腐植煤

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腐植煤(Humic coal)

　　腐植煤是指由高等植物在漫長的成煤過程中，經過複雜的生化作用和地質變化作用而逐漸形成的煤。

　　經研究，成煤的植物在各地質年代是不同的，其中有3個最大的聚煤期，它們是：

　　①古生代的石炭紀和三疊紀，造煤植物主要是孢子植物；

　　②中生代的侏羅紀和白堊紀，造煤植物主要是裸子植物；

　　③新生代的第三紀，造煤植物主要是被子植物。

　　與此相對應的成煤的氣候、地理和地質條件有：

　　①大地上有均勻的溫度和潮濕的氣候，適宜於地上的植物一代一代地繁茂生長；

　　②地形的起伏易形成大的沼澤地帶，有利於植物群的發展及殘體堆積在水中；

　　③地殼的運動與死亡植物堆積速度相適應，使之有可能保存植物殘體，並轉變沉積狀態。

　　從植物死亡到堆積轉變成煤，需經過一系列的演變，大致可以分為兩個階段，即泥炭化階段和煤化階段。

　　(1)泥炭化階段

　　死亡後堆積在沼澤中的植物殘體，逐漸與空氣隔絕而出現弱氧化環境和還原環境；植物殘體在轉變過程中分解出的氣體、液體和細菌新陳代謝的產物促使沼澤中介質的酸度增加，抑制了喜氧細菌、真菌的生存和活動；再加上植物中的防腐和殺菌成分(如酚類)的逐步積累不利於微生物的生存和活動。以上種種變化，促使厭氧細菌所參與的各種合成作用占主導地位，在泥炭中產生了新的物質。植物轉變成泥炭後，植物中含有的蛋白質在泥炭中消失，木質素、纖維素等大為減少，產生了植物中原先沒有的大量的腐植酸(有時可高達40％)。

　　泥炭的厚度與植物的堆積速度(一般每年只有0．5～2mm)及地殼變動有關，若地殼變動很小，植物生長又很茂盛，則泥炭的厚度可以很大，如由中生代、新生代第三紀的泥炭形成的煤層厚度可達100～200m。而現代泥炭和第四紀埋藏泥炭，一般只有幾米厚，個別地區可厚達20m和30m。

　　泥炭中的雜質，如硫含量，與聚積地的地理位置有關，近海的由泥炭演化得到的許多煤層，硫含量都相當高，這是因為海水中的硫酸根離子，受脫硫弧菌的作用，使硫酸鹽還原成為硫化氫，後者與沉積物中的鐵離子作用形成水隕硫鐵(FeS·nH，O)，水隕硫鐵再進一步轉化成黃鐵礦，後者沉積在煤層中，形成煤中的無機硫。有時硫化氫與植物分解產物作用從而形成煤中的有機硫化合物。

　　聚積地環境對煤的還原程度也有影響。所謂還原程度是指煤中有機質在成煤過程中由於各種因素的影響而受到還原的程度。它與煤的元素組成、加工工藝性質和煤的分子結構特征有關。一般強還原煤的酚基和羰基含量都較低，氫鍵結構屬於NH—O和NH—N類型，而弱還原煤，酚基和羰基含量都較高，氫鍵結構屬於OH—O和OH—N類型。此外，強還原煤的被氧化能力較弱還原煤小，熱分解強度較弱還原煤為高。強還原煤，相應的泥炭是在鹼性介質停滯和厭氧的還原環境中，或在聚積和埋藏速度較快的條件下形成。而弱還原煤，相應的泥炭是在地殼運動較穩定的條件下形成的。

　　(2)煤化階段

　　當在泥炭上面形成了岩石層頂板以後，成煤進入煤化階段。這一階段包括由泥炭變成褐煤一煙煤一無煙煤的整個階段。這一系列變化是在不同深度的地殼內進行的，作用的主要因素是地殼溫度、壓力、作用時間等。

　　煤化階段包括成岩作用階段和變質作用階段。一般認為從泥炭轉變為褐煤是成岩作用階段，而從褐煤開始轉變為更高級煤的階段是變質作用階段。

　　當地殼下沉的速度超過植物堆積速度時，則泥炭堆積停止，黏土、泥沙堆積在泥炭上面，在長期的地質因素作用(如風化、剝蝕、搬運、沉積和固結成岩等)下逐漸形成了頂板。受溫度、頂板及頂板上泥土等的壓力的影響泥炭被壓實、脫水、增碳，孔隙度減少並逐漸固結，泥炭由無定形物質逐漸轉化為岩石狀的褐煤，故被稱為成岩作用階段。形成的褐煤不再含有大量未分解的植物組織及糖類等組分，腐植酸也大為減少，碳含量增加，氫、氧含量降低。

　　變質作用階段，受溫度、壓力和時間的影響煤化程度不斷加深，最後得到無煙煤。一般認為溫度是促使煤化程度加深的主要因素。根據熱源及其作用方式，變質作用可劃分成三種類型：深成變質作用、岩漿變質作用和動力變質作用。

　　深成變質作用是指煤在地面下較深處受地熱和上覆岩系靜壓力的作用引起的煤的變質作用，隨煤的深度的增加，這種變質作用也愈明顯。這種作用對煤的影響最為廣泛，因此也稱為“區域變質作用”。

　　當岩漿侵入、穿過或靠近煤層或含煤岩系時，由於受岩漿本身帶來的高溫、揮發性氣體產生的壓力的影響引起煤變質程度增高稱岩漿變質作用。其中最極端的例子是天然焦的生成，我國阜新煤田和山東淄博煤田都發現有天然焦。

　　動力變質作用是指由於地殼構造變動促使煤發生變質作用，它主要是由壓性或壓扭性斷裂引起的，其影響範圍不大，也沒有規律性。

　　從地質學觀點看，煤也是一種岩石，因此歷史上有不少煤化學家研究了煤的岩相組成，並對煤進行分類。

　　煤岩學的研究有兩種方法，即巨集觀研究法和微觀研究法。

　　(1)巨集觀研究法用肉眼觀察煤的顏色、光澤、斷口等來確定煤的煤岩成分。一般可將煤岩成分分為鏡煤、亮煤、暗煤和絲炭。

　　①絲炭外觀像木炭，呈灰黑色，具有明顯的纖維狀結構和絲絹光澤，疏鬆礦化絲炭堅硬緻密，相對密度大。在煤層中，絲炭一般數量不多，常呈扁平透鏡體狀沿煤的層面分佈，厚度為1～2mm，有時也能形成不連續的薄層。絲炭含氫量低，含碳量高，沒有黏結性，低溫焦油產率低。當它的空腔內含有黃鐵礦時，容易發生氧化並可引起自燃，其灰分較高，不適宜作煉焦和低溫乾餾等的原料和動力燃料；但少量的(如低於5％)絲炭加到較肥的煤料中可起瘦化作用，對煉焦有利。絲炭一般不能液化。

　　②鏡煤呈黑色，光澤強，質均勻而脆，具有貝殼狀斷口。鏡煤在煤層中常呈亮黑色，為光滑玻璃狀、透鏡狀或條帶狀，大多厚幾毫米到1～2cm，有時呈紋理狀夾在亮煤和暗煤中。在四種煤岩成分中，鏡煤的揮發組分和含氫量高、黏結性強，適宜作煉焦、低溫乾餾、氣化、液化等的原料。

　　③亮煤亮煤是最常見的煤岩成分。不少煤層以亮煤為主，甚至全部由亮煤構成。亮煤的光澤僅次於鏡煤；但性較脆，相對密度小，均勻程度不如鏡煤，錶面隱約可見微細紋理。亮煤可以用作煉焦、氣化、低溫乾餾等的原料。

　　④暗煤暗煤光澤暗淡，一般呈灰黑色，緻密，相對密度大，堅硬而具韌性。在煤層中，可以由暗煤為主形成較厚的分層，甚至單獨成層。有結實的粒狀結構，破碎時呈現細粒或暗淡粗糙的錶面。暗煤不宜用來煉焦，但它是低溫乾餾的良好原料。

　　腐植煤是煤加工、利用的主要對象。根據成煤過程中煤化程度的不同，腐植煤可分為泥炭、褐煤、煙煤、無煙煤。它們的外表特征有較明顯差異。

　　1．泥炭

　　泥炭呈棕褐色或黑褐色，無光澤，質地柔軟且不均勻，水分含量較高，一般可達85％一95％(本書中如無特別說明，均指質量分數，下同)。自然乾燥後，水分可降低至25％一35％。風乾後的泥炭為棕褐色或黑褐色土狀碎塊。實際上，泥炭屬於植物成煤過程中的過渡產物。

　　泥炭的有機組成包括以下幾個部分。

　　①腐植酸。腐植酸是由高分子羥基芳香羧酸所組成的複雜混合物，具有酸性，是一種無定形的高分子膠體物質，是泥炭中最主要的成分。

　　②瀝青質。它是由分解產物經化學合成作用形成的，也可以由樹脂、樹蠟、孢子等轉化而成。

　　③未分解或分解不完全的纖維素、半纖維素、果膠和木質素。

　　④角質、樹脂、孢子等穩定組分。泥炭在中國分佈廣泛，儲量約270億噸，主要分佈在大小興安嶺、三江平原、長白山、青藏高原東部及燕山和太行山前窪地等區域。

　　2．褐煤

　　褐煤呈褐色或黑褐色，水分含量較高，可達30％一60％，自然乾燥後水分降至10％一30％，大多無光澤，真相對密度1.10一1.40。從年輕褐煤轉變成年老褐煤時，顏色逐漸變深，硬度不斷增大，腐植酸含量逐漸降低。由於褐煤水分含量高，易風化而破裂，所以不宜長途運輸。

　　中國褐煤資源較豐富，儲量約為893億噸，分佈於東北、西北、西南和華北等地，主要集中在內蒙古、雲南、吉林等省區。

　　3．煙煤

　　煙煤呈黑色，水分含量較低，真相對密度1.2—1.45，硬度較大，隨著煤化程度的增加，煤的光澤逐漸增強，條帶狀結構明顯。煙煤在自然界中分佈最廣，儲量最大，品種也最多。根據煤化程度中國將煙煤分為長焰煤、不黏煤、弱黏煤、1/2中黏煤、氣煤、氣肥煤、1/3焦煤、肥煤、焦煤、瘦煤、貧瘦煤、貧煤。其中，氣煤、肥煤、焦煤、瘦煤具有黏結性，適宜煉焦使用，稱為煉焦煤。中國煙煤儲量非常豐富，約4058億噸，其中煉焦用煤2264億噸，不黏煤1256億噸，弱黏煤232億噸，長焰煤306億噸。

　　4.無煙煤

　　無煙煤呈灰黑色，具有金屬光澤，真相對密度1.4一1.8，硬度大，燃點高，高達360一410℃以上。因燃燒時無煙而得名。是煤化程度最高的腐植煤。中國無煙煤儲量約1044億噸，主要集中在山西省和貴州省。

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