煤化作用的因素

一、煤的成岩作用与变质作用

无论是岩石学还是煤田地质学领域，对于成岩与变质作用的划分都存在着不同的认识。一般认为，由于亮褐煤(中国的老褐煤、美国的亚烟煤)已出现镜煤，具有强烈的镜煤化作用，并且具有微弱的光泽。因此，主张煤的成岩与变质作用的分界开始于亮褐煤的形成。

1.煤的成岩作用

泥炭形成后，由于盆地的沉降，在上覆沉积物的覆盖下被埋藏于地下，经压实、脱水、增碳，游离纤维素消失，出现了凝胶化组分，逐渐固结并具有了微弱的反射力，经过这种物理化学变化转变成年轻褐煤。这一转变所经历的作用称为煤的成岩作用。据E.Stach认为，这种作用大致发生于地下200～400m的浅层。

图3-1 成煤作用的阶段划分

图3-2 各种煤的含氧官能团含量变化(据Krevelen，1981)

在成岩作用中，煤受到复杂的化学和物理煤化作用。化学煤化作用主要反映在泥炭内的腐植酸、腐植质分子侧链上的亲水官能团，以及环氧数目不断地减少，形成各种挥发性产物，并导致碳含量增加，氧和水分含量减少。Blom等(1957)曾列举了煤的多种含氧官能团随碳含量增加的变化(表3-1)，并引用了Krevelen(1961)图解(图3-2)。这是由于有机质的基本结构单元主要是带有侧链和官能团(如羟基—OH、甲氧基—OCH3、羧基—COOH、甲基—CH3、醚基—C—O—C、羰—=C=O等)的缩合稠环芳烃体系，碳元素主要集中于稠环中。稠环的结合力强，具较大的稳定性。侧链和官能团之间及其与稠环之间的结合力相对较弱，稳定性差。因此，在煤化过程中，随温度及压力的增加，侧链和官能团不断发生断裂和脱落，数目减少，从而形成各种挥发性产物，如CO2，H2O，CH4等逸出。

煤的物理煤化作用主要反映在发生了物理胶体反应，即成岩凝胶化作用，从而使未分解或未完全分解的木质纤维组织，不断转变为腐植酸、腐植质，使已经形成的腐植酸、腐植质变为黑色具有微弱光泽的凝胶化组分。成岩作用中，丝炭化组分和稳定组分也发生了变化。

2.煤的变质作用

煤的变质作用是指年轻褐煤，在较高的温度、压力及较长地质时间等因素的作用下，进一步受到物理化学变化，变成老褐煤(亮褐煤)、烟煤、无烟煤、变无烟煤的过程。这一阶段所发生的化学煤化作用表现为腐植物质进一步聚合，失去大量的含氧官能团(如羧基—COOH和甲氧基—OCH3)，腐植酸进一步减少，使腐植物质由酸性变为中性，出现了更多的腐植复合物。本阶段物理煤化作用表现为结束了成岩凝胶化作用，形成凝胶化组分，植物残体已不存在，稳定组分发生沥青化作用，使叶片表皮蜡质和孢粉质的外层脱去甲氧基，形成易软化、塑性强，具粘结性的沥青质，并开始具有微弱的光泽。在温度、压力的继续作用下，腐植复合物不断发生聚合反应，使稠环芳香系统不断加大，侧链减少，不断提高芳香化程度和分子排列的规则化程度，变质程度不断提高，进而转变为烟煤、无烟煤和变无烟煤。M.R.Teichmüller根据一些作者的资料。以图解形式对微镜煤在烟煤和无烟煤煤化过程中的物理、化学变化和分子排列上的变化作了说明(图33)。

二、煤化作用特点

煤在连续的系列演化过程中，可明显地显现出增碳化趋势，即由泥炭阶段含有C，H，O，N，S5种主要元素，演变到无烟煤阶段基本上只含碳一种元素。因此，煤化作用过程，也可称作异种元素的排出过程。排出的方式是由其他元素和碳结合构成挥发性化合物，因此造成了随煤化程度增加，煤中的挥发物减少，碳含量增加。其次，也表现为结构单一化趋势，即由泥炭阶段含多种官能团的结构，逐渐演变到无烟煤阶段只含缩合芳核的结构，最后演变为石墨结构。因此，煤化作用过程实际上是依序排除不稳定结构的过程。煤化作用过程还表现为结构致密化和定向排列的趋势，即随煤化作用的进行，煤的有机分子侧链由长变短，数目变少，腐植复合物的稠核芳香系统不断增大，逐渐趋于紧密，分子量加大，缩合度提高，分子排列逐渐规则化，从混杂排列到层状有序排列，因此反光性能增强。

煤化作用过程中还表现为煤显微组分性质的均一性趋势，在煤化作用的低级阶段，煤显微组分的光性和化学组成结构差异显著，但随着煤化作用的进行，这些差异趋于一致，变得愈来愈不易区分。

煤化作用是一种不可逆的反应。煤化作用能否形成连续的系列演化过程，决定于具体地质条件。例如，含煤盆地由沉降转变为抬升，就会导致煤化作用的终止如果后来由于岩浆作用加剧，或盆地再度沉降，那么煤化作用还可能再次进行下去。

图3-3 烟煤和无烟煤煤化过程中微镜煤的物理、化学和分子变化(据M.R.Teichmüller，1954，1968，简化并改绘)

表3-1 煤中各种官能团的氧含量 单位:%

(据Blom等，1957)

煤化作用的发展是非线性的，表现为煤化作用的跃变，简称煤化跃变。煤的各种物理、化学性质的变化，在煤化进程中，快、慢、多、少是不均衡的。20世纪40年代，英国煤岩学家指出，煤化过程中镜质组反射率的增高是跳跃式的。1939年Stach提出，挥发分为28%时类脂组出现煤化作用转折。70年代以来，提出了煤化过程中的4次明显变化，即煤化作用跃变。

第一次跃变发生在长焰煤开始阶段(Cdaf=75%～80%，Vdaf=43%，镜质组反射率Romax=0.6%)，它与石油开始形成阶段相当(Cdaf，Vdaf等符号含义见第七章)。本次跃变的特点是沥青化作用的发生，随煤化程度的提高，各种含氧官能团逐渐脱落，在Rom=0.6%以前主要以析出CO2和H2O为特征当煤化作用达到Rom=0.5%～0.6%阶段，芳香核稠环上开始脱落脂肪族和脂肪族官能团和侧链，形成以甲烷为主的挥发物，于是开始了生成沥青质的沥青化作用。

第二次煤化跃变出现在肥煤到焦煤阶段(Cdaf=87%，Vdaf=29%，Romax=1.3%)。跃变的发生是因煤中甲烷的大量逸出，从而释放出大量的氢所造成的。本阶段开始，由于富氢的侧链和键的大量缩短及减少，使煤的比重下降到最小值。在压力的作用下，煤的显微孔隙度逐渐缩小，水分减少。到焦煤阶段(Cdaf=89%，Vdaf≈20%，Romax≈1.7%)，腐植凝胶基本上完成了脱水作用，水分和孔隙度都达到了最低值，发热量则升高到最大值(这和镜质组的硬度、密度的最小值，以及炼焦时可塑性最大值相一致)，随后由于化学结构的变化，水分含量又有所回升。此外，第二次跃变中还有耐磨性、焦化流动性、粘结性、内生裂隙数目等都达到极大值，内面积、湿润热等达到最小值。这些性质变化曲线的明显转折，称为煤化作用转折。自第二次跃变后，壳质组与镜质组在颜色、突起、反射率等方面的差异愈加变小，当Vdaf=22%时，无论用化学还是用光学方法都不能使孢子体、花粉体与镜质组分开，角质体也有类似趋势，其反射率甚至高于镜质组。因此，壳质组在Vdaf=29%～22%这一阶段的明显变化又称为煤化台阶。本阶段与油气形成的深成阶段后期(即热裂解气开始形成阶段)相当，石油烃转化为气体烃，因此它对应于石油的“死亡线”。

第三次跃变发生于烟煤变为无烟煤阶段(Cdaf=91%，Vdaf=8%，Romax=2.5%)。煤化作用的第三次跃变以后，就是有人称为无烟煤化作用和半石墨化作用(M.R.Teich-müller，1987)的阶段，它们代表了煤化作用的最终阶段，其产物是无烟煤和变无烟煤的形成。

第四次跃变为无烟煤与变无烟煤分界(Cdaf=93.5%，Hdaf=2.5%，Vdaf=4.0%，镜质组反射率Romax=4%，Rom=3.5%)。本阶段和初期煤化作用阶段相比有较多的不同。在化学煤化作用方面，主要表现为氢含量与氢碳原子比的急剧下降。碳含量随埋藏深度的增加明显地增大，同时芳香单元的芳香度和缩合度也急剧增加。

物理煤化作用不仅首先反映在硬度增大、光泽增强上，到变无烟煤时几乎呈浅黄色金属光泽，宏观上微层理已不明显。更为明显的变化是在光学特征上，即在非偏光下，无烟煤与变无烟煤都更加显示出均质性的特征，在正交偏光下，主要显微组分又可显出差异，角质组和孢子体达到了最大反射率，且双反射率也较高，惰质组的最大反射率约等于或低于镜质组的反射率，镜质组的最大反射率在无烟煤阶段以后有时可以超过惰质组。

无烟煤阶段镜质组反射率随着煤化作用进一步增高，进入变无烟煤以后，由于最小反射率(Rmax为6%时)迅速减小，双反射率急剧加大(图3-4)。原联邦德国北部闵斯特兰1号钻孔，随深度增加煤化作用程度加深，并由此带来镜质组反射率的变化(图35)。镜质组反射率在无烟煤和变无烟煤(超无烟煤)阶段数据分布如此离散的原因，除了镜质组的二轴光性特征以外，还因为难以区别各种不同显微组分。

本阶段在煤的结构上主要表现为芳香族稠环体系的缩合度进一步增加，侧链更加减少，芳香单元直径加大，层系间空间减小，使得顺层面三维的定向排列更加紧密(图3-6)。

图3-4 以氢含量和镜质组反射率(Rmax、Rm和Rmin)为基础，介于烟煤和石墨阶段之间的煤级的增高(据Ragot，1977)

煤化作用中，腐植物质的煤化作用与沥青质的沥青化作用是同期进行的。沥青化作用是指壳质组(包括藻类体)和镜质组在煤化过程中形成沥青质，即石油型烃类的一种作用。这种作用起始于硬褐煤阶段(Rom=0.5%)，持续到早期肥煤阶段(Rom=1.2%)。

荧光显微镜的发展进一步促进了对沥青化的认识。在荧光显微镜下观察，老褐煤亚烟煤和高挥发分烟煤的裂隙和微孔中，充填有弱反射的具强荧光的有机物质。烟煤中的沥青质来源于壳质组和镜质组，尤其是富氢镜质组。在一些用聚酯树脂浸润过的高挥发分烟煤光片上，用短波光照射时，可见到从镜质体裂隙、树脂体及渗出沥青体中析出的显示绿—黄荧光的油滴，在某些低煤化烟煤光片中可见到从镜质组微孔中渗出的沥青质所形成的薄膜。大约在Rom为0.6%～0.8%阶段，有些沥青质和部分树脂体一起转变为微粒体。

图3-5 原联邦德国北部闵斯特兰1号钻孔中的镜质组反射率(Rmax，Rmin和Rm)随深度而增加(据M.R.Teichmüller，1979)

由于镜质组中有0.4～0.6μm以下的极微孔隙起着分子筛的作用，使煤中生成的沥青质不能自由移动，而以吸附方式(可能还有化学方式)等为镜质组所吸收，只有少部分在裂隙微孔中形成渗出沥青体。

富含沥青的煤多与海相或钙质沉积有关，含有丰富的壳质组(包括藻类体)和基质镜质体，黄铁矿与有机硫含量较高，并以氢含量和焦油产率高、水分低、反射率低、荧光性强的微镜煤为特点。这种煤在炼焦时，软化早且可塑性强，甚至在低煤化阶段就显示出良好的粘结性，显然这与沥青化作用的影响有关。煤中沥青质的产生，促进了煤化作用中的成岩凝胶化，从而使煤的结焦性较好，而且沥青化阶段的煤(Rom=0.5%～1.3%)最适合于煤的加氢。这是因为沥青质的产生，也促使高煤化阶段起阻碍作用的富氧官能团大大减少，因而在上覆压力下芳香层系顺层面易于有序排列，从而增加了反射率的各向异性。

关于煤化作用特征的认识在不断深化。近期，关于煤化作用中惰性组的演化问题，已日益受到关注，惰性组在煤化作用中不变化的观点已为若干研究成果所改变。有人提出至少一部分惰性组显微组分，如微粒体，是从富氢显微组分(如沥青质体)在成油之后伴随煤化作用形成的一种产物。Teichmüller所称的后生丝质体也是腐植壳质组织，是在地球化学煤化作用中由于惰性化作用形成的。

图3-6 低煤级及高煤级分子结构模式图(据Oberlin等，1980)

1.煤化作用阶段

在煤化作用早期（泥炭—褐煤）阶段，与腐殖酸中羟基（—OH）、羧基（—COOH）、甲氧基（—OCH3）等官能团结合的元素，如Ba，Ca，Mg，Sr，Na等，部分随基团的脱落及CO2，H2O和CH4等的排出而呈气溶物和水溶物的形式逸失，残留在·100·煤中的部分元素由于有机质失去活性而形成有机配合物，部分元素以矿物的形式残留下来，部分元素加入矿物而形成无机化合物。由此，导致鄂尔多斯盆地北缘-晋北地区煤中大部分有害元素随煤级增高而减少，如Ba，Mn，REE，Cu，Pb，V，Cr，Th，Mo，Hf，As，U，Be，Hg，全硫等，在较低煤级煤中含量较高。但是，本区高煤级煤中元素Cd，Se的含量最高，有害元素Se的含量随煤级增高而增大，显示出后期煤化作用过程向煤层中注入了有害元素。

在煤化作用过程中，岩浆及岩浆期后热液带来微量元素与煤层进行物质交换，导致某些元素在煤中富集，某些元素也随热液迁出而流失。同时，煤层受热温度的增高，可能导致某些与有机质结合的元素会随煤中有机质的热降解而逸散，而与矿物结合的元素则因灰分相对增高而增加。Goodarzi（1995）认为，接触变质煤中Cl，Mo，Se等的含量较低，正是由于它们随煤的热降解而散逸，而Cr含量较高则是灰分相对增加的结果。

在鄂尔多斯北缘-晋北地区，汝箕沟矿区侏罗系原煤中有害元素As，Sb，Se，Co，Cd，Hg，Sb，Pb，Br，Mo等明显富集（未测Cl含量）的现象，应该与该区燕山期发生的区域热液变质作用有关。该矿区侏罗纪含煤地层中广泛发育的热液石英脉，便是热液变质作用的地质证据。

2.煤层围岩的成岩作用

在成岩过程中，煤层顶板及上覆岩层中的含矿溶液渗入煤层，与煤之间发生物质交换，导致煤中有害元素含量发生变化。前已述及，安太堡11煤、忻州窑9煤及马家塔2-2煤中大部分有害元素含量在接近顶板的煤分层中趋于增加，便与顶板及上覆岩层成岩时含矿溶液的下渗作用密切相关。

王文峰等（2002b）对大同矿区忻州窑9煤中有害元素的富集机理进行了研究，发现煤中As，Sb，Se，Co，Pb，Ni，Be，Cd，Hg，Br等有害元素明显富集。Limic等（1986）认为，同一成因的煤层具有相似的微量元素组合模式，某些元素偏离轨迹较远，多属叠加地质成因。在9煤中，Fe，Mg 及有害元素S，As，Mn，Hg，Cd，Co等偏离轨迹较远，尤以黄铁矿组合元素S，Fe及以黄铁矿为载体的元素As最为明显，是多种地质作用叠加的结果。

就9煤各分层煤相分析，上分层暗淡煤的镜惰比比下分层的光亮煤及半亮煤低，说明9煤上分层形成于相对干燥的、氧化的环境。此外，上分层暗煤（DX1）中丝质体、碎屑丝质体增多，也反映了泥炭沼泽水流活动增强、氧化作用发展的条件，因此可以确定该煤层形成环境从下到上应从覆水滞流向浅覆水活流沼泽过渡，但各分层中元素含量的分布却与之不符合。

第一分层全硫含量6.17%，黄铁矿硫含量4.39%，有机硫含量1.09%，且与黄铁矿密切相关的元素As，Fe，Sb，Se，Co，Cd，Pb，Ni，Hg等也较高。这种元素组合，在陆相沼泽沉积煤层中十分少见。前已述及，喜还原的S，As，Pb，Fe及黄铁矿硫、有机硫等元素组合与宏观煤岩类型成因之间存在矛盾，暗示9煤中部分黄铁矿的非同生成因。忻州窑9煤中稀土元素异常的配比模式曲线，也指示煤层可能受过来自顶板酸性溶液的改造。此外，9煤各分层KAs·S的实测值远大于2.5，进一步指示了9煤中黄铁矿主要起源于非同生成因。

实地考察发现，邻近顶板的第一分层裂隙中有黄铁矿薄膜产出，呈树枝状分布。显微镜下观测，也见到该分层样品丝质体胞腔中以及煤的裂隙、节理中充填有黄铁矿，进一步证实了该分层部分黄铁矿的非同生成因。此外，该分层煤有机硫含量较高，即高硫特征形成时煤中有机质尚有活性。这些现象显示，该分层乃至下面各分层中黄铁矿及相关有害元素，其物质来源与煤层顶板沉积时富矿溶液的下渗密切相关，属于准同生成因范畴。

因此，9煤中Fe，S等含量水平高及有害元素As，Sb，Se，Co，Pb，Ni，Mn，Cd，Hg的明显富集，是多种地质成因叠加的结果，而后期含矿溶液的下渗淋滤作用起到了重要作用，由此产生的黄铁矿是As，Fe，Sb，Mn，Se，Ni，Mn，Cd，Hg和S的主要载体。

氧含量增加。煤化作用对煤的元素影响是碳和氢含量减少，氧含量增加，活性官能团和酸性基团增加。煤主要由碳、氢、氧、氮、硫和磷等元素组成，碳、氢、氧三者总和约占有机质的95%以上，是非常重要的能源。

一、组成变化不同

1、泥炭化作用阶段：使碳含量增加，氧和氢含量减少，转变成泥炭。

2、煤化作用阶段：转变为腐泥褐煤、腐泥烟煤、腐泥无烟煤。

二、性质不同

1、泥炭化作用阶段：泥炭化作用是一个复杂的物理、化学变化过程。

2、煤化作用阶段：以物理化学作用为主。

三、影响因素不同

1、泥炭化作用阶段：在泥炭化阶段，氧是植物分解转化的必要条件，而缺氧的还原性则是泥炭得以保存的环境。

2、煤化作用阶段：温度、压力、时间等。

参考资料来源：

百度百科-泥炭化作用

百度百科-煤化作用

煤是重要能源，也是冶金、化学工业的重要原料。主要用于燃烧、炼焦、气化、低温干馏、加氢液化等。①燃烧。煤炭是人类的重要能源资源，任何煤都可作为工业和民用燃料。②炼焦。把煤置于干馏炉中，隔绝空气加热，煤中有机质随温度升高逐渐被分解，其中挥发性物质以气态或蒸气状态逸出，成为焦炉煤气和煤焦油，而非挥发性固体剩留物即为焦炭。焦炉煤气是一种燃料，也是重要的化工原料。煤焦油可用于生产化肥、农药、合成纤维、合成橡胶、油漆、染料、医药、炸药等。焦炭主要用于高炉炼铁和铸造，也可用来制造氮肥、电石。电石是塑料、合成纤维、合成橡胶等合成化工产品。③气化。气化是指转变为可作为工业或民用燃料以及化工合成原料的煤气。④低温干馏。把煤或油页岩置于 550℃左右的温度下低温干馏可制取低温焦油和低温焦炉煤气，低温焦油可用于制取高级液体燃料和作为化工原料。⑤加氢液化。将煤、催化剂和重油混合在一起，在高温高压下使煤中有机质破坏，与氢作用转化为低分子液态和气态产物，进一步加工可得汽油、柴油等液体燃料。加氢液化的原料煤以褐煤、长焰煤、气煤为主。

可以减少二氧化硫的排放。

煤的气化和液化，主要作用

1，使燃料燃烧更充分，节约资源，减小成本

2，在气化和液化时，能减少燃料中N和S的含量，减少燃烧时产生N和S的氧化物对环境的污染

3，更有利于运输，气体和液体都可用通过管道运输

煤炭的三大主要用途：动力煤、炼焦煤、煤化工用煤，主要包括气化用煤，低温干馏用煤，加氢液化用煤等。

1、动力煤：

（1）发电用煤：中国约1/3以上的煤用来发电，平均发电耗煤为标准煤370g/（kW·h）左右。电厂利用煤的热值，把热能转变为电能。

（2）蒸汽机车用煤：占动力用煤3%左右，蒸汽机车锅炉平均耗煤指标为100kg/（万吨·km）左右。

（3）建材用煤：约占动力用煤的13%以上，以水泥用煤量最大，其次为玻璃、砖、瓦等。

（4）一般工业锅炉用煤：除热电厂及大型供热锅炉外，一般企业及取暖用的工业锅炉型号繁多，数量大且分散，用煤量约占动力煤的26%。

（5）生活用煤：生活用煤的数量也较大，约占燃料用煤的23%。

（6）冶金用动力煤：冶金用动力煤主要为烧结和高炉喷吹用无烟煤，其用量不到动力用煤量的1%。

2、炼焦煤：

中国虽然煤炭资源比较丰富，但炼焦煤资源还相对较少，炼焦煤储量仅占中国煤炭总储量27.65%。炼焦煤的主要用途是炼焦炭，焦炭由焦煤或混合煤高温冶炼而成，一般1.3吨左右的焦煤才能炼一吨焦炭。焦炭多用于炼钢，是钢铁等行业的主要生产原料，被誉为钢铁工业的“基本食粮”。

国标煤炭分类：

国标把煤分为三大类，即无烟煤、烟煤和褐煤，共29个小类。无烟煤分为3个小类，数码为01、02、03，数码中的“0”表示无烟煤，个位数表示煤化程度，数字小表示煤化程度高；

烟煤分为12个煤炭类别，24个小类，数码中的十位数（1~4）表示煤化程度，数字小表示煤化程度高；个位数（1~6）表示粘结性，数字大表示粘结性强；褐煤分为2个小类，数码为51、52，数码中的“5”表示褐煤，个位数表示煤化程度，数字小表示煤化程度低。

以上内容参考：百度百科-煤炭

煤变油是一种通俗的说法，一般学术上称之为煤炭液化。但是严格讲，所谓煤炭液化也是不准确的。作为俗称约定，称之液化也可以。

一般，煤变油有两种工艺，一个为直接液化，另外就叫间接液化。但是，从原子利用原理上讲，主要就是利用煤炭中的碳元素和少量的氢元素而合成油品。因为两者均涉及复杂的学术和学理问题，此处就不讲了，以下仅就价格问题谈一点。

先谈直接液化问题。1桶油200升，约150公斤，150000克。如果汽油以C9烃计算，则C9H20的分子量为128，这样200升油需要碳资源150*108/128=127公斤,折合煤炭约为127/0.5=250公斤(因为要扣除煤中的水\硫\灰分\挥发份,可以利用的固定炭也就是一半),煤炭价格以400元算,约为100元需要氢资源为150*20/128=24公斤,而这些请资源要取之于有机溶剂,如果以甲苯计算,需要甲苯为92*24/8=276公斤,吨甲苯价格为6000元算,24公斤约需要276*6000/1000=1650元(甲苯效果并不好,但是价格比较低廉,如果用效果好的十氢萘,价格就太高,一般500毫升就上百元).考虑到还可以利用甲苯中的炭资源和循环因素,起码也要1000元左右.这样仅仅是原料成本就需要1100元/桶,如果考虑高温高压设备\能源消耗\催化剂成本\分离和净化等因素,每桶油成本就至少近1500元,约合美元180$.

再计算间接液化成本问题.一桶油200升,150公斤,需要合成气(由煤和水在高温下得到,也就是煤炭制备水煤气)为1000立方米(从合成原理推得,以一立方米合成气得到150克油计算,其极限为208克,150克已经很高了),而现在合成气成本为1.50元/立方米.这样,每桶油原料成本为1500元,也就是180$.

综上所述,第一种工艺主要是有机溶剂昂贵,反应条件苛刻.而第二种工艺则取决于合成过程和高效催化剂.目前,两者均无法实现工业化.当然,像神化这样的企业,煤炭资源是国家的,不要考虑,那时可以的.