煤結構演化及燃料、原料和材料屬性開發

李 勇

(中國礦業大學(北京) 地球科學與測繪工程學院，北京 100083)

煤炭在我國一次能源占主導地位，在全國已探明的化石能源資源儲量中，煤炭占94%左右，是我國能源安全的穩定器和壓艙石[1-2]。立足煤炭是我國主體能源實際，確保能源安全穩定供應和平穩過渡，需要強化煤炭資源轉化，延長產業鏈，提升價值鏈，提高煤炭利用效率[3-4]。煤炭利用正逐步向清潔化、大型化、規?；⒓s化發展，由單一燃料屬性向燃料、原料方向轉變。推進煤炭分級分質利用，促進煤化工高端化、多元化、低碳化發展，是實現“煤”這一高碳能源低碳化和無碳化開發的必然出路[5-6]。

煤炭、煤系氣、煤制油氣、煤基新材料和煤系礦產資源是我國能源安全穩定供應和經濟社會發展的有力保障[7-8]。落實“雙碳”目標，除了要充分發揮煤系礦產在能源和資源供給方面的重要價值，還需進一步認識和理解煤炭本身的三重屬性。第1重即煤炭被長期單一利用的燃料屬性。燃煤發電在未來相當長時間仍是我國電力供應主體，同時還需為其他能源提供調峰服務，隨著燃煤發電往高參數、大容量、智能化、低碳化發展，煤炭燃料屬性將會得到進一步開發利用[1]。第2重是煤炭愈顯重要的原料屬性。煤炭作為原料的直接轉化工藝包括煤制油、煤制烯烴、煤制乙二醇等，并形成了 “熱解—油氣提質—燃燒—發電”、“熱解—氣化—費托合成—油品共處理”和“熱解—氣化—合成液體燃料與化學品”等梯級利用技術序列，是我國油氣安全的重要保障[9]。第3重是煤炭作為CO2封存、CH4儲存和本身作為多孔介質的潛在結構或功能材料屬性。材料屬性是指在煤炭本身具有的原料屬性基礎上，直接將煤作為多孔材料或者功能材料使用，或者經過初步轉化直接作為新型化工材料、無機非金屬材料和高性能復合材料等進行轉化利用[10]。

煤炭是炭不是碳，是一種低價高碳資源。不同煤階煤具有的燃料、原料和材料屬性有很大差異,正確認識煤物質結構在熱演化過程中的變化，對于實現煤炭高效清潔利用至關重要。隨著紅外光譜、核磁共振、透射電鏡和分子模擬等實驗和分析技術進展，不同顯微組分官能團變化得以揭示[8，10]。但是煤結構在不同角度和尺度上的差異缺少系統認識，煤炭開發價值仍然有待進一步揭示。從煤炭轉化利用產品的數量和質量上提高煤的多重價值，實現煤炭合理開發、科學分離和綜合利用，需要進一步強化和深化煤地質研究[11]。筆者結合系統采集的不同變質程度煤炭樣品，通過煤物質結構和物理化學表征，分析不同煤階煤的理化性質和演化機制，為煤的燃料、原料和材料三重屬性充分認識和科學開發提供支持。

1 煤物質結構演化

煤是一種復雜有機巖，體現在顯微組分、化學組分、分子結構和多孔結構上。我國煤炭資源豐富，資源總量約5.9萬億t，具有多成煤期、多沉積體系和多構造運動的復雜地質演化背景(圖1)[12-13]。受此影響，我國煤巖煤質多樣，具有多類型的煤化學特征和工藝性能，煤炭高效清潔利用價值有待持續開發。筆者基于在新疆、山西和貴州等地區采取的16塊不同變質程度煤巖樣品，結合顯微煤巖、紅外光譜、固體核磁共振、低溫氣體吸附等實驗和分子模擬手段，系統評價不同煤階樣品物質結構及演化規律。

圖1 中國主要含煤盆地和成煤時代分布(陸域參考文獻[13]，海域參考文獻[14-15])Fig.1 Distribution of major coal-bearing basins and coal-forming ages in China(Continental basins Reference[13]，Oceanic basins Reference[14-15])

1.1 顯微組分演化

成煤原始物質主要是植物，由植物遺體等經過多種生物地球化學過程演變為有機顯微組分，在沉積和煤化作用過程中也會通過同沉積或者流體活動等賦存其他無機礦物組分[14]。測試樣品結果顯示，褐煤、煙煤和無煙煤中均以腐植體和鏡質體為主要顯微組分，含少量惰質體，低階煤和部分中階煤可見少量類脂體(圖2和表1)。鏡質體是由植物根、莖、葉的薄壁和木質組織等在厭氧環境中沉積保存經凝膠化作用形成[17]。鏡質體(腐植體)一般呈現3種存在形式，微米～厘米薄層或透鏡體、連續基質狀膠結、無定形充填于胞腔或孔縫。中低階煤中鏡質體呈現暗灰色，隨著變質程度升高變為淺灰色(圖2(a),(b),(g))。鏡質體化學組分中氧質量分數高，富含芳香結構，并且煤階越高，芳香度越高。鏡質體是生成天然氣的主要成分，在加熱時能熔融黏結，是結焦的主要成分，在煤的加氫液化中，鏡質體的轉化率也相對較高[6，9]。

注：(a)～(f) 樣品采集自內蒙古哈爾烏素礦，0.47%Ro；(g)，(h)樣品采集自山西斜溝礦，1.10%Ro；顯微組分命名參考ICCP1994，文獻[16]。圖2 煤巖顯微組分圖像Fig.2 Maceral composition of coals

類脂體是由孢粉素、樹脂、蠟和脂肪等相對富氫的非腐植化組分轉化形成，包括角質體、木栓質體、孢粉體、樹脂體、滲出瀝青體、葉綠素體、藻類體、類脂碎屑體和瀝青質體共9種組分，國內還有樹皮體等分類。類脂體是生成液態烴類的主要來源，具有良好的熒光性，對煤制油具有重要價值(圖3)。類脂體的不同組分均具有較高生油能力，其中木栓質體和樹脂體在隨機反射率0.4%左右開始生油，角質體和藻類體的生烴高峰在0.7%～0.8%，且藻類體的脂肪成分和芳香成分含量最高(圖2(f)，(h))[16]。選煤中類脂體的韌性高于鏡質體，并且其煉焦中的揮發分產率最高[18]。

惰質體在煤中質量分數較低但普遍存在，古生代煤中惰質體的質量分數一般高于其他時代的煤。惰質體主要來源于真菌或高等植物組織、細碎屑或凝膠化的無定形物質、物理化學性質改變的細胞分泌物等(圖2(c)～(e))。惰質體顆粒大小、不均一性及其與其他顯微組分的共生關系會直接影響煉焦效果，適量惰質體利于制取高強度和高穩定性焦炭[18]。與同煤階富含鏡質體煤制備的焦炭相比，富惰質體煤形成的焦炭具有高焦炭反應性(CRI)和低焦炭反應后強度(CSR)[18]。不同變質程度的惰質體在燃燒中的區別較大，低變質程度惰質體會形成多孔的各向異性炭，高變質程度的一般形成各向同性焦，且惰質體形成的焦一般具有高反應活性[19-20]。

表1 不同變質程度煤巖組分差異

1.2 化學組分演化

工業組分及元素測試分析顯示，揮發分隨著煤階升高逐漸降低，固定碳和碳元素質量分數均不斷升高，呈現聚碳效應，其他組分無明顯規律(圖4)。傅里葉紅外光譜實驗結果中1 000～1 800 cm-1波數范圍主要包括含氧官能團的伸縮振動、甲基、亞甲基的變形振動和芳香碳中碳碳雙鍵振動(圖5)[21]。2 800～3 000 cm-1波數范圍主要為脂肪烴甲基、亞甲基和次甲基，3 000～3 600 cm-1主要為羥基官能團，1 033～1 350 cm-1歸屬為醇、酚、醚、苯氧基、酸、酯中碳氧單鍵伸縮振動。隨著煤階升高，峰寬和峰高逐漸減小，顯示隨著煤化作用進行，碳、氧元素逐漸從煤大分子上脫落[21]。

圖4 不同變質程度煤工業分析和元素分析結果Fig.4 Proximate analysis and element analysis results of coals with different metamorphic degrees

圖5 不同變質程度煤的FTIR和13C-NMR圖譜Fig.5 Graphs of FTIR and 13C-NMR for coals of different metamorphic degrees

隨著煤階升高，1 000～1 350 cm-1為含氧官能團，呈下降的趨勢，主要是由于煤化作用的發生導致脂肪側鏈不斷脫落，附著在側鏈上的含氧官能團隨之掉落，含量逐漸減小。芳香碳中碳碳雙鍵(1 490～1 600 cm-1)呈減小的趨勢，主要是由于第2次煤化躍變(約1.30%Ro)中，環烷烴脫氫芳構化及熱解效應和微生物降解，煤分子側鏈脫落，煤分子量相對下降[22-23]。2 852與2 923 cm-1附近為亞甲基伸縮振動，2 870與2 953 cm-1附近為甲基伸縮振動，隨煤階升高而下降；2 895 cm-1附近為次甲基伸縮振動，該峰隨煤階升高也呈下降趨勢，由于煤化作用的不斷發生導致側鏈結構不斷脫落，甲基和亞甲基和次甲基等結構逐漸減少；3 000～3 600 cm-1峰隨著煤階升高，先緩后陡，3 400 cm-1附近變化尤為突出，說明煤中自締合—OH的含量先減小后增加。煤化作用后期，芳香族稠環縮合程度增加，煤中—OH在空間上更為接近，自締合—OH的形成幾率增大。中低變質程度煤巖在3 616 cm-1存在小尖峰，是由于羥基之間空間位阻不能形成氫鍵或形成的氫鍵作用極弱。

1.3 分子結構演化

煤分子結構復雜，13C-NMR可識別其主要結構參數，包括脂肪碳(0～90×10-6)、芳香碳(90×10-6～165×10-6)和羰基(165×10-6～220×10-6)等。脂肪碳區主要包括附著在縮合芳香核周緣的弱鍵結構或芳香核的支鏈與側鏈，屬富氫結構，由甲基、亞甲基、次甲基和季碳等組成。隨煤階升高，脂肪碳區峰位先增高增寬后逐漸變窄。第1次煤化躍變時，次甲基結構不穩定，裂解形成自由基碎片，一部分反應生成油氣或半焦，另一部分與芳香核周圍的亞甲基、季碳、橋鍵結構或脂肪側鏈結合形成新的橋鍵或脂肪側鏈，或與芳香核發生氫取代或交聯。第1次躍變后，甲基和亞甲基含量升高，脂肪側鏈或支鏈長度縮短，支鏈數量有所增加，與FTIR測試結果一致。第2次煤化躍變時，側鏈結構進一步斷裂，其中亞甲基結構更容易斷裂，一部分形成油氣或半焦，另一部分與芳香核交聯形成更大的芳香結構，導致脂肪碳的甲基、亞甲基等數量進一步減少。

芳香碳區(90×10-6～165×10-6)變化與脂肪碳的變化緊密相關。褐煤—煙煤階段，13C-NMR的127×10-6附近峰位明顯增寬，是由于第1次煤化躍變時，部分脂肪側鏈與芳香核交聯，形成橋接芳碳。煙煤-無煙煤階段，127×10-6附近峰位明顯收縮、增高并左偏，是由于第2次煤化躍變時，甲基和亞甲基等側鏈結構斷裂，與橋接芳碳或芳香核交聯脫氫，形成質子化芳碳，芳香率和芳香片層堆垛現象增加。隨煤階升高，羰基區(165×10-6～220×10-6)峰位逐漸趨于平緩，是因為煤化作用持續進行，側鏈不斷脫落，在支鏈上的氧元素和羰基碳逐漸減少。

在此基礎上，筆者挑選不同煤階的典型樣品，分別為內蒙古0.47%Ro褐煤、山西1.70%Ro煙煤和3.65%Ro無煙煤構建大分子結構模型。所選樣品均為正常熱變質作用條件下形成，同時在化學組成和顯微組分上沒有特殊變化，保證 ACD/ChemSketech軟件構建的分子結構單元和大分子結構模型更準確(圖6)。結果顯示低煤階的二維結構單元模型分子式為C205H244O24N2，經蒙特卡洛法模擬獲得了三維大分子結構模型，分子式為C2448H2928O288N24；同理獲得了中煤階二維分子結構單元模型分子式為C197H147O15N，三維大分子模型分子式為C2364H1764O180N12；高煤階二維分子結構單元模型分子式為C194H118O5，三維大分子模型分子式為C2328H1418O60。不同煤階分子結構變化也顯示了化學組分隨煤化作用的變化。

1.4 多孔結構演化

低溫液氮吸附可以揭示1.7～300 nm的孔徑分布。根據IUPAC分類，N2等溫吸附/解吸曲線主要為Ⅳ型，除了中煤階1.20%Ro，1.70%Ro和1.80%Ro樣品外，均具有明顯回滯環，是較差的孔隙連通性影響，含有一定的墨水瓶孔和楔形孔(表2)。可能由于吸附/解吸過程中介孔(2～50 nm)的毛細凝聚現象(圖7)。0.47%Ro樣品回滯環較大，且其具有高孔體積和比表面積(圖6)。大部分樣品回滯環類型為H3型，顯示存在較多的板狀孔和楔形孔。0.47%Ro樣品為H2和H3型的混合，表明存在較多的墨水瓶孔及板狀孔、楔形孔。部分樣品(0.63%Ro，2.89%Ro和3.65%Ro)的解吸曲線在相對壓力0.45下沒有閉合，受微孔中的基質吸附膨脹效應影響。樣品孔容(0.002～0.043 cm3/g)和比表面積(0.75～35.33 m2/g)變化較大，孔徑分布曲線基本為多峰型。

表2 不同煤階煤樣孔隙結構參數統計

圖7 低溫液氮吸附解吸曲線及對應的孔隙類型Fig.7 Low temperature liquid nitrogen adsorption and desorption curves and corresponding poretypes

CO2等溫吸附曲線均屬于I型，主要反映0.4～1.1 nm的煤中微孔。變質程度在0.65%Ro～2.00%Ro的樣品CO2吸附量變化不大，微孔發育程度接近。但是在低煤階下(例如0.31%Ro和0.63%Ro)、高煤階(2.89%和3.65%Ro)，乃至～5.0%Ro左右下微孔發育且具有較高吸附能力(圖8)。其中3.65%Ro樣品吸附量最高，微孔含量高，與低溫液氮測試結果一致。6.24%Ro樣品吸附量最小，高變質程度下煤表面活性降低且趨于光滑，吸附性也相應降低。

圖8 不同變質程度煤低溫CO2吸附曲線Fig.8 Low-temperature CO2 adsorption curves of coals withdifferent metamorphic degrees

小角散射實驗結果可以計算0～100 nm煤中開孔和閉孔的含量，結果與CO2和液氮吸附反映的微孔-宏孔含量變化一致，并呈現多期躍變(圖9)。低變質程度煤巖，特別是<0.65%Ro時，煤巖開始脫水縮聚，各類孔隙含量均有所增加。在0.65%Ro～1.3%Ro時，瀝青化作用開始，生烴作用強化，含氧官能團脫落，各類孔隙數量均有所降低，其中介孔和宏孔含量大幅減少。在1.3%Ro～3.5%Ro時，煤中甲烷大量生成，富氫側鏈和鍵大幅減少，微孔含量大幅增加，而介孔和大孔數量趨于穩定。在>3.5%Ro時，微孔含量不變，芳香單元方向度和縮合度顯著增加，分子結構有序性增強，介孔含量有所增加。

圖9 孔隙結構隨煤變質程度的變化Fig.9 Changes of pore structure with the degree of coal metamorphism

2 結構演化的地質驅動

高等植物等有機體是煤炭形成的前提，形成的有機顯微組分是煤炭作為能源和原料屬性的重要基礎，氣候條件、水體性質、植被類型、陸源碎屑等地質背景均影響煤中顯微組分組成[24]。泥炭沼澤是煤炭形成的物質基礎，發生多種類型的地質-生物化學作用，對應差異化的碳、氫元素聚集過程(圖10)。類脂體生烴能力最強，含有較多的長鏈脂肪結構、硫元素和較少的氧、氮元素[25-26]，類脂體等富氫結構組分是煤制油的關鍵物質結構，同時低變質程度褐煤和長焰煤等富含脂肪結構為主的不穩定橋鍵和邊基側鏈，利于地下煤氣化等煤的能源和原料屬性開發。類脂體H/C原子比高于鏡質組和惰質組，隨著變質程度增高分子結構變化劇烈，其中以孢子體和樹脂體最為明顯。在熱模擬條件下，小孢子體在300 ℃左右開始軟化變形，至380 ℃就幾乎熱解消失；樹脂體在320 ℃時仍相對穩定，推測在340～360 ℃分解轉變，在360 ℃時已不可見；角質體在360 ℃時熔融、膨脹，仍存在保存較好的角質層堆積，推測在360～380 ℃劇變[18，22，27]。惰質體形成途徑復雜多樣，受野火作用、真菌/細菌的降解作用、炭化作用等，最終以絲質體/半絲質體為主，惰質體烷基側鏈最短且氧、氮、硫等雜原子團含量最少，含有較為復雜的交聯結構，在熱演化過程中，H/C原子比基本不變，O/C原子比進一步降低[27]。

鏡質體往往介于2者之間，酚類和烷基芳香類物質相對較多，含氧官能團和烷基側鏈隨著煤化程度的提高而不斷減少[28-29]，主要是植物組織經歷腐植化和凝膠化作用或者非燃燒降解途徑而形成，但有時可能炭化形成絲質體或半絲質體，在熱演化過程中出現氣孔、軟化變形和焦炭等特征[24]。煤中顯微組分形成于不同的演化路徑，即使同一植物的不同部位，也會存在差異(圖10)。

圖10 煤炭形成過程和演化路徑(參考文獻[22,24-30]修改)Fig.10 Coal formation and evolution path (Modified by References[22,24-30])

煤化作用過程是煤物質結構不斷變化，持續聚碳過程。隨著反射率增加，變質程度升高，煤樣總孔容和比表面積呈現波浪式變化。低變質程度煤巖結構松散，原生孔隙含量高，平均孔徑相對較大，孔隙隨著壓力增加迅速減小(圖9)。同時熱作用也會導致較小的脂類物質從大分子結構上脫落，進一步改變煤中孔隙分布，CO2吸附和小角散射均顯示微孔和介孔含量增加，但是含有宏孔信息的液氮總孔容降低[31]。第1次煤化躍變后，煤體受強烈的溫度、壓力等地質作用，脂肪碳區甲基和亞甲基含量升高，而次甲基裂解生成油氣或者與芳香碳結合成新的橋接芳碳等，導致脂肪支鏈長度縮短，數量有所增加。同時煤體芳香化程度提高，煤體結構更加致密，總體孔容及比表面積均相應減小[31]。第2次煤化作用躍變后，脂肪側鏈結構進一步斷裂，甲基、亞甲基等數量減少，亞甲基裂解生成油氣或者與芳香碳結合成新的質子化芳碳等，大量氣孔生成且部分內生裂隙生成，孔容及比表面積增大，同時煤中的芳香層片秩理性增加，總孔體積增多，平均孔徑也緩慢增大。在反射率大于3.5%以后進入變無煙煤階段，煤中芳香晶核經歷芳構化、環聚合、拼疊作用和秩理化作用，向石墨結構發展，非定向的芳香碳經過一系列的微觀結構和化學成分的變化產生各種中間相態，最終形成石墨礦物晶體結構，隨著結構有序度提高，孔容、比表面積呈現降低趨勢(圖9)[32]。

3 多重屬性及低碳開發

煤炭燃燒或使用過程中產生的CO2，可以合理控制和轉化利用。煤炭是燃料，也是重要的原料，亦具有重要的材料屬性，這是由其有機來源、物質結構和化學成分所決定的，不同成煤環境下形成的煤質特征有所差異，對應的開發利用方式也有差別。河流、三角洲平原、潮坪等泥炭沼澤通常發育低硫煤，適合燃料屬性開發，而潟湖、碳酸鹽海岸等泥炭沼澤通常發育高硫煤。高位泥炭沼澤表層暴露大氣中，如苔蘚沼澤等，易形成富絲質組分貧氫煤，礦物質少、植物原生結構保存好。帶水的低位沼澤易形成富鏡質組煤，但含礦物質相對較多，開闊水體相的煤炭通常含有大量碎屑腐植體和殼質體。蘆葦沼澤相可見大量碎屑腐植體，且形成的煤中鏡煤和亮煤等宏觀煤巖組分含量高，覆水沼澤相則以富凝膠化組分為主，同時伴生高嶺石等黏土礦物[17-19]。

“煤是工業真正的糧食”[33]，“科學技術的發展永無止境，不燒煤的時代總有一天會到來的。不過那不是煤的衰落時代，而是它的黃金時代。作為一種極有價值的化工原料，煤將物盡其用，更好地在我們的生產生活中大顯身手”[34]。煤炭在我國一次能源占主導地位，由我國煤炭、石油、天然氣等化石能源的天然稟賦和當前的技術水平決定，短期內難以改變。在二次能源中，煤電穩定且不受自然環境變化影響，具有穩定的供應水平和調節能力。在燃料屬性的直接開發中，我國已經建成了全球最大的清潔高效煤電供應體系，引領了世界燃煤發電技術方向[1]。同時煤炭作為液相和氣相燃料的原料屬性也快速發展，其中褐煤、長焰煤、氣煤、不黏煤和弱黏煤等低變質程度煤適合直接液化。間接液化煤種適應強，除了褐煤、煙煤等，同樣適合于高變質程度煤和高灰煤等。雖然從褐煤到無煙煤均可氣化，但不同煤種氣化效果有所差異。我國煤的直接液化、間接液化、煤氣化等實現了安全穩定長期運行，在其他原料屬性中，煤制烯烴、煤制乙二醇等技術也在快速發展，我國已經建立了完整的現代煤化工技術體系，正在向大型化、規模化、集約化、清潔化發展(圖11)[1]。

圖11 煤的多種屬性應用和演化(參考文獻[35-36]修改)Fig.11 Application and evolution of various properties of coal (Modified by References[35-36])

煤炭燃料屬性核心在于其富含碳元素，原料的屬性也主要在于富含碳元素，以及中低煤階煤含有的氫元素。煤炭充分開發利用離不開對其分子結構的精細解構和認識，熱解是煤炭分級分質利用的重要基礎，但是力解的作用在近年被逐漸認識到。相同溫度條件下的加熱和流變實驗顯示，甲基對應力更敏感，優先脫落[37]。力的作用下，化學鍵的鍵長、鍵角以及旋轉方向等可能發生一定的改變，導致發生化學反應的能壘降低，從而加快化學反應的進行，促進某些在熱條件下由于能壘過高難以發生的反應進行。構造應力不僅可以改變煤的物理結構如孔裂隙等，也可以改變其化學結構，使得變形煤具有更高的芳香碳含量和更低的脂肪碳含量，其中韌性變形對化學結構影響更明顯[37]。力解比熱解更容易使縮聚芳環破裂，破裂路徑不同。除此之外，旋轉應力與拉伸應力相比，旋轉應力使亞甲基橋鍵破壞所需能量要低得多，橋鍵更容易破壞(圖12)?；诖?，在未來需要在深化煤熱解的基礎上，充分認識煤熱解和力解共同作用機理，針對性開發分級、催化利用技術，對于多種碳基燃料和材料開發具有重要意義。

圖12 煤熱反應和力反應機理(在文獻[38]基礎上結合文獻[37]修改)Fig.12 Mechanism of thermal and mechanical reaction of coal (Modified on the basis of References[38] combined with References[37])

煤的原料和材料屬性開發在碳原子的分解利用方面難以區分，但是其作為潛在碳庫和儲氣庫則直接利用了其多孔介質的材料屬性。煤這一多孔介質在米、厘米、納米尺度上具有不同的體現。未來在立足于煤層氣和煤系氣高效開發的基礎上，結合地質、地球物理手段充分認識地下儲層中的割理和裂縫系統，綜合沉積、構造和熱演化詳細解析煤體結構分布(圖13)。

圖13 煤層割理、裂縫和孔隙理想化分布形態(參考文獻[30,39]修改)Fig.13 Idealized distribution of coal seam cleats,fractures and pores (Modified with References[30,39])

進一步結合物理化學等方法，認識煤分子尺度上的孔隙結構分布，和不同相態下的CO2等氣體注入-儲存產生效應。煤材料屬性開發有待解決的關鍵問題包括有：① 進一步認識煤層氣高產有利區，從煤層氣產出的角度認識或者通過工程手段改造形成高產通道；② 不同氣體在煤巖中的注入方式和封存安全性，包括吸附機理、流動機理和氣體運移監測技術；③ 不同氣體注入-采出的關鍵技術-泵柱設備和氣體分離回收技術等。

針對煤的多重屬性，目前和未來煤炭清潔開發利用的主要路徑[40]包括：① 燃料屬性充分開發，發展高效先進燃煤技術，實現燃煤污染物協同控制和超低排放；② 原料屬性高效拓展，以煤氣化及液化技術為基礎，結合油-氣-半焦聯產工藝和油-氣-熱-電聯產工藝，實現煤炭資源化分級分質利用；③ 材料屬性有效應用，發展煤基石墨烯和碳納米管等多類型功能材料，同時利用CO2驅替甲烷或者儲氣庫建設等，實現CO2地下封存和甲烷強化開采。

4 結 語

立足我國能源和資源供給基本現狀和“雙碳”戰略目標實現，從煤的燃料、原料和材料屬性對不同變質程度煤的多重屬性進行了系統討論。顯微組分、化學組分、分子結構和多孔結構是煤多重屬性認識和充分開發的前提，受控于不同時代和不同沉積環境泥炭沼澤中殘植化、腐泥化等泥炭化過程，和煤變質的非線性演化和和階段性躍變。

實現煤炭多種屬性開發，需要在煤炭熱解反應認識的基礎上，結合力解效應，同時考慮其他元素摻雜催化等，實現煤這種高碳低價原料的精細和精準定向解構，服務清潔能源轉化生產，形成多維度碳材料的研發工藝。煤的多孔介質屬性是其作為天然氣儲集層、未來儲氣庫和碳封存庫的天然優勢，從不同尺度認識多類型氣體與煤的相互作用機制，有助于實現其材料屬性的充分挖掘，實現煤炭和煤層氣區塊長周期運行。