煤中水对煤成烃的影响研究

陈唯 冯松宝 刘莉

摘 要：本文从对煤成烃的微观物理解释，煤成烃的成因与评价等方面研究来看，在成煤作用过程中，沼泽环境里或煤中矿物晶格间的活性水分子会由于解离作用或离子作用形成质子酸（H+），在煤生烃“加氢共振”过程中提供氢源，参与煤生烃反应，并在一定程度上起到催化剂的作用。因此，在一定温度压力下，随着煤中含水率增大，煤生烃量也会随着增加。在对前人有关煤中不同含水率，煤成烃成因等不同方面研究上总结分析，提出了煤中水对煤成烃可能存在的影响，并根据其发展的趋势提出了自己的看法。

关键词：煤中水；煤成烃 ；氢源；催化剂

0 引言

我国是个富煤，少油，缺气的资源现况，煤炭资源储量较为丰富，利用价值较高。据我国宏观经济政策调控，走可持续发展之路，进行煤炭转型，所以对煤炭的研究方向和技术上需要创新和进一步的提高。周炎如，王为民[1]等前人在对煤成烃的成因机理微观物理解释的研究中指出，煤成烃的反应过程实际上是质子酸（H+）对煤结构的“逐层电子共振”反应，并提出煤成烃特有的“成键电子离域-加氢共振反应”成油反应和“加氢共振离解”成气反应。刘德汉等[2]在煤成烃的成因与评价中认为，煤的富氢组分与煤的大分子结构中的甲基，a亚甲基，次甲基含量对煤成液态烃和气态烃有控制作用。傅家谟[3]等在煤成烃地球化学中认为，煤热解出烃气的来源除干酪根外还有一些可溶性有机质基团。

前人在煤成烃的多个方面进行了深入的研究，但煤中水对煤成烃的影响方面研究还相对较少，根据阅读前人的有关文献，从理论上分析认为在煤中水对煤生烃的影响上需要进一步研究，基于此，在总结前人成果的基础上提出了一些自己的认识。

1 对煤中水的相关认识

水分是一项重要的煤质指标，它在煤的基础理论和加工利用研究中都具有重要作用。水分对其加工利用，贸易和储存运输都有很大的影响。水分大小能直接影响到煤炭低位发热量的数值。董德恩[4]在煤中水分的测定方法分析的研究中对比多种方法的优缺点，结果表明空气干燥法计算水的质量分数相对较简单准确。吴怀苹[5]在谈煤中水与煤中全水水分测定中指出，煤中水按结合状态可分为游离水和结合水两种主要存在形式。煤的工业分析仅测定游离水（全水分），按它的赋存状态可分为外在水分和内在水分。将文萍[6]等在煤中水分对煤吸附甲烷影响机理的理论研究中，通过建模方式认为水在煤表面的吸附方式大致分为3类：水分子平行煤表面，水分子以2个氢原子接近煤结构，水分子以氧原子接近煤结构。并计算说明水分子在煤表面主要以2个氢原子向下，氧原子向上的方式吸附。张时音[7]等在液态水对煤吸附甲烷影响的机理分析认为，通过对不同煤级干燥煤样，平衡水煤样，注水煤样分析实验，可以更好地得出对煤吸附甲烷影响的结论。

笔者认为可以在适当的温度压力下对煤样都进行干燥处理之后，进行人为注水的方式使煤中含水率实现不同，从理论上看，存在矿物层间晶格水分子量就会不同，所能提供的质子酸（H+）量也不同。可以通过公式计算得出从小到大的注水煤样的含水率。

2 煤中水对煤成烃的影响分析

水在煤中存在有两种形式，即游离态和化合态。水又是极性分子，与煤表面的作用力比较强。所以煤中水对煤成烃影响应该是很大的。水的存在可能通过以下两方面影响煤成烃。

2.1 在煤成烃过程中通过水的电离和解离作用提供氢源

煤是有一种超分子有机质结构，煤成烃必须经过“加氢与共振”两个阶段[1]。有国外学者[8-9]对粘土矿物晶格表面质子酸的来源及影响因素作过实验研究，并指出质子来源于吸附水的解离作用或离子作用，沼泽环境的煤系泥岩在粘土矿物晶格间活性水分子作用下仍旧可以形成质子酸（H+），它不仅为煤成烃提供氢源，还是理想的自由基催化剂.并以蒙脱石为例，在研究中发现粘土表面的供质子（H+）能力也受制于体系的水分含量及粘土电荷的来源。煤中体系中的水在煤成烃过程会电离或解离出质子酸（H+）提供氢源。

煤在其生成，运移，储藏过程中都会引起煤中水分含量的一定变化，随着煤变质程度升高，煤中水逐渐减少，煤中水含量能影响煤中氢原子含量，并在一定程度上会引起煤成烃的变化。

2.2 煤中含水率逐渐提高，生烃量相应提高

从着眼对煤的组成结构与煤成烃的成因中分析，通过实验研究发现煤中氢原子含量对生烃量有着非常重要的作用，从生烃量大，生油性能好的壳质组上分析，H/C原子比值高，芳香率低，脂碳率高，甲基，a亚甲基和次甲基含量较高。唐修义[10]在有关煤岩组分的生烃问题上提出类脂组是公认的具有强生烃能力的组分，因为类脂组组分中含有较多的氢，各项化参数都表明他们具有良好的生烃能力。所以煤组分中富氢或氢原子比值含量较高，比较较容易生气或生油。

李树刚等[11]在对不同含水量对煤吸附甲烷的影响研究，通过人为的向试样中通入水蒸气的方式，制取含水的煤样，实现对煤吸附甲烷的影响研究。将文萍等[6]在煤中水中对煤吸附甲烷影响机理的理论研究中，通过对不同煤样在干燥及在平衡水分处理后进行等温吸附实验，比较二者吸附量的差异研究对煤吸附甲烷影响。张时音等[7]从基于分子间作用力对液态水影响机理进行分析，对不同煤级的干燥煤样，平衡水煤样和注水煤样进行等温吸附实验，来探讨液态水对煤吸附甲烷影响的机理的分析。通过前人对煤中不同含水率对煤吸附甲烷影响的研究，可以借鉴和学习这种方法和思路，用于研究煤中含水率不同对煤成烃的影响。

综上所述，存在煤中的水一般是通过解离或离子作用形成质子酸（H+）参与煤成烃的过程，氢原子的量存在的多少在一定程度上会决定生烃量的多少变化。从理论上看，煤中含水率在一定程度下能起到影响煤成烃量的效果，若煤中含水量增高，煤中自由氢源增加，来参与煤生烃反应，使生烃量随着增多；若煤中含水率相对减少，所提供的氢源减少，那么，生烃量也会受到一定的影响。

3 结论与展望

从煤中水对煤成烃影响的理论分析角度上来看，煤中体系的水分子会通过解离出或离子作用出质子酸（H+）来参与煤成烃反应，达到适当的温度压力等条件，还可以起到自由基催化剂作用。在煤中水对煤成烃影响的研究中，可以制取粒径较小的三组煤样，干燥煤样，含水煤样，平衡煤样，并分别计算每组煤样的含水率，进行热模拟煤成烃实验，研究煤中不同含水量对煤生烃量的影响并加以分析，确定一个值或一个范围间生烃量能够相对达到较高。有关煤中含水率达到怎样一个区间时能使生烃量达到最大，还需要再进一步的详细实验研究。对煤中水对煤成烃影响的研究能在保护能源安全，节能减排，使煤炭资源实现更大利益化，促进能源的可持续发展方面具有重要意义，对丰富煤成烃理论方面还具有重要的指导作用。

参考文献

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[2] 刘德汉，傅家谟，肖贤明，等.煤成烃的成因与评价[J].石油勘探与开发，2005，32（4）：137.

[3] 傅家谟，盛国英，刘德汉.煤成烃地球化学[M].北京：中国科学出版社，1990：182-327.

[4] 董德恩.煤中水分的测定方法的分析[J].山西化工，2006，26（3）：38-39.

[5] 吴怀萍.谈煤中水分与煤中全水水分的测定[J].学术论坛，187.

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[7] 将文萍，崔永军，钟玲文，李建武，等.煤中水份对煤吸附甲烷的机理的理论研究[J ].天然气地球科学，2011，18（4）：576-579.

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[12] 李树刚，赵鹏翔，潘宏宇，肖鹏.不同含水量对煤吸附甲烷的影响[J].西安科技大学学报，2011，31（4）：379-382.

[12] 聂百胜，何学秋，王恩元，等.煤吸附水的微观机理[J].中国矿业大学学报，2004，33（4）：379-383.