煤化学第二章煤的生成解读.doc

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。因此，煤是由植物而且主要是由高等植物转化而来的观点已成为人们的共识。 由于植物是成煤的主要原始物质，因此植物界的发展、演化以及各类植物的兴盛、衰亡必然影响着地史时期成煤特征的演化。植物在地史上，逐步由低级向高级发展演化，并经历了多次飞跃演化的漫长过程。从低等的菌藻到高级的被子植物，其发展过程显示出五个阶段，由老到新分别是:菌藻植物时代、裸蕨植物时代、蕨类和种子植物时代、裸子植物时代和被子植物时代。这几个阶段对煤的形成和聚积有直接关系。植物由低级向高级演化，当某种高等植物占优势后，有些植物灭绝。但低等植物的一些门类仍继续存在。 最早出现的植物是低等植物，低等植物是由单细胞或多细胞构成的丝状和叶片状植物体，没有根、茎、叶等器官的分化，如藻类。低等植物大多生活在水中，细菌的生存环境十分广泛，它们是地球上最早出现的生物，藻类从太古代、元古代开始一直发展到现在，其种类达两万种以上高等植物有根、茎、叶等器官的分化，包括苔藓植物、蕨类植物、裸子植物和被子植物，地史上这些类别的植物除苔藓外，常能形成高大的乔木，具有粗壮的根和茎，成为重要的成煤物质。 植物的演化对煤的形成有十分重要的影响，只有当植物分布广泛、繁茂生长时才可能有成煤作用发生，而新门类植物群的出现又是形成新成煤期的前提。图2-1表示了最主要的植物门类在地史上的分布。 图2-1地史上主要植物群分布图 二、植物的有机组成及化学性质 植物主要由有机物质构成，但也含有一定量的无机物质。高等植物和低等植物的基本组成单元是细胞，植物细胞是由细胞壁和细胞质构成的。细胞壁的主要成分是纤维素、半纤维素和木质素，细胞质的主要成分是蛋白质和脂肪。各类植物以及同一植物的不同部分其有机组成各不相同，见表2-1。低等植物主要由蛋白质和碳水化合物组成，脂肪含量比较高;高等植物的组成则以纤维素、半纤维素和木质素为主，植物的角质层、木栓层、孢子和花粉则含有大量的脂类化合物。无论高等植物还是低等植物，也不论高等植物中的哪一种有机成分都可参与泥炭化作用进而形成煤。而植物的有机组成的差别，直接影响到它的分解和转化过程，最终影响到煤的组成、性质和利用途径。 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。 (一)糖类及其衍生物(碳水化合物) 糖类( saccharide)及其衍生物包括纤维素、半纤维素和果胶质等成分。 纤维素是一种高分子的碳水化合物，它是构成植物细胞壁的主要成分，属于多糖，其链式结构可用通式(C6H10O5).表示，分子结构如图2-2所示。纤维素在活的植物体内对微生物的作用很稳定，但植