永夏煤田天然焦除爆方法實驗研究

王山東，馮 翔

(河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第十一地質(zhì)隊，河南 商丘 476000)

1 天然焦的熱爆性

天然焦是由于巖漿侵入與煤層直接接觸或接近煤層部位，或由于煤層的地下自燃，使煤層干餾而形成的“焦炭”，因與人工焦炭相似而得名。

所謂天然焦的“熱爆性” ，是指天然焦放在火里或加熱到一定溫度后，發(fā)出“劈啪劈啪”……連續(xù)爆炸的響聲。產(chǎn)生“熱爆性”的原因是：天然焦在地下密閉狀態(tài)下受壓干餾，大量的氣體和水分被封存在天然焦內(nèi)無法逸出，當加熱或燃燒到一定溫度時，大量的氣體急劇逸出，即產(chǎn)生一連串的爆炸反應(yīng)。

另外，由于天然焦的氣孔和裂隙中圈閉著氣體，有時為多孔狀，加熱后，氣體膨脹及部分碳酸鹽分解出氣體，也是天然焦產(chǎn)生“熱爆性”的原因。從而使其熱穩(wěn)定性降低，影響其燃燒和利用。

永夏煤田的天然焦大多具有這種“熱爆性”。本次試驗的目的，就是要找出一條使“爆裂型”天然焦轉(zhuǎn)變成“非爆裂型”天然焦的新途徑，解決去除天然焦“熱爆性”的最佳方法，使天然焦產(chǎn)生其應(yīng)有的利用價值。

2 天然焦的物理化學(xué)特性及工藝性能

2.1 天然焦的物理性質(zhì)

永夏煤田的天然焦分布在早古生界二疊系山西組及下石盒子組煤層中，多是受巖漿熱液影響變質(zhì)而成。呈鋼灰色-鉛灰色、灰黑色，比冶金焦顏色略深，光澤暗淡或無光澤，均質(zhì)塊狀、柱狀結(jié)構(gòu)，少數(shù)為粒狀。由于原煤結(jié)構(gòu)遭到破壞，成分發(fā)生變化，具有細孔，較堅硬，容重大，容重一般在1.64～1.74g/cm3之間，個別可達1.80 g/cm3以上。塊狀焦裂隙及節(jié)理較發(fā)育，常有方解石脈穿插及附有黃鐵礦薄膜，燃燒時無煙、無焰、火力強。燃燒時有發(fā)生爆裂現(xiàn)象，并伴隨“嘭嘭嘭”響聲，即通常所說的“熱爆性”。

天然焦具明顯的物性特征，視電阻率值較煤低，在視電阻率測井曲線上形態(tài)呈低平狀，接近零值 ,在界面處幾乎呈90°交角，與煤區(qū)別明顯。γ-γ強度比煤略低，為70萬～150萬脈沖/min，呈較高異常。天然焦表現(xiàn)為電子導(dǎo)電性 ,氧化反應(yīng)強烈，電化學(xué)活動性增加，自然電場活躍，因而在自然電位曲線上，天然焦呈突出正異常反映，形似“尖刀狀”，電位值達30～150mV，這是天然焦的獨特物性。彈性波的速度隨變質(zhì)程度而變化 ,變質(zhì)程度越深 ,聲速越大。因此，在聲速曲線上，天然焦要大于無煙煤。

天然焦、煤層的物性特征見表1，天然焦、煤層測井曲線形態(tài)對比圖見圖1。

表1 天然焦、煤層物性特征一覽表

圖1 天然焦、煤層測井曲線形態(tài)對比圖

2.2 天然焦的煤巖特征

天然焦內(nèi)有機質(zhì)占62%～83% ，無機質(zhì)也以黏土礦物為主。天然焦在鏡下呈亮黃白色，反射率遠高于殘留的有機組分，具重結(jié)晶特征，呈斑點狀，波狀消光，具強非均質(zhì)性。有機質(zhì)在鏡下形態(tài)各異，粒狀、片狀、羽毛狀、條帶狀、似等高線狀，還可見到絲炭碎片，天然焦中有菌核體。天然焦中的氣孔主要賦存在粒狀焦中，大多數(shù)被黏土礦物、碳酸鹽等充填。黏土礦物呈透鏡狀、條帶狀，碳酸鹽狀礦物呈塊狀，黃鐵礦充填在裂隙內(nèi)呈細脈狀、星點狀。

2.3 天然焦的化學(xué)性質(zhì)

二2煤層天然焦的原煤水分含量普遍高于煤層，為0.7%～4.72%，平均2.52%。三煤組天然焦原煤水分含量與煤相比，則高低不一。巖漿侵入煤層后，和煤層發(fā)生熔融交代作用，煤中有機質(zhì)發(fā)生分解并混入巖漿物質(zhì)，天然焦灰分比正常煤層高。二2煤層天然焦灰分10.30%～29.28%，平均20.82%；三2煤天然焦灰分15.53%～38.19%，平均29.69% ；三4煤天然焦灰分16.67%～38.08%，平均29.08%。

天然焦的揮發(fā)分較相應(yīng)煤層均有所降低，是因接觸變質(zhì)作用使煤中揮發(fā)分逸出之故。二2煤天然焦揮發(fā)分2.15%～25.46%，平均7.48%，三4煤天然焦揮發(fā)分8.15% 。

天然焦固定碳含量較低，多低于無煙煤和貧煤。

天然焦經(jīng)元素分析，二2煤天然焦的C含量在92.86%～94.83%之間，平均93.85%；H含量有顯著的降低，僅為0.97%～2.80% ，平均1.58%，多數(shù)小于2%。其他指標如N、O+S，也隨著焦化程度由弱變強而漸減少，N0.67%～2.00% ,O+S3%～4% 。

天然焦中全硫含量較煤層低，是因巖漿侵入煤層后，煤中有機硫受高溫分解逸出所造成。全硫含量最低為0.04% ，最高為3.13% ，平均含量為0.40% 。

天然焦中P含量較煤中高，平均0.007% 。

綜上所述，同一層煤的天然焦與同煤層進行對比，有比原煤層水分高、灰分高、揮發(fā)分低、固定碳低、全硫低、碳元素含量增高、氫元素含量顯著降低、磷含量增高的特點。

2.4 天然焦的工藝性能

2.4.1 發(fā)熱量

天然焦的發(fā)熱量比煤層略低，二2煤天然焦低位發(fā)熱量(Qnet.d)在24～31MJ/kg之間，多大于25MJ/kg；天然焦高位發(fā)熱量(Qgr.d)均在26～36MJ/kg之間, 多大于30MJ/kg。發(fā)熱量熱值的高低與煤的氫元素含量有關(guān)，在灰分相同的情況下，氫元素含量較高的發(fā)熱量就較高，反之則較低。

2.4.2 灰成分和灰熔點

天然焦的灰成分中CaO、MgO、Fe2O3較煤有所增高，其他指標與煤類似。天然焦的灰熔融性(T2)均大于1250℃，屬高熔灰分。天然焦中的Fe2O3含量比煤層增高2～3倍，MgO含量增加的也較高，達3～6倍，但Al2O3含量則明顯降低。這可能與巖漿巖的成分有關(guān)，在巖漿巖侵入煤層時與煤中組分發(fā)生作用改變了其組分。

天然焦灰熔點的高低與煤和巖漿熱液的熱液交代作用有關(guān)。交代愈充分，天然焦中的Fe2O3和CaO增加愈多，軟化溫度T2愈小，小于1250℃；反之愈大，大于1250℃。各區(qū)試驗結(jié)果表明，各煤層天然焦的灰熔性(T2)均大于1250℃，屬高熔灰分。

2.4.3 化學(xué)活性

天然焦在成焦過程中，孔隙遭到不同程度的破壞，礦物質(zhì)含量增高。在和CO2反應(yīng)時，表面積相對減少，所以，天然焦對CO2的反應(yīng)性比煤差，多在44.17%～59.60%之間。

2.4.4 熱穩(wěn)定性及機械強度

各煤層的天然焦熱穩(wěn)定性變化較大，二2煤層天然焦差，三4煤層天然焦普遍好，三2煤天然焦差。

2.4.5 可選性及粒度

通過簡易可選性試驗，天然焦很難選。

天然焦由于礦物質(zhì)緊密膠結(jié)有機質(zhì)，比重較大，無精煤浮出，尾煤量大大增加，可達81.2%，屬很難選煤。

2.4.6 燃點

天然焦的燃點隨著焦化程度的增高而增高， 各煤層天然焦還原樣燃點和氧化樣燃點之差Δγ均小于20℃。按煤的自燃等級分類，各煤層天然焦均屬于不自燃天然焦。

綜上所述，天然焦的工藝性能是：發(fā)熱量均低于煤層，天然焦的灰成分中CaO、MgO、Fe2O3較煤有所增高，天然焦的灰熔融性(T2)均大于1250℃，屬高熔灰分。天然焦對CO2反應(yīng)性比煤差，二2煤層天然焦熱穩(wěn)定性差，天然焦機械強度比較好，天然焦很難選，為不自燃焦。

3 天然焦除爆實驗

為了解決天然焦的熱爆性，在永夏煤田礦井下巷道內(nèi)，用揀塊法采集工藝試驗樣2個，總重量200kg，除做除爆試驗外，還進行了煤質(zhì)分析。

樣品特征：鋼灰色，弱金屬光澤，塊狀，致密堅硬，具不規(guī)則多面體柱狀節(jié)理，外觀類似人工焦炭。把分離出的樣品(20cm×15cm×12cm)在普通煤火爐上做初步燃燒試驗，隨著溫度的升高，約5min左右，即發(fā)生由密到疏、由低到高的爆炸聲，崩出的碎塊大小如瓜子狀，蹦出碎片的距離距煤火爐約1m左右，直至試樣燃燒爆碎完畢。

天然焦除爆實驗的原理是：①通過高溫加熱，使天然焦中的氣體充分釋放，消除天然焦的“熱爆性” 。②通過機械破碎，把天然焦中的氣體逸出，從而使其失去“熱爆性” 。

除爆實驗的目的：找出消除天然焦“熱爆性”的方法；找出消除天然焦“熱爆性”后的利用途徑。本次初步選擇兩種方法，現(xiàn)依次敘述如下。

3.1 高溫除爆法

將大塊天然焦分別破碎為3～5cm、5～8cm、8～10cm、10～15cm、15～20cm幾種粒度的碎塊狀，天然焦試驗樣各5份，每種粒度樣各取2份按照順序排列，每一份按照1、2、3、4、5進行編號以備試驗。

3.1.1 同一溫度下，不同粒度天然焦加熱時間與“熱爆性”消失試驗

取第一份粒度3～5cm、5～8cm、8～10cm、10～15cm、15～20cm各粒級5種樣品各1份，分別裝入5個瓷舟中，按照順序及編號分別置于四聯(lián)電爐上進行加熱。當加熱溫度達400℃時，遇熱后的1～5號樣品先后發(fā)生爆炸，隨著溫度增加，爆炸愈加強烈。

試驗觀察：自爆炸開始經(jīng)過10min后，1號樣品的爆炸聲慢慢減弱并逐漸消失；15min后，2號樣品爆炸聲慢慢減弱并逐漸消失；23min后，3號樣品爆炸聲慢慢減弱并逐漸消失；35 min后，4號樣品爆炸聲慢慢減弱并逐漸消失；50min后，5號樣品爆炸聲慢慢減弱并逐漸消失。同一溫度下，不同粒度樣加熱時間與爆炸性消失的關(guān)系見表2。

表2 加熱時間與熱爆性消失關(guān)系表(溫度400°C下)

從表2試驗結(jié)果看，在相同的溫度下，天然焦爆炸性消失與粒度和時間有關(guān)。粒度小，消除爆炸性的時間短；粒度大，消除爆炸性的時間長，即和粒度與時間成正比。

3.1.2 不同粒度天然焦在不同溫度下消除“熱爆性”試驗

取粒度3～5cm、5～8cm、8～10cm、10～15cm、15～20cm各粒級5種樣各1份進行編號試驗。

1)把馬沸爐(箱型為高溫爐)進行預(yù)熱，待溫度升到50～60℃時，將1～5號樣分別放入瓷舟中，并分別置于馬沸爐上進行加熱。在該溫度區(qū)持續(xù)加熱1h后，5份樣品均無爆炸性。

2)在溫度升至100℃～150℃區(qū)間，持續(xù)加熱1.5h后，5份樣品均有輕微爆炸性。

3)在溫度升至200℃～250℃區(qū)間，持續(xù)加熱11.5h后， 1號樣品爆炸聲消失，其他4份樣品爆炸激烈，說明1號樣品已無爆炸性。

4)在溫度升至300℃～350℃區(qū)間，持續(xù)加熱1h后，2號樣品爆炸聲消失，3號樣品爆炸聲微弱，4、5號樣品爆炸聲激烈；此溫度下繼續(xù)加熱30min， 3號樣品爆炸聲消失，4、5號樣品仍然爆炸；即此溫度下加熱1.5h，2、3號樣品已無爆炸性。

5)在溫度升至400℃～450℃區(qū)間，持續(xù)再加熱30min，4號樣品爆炸聲消失；5號樣品仍有輕微爆炸聲，再繼續(xù)加熱30min后， 5號樣品爆炸性完全消失，說明4、5號樣品已無爆炸性。

經(jīng)試驗，不同粒度的天然焦在不同溫度下消除爆炸性的時間也不相同，它們之間的關(guān)系見表3。

表3 不同溫度和不同時間下與熱爆性消失關(guān)系表

從表3試驗結(jié)果看，不同粒度的天然焦，消除爆炸性隨著溫度和時間的變化而變化。小粒度的天然焦，消除爆炸性溫度低時間短；大粒度天然焦，消除爆炸性所需溫度高時間長，即與粒度、溫度和時間成正比。

3.2 破碎除爆法

通過破碎到一定的粒度后，消除天然焦的爆炸性，增加天然焦的使用性。

通過高溫加熱，使天然焦中的氣體充分釋放出來，由此除去爆炸性。

將天然焦破碎成粒度30、60、90、120目的碎塊狀、粒狀或粉狀，并分別稱50g放在瓷舟中，分別編號為1、2、3、4，分別放置于電爐上進行爆炸性試驗。在隨著溫度升高的過程中，顯示30目的樣品還有輕微爆炸聲，60、90、120目的樣品已完全沒有了爆炸聲。

通過實驗分析認為，把天然焦破碎到60目以上的狀態(tài)后，使天然焦結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)發(fā)生變化，可能使原存在于天然焦中的包體進行了破壞，孔隙減少，將殘存的爆炸性氣體充分釋放出來，再遇熱時也可將一定的殘存氣體釋出，使爆炸性消失。

從破碎法消除天然焦爆炸性方法看，簡便易行，是可取的。

4 實驗結(jié)論

通過高溫除爆法和破碎除爆法試驗，初步得出如下結(jié)論：

1)不同塊度的天然焦遇熱后有不同程度的爆炸性，塊狀(粒度)越大的天然焦爆炸性越劇烈，所需的溫度高、時間長。

2)在相同的溫度下，塊狀(粒度)越大的天然焦，除爆所需時間越長。

3)將天然焦破碎到大于60目的粒度時，使其結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)發(fā)生變化，

天然焦通過破碎氣體釋出，不需加熱可以消除爆炸性。

通過比較，高溫除爆法工藝流程較復(fù)雜，不好掌握；破碎法簡單易行，操作簡便，可以采用。

天然焦的“熱爆性”是影響天然焦使用的最大障礙，通過此次實驗，初步找到了消除天然焦“熱爆性”的方法，為今后天然焦的綜合利用奠定了基礎(chǔ)。條件許可時，可以進行工業(yè)試驗和綜合利用實驗。

[1] 姚多喜，李平華.河南省永夏煤田新橋井田天然焦的巖石學(xué)研究[J].淮南礦業(yè)學(xué)院學(xué)報， 1995,15(4)：7-11.

[2] 江明.天然焦及其綜合利用[J].煤炭加工及綜合利用，1995 (6):46-48.

[3] 趙海舟.煙煤接觸變質(zhì)帶的煤巖學(xué)研究[J].煤炭學(xué)報，1994,19(5)：465-472.

[4] 張立文，劉滿.采煤副產(chǎn)品——天然焦的開發(fā)與利用[J]. 中國能源，1994 (10)：10-13.