煤结构演化及燃料、原料和材料属性开发

李 勇

(中国矿业大学(北京) 地球科学与测绘工程学院，北京 100083)

煤炭在我国一次能源占主导地位，在全国已探明的化石能源资源储量中，煤炭占94%左右，是我国能源安全的稳定器和压舱石[1-2]。立足煤炭是我国主体能源实际，确保能源安全稳定供应和平稳过渡，需要强化煤炭资源转化，延长产业链，提升价值链，提高煤炭利用效率[3-4]。煤炭利用正逐步向清洁化、大型化、规模化、集约化发展，由单一燃料属性向燃料、原料方向转变。推进煤炭分级分质利用，促进煤化工高端化、多元化、低碳化发展，是实现“煤”这一高碳能源低碳化和无碳化开发的必然出路[5-6]。

煤炭、煤系气、煤制油气、煤基新材料和煤系矿产资源是我国能源安全稳定供应和经济社会发展的有力保障[7-8]。落实“双碳”目标，除了要充分发挥煤系矿产在能源和资源供给方面的重要价值，还需进一步认识和理解煤炭本身的三重属性。第1重即煤炭被长期单一利用的燃料属性。燃煤发电在未来相当长时间仍是我国电力供应主体，同时还需为其他能源提供调峰服务，随着燃煤发电往高参数、大容量、智能化、低碳化发展，煤炭燃料属性将会得到进一步开发利用[1]。第2重是煤炭愈显重要的原料属性。煤炭作为原料的直接转化工艺包括煤制油、煤制烯烃、煤制乙二醇等，并形成了 “热解—油气提质—燃烧—发电”、“热解—气化—费托合成—油品共处理”和“热解—气化—合成液体燃料与化学品”等梯级利用技术序列，是我国油气安全的重要保障[9]。第3重是煤炭作为CO2封存、CH4储存和本身作为多孔介质的潜在结构或功能材料属性。材料属性是指在煤炭本身具有的原料属性基础上，直接将煤作为多孔材料或者功能材料使用，或者经过初步转化直接作为新型化工材料、无机非金属材料和高性能复合材料等进行转化利用[10]。

煤炭是炭不是碳，是一种低价高碳资源。不同煤阶煤具有的燃料、原料和材料属性有很大差异,正确认识煤物质结构在热演化过程中的变化，对于实现煤炭高效清洁利用至关重要。随着红外光谱、核磁共振、透射电镜和分子模拟等实验和分析技术进展，不同显微组分官能团变化得以揭示[8，10]。但是煤结构在不同角度和尺度上的差异缺少系统认识，煤炭开发价值仍然有待进一步揭示。从煤炭转化利用产品的数量和质量上提高煤的多重价值，实现煤炭合理开发、科学分离和综合利用，需要进一步强化和深化煤地质研究[11]。笔者结合系统采集的不同变质程度煤炭样品，通过煤物质结构和物理化学表征，分析不同煤阶煤的理化性质和演化机制，为煤的燃料、原料和材料三重属性充分认识和科学开发提供支持。

1 煤物质结构演化

煤是一种复杂有机岩，体现在显微组分、化学组分、分子结构和多孔结构上。我国煤炭资源丰富，资源总量约5.9万亿t，具有多成煤期、多沉积体系和多构造运动的复杂地质演化背景(图1)[12-13]。受此影响，我国煤岩煤质多样，具有多类型的煤化学特征和工艺性能，煤炭高效清洁利用价值有待持续开发。笔者基于在新疆、山西和贵州等地区采取的16块不同变质程度煤岩样品，结合显微煤岩、红外光谱、固体核磁共振、低温气体吸附等实验和分子模拟手段，系统评价不同煤阶样品物质结构及演化规律。

图1 中国主要含煤盆地和成煤时代分布(陆域参考文献[13]，海域参考文献[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 显微组分演化

成煤原始物质主要是植物，由植物遗体等经过多种生物地球化学过程演变为有机显微组分，在沉积和煤化作用过程中也会通过同沉积或者流体活动等赋存其他无机矿物组分[14]。测试样品结果显示，褐煤、烟煤和无烟煤中均以腐植体和镜质体为主要显微组分，含少量惰质体，低阶煤和部分中阶煤可见少量类脂体(图2和表1)。镜质体是由植物根、茎、叶的薄壁和木质组织等在厌氧环境中沉积保存经凝胶化作用形成[17]。镜质体(腐植体)一般呈现3种存在形式，微米～厘米薄层或透镜体、连续基质状胶结、无定形充填于胞腔或孔缝。中低阶煤中镜质体呈现暗灰色，随着变质程度升高变为浅灰色(图2(a),(b),(g))。镜质体化学组分中氧质量分数高，富含芳香结构，并且煤阶越高，芳香度越高。镜质体是生成天然气的主要成分，在加热时能熔融黏结，是结焦的主要成分，在煤的加氢液化中，镜质体的转化率也相对较高[6，9]。

注：(a)～(f) 样品采集自内蒙古哈尔乌素矿，0.47%Ro；(g)，(h)样品采集自山西斜沟矿，1.10%Ro；显微组分命名参考ICCP1994，文献[16]。图2 煤岩显微组分图像Fig.2 Maceral composition of coals

类脂体是由孢粉素、树脂、蜡和脂肪等相对富氢的非腐植化组分转化形成，包括角质体、木栓质体、孢粉体、树脂体、渗出沥青体、叶绿素体、藻类体、类脂碎屑体和沥青质体共9种组分，国内还有树皮体等分类。类脂体是生成液态烃类的主要来源，具有良好的荧光性，对煤制油具有重要价值(图3)。类脂体的不同组分均具有较高生油能力，其中木栓质体和树脂体在随机反射率0.4%左右开始生油，角质体和藻类体的生烃高峰在0.7%～0.8%，且藻类体的脂肪成分和芳香成分含量最高(图2(f)，(h))[16]。选煤中类脂体的韧性高于镜质体，并且其炼焦中的挥发分产率最高[18]。

惰质体在煤中质量分数较低但普遍存在，古生代煤中惰质体的质量分数一般高于其他时代的煤。惰质体主要来源于真菌或高等植物组织、细碎屑或凝胶化的无定形物质、物理化学性质改变的细胞分泌物等(图2(c)～(e))。惰质体颗粒大小、不均一性及其与其他显微组分的共生关系会直接影响炼焦效果，适量惰质体利于制取高强度和高稳定性焦炭[18]。与同煤阶富含镜质体煤制备的焦炭相比，富惰质体煤形成的焦炭具有高焦炭反应性(CRI)和低焦炭反应后强度(CSR)[18]。不同变质程度的惰质体在燃烧中的区别较大，低变质程度惰质体会形成多孔的各向异性炭，高变质程度的一般形成各向同性焦，且惰质体形成的焦一般具有高反应活性[19-20]。

表1 不同变质程度煤岩组分差异

1.2 化学组分演化

工业组分及元素测试分析显示，挥发分随着煤阶升高逐渐降低，固定碳和碳元素质量分数均不断升高，呈现聚碳效应，其他组分无明显规律(图4)。傅里叶红外光谱实验结果中1 000～1 800 cm-1波数范围主要包括含氧官能团的伸缩振动、甲基、亚甲基的变形振动和芳香碳中碳碳双键振动(图5)[21]。2 800～3 000 cm-1波数范围主要为脂肪烃甲基、亚甲基和次甲基，3 000～3 600 cm-1主要为羟基官能团，1 033～1 350 cm-1归属为醇、酚、醚、苯氧基、酸、酯中碳氧单键伸缩振动。随着煤阶升高，峰宽和峰高逐渐减小，显示随着煤化作用进行，碳、氧元素逐渐从煤大分子上脱落[21]。

图4 不同变质程度煤工业分析和元素分析结果Fig.4 Proximate analysis and element analysis results of coals with different metamorphic degrees

图5 不同变质程度煤的FTIR和13C-NMR图谱Fig.5 Graphs of FTIR and 13C-NMR for coals of different metamorphic degrees

随着煤阶升高，1 000～1 350 cm-1为含氧官能团，呈下降的趋势，主要是由于煤化作用的发生导致脂肪侧链不断脱落，附着在侧链上的含氧官能团随之掉落，含量逐渐减小。芳香碳中碳碳双键(1 490～1 600 cm-1)呈减小的趋势，主要是由于第2次煤化跃变(约1.30%Ro)中，环烷烃脱氢芳构化及热解效应和微生物降解，煤分子侧链脱落，煤分子量相对下降[22-23]。2 852与2 923 cm-1附近为亚甲基伸缩振动，2 870与2 953 cm-1附近为甲基伸缩振动，随煤阶升高而下降；2 895 cm-1附近为次甲基伸缩振动，该峰随煤阶升高也呈下降趋势，由于煤化作用的不断发生导致侧链结构不断脱落，甲基和亚甲基和次甲基等结构逐渐减少；3 000～3 600 cm-1峰随着煤阶升高，先缓后陡，3 400 cm-1附近变化尤为突出，说明煤中自缔合—OH的含量先减小后增加。煤化作用后期，芳香族稠环缩合程度增加，煤中—OH在空间上更为接近，自缔合—OH的形成几率增大。中低变质程度煤岩在3 616 cm-1存在小尖峰，是由于羟基之间空间位阻不能形成氢键或形成的氢键作用极弱。

1.3 分子结构演化

煤分子结构复杂，13C-NMR可识别其主要结构参数，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。脂肪碳区主要包括附着在缩合芳香核周缘的弱键结构或芳香核的支链与侧链，属富氢结构，由甲基、亚甲基、次甲基和季碳等组成。随煤阶升高，脂肪碳区峰位先增高增宽后逐渐变窄。第1次煤化跃变时，次甲基结构不稳定，裂解形成自由基碎片，一部分反应生成油气或半焦，另一部分与芳香核周围的亚甲基、季碳、桥键结构或脂肪侧链结合形成新的桥键或脂肪侧链，或与芳香核发生氢取代或交联。第1次跃变后，甲基和亚甲基含量升高，脂肪侧链或支链长度缩短，支链数量有所增加，与FTIR测试结果一致。第2次煤化跃变时，侧链结构进一步断裂，其中亚甲基结构更容易断裂，一部分形成油气或半焦，另一部分与芳香核交联形成更大的芳香结构，导致脂肪碳的甲基、亚甲基等数量进一步减少。

芳香碳区(90×10-6～165×10-6)变化与脂肪碳的变化紧密相关。褐煤—烟煤阶段，13C-NMR的127×10-6附近峰位明显增宽，是由于第1次煤化跃变时，部分脂肪侧链与芳香核交联，形成桥接芳碳。烟煤-无烟煤阶段，127×10-6附近峰位明显收缩、增高并左偏，是由于第2次煤化跃变时，甲基和亚甲基等侧链结构断裂，与桥接芳碳或芳香核交联脱氢，形成质子化芳碳，芳香率和芳香片层堆垛现象增加。随煤阶升高，羰基区(165×10-6～220×10-6)峰位逐渐趋于平缓，是因为煤化作用持续进行，侧链不断脱落，在支链上的氧元素和羰基碳逐渐减少。

在此基础上，笔者挑选不同煤阶的典型样品，分别为内蒙古0.47%Ro褐煤、山西1.70%Ro烟煤和3.65%Ro无烟煤构建大分子结构模型。所选样品均为正常热变质作用条件下形成，同时在化学组成和显微组分上没有特殊变化，保证 ACD/ChemSketech软件构建的分子结构单元和大分子结构模型更准确(图6)。结果显示低煤阶的二维结构单元模型分子式为C205H244O24N2，经蒙特卡洛法模拟获得了三维大分子结构模型，分子式为C2448H2928O288N24；同理获得了中煤阶二维分子结构单元模型分子式为C197H147O15N，三维大分子模型分子式为C2364H1764O180N12；高煤阶二维分子结构单元模型分子式为C194H118O5，三维大分子模型分子式为C2328H1418O60。不同煤阶分子结构变化也显示了化学组分随煤化作用的变化。

1.4 多孔结构演化

低温液氮吸附可以揭示1.7～300 nm的孔径分布。根据IUPAC分类，N2等温吸附/解吸曲线主要为Ⅳ型，除了中煤阶1.20%Ro，1.70%Ro和1.80%Ro样品外，均具有明显回滞环，是较差的孔隙连通性影响，含有一定的墨水瓶孔和楔形孔(表2)。可能由于吸附/解吸过程中介孔(2～50 nm)的毛细凝聚现象(图7)。0.47%Ro样品回滞环较大，且其具有高孔体积和比表面积(图6)。大部分样品回滞环类型为H3型，显示存在较多的板状孔和楔形孔。0.47%Ro样品为H2和H3型的混合，表明存在较多的墨水瓶孔及板状孔、楔形孔。部分样品(0.63%Ro，2.89%Ro和3.65%Ro)的解吸曲线在相对压力0.45下没有闭合，受微孔中的基质吸附膨胀效应影响。样品孔容(0.002～0.043 cm3/g)和比表面积(0.75～35.33 m2/g)变化较大，孔径分布曲线基本为多峰型。

表2 不同煤阶煤样孔隙结构参数统计

图7 低温液氮吸附解吸曲线及对应的孔隙类型Fig.7 Low temperature liquid nitrogen adsorption and desorption curves and corresponding poretypes

CO2等温吸附曲线均属于I型，主要反映0.4～1.1 nm的煤中微孔。变质程度在0.65%Ro～2.00%Ro的样品CO2吸附量变化不大，微孔发育程度接近。但是在低煤阶下(例如0.31%Ro和0.63%Ro)、高煤阶(2.89%和3.65%Ro)，乃至～5.0%Ro左右下微孔发育且具有较高吸附能力(图8)。其中3.65%Ro样品吸附量最高，微孔含量高，与低温液氮测试结果一致。6.24%Ro样品吸附量最小，高变质程度下煤表面活性降低且趋于光滑，吸附性也相应降低。

图8 不同变质程度煤低温CO2吸附曲线Fig.8 Low-temperature CO2 adsorption curves of coals withdifferent metamorphic degrees

小角散射实验结果可以计算0～100 nm煤中开孔和闭孔的含量，结果与CO2和液氮吸附反映的微孔-宏孔含量变化一致，并呈现多期跃变(图9)。低变质程度煤岩，特别是<0.65%Ro时，煤岩开始脱水缩聚，各类孔隙含量均有所增加。在0.65%Ro～1.3%Ro时，沥青化作用开始，生烃作用强化，含氧官能团脱落，各类孔隙数量均有所降低，其中介孔和宏孔含量大幅减少。在1.3%Ro～3.5%Ro时，煤中甲烷大量生成，富氢侧链和键大幅减少，微孔含量大幅增加，而介孔和大孔数量趋于稳定。在>3.5%Ro时，微孔含量不变，芳香单元方向度和缩合度显著增加，分子结构有序性增强，介孔含量有所增加。

图9 孔隙结构随煤变质程度的变化Fig.9 Changes of pore structure with the degree of coal metamorphism

2 结构演化的地质驱动

高等植物等有机体是煤炭形成的前提，形成的有机显微组分是煤炭作为能源和原料属性的重要基础，气候条件、水体性质、植被类型、陆源碎屑等地质背景均影响煤中显微组分组成[24]。泥炭沼泽是煤炭形成的物质基础，发生多种类型的地质-生物化学作用，对应差异化的碳、氢元素聚集过程(图10)。类脂体生烃能力最强，含有较多的长链脂肪结构、硫元素和较少的氧、氮元素[25-26]，类脂体等富氢结构组分是煤制油的关键物质结构，同时低变质程度褐煤和长焰煤等富含脂肪结构为主的不稳定桥键和边基侧链，利于地下煤气化等煤的能源和原料属性开发。类脂体H/C原子比高于镜质组和惰质组，随着变质程度增高分子结构变化剧烈，其中以孢子体和树脂体最为明显。在热模拟条件下，小孢子体在300 ℃左右开始软化变形，至380 ℃就几乎热解消失；树脂体在320 ℃时仍相对稳定，推测在340～360 ℃分解转变，在360 ℃时已不可见；角质体在360 ℃时熔融、膨胀，仍存在保存较好的角质层堆积，推测在360～380 ℃剧变[18，22，27]。惰质体形成途径复杂多样，受野火作用、真菌/细菌的降解作用、炭化作用等，最终以丝质体/半丝质体为主，惰质体烷基侧链最短且氧、氮、硫等杂原子团含量最少，含有较为复杂的交联结构，在热演化过程中，H/C原子比基本不变，O/C原子比进一步降低[27]。

镜质体往往介于2者之间，酚类和烷基芳香类物质相对较多，含氧官能团和烷基侧链随着煤化程度的提高而不断减少[28-29]，主要是植物组织经历腐植化和凝胶化作用或者非燃烧降解途径而形成，但有时可能炭化形成丝质体或半丝质体，在热演化过程中出现气孔、软化变形和焦炭等特征[24]。煤中显微组分形成于不同的演化路径，即使同一植物的不同部位，也会存在差异(图10)。

图10 煤炭形成过程和演化路径(参考文献[22,24-30]修改)Fig.10 Coal formation and evolution path (Modified by References[22,24-30])

煤化作用过程是煤物质结构不断变化，持续聚碳过程。随着反射率增加，变质程度升高，煤样总孔容和比表面积呈现波浪式变化。低变质程度煤岩结构松散，原生孔隙含量高，平均孔径相对较大，孔隙随着压力增加迅速减小(图9)。同时热作用也会导致较小的脂类物质从大分子结构上脱落，进一步改变煤中孔隙分布，CO2吸附和小角散射均显示微孔和介孔含量增加，但是含有宏孔信息的液氮总孔容降低[31]。第1次煤化跃变后，煤体受强烈的温度、压力等地质作用，脂肪碳区甲基和亚甲基含量升高，而次甲基裂解生成油气或者与芳香碳结合成新的桥接芳碳等，导致脂肪支链长度缩短，数量有所增加。同时煤体芳香化程度提高，煤体结构更加致密，总体孔容及比表面积均相应减小[31]。第2次煤化作用跃变后，脂肪侧链结构进一步断裂，甲基、亚甲基等数量减少，亚甲基裂解生成油气或者与芳香碳结合成新的质子化芳碳等，大量气孔生成且部分内生裂隙生成，孔容及比表面积增大，同时煤中的芳香层片秩理性增加，总孔体积增多，平均孔径也缓慢增大。在反射率大于3.5%以后进入变无烟煤阶段，煤中芳香晶核经历芳构化、环聚合、拼叠作用和秩理化作用，向石墨结构发展，非定向的芳香碳经过一系列的微观结构和化学成分的变化产生各种中间相态，最终形成石墨矿物晶体结构，随着结构有序度提高，孔容、比表面积呈现降低趋势(图9)[32]。

3 多重属性及低碳开发

煤炭燃烧或使用过程中产生的CO2，可以合理控制和转化利用。煤炭是燃料，也是重要的原料，亦具有重要的材料属性，这是由其有机来源、物质结构和化学成分所决定的，不同成煤环境下形成的煤质特征有所差异，对应的开发利用方式也有差别。河流、三角洲平原、潮坪等泥炭沼泽通常发育低硫煤，适合燃料属性开发，而潟湖、碳酸盐海岸等泥炭沼泽通常发育高硫煤。高位泥炭沼泽表层暴露大气中，如苔藓沼泽等，易形成富丝质组分贫氢煤，矿物质少、植物原生结构保存好。带水的低位沼泽易形成富镜质组煤，但含矿物质相对较多，开阔水体相的煤炭通常含有大量碎屑腐植体和壳质体。芦苇沼泽相可见大量碎屑腐植体，且形成的煤中镜煤和亮煤等宏观煤岩组分含量高，覆水沼泽相则以富凝胶化组分为主，同时伴生高岭石等黏土矿物[17-19]。

“煤是工业真正的粮食”[33]，“科学技术的发展永无止境，不烧煤的时代总有一天会到来的。不过那不是煤的衰落时代，而是它的黄金时代。作为一种极有价值的化工原料，煤将物尽其用，更好地在我们的生产生活中大显身手”[34]。煤炭在我国一次能源占主导地位，由我国煤炭、石油、天然气等化石能源的天然禀赋和当前的技术水平决定，短期内难以改变。在二次能源中，煤电稳定且不受自然环境变化影响，具有稳定的供应水平和调节能力。在燃料属性的直接开发中，我国已经建成了全球最大的清洁高效煤电供应体系，引领了世界燃煤发电技术方向[1]。同时煤炭作为液相和气相燃料的原料属性也快速发展，其中褐煤、长焰煤、气煤、不黏煤和弱黏煤等低变质程度煤适合直接液化。间接液化煤种适应强，除了褐煤、烟煤等，同样适合于高变质程度煤和高灰煤等。虽然从褐煤到无烟煤均可气化，但不同煤种气化效果有所差异。我国煤的直接液化、间接液化、煤气化等实现了安全稳定长期运行，在其他原料属性中，煤制烯烃、煤制乙二醇等技术也在快速发展，我国已经建立了完整的现代煤化工技术体系，正在向大型化、规模化、集约化、清洁化发展(图11)[1]。

图11 煤的多种属性应用和演化(参考文献[35-36]修改)Fig.11 Application and evolution of various properties of coal (Modified by References[35-36])

煤炭燃料属性核心在于其富含碳元素，原料的属性也主要在于富含碳元素，以及中低煤阶煤含有的氢元素。煤炭充分开发利用离不开对其分子结构的精细解构和认识，热解是煤炭分级分质利用的重要基础，但是力解的作用在近年被逐渐认识到。相同温度条件下的加热和流变实验显示，甲基对应力更敏感，优先脱落[37]。力的作用下，化学键的键长、键角以及旋转方向等可能发生一定的改变，导致发生化学反应的能垒降低，从而加快化学反应的进行，促进某些在热条件下由于能垒过高难以发生的反应进行。构造应力不仅可以改变煤的物理结构如孔裂隙等，也可以改变其化学结构，使得变形煤具有更高的芳香碳含量和更低的脂肪碳含量，其中韧性变形对化学结构影响更明显[37]。力解比热解更容易使缩聚芳环破裂，破裂路径不同。除此之外，旋转应力与拉伸应力相比，旋转应力使亚甲基桥键破坏所需能量要低得多，桥键更容易破坏(图12)。基于此，在未来需要在深化煤热解的基础上，充分认识煤热解和力解共同作用机理，针对性开发分级、催化利用技术，对于多种碳基燃料和材料开发具有重要意义。

图12 煤热反应和力反应机理(在文献[38]基础上结合文献[37]修改)Fig.12 Mechanism of thermal and mechanical reaction of coal (Modified on the basis of References[38] combined with References[37])

煤的原料和材料属性开发在碳原子的分解利用方面难以区分，但是其作为潜在碳库和储气库则直接利用了其多孔介质的材料属性。煤这一多孔介质在米、厘米、纳米尺度上具有不同的体现。未来在立足于煤层气和煤系气高效开发的基础上，结合地质、地球物理手段充分认识地下储层中的割理和裂缝系统，综合沉积、构造和热演化详细解析煤体结构分布(图13)。

图13 煤层割理、裂缝和孔隙理想化分布形态(参考文献[30,39]修改)Fig.13 Idealized distribution of coal seam cleats,fractures and pores (Modified with References[30,39])

进一步结合物理化学等方法，认识煤分子尺度上的孔隙结构分布，和不同相态下的CO2等气体注入-储存产生效应。煤材料属性开发有待解决的关键问题包括有：① 进一步认识煤层气高产有利区，从煤层气产出的角度认识或者通过工程手段改造形成高产通道；② 不同气体在煤岩中的注入方式和封存安全性，包括吸附机理、流动机理和气体运移监测技术；③ 不同气体注入-采出的关键技术-泵柱设备和气体分离回收技术等。

针对煤的多重属性，目前和未来煤炭清洁开发利用的主要路径[40]包括：① 燃料属性充分开发，发展高效先进燃煤技术，实现燃煤污染物协同控制和超低排放；② 原料属性高效拓展，以煤气化及液化技术为基础，结合油-气-半焦联产工艺和油-气-热-电联产工艺，实现煤炭资源化分级分质利用；③ 材料属性有效应用，发展煤基石墨烯和碳纳米管等多类型功能材料，同时利用CO2驱替甲烷或者储气库建设等，实现CO2地下封存和甲烷强化开采。

4 结 语

立足我国能源和资源供给基本现状和“双碳”战略目标实现，从煤的燃料、原料和材料属性对不同变质程度煤的多重属性进行了系统讨论。显微组分、化学组分、分子结构和多孔结构是煤多重属性认识和充分开发的前提，受控于不同时代和不同沉积环境泥炭沼泽中残植化、腐泥化等泥炭化过程，和煤变质的非线性演化和和阶段性跃变。

实现煤炭多种属性开发，需要在煤炭热解反应认识的基础上，结合力解效应，同时考虑其他元素掺杂催化等，实现煤这种高碳低价原料的精细和精准定向解构，服务清洁能源转化生产，形成多维度碳材料的研发工艺。煤的多孔介质属性是其作为天然气储集层、未来储气库和碳封存库的天然优势，从不同尺度认识多类型气体与煤的相互作用机制，有助于实现其材料属性的充分挖掘，实现煤炭和煤层气区块长周期运行。