準南葦子溝井田煤質特征及氣/液化性能評價?

朱俊卿，王 猛,2?，賈騰飛，李嘉敏，阿斯壓·巴克

(1.新疆大學 地質與礦業(yè)工程學院，新疆 烏魯木齊 830047；2.中國礦業(yè)大學 煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

0 引言

我國的能源現(xiàn)狀是“富煤、貧油、少氣”，煤炭作為我國的主要消費能源，在能源結構中始終占據(jù)主導地位[1].煤經(jīng)過長期沉降和地溫不斷作用的影響，由于變質作用、受熱時間的不同等原因造成了其變質程度的不同[2].故不同的煤質參數(shù)指示不同的煤炭質量[3].煤巖煤質特征研究是煤炭資源利用和煤礦開采的有效科學依據(jù)，煤的工藝性研究對煤層性質和成因的認識有重要意義，是評價煤質及其合理開發(fā)的必要支撐[4?6].隨著我國能源結構的調(diào)整，煤炭的清潔高效利用成為當今煤化工的發(fā)展趨勢，氣/液化煤作為煤炭清潔轉化利用的方式，對優(yōu)化能源結構、改善環(huán)境等方面起著至關重要的作用[7].

準南煤田位于準噶爾盆地南部邊緣，煤炭資源豐富，近年來，隨著對煤炭資源的不斷深入調(diào)查，發(fā)現(xiàn)位于準南盆地的侏羅統(tǒng)八道灣組和中侏羅統(tǒng)西山窯組存在大量的含煤地層[8].例如：烏蘇市巴音溝煤礦[9]、烏蘇市四棵樹煤礦[10]和昌吉小西溝煤礦[11]均顯示煤層較穩(wěn)定、煤質優(yōu)良、煤炭資源豐富，有綜合利用的前景.以此為基礎，對本區(qū)開展煤氣/液化研究，對充分、高效、潔凈利用煤炭資源具有重要意義.在煤氣/液化過程中，不同煤質參數(shù)如：水分、灰分、揮發(fā)分、硫分等都會對其有利或不利的方向產(chǎn)生影響，具體需要根據(jù)不同的氣/液化工藝選擇不同煤質參數(shù)的煤，否則會導致生產(chǎn)指標的下降以及煤氣/液化裝置不能正常運行等問題的出現(xiàn).朱曉蘇[12]從不同煤種研究煤液化的特性；司勝利等[13]在西部低階煤的液化性能上取得進展；李小彥[14]基于煤巖組分探討了煤的液化性能.以上研究從不同角度論述了煤氣/液化性能所需的煤質參數(shù)指標，但對于煤質參數(shù)的選擇以及針對煤層的優(yōu)選性、工藝性以及氣/液化評價指標等問題的精確認識還不夠細化.

本文以中侏羅統(tǒng)西山窯組煤層作為研究對象，采集呼圖壁縣葦子溝井田樣品，對其進行煤巖特征、工藝性能特征和可選性特征分析，為評價準南煤田呼圖壁縣葦子溝井田的煤氣/液化可行性提供科學依據(jù).

1 葦子溝礦區(qū)地質概況

1.1 構造特征

新疆呼圖壁縣葦子溝煤礦位于呼圖壁縣城西南55 km處天山北麓的葦子溝，歸屬準噶爾盆地南緣烏魯木齊山前拗陷西段的中部，處于三屯河-寧家河單斜構造帶上，是新疆主要的聚煤盆地之一.區(qū)域內(nèi)構造比較簡單（見圖1），主要斷層為石梯子-干溝逆斷層（F1）、和與之平行的逆沖斷層（F2），但斷裂和褶皺距離井田較遠，沒有對井田造成大的影響.

1.2 地層特征

葦子溝井田出露地層由老到新為石炭系中統(tǒng)前峽組（C2qx）、下侏羅統(tǒng)三工河組（J1s），中侏羅統(tǒng)西山窯組（J2x）、頭屯河組（J2t），上侏羅統(tǒng)齊古組（J3q），白堊系下統(tǒng)吐谷魯組第一亞群（K1tga）及第四系全新統(tǒng)沖洪積層（）（見表1）.

1.3 含煤特征

全區(qū)煤層發(fā)育層數(shù)多、分布范圍廣，并且均賦存于西山窯組（J2x）地層.主要可采煤層自上而下依次為B5、B6、B6下、B7、B8上、B8、B9七層，其中B6、B7、B8為全區(qū)可采煤層；B5、B6下為局部可采煤層；B9、B8上為有局部可采點的煤層.本文主要研究了B5、B6、B6下、B7、B8五層煤層.其中各可采煤層單層厚度0.34～18.57 m，平均1.60～8.01 m，屬于中厚層煤層.

2 煤巖與煤質特征

2.1 工業(yè)分析

煤的工業(yè)分析主要是為判斷煤的工業(yè)用途以及評價煤質的優(yōu)劣提供基礎依據(jù)[15]，研究區(qū)煤層工業(yè)分析結果見圖2、表2.

表2 煤層工業(yè)分析結果Tab 2 Results of proximate analysis of coal seam

（1）水分(Mad)，研究區(qū)原煤水分在1.34%～6.17%之間，平均值2.48%，各煤層之間水分含量變化幅度不大，介于0%～5%間（圖2），均屬低水分煤.有研究表明，在煤氣/液化時，水分過高不僅會造成氣化爐消耗額外的熱量、煤漿濃度變低，還會使煤的氣/液化轉化率降低[16?17].故研究區(qū)全區(qū)水分較低，有利于煤氣/液化.

（2）灰分（Ad），灰分通過對煤的發(fā)熱量的直接影響進而影響煤的工業(yè)價值，是評價煤質最重要的指標[18].研究區(qū)原煤灰分在1.47%～25.24%之間，平均值9.97%，各煤層煤Ad平均產(chǎn)率介于9.2%～10.74%之間（圖2），其中B6下、B7屬低灰煤，B5、B6、B8屬特低灰煤.灰分過高會導致煤灰熔融性的流動溫度過高，影響氣化爐的安全，其次會在進行煤氣/液化的過程中對工藝系統(tǒng)造成堵塞、磨損等現(xiàn)象[19?20].《煤化工用煤技術導則》[21]對煤直接液化的灰分規(guī)定為小于10%，研究區(qū)全區(qū)灰分含量較低，有利于煤氣/液化（圖3）.

（3）揮發(fā)分（Vdaf），揮發(fā)分的大小能直接反映煤的變質程度，是確定煤層類型的重要指標[22].全區(qū)原煤干燥無灰基揮發(fā)分在24.51%～43.22%之間，平均值32.66%，各煤層揮發(fā)分產(chǎn)率變化幅度不大，各煤層煤Vdaf平均產(chǎn)率介于30.76%～33.78%之間（圖2），均屬中高揮發(fā)分煤.在煤液化的過程中，揮發(fā)分含量越高，越容易液化，賀永德[23]指出揮發(fā)分含量大于35%的煤可直接液化.研究區(qū)全區(qū)揮發(fā)分含量均大于30%，經(jīng)過分選揮發(fā)分含量可進一步提高，故能作為煤液化的有利選區(qū)（圖3）.

圖3 葦子溝井田煤層灰分、揮發(fā)分等值線（以B7煤層為例）Fig 3 Ash contentand volatile content isograms of Weizigou field（Take the B7 coal seam as an example）

（4）氫碳原子比（H/C）與氧碳原子比（O/C），全區(qū)氫碳原子比在0.44～0.83之間，平均值0.67（表2），在煤液化的過程中，H/C越高，越容易液化.吳春來[24]指出在低變質的煤中，H/C在一定程度上能反映煤在液化過程中轉換率以及油產(chǎn)率，H/C越高，越有利于煤液化，研究區(qū)全區(qū)H/C均大于0.64，經(jīng)過分選優(yōu)化H/C可進一步提高；全區(qū)氧碳原子比在0.09～0.15之間，平均0.11，朱曉蘇[12]指出在煤直接液化的過程中，O/C的范圍在0.06～0.26，研究區(qū)全區(qū)O/C均在此區(qū)間，故能作為煤液化的有利優(yōu)選區(qū)（圖4）.

圖4 煤樣H/C原子比和O/C原子比關系（以B7煤層為例）Fig 4 Relationship between H/C atomic ratio and O/C atomic ratio of coal seam

（5）全硫（St.d），全區(qū)原煤全硫含量在0.12%～0.86%之間，平均值0.26%，各煤層煤St.d平均產(chǎn)率介于0.2%～0.32%之間（圖2），各煤層硫分含量變化幅度較小，區(qū)內(nèi)各煤層煤中平均含硫量小于0.50%，均屬特低硫煤.硫雖是有害元素，但是在煤的加氫液化過程中，在一定范圍內(nèi)，硫能夠促進油產(chǎn)率以及催化液化過程的進行[25].研究區(qū)全區(qū)均屬于特低硫煤，在煤液化過程中有利于煤液化的進行.

圖2 不同煤層成煤參數(shù)特征Fig 2 Characteristics of coal-forming parameters of different coal seams

2.2 煤的工藝性能分析

煤氣/液化過程對煤的工藝性能的要求各異，通過分析不同的煤的工藝性能，總結煤的工藝特性，從而進一步得出煤氣/液化過程的有效途徑，達到合理利用資源的目的[26].

（1）煤灰熔融性，葦子溝井田各煤層煤灰軟化溫度（ST）在1 080 ℃～>1 400 ℃之間，平均1 284 ℃，屬于較低中等軟化溫度；流動溫度(FT)在1 100 ℃～1 400 ℃之間，平均1 313 ℃，其中B5、B8煤層為較低流動溫度（RLFT），B6、B6下、B7煤層為中等流動溫度（MFT）.煤灰熔融性是判斷煤氣化過程是否易排渣的重要指標，煤灰熔融性過高會導致氣化爐的磨損以及氣體有效成分的改變[27]，氣流床氣化用煤對煤灰熔融性流動溫度的要求為不超過1 350 ℃.故研究區(qū)煤灰熔融性特征有利于煤氣化過程的進行.

（2）煤的黏結指數(shù)，葦子溝井田各煤層的黏結指數(shù)大都為0，各煤層均屬不粘煤.在固定床氣化用煤中，對黏結指數(shù)的要求為不粘煤或弱粘煤.

（3）煤的熱穩(wěn)定性，以粒度大于6 mm的殘焦質量占各級殘焦質量之和的百分數(shù)為熱穩(wěn)定性指標，得出研究區(qū)煤的熱穩(wěn)定性平均值在63.86%～87.28%之間；各煤層熱穩(wěn)定性的均值均大于70%，屬高熱穩(wěn)定性煤（HTS）.對于固定床氣化爐而言，以熱穩(wěn)定性不小于70%為宜，熱穩(wěn)定性差的煤，容易在氣化過程中發(fā)生破裂，使氣體中的帶出物增加，影響氣化爐的運行.故研究區(qū)符合氣化用煤過程中對于熱穩(wěn)定性的要求.

（4）煤的機械強度，機械強度差的煤易生成碎屑，在固定床氣化的過程中，不利于煤氣化過程，葦子溝井田各煤層抗碎強度（SS）在65.4%～93.3%之間，平均81.62%，各煤層均屬高強度煤.《常壓固定床氣化用煤技術條件》（GB/T9143―2008）要求煤的抗碎強度不小于60%，研究區(qū)全區(qū)機械強度強，在固定床氣化用煤過程中有利于煤氣化進行.

（5）煤的哈氏可磨性指數(shù)（HGI），哈氏可磨性指數(shù)的測試結果在51.00%～94%之間，平均為69.43%，整體屬中等可磨煤（MG）.可磨性好的煤易成為高濃度水煤漿的原料，在氣流床中，會降低產(chǎn)能消耗，減少設備的磨損[28].符合氣化用煤過程中對于可磨性的要求.

2.3 煤的顯微煤巖特性分析

煤的顯微煤巖特征與煤相關液化工藝聯(lián)系密切，不同顯微組分之間煤液化性能存在差異[29,30].殼質組又稱穩(wěn)定組，常常和鏡質組稱為活性組分，活性組分的含量與煤液化的轉化率和產(chǎn)物相關，活性組分越多，越有利于煤的液化；惰質組屬于非活性組分，在通常條件下難以發(fā)生液化.研究區(qū)顯微煤巖組分見表3.

表3 煤層煤巖顯微組分測試結果Tab 3 Test results of coal petrology of coal seam

（1）活性組分，研究區(qū)煤層的有機組分總量占總組分的95.92%～98.6%之間，平均97.29%，其中有機質組分以鏡質組為主，占總組分的55.18%～62.29%之間，平均59.12%；殼質組最少，占總組分的1.06%～2.20%，平均1.52%.GIVEN[31]等基于煤液化研究，發(fā)現(xiàn)活性組分與煤液化的轉化率呈現(xiàn)正相關；在煤液化中，由于活性組分含量高，在組分上具有低碳高氫的優(yōu)勢，故研究區(qū)更有利于液化的進行.

（2）非活性組分，在研究區(qū)煤層的有機組分中，惰質組含量占總組分的35.6%～43.12%，平均39.39%.一般認為非活性組分含量越高，煤液化轉化率越低，但馬鳳云等[32]基于惰質組與煤液化的關系，表明高惰質組煤也具有高產(chǎn)油率；《直接液化用原料煤技術條件》（GB/T 23810―2009）中明確指出液化原料煤的惰質組含量小于45%.故研究區(qū)雖然惰質組整體含量偏高，但仍處于直接液化的標準中，可作為液化原料煤.

（3）礦物質組分，無機質含量占總組分的1.40%～4.08%，平均2.71%，以粘土類礦物為主，呈浸染狀或薄層狀分布于鏡質體的間隙，占總組分的0.2%～3.72%，平均1.93%；可見極少量的呈團粒狀的黃鐵礦和碳酸鹽.根據(jù)煤樣測試表明，本區(qū)煤層的鏡質組最大反射率（Romax）平均為0.66%，變質程度為Ⅱ階段，即低變質不粘煤.李小彥[14]提出我國西北部的低階煤中Romax<1.5%時，惰質組中的半絲質組在煤液化過程中存在活性，可以加速煤液化的進行；張雙全[33]等提出在煤液化中，礦物質含量為5%左右，不超過10%.研究區(qū)鏡質組反射率低、存在半絲質體且礦物質組分平均1.93%，有利于加速煤液化的進行.

3 煤炭氣/液化性能評價

3.1 煤氣/液化控制因素

國內(nèi)外學者對煤氣/液化特征的影響因素進行了深入的探討，基于固定床氣化、水煤漿氣流床氣化、流化床氣化、干煤粉氣流床氣化和直接液化五種方法[34]，認為煤氣化過程機理主要受控于水分、灰分、揮發(fā)分、硫分、黏結指數(shù)、熱穩(wěn)定性、灰熔熔點、哈氏可磨性指數(shù)[17?18,27?28,34?35]；煤液化過程機理主要受控于灰分、揮發(fā)分、H/C與O/C、硫分、Romax、鏡質組、惰質組分[12?14,32?35].不同學者對于樣品的選擇不同、測試手段不同導致樣品表現(xiàn)出不同的相關性.但是由于活性組分與非活性組分和H/C、O/C相關關系的界定常常無法準確表征，致使這一綜合指標對煤氣/液化控制的影響因素常常被忽略，故本文對此進行了探討，旨在闡明葦子溝井田氣/液化性能，為日后的綜合利用提供依據(jù).

基于以上問題，研究得出：鏡質組對H/C存在正相關線性關系，惰質組對O/C存在負相關線性關系，相關關系明顯.為了定量表征鏡質組/惰質組與H/C、O/C相關性的準確度，本文引入與鏡質組/惰質組存在明顯關系的揮發(fā)分作為對照，基于此做出權重分析.但由于揮發(fā)分與H/C存在一致的線性關系（圖5、圖6），存在相似性，為了避免單因素分析存在的誤差，故采用了多元回歸分析.現(xiàn)將不同煤層的相關因素采用SPSS進行分析處理，處理時加入空白組殼質組，用以去除誤差.將處理結果進行標準化得出：

圖5 H/C與煤巖組分關系Fig 5 Relationship between H/C and coal petrology

圖6 O/C、揮發(fā)分與煤巖組分關系Fig 6 Relationship between O/C,volatile and coal petrology

式中：V,I,E分別為鏡質組，惰質組和殼質組的百分含量，%；A為H/C，無量綱.

由多元回歸分析關系可知，鏡質組與惰質組的存在和揮發(fā)分、H/C和殼質組的關系密切，對煤氣/液化過程產(chǎn)生積極影響.不過需要指明的是：本次實驗由于統(tǒng)計的樣本數(shù)量有限，分析結果需進一步研究論證.

3.2 評價指標

通過對葦子溝井田各煤層樣品的測試分析，研究區(qū)在工業(yè)分析上具有“低水、低灰、高揮發(fā)分、高H/C、低硫”的特點；在工藝性能上具有“煤灰熔融性適中、黏結性低、熱穩(wěn)定性好、抗碎強度高、可磨指數(shù)高”的特點；在顯微組分上具有“活性組分高、半絲質體有活性”的特點.通過建立煤氣/液化評價指標體系，進而結合研究區(qū)煤質分析，對葦子溝井田進行分級評價.

3.2.1 氣/液化用煤煤質指標的建立

以國家用煤指導為導向，通過總結前人研究，結合氣/液化原料煤對煤的工藝性和技術要求，從而分析不同的煤質指標對不同煤化工工藝的影響，進而得到氣/液化用煤的評價指標體系（表4、表5）.其中用于評價氣化用煤的指標包含常壓固定床氣化、流化床氣化、水煤漿氣流床氣化和干煤粉氣流床氣化四種工藝，其中煤灰熔融性、灰分和硫分是四種工藝評價的共同指標.不同指標在于常壓固定床氣化增加了對黏結指數(shù)、煤熱穩(wěn)定性、水分的考察；流化床氣化增加了對黏結指數(shù)、水分的考察；水煤漿氣流床氣化增加了對哈氏可磨性指數(shù)的考察；干煤粉氣流床氣化增加了對水分和哈氏可磨性指數(shù)的考察[35?37].直接液化用煤工藝評價指標主要是H/C、惰質組、最大鏡質組反射率、權重分析[35,38].不同工藝根據(jù)煤質的不同進一步劃分等級，一級標準為直接氣/液化用煤標準；二級標準為滿足氣/液化用煤指標要求；三級、四級標準為符合國家煤炭資源用煤標準，用于戰(zhàn)略儲備資源.

表4 氣化用煤煤質評價指標體系Tab 4 Evaluation index system of coal quality for gasification

表5 直接液化用煤煤質評價指標體系Tab 5 Evaluation index system of coal quality for direct coal liquefaction

3.2.2 氣/液化用煤利用性能評價

葦子溝井田全區(qū)煤層黏結指數(shù)大都為0，煤灰熔融性軟化溫度ST大部分超過1 150 ℃，煤熱穩(wěn)定性大多在70%以上，水分均低于7%，灰分大部分小于10%，全硫大都小于0.4%，哈氏可磨性指數(shù)大部分在65%以上，對于常壓固定床氣化，葦子溝井田除煤熱穩(wěn)定性是二級指標，其余指標均屬一級指標；對于流化床氣化、水煤漿氣流床氣化以及干煤粉氣流床氣化，葦子溝井田均符合一級指標氣化用煤要求，可以作為優(yōu)質氣化用煤.就液化用煤指標而言，葦子溝井田除氫碳原子比指標未達到，但其權重指標為一級，其余指標均屬二級指標，可以作為普通液化用煤（圖7）.

圖7 葦子溝井田煤層氣/液化有利區(qū)（以B7煤層為例）Fig 7 Advantageous area of direct gasification or liquefaction in Weizigou field（Take the B7 coal seam as an example）

4 結論

（1）通過建立鏡質組、惰質組和H/C、O/C的權重分析，應用于煤氣/液化性能的綜合指標評判，取得了良好效果，驗證了鏡質組與惰質組的存在和揮發(fā)分、H/C和殼質組的關系對煤氣/液化過程產(chǎn)生積極的影響.

（2）葦子溝井田各煤層煤質具有低水（2.48%）、低灰（9.97%）、低硫（0.26%）、高揮發(fā)分（32.66%）、熱穩(wěn)定性好（2.48%）等特點，滿足氣化用煤指標體系中流化床氣化、水煤漿氣流床氣化以及干煤粉氣流床氣化的一級指標，可作為優(yōu)質的氣化用煤源區(qū).

（3）葦子溝井田惰質組含量相對較高（39.39%），通過液化性能指標與顯微煤巖組分的關系，對鏡質組、惰質組與H/C、O/C和揮發(fā)分的相關關系做出有利優(yōu)選，煤巖組分均符合液化條件且為有利區(qū)，符合液化用煤指標體系中的二級指標，可作為普通液化用煤.