煤中水對煤成烴的影響研究

陳唯 馮松寶 劉莉

摘 要：本文從對煤成烴的微觀物理解釋，煤成烴的成因與評價等方面研究來看，在成煤作用過程中，沼澤環境里或煤中礦物晶格間的活性水分子會由于解離作用或離子作用形成質子酸（H+），在煤生烴“加氫共振”過程中提供氫源，參與煤生烴反應，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，煤生烴量也會隨著增加。在對前人有關煤中不同含水率，煤成烴成因等不同方面研究上總結分析，提出了煤中水對煤成烴可能存在的影響，并根據其發展的趨勢提出了自己的看法。

關鍵詞：煤中水；煤成烴 ；氫源；催化劑

0 引言

我國是個富煤，少油，缺氣的資源現況，煤炭資源儲量較為豐富，利用價值較高。據我國宏觀經濟政策調控，走可持續發展之路，進行煤炭轉型，所以對煤炭的研究方向和技術上需要創新和進一步的提高。周炎如，王為民[1]等前人在對煤成烴的成因機理微觀物理解釋的研究中指出，煤成烴的反應過程實際上是質子酸（H+）對煤結構的“逐層電子共振”反應，并提出煤成烴特有的“成鍵電子離域-加氫共振反應”成油反應和“加氫共振離解”成氣反應。劉德漢等[2]在煤成烴的成因與評價中認為，煤的富氫組分與煤的大分子結構中的甲基，a亞甲基，次甲基含量對煤成液態烴和氣態烴有控制作用。傅家謨[3]等在煤成烴地球化學中認為，煤熱解出烴氣的來源除干酪根外還有一些可溶性有機質基團。

前人在煤成烴的多個方面進行了深入的研究，但煤中水對煤成烴的影響方面研究還相對較少，根據閱讀前人的有關文獻，從理論上分析認為在煤中水對煤生烴的影響上需要進一步研究，基于此，在總結前人成果的基礎上提出了一些自己的認識。

1 對煤中水的相關認識

水分是一項重要的煤質指標，它在煤的基礎理論和加工利用研究中都具有重要作用。水分對其加工利用，貿易和儲存運輸都有很大的影響。水分大小能直接影響到煤炭低位發熱量的數值。董德恩[4]在煤中水分的測定方法分析的研究中對比多種方法的優缺點，結果表明空氣干燥法計算水的質量分數相對較簡單準確。吳懷蘋[5]在談煤中水與煤中全水水分測定中指出，煤中水按結合狀態可分為游離水和結合水兩種主要存在形式。煤的工業分析僅測定游離水（全水分），按它的賦存狀態可分為外在水分和內在水分。將文萍[6]等在煤中水分對煤吸附甲烷影響機理的理論研究中，通過建模方式認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個氫原子接近煤結構，水分子以氧原子接近煤結構。并計算說明水分子在煤表面主要以2個氫原子向下，氧原子向上的方式吸附。張時音[7]等在液態水對煤吸附甲烷影響的機理分析認為，通過對不同煤級干燥煤樣，平衡水煤樣，注水煤樣分析實驗，可以更好地得出對煤吸附甲烷影響的結論。

筆者認為可以在適當的溫度壓力下對煤樣都進行干燥處理之后，進行人為注水的方式使煤中含水率實現不同，從理論上看，存在礦物層間晶格水分子量就會不同，所能提供的質子酸（H+）量也不同。可以通過公式計算得出從小到大的注水煤樣的含水率。

2 煤中水對煤成烴的影響分析

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

2.1 在煤成烴過程中通過水的電離和解離作用提供氫源

煤是有一種超分子有機質結構，煤成烴必須經過“加氫與共振”兩個階段[1]。有國外學者[8-9]對粘土礦物晶格表面質子酸的來源及影響因素作過實驗研究，并指出質子來源于吸附水的解離作用或離子作用，沼澤環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，在研究中發現粘土表面的供質子（H+）能力也受制于體系的水分含量及粘土電荷的來源。煤中體系中的水在煤成烴過程會電離或解離出質子酸（H+）提供氫源。

煤在其生成，運移，儲藏過程中都會引起煤中水分含量的一定變化，隨著煤變質程度升高，煤中水逐漸減少，煤中水含量能影響煤中氫原子含量，并在一定程度上會引起煤成烴的變化。

2.2 煤中含水率逐漸提高，生烴量相應提高

從著眼對煤的組成結構與煤成烴的成因中分析，通過實驗研究發現煤中氫原子含量對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]在有關煤巖組分的生烴問題上提出類脂組是公認的具有強生烴能力的組分，因為類脂組組分中含有較多的氫，各項化參數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。

李樹剛等[11]在對不同含水量對煤吸附甲烷的影響研究，通過人為的向試樣中通入水蒸氣的方式，制取含水的煤樣，實現對煤吸附甲烷的影響研究。將文萍等[6]在煤中水中對煤吸附甲烷影響機理的理論研究中，通過對不同煤樣在干燥及在平衡水分處理后進行等溫吸附實驗，比較二者吸附量的差異研究對煤吸附甲烷影響。張時音等[7]從基于分子間作用力對液態水影響機理進行分析，對不同煤級的干燥煤樣，平衡水煤樣和注水煤樣進行等溫吸附實驗，來探討液態水對煤吸附甲烷影響的機理的分析。通過前人對煤中不同含水率對煤吸附甲烷影響的研究，可以借鑒和學習這種方法和思路，用于研究煤中含水率不同對煤成烴的影響。

綜上所述，存在煤中的水一般是通過解離或離子作用形成質子酸（H+）參與煤成烴的過程，氫原子的量存在的多少在一定程度上會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，來參與煤生烴反應，使生烴量隨著增多；若煤中含水率相對減少，所提供的氫源減少，那么，生烴量也會受到一定的影響。

3 結論與展望

從煤中水對煤成烴影響的理論分析角度上來看，煤中體系的水分子會通過解離出或離子作用出質子酸（H+）來參與煤成烴反應，達到適當的溫度壓力等條件，還可以起到自由基催化劑作用。在煤中水對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，并分別計算每組煤樣的含水率，進行熱模擬煤成烴實驗，研究煤中不同含水量對煤生烴量的影響并加以分析，確定一個值或一個范圍間生烴量能夠相對達到較高。有關煤中含水率達到怎樣一個區間時能使生烴量達到最大，還需要再進一步的詳細實驗研究。對煤中水對煤成烴影響的研究能在保護能源安全，節能減排，使煤炭資源實現更大利益化，促進能源的可持續發展方面具有重要意義，對豐富煤成烴理論方面還具有重要的指導作用。

參考文獻

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