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user: 3. 显微组分的应用 3.1. 显微组分的气化 煤的气化是在气化剂作用下把煤及其干馏产物最大限度地转化为煤气的过程。从煤的有机组成角度考虑，分析煤中的三种有机显微组分在气化过程中的反应对于提高气化效率有着十分重要的意义。 近年来显微组分的气化反应方面的研究并不多，谢克昌等人 [ 13 ] 于1994年采用差热分析技术研究了平朔烟煤三种显微组分分别在水蒸气和CO 2 下的加压气化反应性能。显微组分的反应速率均随着压力的增加而上升，在水蒸气条件下，三者的反应速率为惰质组 > 镜质组 > 壳质组，而CO 2 条件下的结果则正好相反：壳质组 > 镜质组 > 惰质组。2002年，孙庆雷等人 [ 14 ] 对神华煤镜质组和惰质组半焦的气化特性进行了研究。两者的气化反应性均随着温度和压力的升高而增加。同种条件下，镜质组半焦有着更好的气化反应性。Ke-chang Xie等人 [ 15 ] 于2005年对平朔煤三种显微组分在CO 2 条件下气化生成HCN和NH 3 的特性进行了研究。NH 3 主要来自在于气化过程中含H基团的形成，惰质组和镜质组、壳质组相比，能转换更多的N原子形成NH 3 。2009年，丁华等人 [ 16 ] 采用了非等温热重法(DTG)分析了神华煤及显微组分焦在水蒸气下的气化反应性。在相同的反应条件下，无论升温速率和气压怎么变化，三者的反应性顺序均为：镜质组焦 > 原煤焦 > 惰质组焦。J. H. Wang等人 [ 17 ] 于2015年选用了几种具有不同还原性的煤及其显微组分进行等温CO 2 气化反应研究。分析显示高还原性煤具有低气化程度，而随着保温时间和最终温度的上升，镜质组相对于原煤、惰质组表现出了低气化性。 煤气化技术作为一种煤炭清洁使用技术应用的时间较长，但是在气化效率以及气体产率等方面依然存在很大的提升空间。从近年来的气化研究来看，影响煤中显微组分气化的因素众多，煤阶、煤种、气化压力以及温度、升温速率都能显著影响显微组分的气化特性。不同煤种间显微组分的气化性不甚相同甚至完全相反，目前煤气化技术仍然存在以下四个方面的问题需要改进。1) 不同煤种的气化反应性差别。2) 显微组分表面结构、性质与气化反应性之间的联系。3) 气化反应过程中操作条件对于显微组分气化性能的影响。4) 显微组分在气化过程中的协同作用。 3.2. 显微组分的液化 煤液化是将煤通过化学加工过程，使其转化成为液体燃料、化工原料和其他产品的一种新型洁净煤技术。同时煤液化也是目前可大规模采用的缓解我国石油资源供应紧张的有效方法。煤岩显微组分由于其不同的物理结构和化学性质，在液化过程的反应性也不尽相同。 2001年，Li Wen-hua等人 [ 18 ] 采用了微反应实验装置研究了马家塔煤及其显微组分的加氢液化活性。三者的反应活性顺序为：原煤 > 镜质组 > 惰质组，三者的沥青烯、水、气产率分别为：原煤 > 惰质组 > 镜质组，镜质组 > 原煤 > 惰质组，惰质组 > 镜质组 > 原煤。反应过程中镜质组和惰质组之间存在着一定的协同效应。叶道敏等人 [ 19 ] 于2005年研究了霍林河褐煤显微组分的加氢液化特性。褐煤中惰质组、腐植组、壳质组具有不同的加氢液化活性。腐植组和壳质组易于活化，惰质组则难以活化。2006年，陈洪博等人 [ 20 ] [ 21 ] 对神东煤显微组分的加氢液化性能以及液化残渣进行了研究，450℃的液化温度下，镜质组和壳质组的转化速率为惰质组的2.6倍，生成油和沥青烯的速率是惰质组的2.9倍。液化残渣的分析显示原煤中的壳质组和镜质组全部转化，惰质组只有部分转化，是未反应煤中的主要成分。Jie Feng等人 [ 22 ] 于2013年采用DCG技术分离了灵武、神东、平朔三种煤样的6组显微组分并采用了量子化学计算进行了液化活性差异分析。计算结果显示显微组分的比表面积与液化产率无直接联系而平均孔隙则与产率呈正相关，且溶剂的快速循环可以提高液化率。三种煤样中神东煤尤其是镜质组的物理化学性质具有最佳的液化能力。2014年，Li-jun Jin等人 [ 23 ] 应用微反应实验装置分别于N 2 和H 2 条件下分析了补连塔煤及其显微组分的液化行为。相同条件下，液化的总产率和油产率顺序均如下：镜质组 > 原煤 > 惰质组，而镜质组在N 2 条件下的总产率和油收率都高于原煤和惰质组在H 2 条件下的相同指标。 我国作为煤液化技术的领跑者，于2008年就已成功运行世界首座煤直接液化装置并运营至今，完成了产业化，因此煤液化技术具有广阔的应用和经济前景。当前煤岩显微组分的液化研究表明在极大多数煤阶和煤种中，壳质组、镜质组的液化活性都要优于惰质组。提高原料煤中的镜质组含量，可以有效提高煤的液化反应活性。然而，研究普遍集中在试验应用研究，煤液化过程的理论研究并未出现。煤液化技术要达到更广泛的应用范围和更高的经济效益，需要在以下两个方面着重探索机理。1) 明确煤种与液化效率两者间的理论关系。2) 不同显微组分表面物理、化学性质与液化效率的关联。一些研究中指出惰质组的转化率和油收率虽然不高但是同样不可忽视，与其他显微组分在液化过程中具有协同作用，只是反应条件和影响因素相对复杂。因此，惰质组对于液化反应的影响急需确切的分析。 3.3. 显微组分的燃烧 煤的燃烧主要是煤中的有机质进行燃烧，而煤岩有机显微组分可以将煤中的有机质分为三类。研究显微组分的燃烧特性有助于进一步探究煤的燃烧性能。 1996年，路继根等人 [ 24 ] 使用热天平研究了平朔、红阳、大同、东胜四种煤的显微组分的燃烧特性。镜质组的燃烧特征温度高于惰质组。而原生矿物质对于显微组分的燃烧则存在着抑制作用。孙庆雷等人 [ 25 ] 于2002年研究了神木煤半焦的燃烧反应性。在相同的热解制焦条件下，镜质组半焦的燃烧性优于惰质组半焦。张军等人 [ 26 ] 也于2002年采用了滴管炉对四种煤样显微组分富集物进行了燃烧试验，而惰质组富集物相对于镜质组表现出较差的燃烧性能。2011年，J. H. Wang等人 [ 27 ] 使用热重分析法研究了灵武煤及其显微组分的燃烧特性和动力学。惰质组的燃烧活性优于原煤和镜质组，且惰质组的含量越高，混合煤样的燃烧活性也随之增加。而应用缩芯模型可以合理解释样品的燃烧机理。Yingyue Teng等人 [ 28 ] 于2016年从胜利褐煤中提取了富含惰质组的丝质煤和富含腐植组的木质煤。丝质煤的比表面积、起燃温度、整体燃烧性都高于木质煤，且齐次模型和缩芯模型都可以用于描述两者的燃烧过程。 煤炭燃烧作为一种传统的煤炭利用手段以及其带来的环境污染问题，关于显微组分燃烧特性的研究不多，但是从上述研究中可以看出不同煤种中显微组分表现出来的燃烧特性并不一致，存在较大的差异性，其对于煤燃烧的影响需要更加深入的研究。 3.4. 显微组分的热解 煤的热解也称为煤的干馏或热分解，是指煤在隔绝空气的条件下进行加热，在不同的温度下发生一系列的物理变化和化学反应的复杂过程。煤热解的结果是生成气体(煤气)、液体(焦油)、固体(半焦或焦炭)等产品。按煤热解最终温度的不同可分为：高温干馏(950℃~1050℃)，中温干馏(700℃~800℃)和低温干馏(500℃~600℃)，煤的焦化就是高温干馏。 关于煤中显微组分热解的研究较多，笔者将对近十年间的研究进行主要阐述。2006年，Qinglei Sun等人 [ 29 ] 将神木煤显微组分分别置于Ar和H 2 中进行了终温900℃的热解试验。热解产生的气体包括H 2 O、C1-C4、C6H6，镜质组的产气量高于惰质组。Ar和H 2 下，H 2 O和CH 4 具有不同的产生温度和峰分布，说明不同气体条件下的热解反应机理并不相同。常海洲等人 [ 30 ] 于2008年的研究表明煤热解的半焦收缩阶段由缓慢收缩、过渡收缩和快速收缩三个阶段构成。镜质组的半焦收缩速率高于惰质组，而神东煤及其显微组分的半焦收缩速率高于平朔煤及其显微组分。2008年，Hui-Jane Mo等人 [ 31 ] 使用金刚石对顶毡热解分别在半开放和全封闭系统中，研究了不同煤阶煤种的三种显微组分的生油势和生气势，壳质组产生大量可视类油液体和气体，丝质组(惰质组)则无可视液体和气体产生，一些非高氢镜质组也产生了大量可视液体(比壳质组产生的液体更黑更稠)，说明镜质组的生油势并不局限于其高氢含量。两种系统条件下的生油势结果都类似，但封闭系统中生气势更加明显。Yunpeng Zhao等人 [ 32 ] 于2010年使用固定反应器研究了三种弱还原性煤和单种还原性煤显微组分的热解特性。差热重分析结果显示弱还原性煤的镜质组和惰质组与还原性煤显微组分相比，具有低焦油产率，但是拥有高气产率，产物焦的燃烧活性也更高。2011年，王利斌等人 [ 33 ] [ 34 ] 对神木煤及其显微组分热解过程中气相产物的组成和热解半焦的CO 2 活化特性进行了研究，在相同的热解温度下，热解气体产物中H 2 、CH 4 的产量：镜质组 > 原煤 > 惰质组；CO、CO 2 的产量：惰质组 > 原煤 > 镜质组。在相同的实验条件下，热解半焦的CO 2 活化性能为：镜质组 > 原煤 > 惰质组。Rohan Stanger等人 [ 35 ] 于2013年在显微组分热解过程中使用计算机辅助热分析(CATA)结合位移和压力测量装置测量热膨胀，分析吸热、放热等行为。热解的脱挥发分阶段中出现了吸热和放热区，镜质组相对于惰质组表现出了更强的放热性，热解过程中的热膨胀和散热性程度与样品中的镜质组含量相关。赵伟等人 [ 36 ] 于2014年分析了神府煤及其显微组分的低温热解特性。研究结果显示煤样中镜质组的含量越高，热解的焦油产率越高，而随着惰质组含量的增加，焦油产率降低，半焦收率提高。 近十年内大量的热解研究均表明在极大多数煤种中壳质组、镜质组的热解特性总体明显优于惰质组，但同样有研究指出惰质组在热解过程中较高的气产率和协同作用不可忽视。但当前煤热解研究主要集中在试验分析方面，显微组分的热解机制方面的理论研究十分缺乏。煤热解技术作为煤气化以及煤液化技术不可或缺的前期阶段，是煤炭清洁利用技术的支撑。未来煤热解技术应着重于解决两个问题1) 显微组分在热解过程中不同阶段的分解机制。2) 惰质组对热解过程的协同作用原理。煤热解阶段理论研究的完善不仅可以提高煤热解的效率，并将极大促进煤气化和液化技术的发展。