新疆庫拜地區(qū)煤質(zhì)特征與氣、液轉化可行性研究
--以榆樹田下10 煤為例

沈?qū)毚?張 號 孫先立

（1.湖北煤炭地質(zhì)勘查院，湖北 武漢 430074；2.徐礦集團，江蘇 徐州 221018）

隨著西北地區(qū)煤炭資源的大力開發(fā)，與煤化工相關領域的投資和研究也越趨火熱，不少專家學者針對西部地區(qū)的煤質(zhì)特征及氣化工藝參數(shù)、工藝選型進行了研究[1-5]。這些研究在大尺度上研究了西北地區(qū)煤的氣、液化所需的煤質(zhì)指標，但對于新疆庫拜煤田在煤質(zhì)參數(shù)的匹配及針對煤層的工藝性能和氣、液化評價指標等方面的問題研究程度較低。

本次以新疆庫拜地區(qū)榆樹田煤礦下10 號煤層作為研究對象，通過采集下10 煤層相關樣品并進行化驗測試，對其進行了煤巖煤質(zhì)、工藝性能和氣、液轉化特性分析，為新疆庫拜地區(qū)煤的氣、液化可行性研究提供了理論支撐。

1 井田地質(zhì)簡述

1.1 地層

井田內(nèi)地層從老到新為：侏羅系下統(tǒng)塔里奇克組（J1t）、侏羅系下統(tǒng)阿合組（J1a）、侏羅系中統(tǒng)克孜努爾組（J2k）、第四系全新統(tǒng)（Qhpl）。

1.2 構造

榆樹田井田橫跨夏闊坦向斜兩翼，向斜軸呈近東西向展布，東部翹起，向西傾伏，北翼緩，地層傾向185°～245°為主，傾角10°～14°，南翼陡，地層傾向340°～355°為主，傾角40°～60°，地表和井下未發(fā)現(xiàn)斷層。如圖1。

1.3 煤層賦存

作為本次研究對象的下10 煤層，位于塔里奇克組下含煤段（J1t1），基本不含夾矸，結構簡單，平均可采厚度7.05 m。如圖2。

圖2 下10 煤厚度等值線圖

2 煤巖煤質(zhì)

2.1 工業(yè)分析

工業(yè)指標是判斷煤的用途及煤炭質(zhì)量好壞的依據(jù)。通過施工勘查鉆孔并采集樣品送檢化驗，得到勘查區(qū)內(nèi)煤層的工業(yè)指標數(shù)據(jù)見表1。

表1 下10 煤層工業(yè)指標數(shù)據(jù)統(tǒng)計結果

1）Mad：下10 煤層原煤水分含量0.67%～1.20%，平均為0.93%，屬低水分。在氣、液化過程中，煤內(nèi)水分太高，會使煤漿的濃度降低進而氣化爐需要更多的能量，間接導致煤的氣、液化轉化率下降,本區(qū)下10 煤水分不高，因此對煤的氣、液轉化有利。

2）Ad：灰分直接影響煤的發(fā)熱量，間接影響其工業(yè)生產(chǎn)價值。本區(qū)下10 煤灰分均值為9.93%，屬低-特低灰分。灰分超標會使煤灰流動溫度超過正常范圍，影響到氣化設備壽命及生產(chǎn)安全。《煤化工用煤技術導則》規(guī)定灰分低于10%的煤才能用于直接液化，下10 煤灰分平均含量較低，因此對煤的氣、液轉化有利（圖3）。

圖3 下10 煤灰分等值線圖

3）Vdaf：揮發(fā)分數(shù)值高低直接反映煤變質(zhì)程度的深淺。研究區(qū)下10 煤揮發(fā)分均值為36.49%，屬中高-高揮發(fā)分。在向液態(tài)轉化時，揮發(fā)分數(shù)值越高煤轉化越容易，可直接液化的煤其揮發(fā)分數(shù)值一般不低于35%。研究區(qū)下10 煤揮發(fā)分均大于33%，因此可以將下10 煤作為煤液化的優(yōu)選區(qū)塊。

4）St,d：研究區(qū)全硫百分含量均值0.38%，屬特低-低硫。煤向液態(tài)轉化時，具有一定含量的硫可以提高油產(chǎn)率，同時有利于煤向液態(tài)轉化。本區(qū)屬于特低-低硫煤，因此對煤向液態(tài)的轉化有利。

5）H/C 及O/C：下10 煤層H/C 值平均為0.06（表2）。在變質(zhì)程度較低的煤中，H/C 值能一定程度反映出煤轉化時的轉換效率及產(chǎn)油率，其值越高對煤向液態(tài)的轉化越有利，本區(qū)H/C 值不低于0.05，經(jīng)篩選后該值能得到提升；本區(qū)O/C 均值為0.09，在煤直接向液態(tài)轉化時，該值的范圍一般在0.06～0.26之間，本區(qū)下10 煤層H/C值均在此范圍，因此可以作為煤液化的優(yōu)選目的煤層。

表2 下10 煤層煤巖顯微組分測試結果

2.2 工藝性能

1）ST與FT：下10 煤灰熔融性軟化溫度（ST）均值為1157 ℃，屬低軟化溫度；煤灰熔融性流動溫度（FT）均值為1213 ℃，為低-較低流動溫度（LFT-RLFT）。一般煤向氣態(tài)轉化過程時的排渣難易程度可以用煤灰熔融性來衡量，過高的ST和FT會使氣體中的有效成分發(fā)生改變，同時造成生產(chǎn)設備的損耗，生產(chǎn)中規(guī)定流動溫度不高于1350 ℃的煤才能作為氣流床氣化用煤。本區(qū)下10 煤符合氣化用煤對煤灰熔融性的要求。

2）GRI：下10 煤黏結指數(shù)平均94，屬特強黏結煤。水煤漿氣流床氣化用煤對黏結指數(shù)無要求。

3）HGI：經(jīng)測試得到下10 煤HGI均值為49，屬較難磨煤（RDG）。可磨性指數(shù)較低的煤更適合用來制作濃度較高的水煤漿，以此可以降低能量的損耗及生產(chǎn)系統(tǒng)的磨損。因此當下10 煤用于氣化時需注意對設備進行改造，以減少設備損耗。

2.3 煤巖特征

煤的液化工藝與其顯微煤巖特征密切相關，顯微組分不同，煤的液化效率也會不同。顯微組分中的殼質(zhì)組和鏡質(zhì)組一般被歸為活性組分，煤向液態(tài)轉化的轉化率及產(chǎn)物一般和這些活性組分的含量相關，活性組分越多，則對煤向液態(tài)轉化越有利；一般條件下難以液化的為非活性組分，其主要包括惰質(zhì)組。下10 煤顯微煤巖組分測試結果見表2。

1）研究區(qū)煤層的有機組分總含量占總組分的89.3%，其中主要為鏡質(zhì)組，其次為惰質(zhì)組，含量最少的為殼質(zhì)組。前人在研究煤的液態(tài)轉化時發(fā)現(xiàn)，煤液化的轉化率與其活性組分含量呈正相關。本區(qū)活性組分含量高，因此下10 煤適合進行液態(tài)轉化。

2）下10 煤層的惰質(zhì)組含量占本區(qū)有機組分的39.5%。研究表明非活性組分含量也會影響煤液化轉化率，且二者之間的關系呈負相關。也有研究發(fā)現(xiàn)，惰質(zhì)組含量高的煤具有高產(chǎn)油率的特征。因此下10 煤雖然含有較高的惰質(zhì)組，但仍符合直接液化的條件，可用于液化用煤。

3）含礦物基顯微組分中約含10.63%的無機質(zhì)，其主要為黏土類礦物，其次為極少量的碳酸鹽。煤巖樣的化驗結果顯示，下10 煤層的鏡質(zhì)組最大反射率（Ro.max）均值約為0.56%，變質(zhì)程度因此屬于I階段，屬低變質(zhì)煤。我國西北部的低階煤中鏡質(zhì)組最大反射率低于1.5%時，惰質(zhì)組中存在活性的半絲質(zhì)組可以促進煤向液態(tài)轉化。

3 轉化性能評價

通過對榆樹田井田下10 煤層進行采樣測試發(fā)現(xiàn)，本區(qū)下10 煤層的工業(yè)指標表現(xiàn)出低水、低-特低灰、中高-高揮發(fā)分、高氫/碳比、低-特低硫的特點，工藝性能表現(xiàn)出低煤灰熔融性、特高黏結性、高熱穩(wěn)定性、抗碎強度高、可磨指數(shù)較高的特點，而其顯微組分顯示出該層煤層活性組分高的特征。本次研究通過構建煤的氣、液轉化的評價指標體系，結合本區(qū)煤質(zhì)測試成果，進而對榆樹田井田下10煤的氣、液轉化性能進行分級評價。

3.1 氣、液化用煤的評價指標

表3、表4 是在前期研究及工業(yè)生產(chǎn)基礎上總結出的氣、液化用煤的評價指標體系。從表可知，氣化用煤通常采用常壓固定床氣化等四種工藝，四種工藝的共同評價指標包括灰熔融性、灰分和硫分。四種的不同之處為：干煤粉氣流床氣化增加了HGI值及水分兩個評價指標；常壓固定床氣化添加了水分、熱穩(wěn)定性、黏結指數(shù)這三個指標；水煤漿氣流床氣化添加了HGI值這一指標；流化床氣化添加了水分、黏結指數(shù)這兩個指標。液化用煤工藝的評價指標主要為鏡質(zhì)組最大反射率、H/C值、權重分析、惰質(zhì)組質(zhì)量分數(shù)。

表3 氣化用煤評價指標

表4 液化用煤評價指標

不同工藝再按照各指標的差異繼續(xù)劃分對應的等級，直接氣、液化用煤對應一級標準，滿足氣、液化用煤指標的對應二級標準，符合國家煤炭資源用煤標準、用于戰(zhàn)略儲備的對應三級、四級標準。

3.2 轉化利用性能評價

榆樹田井田下10 煤層灰分均值9.93%，水分不高于10%，黏結指數(shù)均值94，軟化溫度（ST）均值1157 ℃，全硫均值0.38%，HGI值平均是49%。除HGI值外，其他指標均符合水煤漿氣流床氣化一級指標和干煤粉氣流床氣化一級指標的用煤要求，可以作為普通氣化用煤。對于液化用煤，下10 煤除H/C值不符合要求，其余各項數(shù)值均符合二級指標的要求，即下10 煤可用于普通液化。

4 結論

通過對榆樹田煤礦下10 煤層進行采樣測試，發(fā)現(xiàn)下10 煤層煤質(zhì)具有低水、低-特低灰、中高-高揮發(fā)分、高H/C、特低-低硫等特點，滿足氣化用煤指標體系中水煤漿氣流床氣化和干煤粉氣流床氣化一級指標，可作為普通氣化用煤；除H/C值指標不符合要求，其余指標均符合液化用煤二級指標的要求，可以用于普通液化。