腐植煤

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腐植煤(Humic coal)

目录

什么是腐植煤

  腐植煤是指由高等植物在漫长的成煤过程中,经过复杂的生化作用和地质变化作用而逐渐形成的煤。

腐植煤的生成过程[1]

  经研究,成煤的植物在各地质年代是不同的,其中有3个最大的聚煤期,它们是:

  ①古生代的石炭纪和三叠纪,造煤植物主要是孢子植物;

  ②中生代的侏罗纪和白垩纪,造煤植物主要是裸子植物;

  ③新生代的第三纪,造煤植物主要是被子植物。

  与此相对应的成煤的气候、地理和地质条件有:

  ①大地上有均匀的温度和潮湿的气候,适宜于地上的植物一代一代地繁茂生长;

  ②地形的起伏易形成大的沼泽地带,有利于植物群的发展及残体堆积在水中;

  ③地壳的运动与死亡植物堆积速度相适应,使之有可能保存植物残体,并转变沉积状态。

  从植物死亡到堆积转变成煤,需经过一系列的演变,大致可以分为两个阶段,即泥炭化阶段和煤化阶段。

  (1)泥炭化阶段

  死亡后堆积在沼泽中的植物残体,逐渐与空气隔绝而出现弱氧化环境和还原环境;植物残体在转变过程中分解出的气体、液体和细菌新陈代谢的产物促使沼泽中介质的酸度增加,抑制了喜氧细菌、真菌的生存和活动;再加上植物中的防腐和杀菌成分(如酚类)的逐步积累不利于微生物的生存和活动。以上种种变化,促使厌氧细菌所参与的各种合成作用占主导地位,在泥炭中产生了新的物质。植物转变成泥炭后,植物中含有的蛋白质在泥炭中消失,木质素、纤维素等大为减少,产生了植物中原先没有的大量的腐植酸(有时可高达40%)。

  泥炭的厚度与植物的堆积速度(一般每年只有0.5~2mm)及地壳变动有关,若地壳变动很小,植物生长又很茂盛,则泥炭的厚度可以很大,如由中生代、新生代第三纪的泥炭形成的煤层厚度可达100~200m。而现代泥炭和第四纪埋藏泥炭,一般只有几米厚,个别地区可厚达20m和30m。

  泥炭中的杂质,如硫含量,与聚积地的地理位置有关,近海的由泥炭演化得到的许多煤层,硫含量都相当高,这是因为海水中的硫酸根离子,受脱硫弧菌的作用,使硫酸盐还原成为硫化氢,后者与沉积物中的铁离子作用形成水陨硫铁(FeS·nH,O),水陨硫铁再进一步转化成黄铁矿,后者沉积在煤层中,形成煤中的无机硫。有时硫化氢与植物分解产物作用从而形成煤中的有机硫化合物。

  聚积地环境对煤的还原程度也有影响。所谓还原程度是指煤中有机质在成煤过程中由于各种因素的影响而受到还原的程度。它与煤的元素组成、加工工艺性质和煤的分子结构特征有关。一般强还原煤的酚基和羰基含量都较低,氢键结构属于NH—O和NH—N类型,而弱还原煤,酚基和羰基含量都较高,氢键结构属于OH—O和OH—N类型。此外,强还原煤的被氧化能力较弱还原煤小,热分解强度较弱还原煤为高。强还原煤,相应的泥炭是在碱性介质停滞和厌氧的还原环境中,或在聚积和埋藏速度较快的条件下形成。而弱还原煤,相应的泥炭是在地壳运动较稳定的条件下形成的。

  (2)煤化阶段

  当在泥炭上面形成了岩石层顶板以后,成煤进入煤化阶段。这一阶段包括由泥炭变成褐煤一烟煤一无烟煤的整个阶段。这一系列变化是在不同深度的地壳内进行的,作用的主要因素是地壳温度、压力、作用时间等。

  煤化阶段包括成岩作用阶段和变质作用阶段。一般认为从泥炭转变为褐煤是成岩作用阶段,而从褐煤开始转变为更高级煤的阶段是变质作用阶段。

  当地壳下沉的速度超过植物堆积速度时,则泥炭堆积停止,黏土、泥沙堆积在泥炭上面,在长期的地质因素作用(如风化、剥蚀、搬运、沉积和固结成岩等)下逐渐形成了顶板。受温度、顶板及顶板上泥土等的压力的影响泥炭被压实、脱水、增碳,孔隙度减少并逐渐固结,泥炭由无定形物质逐渐转化为岩石状的褐煤,故被称为成岩作用阶段。形成的褐煤不再含有大量未分解的植物组织及糖类等组分,腐植酸也大为减少,碳含量增加,氢、氧含量降低。

  变质作用阶段,受温度、压力和时间的影响煤化程度不断加深,最后得到无烟煤。一般认为温度是促使煤化程度加深的主要因素。根据热源及其作用方式,变质作用可划分成三种类型:深成变质作用、岩浆变质作用和动力变质作用。

  深成变质作用是指煤在地面下较深处受地热和上覆岩系静压力的作用引起的煤的变质作用,随煤的深度的增加,这种变质作用也愈明显。这种作用对煤的影响最为广泛,因此也称为“区域变质作用”。

  当岩浆侵入、穿过或靠近煤层或含煤岩系时,由于受岩浆本身带来的高温、挥发性气体产生的压力的影响引起煤变质程度增高称岩浆变质作用。其中最极端的例子是天然焦的生成,我国阜新煤田和山东淄博煤田都发现有天然焦。

  动力变质作用是指由于地壳构造变动促使煤发生变质作用,它主要是由压性或压扭性断裂引起的,其影响范围不大,也没有规律性。

腐植煤的岩相组成[1]

  从地质学观点看,煤也是一种岩石,因此历史上有不少煤化学家研究了煤的岩相组成,并对煤进行分类。

  煤岩学的研究有两种方法,即宏观研究法和微观研究法。

  (1)宏观研究法用肉眼观察煤的颜色、光泽、断口等来确定煤的煤岩成分。一般可将煤岩成分分为镜煤、亮煤、暗煤和丝炭。

  ①丝炭外观像木炭,呈灰黑色,具有明显的纤维状结构和丝绢光泽,疏松矿化丝炭坚硬致密,相对密度大。在煤层中,丝炭一般数量不多,常呈扁平透镜体状沿煤的层面分布,厚度为1~2mm,有时也能形成不连续的薄层。丝炭含氢量低,含碳量高,没有黏结性,低温焦油产率低。当它的空腔内含有黄铁矿时,容易发生氧化并可引起自燃,其灰分较高,不适宜作炼焦和低温干馏等的原料和动力燃料;但少量的(如低于5%)丝炭加到较肥的煤料中可起瘦化作用,对炼焦有利。丝炭一般不能液化。

  ②镜煤呈黑色,光泽强,质均匀而脆,具有贝壳状断口。镜煤在煤层中常呈亮黑色,为光滑玻璃状、透镜状或条带状,大多厚几毫米到1~2cm,有时呈纹理状夹在亮煤和暗煤中。在四种煤岩成分中,镜煤的挥发组分和含氢量高、黏结性强,适宜作炼焦、低温干馏、气化、液化等的原料。

  ③亮煤亮煤是最常见的煤岩成分。不少煤层以亮煤为主,甚至全部由亮煤构成。亮煤的光泽仅次于镜煤;但性较脆,相对密度小,均匀程度不如镜煤,表面隐约可见微细纹理。亮煤可以用作炼焦、气化、低温干馏等的原料。

  ④暗煤暗煤光泽暗淡,一般呈灰黑色,致密,相对密度大,坚硬而具韧性。在煤层中,可以由暗煤为主形成较厚的分层,甚至单独成层。有结实的粒状结构,破碎时呈现细粒或暗淡粗糙的表面。暗煤不宜用来炼焦,但它是低温干馏的良好原料。

腐植煤的分类和外表特征[2]

  腐植煤是煤加工、利用的主要对象。根据成煤过程中煤化程度的不同,腐植煤可分为泥炭、褐煤、烟煤、无烟煤。它们的外表特征有较明显差异。

  1.泥炭

  泥炭呈棕褐色或黑褐色,无光泽,质地柔软且不均匀,水分含量较高,一般可达85%一95%(本书中如无特别说明,均指质量分数,下同)。自然干燥后,水分可降低至25%一35%。风干后的泥炭为棕褐色或黑褐色土状碎块。实际上,泥炭属于植物成煤过程中的过渡产物。

  泥炭的有机组成包括以下几个部分。

  ①腐植酸。腐植酸是由高分子羟基芳香羧酸所组成的复杂混合物,具有酸性,是一种无定形的高分子胶体物质,是泥炭中最主要的成分。

  ②沥青质。它是由分解产物经化学合成作用形成的,也可以由树脂、树蜡、孢子等转化而成。

  ③未分解或分解不完全的纤维素、半纤维素、果胶和木质素。

  ④角质、树脂、孢子等稳定组分。泥炭在中国分布广泛,储量约270亿吨,主要分布在大小兴安岭、三江平原、长白山、青藏高原东部及燕山和太行山前洼地等区域。

  2.褐煤

  褐煤呈褐色或黑褐色,水分含量较高,可达30%一60%,自然干燥后水分降至10%一30%,大多无光泽,真相对密度1.10一1.40。从年轻褐煤转变成年老褐煤时,颜色逐渐变深,硬度不断增大,腐植酸含量逐渐降低。由于褐煤水分含量高,易风化而破裂,所以不宜长途运输

  中国褐煤资源较丰富,储量约为893亿吨,分布于东北、西北、西南和华北等地,主要集中在内蒙古、云南、吉林等省区。

  3.烟煤

  烟煤呈黑色,水分含量较低,真相对密度1.2—1.45,硬度较大,随着煤化程度的增加,煤的光泽逐渐增强,条带状结构明显。烟煤在自然界中分布最广,储量最大,品种也最多。根据煤化程度中国将烟煤分为长焰煤、不黏煤、弱黏煤、1/2中黏煤、气煤气肥煤1/3焦煤肥煤焦煤瘦煤贫瘦煤贫煤。其中,气煤、肥煤、焦煤、瘦煤具有黏结性,适宜炼焦使用,称为炼焦煤。中国烟煤储量非常丰富,约4058亿吨,其中炼焦用煤2264亿吨,不黏煤1256亿吨,弱黏煤232亿吨,长焰煤306亿吨。

  4.无烟煤

  无烟煤呈灰黑色,具有金属光泽,真相对密度1.4一1.8,硬度大,燃点高,高达360一410℃以上。因燃烧时无烟而得名。是煤化程度最高的腐植煤。中国无烟煤储量约1044亿吨,主要集中在山西省和贵州省。

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参考文献

  1. 1.0 1.1 黄仲九,房鼎业主编.化学工艺学.高等教育出版社,2008.9.
  2. 朱银惠主编.教育部高职市场规划教材 煤化学.化学工业出版社,2005年02月第1版.
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