基于煤生成的煤化學研究進展

摘要：煤化學作為研究煤炭科學的基礎(chǔ)學科，在過去煤的研發(fā)以及將來的煤的循環(huán)可持續(xù)發(fā)展都有著至關(guān)重要的意義，本論文以煤的分子結(jié)構(gòu)理論為主線，煤生成為起始，相繼討論了煤的組成、煤的結(jié)構(gòu)、煤的性質(zhì)、之間的影響。從煤化學角度闡述了實踐對煤炭企業(yè)發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟的瓶頸問題進行展望。

關(guān)鍵字：煤的生成 結(jié)構(gòu) 性質(zhì) 循環(huán)經(jīng)濟

煤化學[1]是研究煤的生成、組成（包括化學組成和巖相組成）、結(jié)構(gòu)（包括分子結(jié)構(gòu)和孔隙結(jié)構(gòu)）、性質(zhì)、分類以及它們之間相互關(guān)系的科學。廣義煤化學的研究內(nèi)容還包括煤炭轉(zhuǎn)化工藝及其過程機理等問題。

在邏輯上，煤的生成(成煤物質(zhì)和條件)決定了煤的組成，煤的組成決定了煤的結(jié)構(gòu)， 煤的結(jié)構(gòu)決定了煤的性質(zhì)，煤的性質(zhì)決定了煤的分類。如圖1[2]。

圖1[2]

1.煤炭的生成對煤結(jié)構(gòu)、性質(zhì)的影響

李小詩[3]等從構(gòu)造變形作用(應(yīng)力作用方式、變形機制和變形強度)與煤巖大分子結(jié)構(gòu)關(guān)系的角度對構(gòu)造煤與原生結(jié)構(gòu)煤鏡質(zhì)組分離差異性的原因進行了探索，發(fā)現(xiàn)構(gòu)造變形作用明顯干擾了變質(zhì)作用對煤巖鏡質(zhì)組分離密度和分離效果影響的正常過程，鏡質(zhì)組分離效果與原生結(jié)構(gòu)煤的變化規(guī)律存在明顯差異。

張小兵等[4]應(yīng)用力化學理論和煤結(jié)構(gòu)分析方法，研究了煤的力化學作用類型。認為地質(zhì)構(gòu)造水平擠壓應(yīng)力是煤力化學作用的重要能量來源，煤體在擠壓剪切作用下發(fā)生變形，破壞而形成構(gòu)造煤；另一方面，力化學作用使煤分子結(jié)構(gòu)發(fā)生縮聚、降解、芳構(gòu)、異構(gòu)和重排等化學變化，指出構(gòu)造煤是力化學作用的產(chǎn)物，力化學縮聚和降解是構(gòu)造煤演化的有效作用，構(gòu)造煤是研究力化學作用機制的良好載體。

2.煤炭組成、結(jié)構(gòu)與性質(zhì)關(guān)系的研究進展

鄭慶榮等[5]選擇5種有代表性的煉焦用煤發(fā)現(xiàn):煤中存在5種類型的羥基，其與氧碳原子比(O/C)的關(guān)系較為復雜;隨著煤中氧含量的減少，碳含量的增高，煤中各類脂肪類物質(zhì)增加，在肥煤階段達到最大然后減少；煤中含氧官能團的變化趨勢為穩(wěn)定的官能團具有增大的特征，而不穩(wěn)定的則減少；在肥煤階段其芳香烴碳—碳雙鍵強度減小，然后又增大；提出在肥煤階段煤化作用躍變是由于脂肪側(cè)鏈和芳香體系相互競爭的結(jié)果。

謝宏[6]在光學顯微鏡及掃描電鏡下觀察出硫化物礦物有很強的親和性。顯微鏡下觀察得知，高砷煤中的硫化物礦物主要是黃鐵礦，砷與黃鐵礦密不可分。他闡明貴州西部高砷煤的構(gòu)造以浸染狀、星散狀構(gòu)造為主，其次為脈狀及條帶狀構(gòu)造，少數(shù)具草莓狀構(gòu)造，局部見顯微鱗片構(gòu)造，結(jié)構(gòu)較簡單。

同時在煉焦過程中，煤在焦爐中干餾軟化熔融后固化，形成焦炭組織。煤的粘結(jié)性是表示軟化熔融現(xiàn)象的指標。

日本[7]最近采用基氏塑性儀的流動度試驗方法和采用膨脹計的膨脹度試驗方法測定煤粘結(jié)性，并且成為試驗標準(JIS M 8801)。加藤健次用NMR測定試驗裝置對煤樣給與適當?shù)亩嘀孛}沖，在煤軟化熔融溫度范圍內(nèi)對煤氫核進行NMR測定，根據(jù)NMR光譜計算出表示煤粘結(jié)成分量的指標和表示煤粘結(jié)成分粘度的指標。

田永勝[8]等人對不同變質(zhì)程度的5種煙煤進行了5 kg實驗焦爐炭化實驗，焦煤和1/3焦煤焦炭的冷態(tài)和熱態(tài)強度相對較好，氣煤焦炭、肥煤焦炭和瘦煤焦炭的冷態(tài)和熱態(tài)強度較差； XRD分析結(jié)果表明，肥煤焦炭的La/Lc最小，石墨化程度最高焦炭結(jié)構(gòu)接近于石墨化炭;焦煤和瘦煤焦炭的炭結(jié)構(gòu)因子較大其焦炭交聯(lián)程度較大，接近于非石墨化；不同變質(zhì)程度煤通過炭化得到的TRD隨著La/Lc的增大而減小。

3.煤炭的物化性質(zhì)與煤加工的相互影響研究進展

陳鵬[9]等以神華金烽礦煤為研究對象進行了大風量低溫對流干燥試驗，采用230℃以下的熱空氣作為干燥熱源和介質(zhì)，在熱風流量2.0m3/min，干燥10min的條件下用固定床干燥設(shè)備對煤脫水，并采用SEM表征煤的表面形貌， FTIR表征煤中化學鍵及官能團變化。研究表明：170℃熱空氣可將煤中水分從30 %降至15 %以下;超過170℃的熱空氣在干燥過程中對煤的低溫氧化作用嚴重，使煤的微觀結(jié)構(gòu)漸趨粉化，煤中橋鍵和側(cè)鏈等官能團氧化消失，影響干燥后煤的自燃性。

張劍[10]研究表明：煤和焦的化學和物理性質(zhì)對煤氣化反應(yīng)活性的影響極大，煤的高溫氣化反應(yīng)性是決定高溫煤氣化效率的最重要的因素之一，為高溫煤氣化裝置的設(shè)計、操作條件的優(yōu)化和原料的選擇提供必要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，也為我國高效氣流床氣化技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用提供理論和實踐基礎(chǔ)。

4.展望

煤炭化石能源是不可再生能源，采取高效節(jié)能和循環(huán)利用的方式，才能夠響應(yīng)低碳技能號召，走可持續(xù)發(fā)展之路。這就要求對煤化學的研究更深一步，從對煤化學的研究延伸到“煤生成-煤巖學-煤結(jié)構(gòu)-煤性質(zhì)-煤工藝-低碳”這條路線。

筆者認為從煤的組成結(jié)構(gòu)及其與反應(yīng)性關(guān)系出發(fā)，討論目前煤工程循環(huán)可持續(xù)發(fā)展中必須解決的幾個關(guān)鍵問題：

（1）煤組成結(jié)構(gòu)與反應(yīng)性關(guān)系的研究，只有在深刻理解的基礎(chǔ)上才能對煤轉(zhuǎn)化的反應(yīng)過程進行控制，進行新轉(zhuǎn)化技術(shù)與工藝的開發(fā)。

（2）工藝的優(yōu)化：國內(nèi)外在一方面進行了大量的探索，如通過溶劑溶脹的方法[32]使煤的熱解和液化性能得于改善但是，但這種改善是有限的。

（3）在充分理解特定煤中分子間作用類型和超分子結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)上，開發(fā)新型的能破壞煤分子間作用、且能和煤分子結(jié)合形成超分子結(jié)構(gòu)的催化劑，使煤轉(zhuǎn)化效率提高，而轉(zhuǎn)化條件更為溫和進而可以利用煤超分子結(jié)構(gòu)的特點，以煤超分子結(jié)構(gòu)作為微反應(yīng)器，實現(xiàn)在煤三維大分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的煤轉(zhuǎn)化反應(yīng)過程。

參考文獻：

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[3]李小詩，琚宜文，侯泉林等.構(gòu)造變形作用對煤巖大分子結(jié)構(gòu)的影響—以構(gòu)造煤鏡質(zhì)組分離為例[J]. 煤炭學報， 2010， 8， 35(增刊): 150-157.

[4]張小兵，張子敏，張玉貴.力化學作用與構(gòu)造煤結(jié)構(gòu)[J]，中國煤炭質(zhì)，2009，21(2):11-21.

[5]鄭慶榮，曾凡桂，張世同.中變質(zhì)煤結(jié)構(gòu)演化的FT－IR分析[J]. 煤炭學報，2011，36(3):481-486.

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[10]張劍. 芻議煤焦的理化性質(zhì)及高溫氣化反應(yīng)性特征[J].科技創(chuàng)新導報，2010，10:66.