化学属性 生物岩矿物属性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）低等植物（少量浮游生物）腐泥
2、煤（藻煤由藻类形成，胶泥煤彻底分解的基质）腐殖煤和腐泥煤的混合体腐殖腐泥（烛煤性同蜡烛，点火即燃，煤精结构细腻，质轻而有韧性，能雕琢工艺美术品）表1 腐殖煤与腐泥煤的主要特征特 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燃不燃烧燃烧，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251.2 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，它是近代煤炭综合利用的主要物质基础，也是煤化学的重点研究对象。根据煤化度的不同，腐殖煤可分为四大类：泥炭 褐煤 烟煤 无烟煤煤化度依次升高1.2.1泥炭严格地讲，泥炭并不是煤，而是植物向煤
3、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，水分可降至25%35%。按物理化学的观点，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。泥炭的有机质主要包括:(1)腐殖酸。它是泥炭最主要约有机成分，是一种由高分子轻基梭酸组成的复杂混合物，可溶于碱溶液而呈棕红至棕黑色，当调节溶液的pH值至酸性时，则有棕色絮状沉淀析出。(2)沥青质。它指可用苯、甲醇等有机溶剂抽提出的有机物，部分由树脂和树蜡转化而成，部分由植物组分的还原
4、产物通过合成反应生成。(3)末分解或尚未完全分解的植物族组成，包括纤维素、半纤维素、木质素和果胶质等。(4)变化不大的植物稳定组分，如角质、树脂、抱粉和木栓质等。泥炭的赋存形态：泥炭是在沼泽中形成的，根据沼泽的地形、环境、发育阶段的养料供应方式的不同，可将泥炭分为低位沼泽泥炭、中位沼泽泥炭和高位沼泽泥炭三种类型。前两种属土壤营养泥炭，后一种属大气营养泥炭。芬兰学者E基维年主张以植物残体对泥炭进行分类，将泥炭分为苔藓泥炭、草本泥炭和木本泥炭。也有人以沼泽的地理位置，将泥炭分为近海沼泽泥炭和内陆沼泽泥炭。世界上泥炭储量丰富的国家有俄罗斯、芬兰、爱尔兰、瑞典、加拿大和美国等国。我国泥炭储量约270亿
5、t，80%属裸露型，20%属埋藏型。主要分布在大小兴安岭、三江平原、长白山、青藏高原东部以及燕山、太行山等山前洼地和长江冲积平原等地。泥炭的用途 泥炭经气化可制成气体燃料或工业原料气;经液化可制成人造液体洁净燃料；泥炭焦化所得泥炭焦是制造优质活性炭的原料；用泥炭可以制造甲醇等多种化工原料；泥炭还是制造泥炭纤维板等建材和木材替代品的原料。泥炭还可以直接用作土壤改良剂和高质量的腐殖酸肥料。泥炭的开发和利用已引起国内外的广泛重视，近些年来发展十分迅速。1.2.2 褐煤褐煤是泥炭沉积后经脱水、压实转变为有机生物岩的初期产物，外表呈褐色或暗褐色，因而得名。根据煤化度与外表特征，可将褐煤分为土状褐煤、暗褐
6、煤和亮褐煤三种。此外还有一种保存着明显木质结构痕迹的木褐煤。随着煤化度升高，主要在成岩作用压力的影响下，褐煤发生一系列的变化，腐殖酸逐渐减少，水分显著降低，颜色变深，光泽从无到有，密度和硬度不断提高。(1)土状褐煤。它是泥炭变成褐煤的最初产物，其断面与一般粘土相似，结构较疏松，易时成粉末，粘污手指。(2)暗褐煤。它是典型的褐煤，表面呈暗褐色，有一定的硬度，如将其破碎则碎成块状而不形成粉末。(3)亮褐煤。从外表看它与低煤化度烟煤无明显区别，因而有些国家称其为次烟煤。但最褐煤仍含有腐殖酸，外观呈深褐色或黑色，有的带有丝绢状光泽，有的则如烟煤一样含有暗亮相间的条带。(4)木褐煤。亦称柴煤。有很明显的
7、木质结构，用显微镜观察可清楚地看到完整的植物细胞组织。它除含有腐殖酸、腐殖质和沥青质外，还含有木质素和纤维素等。显然，木褐煤是由尚未受到充分腐败作用的泥炭所形成的一种特殊形态的褐煤。褐煤的用途德国、澳大利亚等国有丰富的褐煤资源。我国褐煤也较丰富，储量约893亿t，分布在东北、西北、西南和华北等地，主要集中于内蒙古、云南、吉林和黑龙江等省区。褐煤适宜成型作气化原料，其低温干馏煤气可用作燃料气或制氢的原料气，低温干馏的煤焦油经加氢处理可制取液体燃料和化工原料；用褐煤半焦或瓷球作热载体对褐煤进行快速热分解是一种低、中温新法干馏工艺，可生产热值为18.8420.93MJ/Nm的优质城市煤气，焦油产率达
8、6.0%8.5%；将褐煤制成(蒽)油煤浆后催化加氢，褐煤有机质的80%可从转化成气态和液态产品，油收率约占35%。褐煤经溶剂抽提所得褐煤蜡(又名蒙旦蜡)，具最熔点高、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。可用作表面最性剂、表面光亮剂、疏水剂、色素溶剂和吸油介质等。但褐煤易风化破碎，故一般不宜长途运输。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。外观黑色，不含有游离腐殖酸。具有一定的光泽，产状呈明暗交替条带状。烟煤是最重要的腐植煤。按煤化度由低至高，分为长焰煤、不粘煤、弱粘煤、气煤、肥煤、焦煤、瘦煤和贫煤等。气煤、肥煤、焦煤和瘦煤都具有不同程度的粘结
9、性。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。故传统上称之为炼焦煤，除此以外的其他煤称之为非炼焦用煤。现代炼焦工业以使用这四种煤为主，但并不局限于这四种煤。1.2.4无烟煤煤化度最高的腐殖煤，燃烧时无烟而得名。外观灰黑色，有金属光泽，无明显条带。在各种煤中，其碳含量，真密度，硬度，燃点等均达到最大化值。主要用途民用、发电燃料制造合成氨的原料炭素材料的原料煤气发生炉造气的燃料高炉喷吹和烧结铁矿的燃料脱氧剂、增碳剂等。上述四类腐殖煤的主要特征与区分标志如表1-2所示。表1-2 四类腐殖煤的主要特征与区分标志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
10、 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，土状无原始植物残体，无明显条带呈条带状无明显条带在沸腾的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密度/gcm-31.101.401.201.451.351.90硬 度很低低较高高燃烧现象有烟有烟多烟无烟1.3 煤的生成煤的生成是一个极其漫长与极其复杂的过程。煤的成因因素，即成煤植物的种类，植物遗体的堆积环境和堆积方式，泥炭化阶段经受的生物化学作用等影响，炭形成并保存的诸因素，决定了煤在显微结构上具有多种形态各异的显微成分。煤的变质因素，即泥炭成岩后，煤变质作用的类型、温度、压力、时间及其相互作用决
11、定了煤的化学成熟程度，亦即煤化程度，又称煤化度。煤的显微成分组成和煤化度是表征煤的性质，尤其是炼焦用煤工艺性质的二维坐标系。l.3.1成煤原始物料三种成煤假说煤是和地球一起形成的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（1）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；（2）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；（3）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，是由植物而
12、且主要是由高等植物转变而来的观点已成为人们的共识。1.3.1.1地质年代与主要成煤植物在生物史上，植物经历了由低级向高级逐步发展，并且多次飞跃演化的漫长过程。按种类划分，其发展依次可分为菌藻植物时代、裸蕨植物时代、蕨类植物时代、裸子植物时代和被子植物时代。其中菌藻植物属于低等植物，其他植物属于高等植物。此外，高等植物还包括难以成煤的苔藓植物。在植物演化史上，某一种类的植物占优势后，前级植物中的某些门类仍继续存在。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
13、，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。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。表1-3
14、 地层系统、地质年代、成煤植物与主要煤种代（界）纪（系）距今年代（百万年）中国主要成煤期生物演化煤种植物动物新生代（界）第四纪（系）1.6 被子植物出现古人类泥炭晚第三纪（系）23哺乳动物褐煤为主，少量烟煤早第三纪（系）65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）晚古生代二叠纪（系）290蕨类植物两牺动物烟煤无烟煤石炭纪（系）355泥盆纪（系）410裸蕨植物早古生代志留纪（系）438菌藻植物鱼类石煤奥陶纪（系）510无脊椎动物寒武纪（系）570元古代（界）新元古代震旦（系）1000中元古代1600古元古代2500太古代（界）40001.3.1.2 成煤植物的有机族组成及成煤性质高等植物和低等植物的基本组成单元是细胞。细胞是由细胞壁和原生质构成的。前者的主要成分是纤维素、半纤维素和木质素，而后者的主要成分是蛋白质和脂肪。高等植物的细胞含原生质较少，低等植物则相反。茎是高等植物的主体，其外表面被一层表皮所包裹。表皮外层为角质层，里层为木栓层。从表皮向内，依次是形成层、木质部和髓心。高等植物除了根、茎、
