煤中水對(duì)煤成烴的影響研究

陳唯 馮松寶 劉莉

摘 要：本文從對(duì)煤成烴的微觀物理解釋，煤成烴的成因與評(píng)價(jià)等方面研究來(lái)看，在成煤作用過(guò)程中，沼澤環(huán)境里或煤中礦物晶格間的活性水分子會(huì)由于解離作用或離子作用形成質(zhì)子酸（H+），在煤生烴“加氫共振”過(guò)程中提供氫源，參與煤生烴反應(yīng)，并在一定程度上起到催化劑的作用。因此，在一定溫度壓力下，隨著煤中含水率增大，煤生烴量也會(huì)隨著增加。在對(duì)前人有關(guān)煤中不同含水率，煤成烴成因等不同方面研究上總結(jié)分析，提出了煤中水對(duì)煤成烴可能存在的影響，并根據(jù)其發(fā)展的趨勢(shì)提出了自己的看法。

關(guān)鍵詞：煤中水；煤成烴 ；氫源；催化劑

0 引言

我國(guó)是個(gè)富煤，少油，缺氣的資源現(xiàn)況，煤炭資源儲(chǔ)量較為豐富，利用價(jià)值較高。據(jù)我國(guó)宏觀經(jīng)濟(jì)政策調(diào)控，走可持續(xù)發(fā)展之路，進(jìn)行煤炭轉(zhuǎn)型，所以對(duì)煤炭的研究方向和技術(shù)上需要?jiǎng)?chuàng)新和進(jìn)一步的提高。周炎如，王為民[1]等前人在對(duì)煤成烴的成因機(jī)理微觀物理解釋的研究中指出，煤成烴的反應(yīng)過(guò)程實(shí)際上是質(zhì)子酸（H+）對(duì)煤結(jié)構(gòu)的“逐層電子共振”反應(yīng)，并提出煤成烴特有的“成鍵電子離域-加氫共振反應(yīng)”成油反應(yīng)和“加氫共振離解”成氣反應(yīng)。劉德漢等[2]在煤成烴的成因與評(píng)價(jià)中認(rèn)為，煤的富氫組分與煤的大分子結(jié)構(gòu)中的甲基，a亞甲基，次甲基含量對(duì)煤成液態(tài)烴和氣態(tài)烴有控制作用。傅家謨[3]等在煤成烴地球化學(xué)中認(rèn)為，煤熱解出烴氣的來(lái)源除干酪根外還有一些可溶性有機(jī)質(zhì)基團(tuán)。

前人在煤成烴的多個(gè)方面進(jìn)行了深入的研究，但煤中水對(duì)煤成烴的影響方面研究還相對(duì)較少，根據(jù)閱讀前人的有關(guān)文獻(xiàn)，從理論上分析認(rèn)為在煤中水對(duì)煤生烴的影響上需要進(jìn)一步研究，基于此，在總結(jié)前人成果的基礎(chǔ)上提出了一些自己的認(rèn)識(shí)。

1 對(duì)煤中水的相關(guān)認(rèn)識(shí)

水分是一項(xiàng)重要的煤質(zhì)指標(biāo)，它在煤的基礎(chǔ)理論和加工利用研究中都具有重要作用。水分對(duì)其加工利用，貿(mào)易和儲(chǔ)存運(yùn)輸都有很大的影響。水分大小能直接影響到煤炭低位發(fā)熱量的數(shù)值。董德恩[4]在煤中水分的測(cè)定方法分析的研究中對(duì)比多種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)果表明空氣干燥法計(jì)算水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)較簡(jiǎn)單準(zhǔn)確。吳懷蘋(píng)[5]在談煤中水與煤中全水水分測(cè)定中指出，煤中水按結(jié)合狀態(tài)可分為游離水和結(jié)合水兩種主要存在形式。煤的工業(yè)分析僅測(cè)定游離水（全水分），按它的賦存狀態(tài)可分為外在水分和內(nèi)在水分。將文萍[6]等在煤中水分對(duì)煤吸附甲烷影響機(jī)理的理論研究中，通過(guò)建模方式認(rèn)為水在煤表面的吸附方式大致分為3類：水分子平行煤表面，水分子以2個(gè)氫原子接近煤結(jié)構(gòu)，水分子以氧原子接近煤結(jié)構(gòu)。并計(jì)算說(shuō)明水分子在煤表面主要以2個(gè)氫原子向下，氧原子向上的方式吸附。張時(shí)音[7]等在液態(tài)水對(duì)煤吸附甲烷影響的機(jī)理分析認(rèn)為，通過(guò)對(duì)不同煤級(jí)干燥煤樣，平衡水煤樣，注水煤樣分析實(shí)驗(yàn)，可以更好地得出對(duì)煤吸附甲烷影響的結(jié)論。

筆者認(rèn)為可以在適當(dāng)?shù)臏囟葔毫ο聦?duì)煤樣都進(jìn)行干燥處理之后，進(jìn)行人為注水的方式使煤中含水率實(shí)現(xiàn)不同，從理論上看，存在礦物層間晶格水分子量就會(huì)不同，所能提供的質(zhì)子酸（H+）量也不同?？梢酝ㄟ^(guò)公式計(jì)算得出從小到大的注水煤樣的含水率。

2 煤中水對(duì)煤成烴的影響分析

水在煤中存在有兩種形式，即游離態(tài)和化合態(tài)。水又是極性分子，與煤表面的作用力比較強(qiáng)。所以煤中水對(duì)煤成烴影響應(yīng)該是很大的。水的存在可能通過(guò)以下兩方面影響煤成烴。

2.1 在煤成烴過(guò)程中通過(guò)水的電離和解離作用提供氫源

煤是有一種超分子有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)，煤成烴必須經(jīng)過(guò)“加氫與共振”兩個(gè)階段[1]。有國(guó)外學(xué)者[8-9]對(duì)粘土礦物晶格表面質(zhì)子酸的來(lái)源及影響因素作過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，并指出質(zhì)子來(lái)源于吸附水的解離作用或離子作用，沼澤環(huán)境的煤系泥巖在粘土礦物晶格間活性水分子作用下仍舊可以形成質(zhì)子酸（H+），它不僅為煤成烴提供氫源，還是理想的自由基催化劑.并以蒙脫石為例，在研究中發(fā)現(xiàn)粘土表面的供質(zhì)子（H+）能力也受制于體系的水分含量及粘土電荷的來(lái)源。煤中體系中的水在煤成烴過(guò)程會(huì)電離或解離出質(zhì)子酸（H+）提供氫源。

煤在其生成，運(yùn)移，儲(chǔ)藏過(guò)程中都會(huì)引起煤中水分含量的一定變化，隨著煤變質(zhì)程度升高，煤中水逐漸減少，煤中水含量能影響煤中氫原子含量，并在一定程度上會(huì)引起煤成烴的變化。

2.2 煤中含水率逐漸提高，生烴量相應(yīng)提高

從著眼對(duì)煤的組成結(jié)構(gòu)與煤成烴的成因中分析，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)煤中氫原子含量對(duì)生烴量有著非常重要的作用，從生烴量大，生油性能好的殼質(zhì)組上分析，H/C原子比值高，芳香率低，脂碳率高，甲基，a亞甲基和次甲基含量較高。唐修義[10]在有關(guān)煤巖組分的生烴問(wèn)題上提出類脂組是公認(rèn)的具有強(qiáng)生烴能力的組分，因?yàn)轭愔M組分中含有較多的氫，各項(xiàng)化參數(shù)都表明他們具有良好的生烴能力。所以煤組分中富氫或氫原子比值含量較高，比較較容易生氣或生油。

李樹(shù)剛等[11]在對(duì)不同含水量對(duì)煤吸附甲烷的影響研究，通過(guò)人為的向試樣中通入水蒸氣的方式，制取含水的煤樣，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤吸附甲烷的影響研究。將文萍等[6]在煤中水中對(duì)煤吸附甲烷影響機(jī)理的理論研究中，通過(guò)對(duì)不同煤樣在干燥及在平衡水分處理后進(jìn)行等溫吸附實(shí)驗(yàn)，比較二者吸附量的差異研究對(duì)煤吸附甲烷影響。張時(shí)音等[7]從基于分子間作用力對(duì)液態(tài)水影響機(jī)理進(jìn)行分析，對(duì)不同煤級(jí)的干燥煤樣，平衡水煤樣和注水煤樣進(jìn)行等溫吸附實(shí)驗(yàn)，來(lái)探討液態(tài)水對(duì)煤吸附甲烷影響的機(jī)理的分析。通過(guò)前人對(duì)煤中不同含水率對(duì)煤吸附甲烷影響的研究，可以借鑒和學(xué)習(xí)這種方法和思路，用于研究煤中含水率不同對(duì)煤成烴的影響。

綜上所述，存在煤中的水一般是通過(guò)解離或離子作用形成質(zhì)子酸（H+）參與煤成烴的過(guò)程，氫原子的量存在的多少在一定程度上會(huì)決定生烴量的多少變化。從理論上看，煤中含水率在一定程度下能起到影響煤成烴量的效果，若煤中含水量增高，煤中自由氫源增加，來(lái)參與煤生烴反應(yīng)，使生烴量隨著增多；若煤中含水率相對(duì)減少，所提供的氫源減少，那么，生烴量也會(huì)受到一定的影響。

3 結(jié)論與展望

從煤中水對(duì)煤成烴影響的理論分析角度上來(lái)看，煤中體系的水分子會(huì)通過(guò)解離出或離子作用出質(zhì)子酸（H+）來(lái)參與煤成烴反應(yīng)，達(dá)到適當(dāng)?shù)臏囟葔毫Φ葪l件，還可以起到自由基催化劑作用。在煤中水對(duì)煤成烴影響的研究中，可以制取粒徑較小的三組煤樣，干燥煤樣，含水煤樣，平衡煤樣，并分別計(jì)算每組煤樣的含水率，進(jìn)行熱模擬煤成烴實(shí)驗(yàn)，研究煤中不同含水量對(duì)煤生烴量的影響并加以分析，確定一個(gè)值或一個(gè)范圍間生烴量能夠相對(duì)達(dá)到較高。有關(guān)煤中含水率達(dá)到怎樣一個(gè)區(qū)間時(shí)能使生烴量達(dá)到最大，還需要再進(jìn)一步的詳細(xì)實(shí)驗(yàn)研究。對(duì)煤中水對(duì)煤成烴影響的研究能在保護(hù)能源安全，節(jié)能減排，使煤炭資源實(shí)現(xiàn)更大利益化，促進(jìn)能源的可持續(xù)發(fā)展方面具有重要意義，對(duì)豐富煤成烴理論方面還具有重要的指導(dǎo)作用。

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