直接液化用煤指標(biāo)體系分級(jí)探討及應(yīng)用評(píng)價(jià)

秦云虎，王彥君，胡榮華，王雙美，徐曉琴

(江蘇地質(zhì)礦產(chǎn)設(shè)計(jì)研究院，江蘇徐州 221006)

直接液化用煤指標(biāo)體系分級(jí)探討及應(yīng)用評(píng)價(jià)

秦云虎，王彥君，胡榮華，王雙美，徐曉琴

(江蘇地質(zhì)礦產(chǎn)設(shè)計(jì)研究院，江蘇徐州 221006)

直接液化用原料煤技術(shù)條件(GB/T 23810-2009)規(guī)定了直接液化用原料煤的類(lèi)別為褐煤，煙煤中的長(zhǎng)焰煤、不黏煤、弱黏煤及氣煤。煤質(zhì)指標(biāo)有全水分(Mt/%)、灰分(Ad/%)、揮發(fā)分(Vdaf/%)、氫碳原子比(H/C，以干燥無(wú)灰基表示)、惰質(zhì)組含量(I，去礦物基/%)、哈氏可磨性指數(shù)(HGI)和鏡質(zhì)體反射率Rmax/%,對(duì)煤質(zhì)指標(biāo)值也作了規(guī)定。通過(guò)對(duì)這些煤質(zhì)指標(biāo)的分析，提出了直接液化用煤(原煤)指標(biāo)分級(jí)方案。選擇陜西府谷、神府礦區(qū)和內(nèi)蒙勝利、白音華礦區(qū)的部分井田為評(píng)價(jià)區(qū)，以指標(biāo)分級(jí)方案為基礎(chǔ)，對(duì)直接液化用煤(原煤)資源進(jìn)行了評(píng)價(jià)，認(rèn)為評(píng)價(jià)區(qū)沒(méi)有優(yōu)質(zhì)液化用煙(褐)煤，主要為中等液化用煙(褐)煤和一般液化用煙(褐)煤，白音華礦區(qū)和勝利礦區(qū)部分井田，原煤經(jīng)洗選后可作為優(yōu)質(zhì)液化用褐煤。

液化用煤；技術(shù)要求；指標(biāo)體系；評(píng)價(jià)

引言

我國(guó)在煤炭液化技術(shù)研究開(kāi)發(fā)方面取得了一定的進(jìn)展。2008年12月31日，神華集團(tuán)在內(nèi)蒙古鄂爾多斯的世界首套百萬(wàn)噸煤直接液化工業(yè)示范廠一次性試車(chē)成功，成為世界最大、技術(shù)最先進(jìn)的煤直接液化商業(yè)化示范工廠，標(biāo)志著我國(guó)煤直接液化技術(shù)已經(jīng)處于世界領(lǐng)先水平[1]。我國(guó)煤炭資源豐富，低變質(zhì)、中低變質(zhì)的煤類(lèi)占有較大比例，這對(duì)發(fā)展直接液化是非常重要的資源保障。利用煤質(zhì)指標(biāo)對(duì)適宜的煤炭資源進(jìn)行直接液化分級(jí)，可以促進(jìn)煤炭資源清潔高效利用，為管理部門(mén)勘查開(kāi)發(fā)利用規(guī)劃提供決策依據(jù)。

1 直接液化用煤的技術(shù)要求

GB/T 23810-2009直接液化用原料煤技術(shù)條件中規(guī)定了直接液化用原料煤的類(lèi)別為褐煤，煙煤中的長(zhǎng)焰煤、不黏煤、弱黏煤及氣煤。技術(shù)要求的項(xiàng)目煤質(zhì)指標(biāo)有全水分(Mt/%)、灰分(Ad/%)、揮發(fā)分(Vdaf/%)、氫碳原子比(H/C，以干燥無(wú)灰基表示)、惰質(zhì)組含量(I，去礦物基/%)、哈氏可磨性指數(shù)(HGI)和鏡質(zhì)體反射率Rmax/%,對(duì)項(xiàng)目煤質(zhì)指標(biāo)值也作了規(guī)定，現(xiàn)對(duì)項(xiàng)目煤質(zhì)指標(biāo)分析如下。

1.1 煤階指標(biāo)

揮發(fā)分和鏡質(zhì)體最大反射率是確定煤類(lèi)或煤階的最重要的表征指標(biāo)，其可反映煤化程度的高低，因此成為評(píng)定液化用煤的重要指標(biāo)。

前人的研究表明，液化用煤一般采用揮發(fā)分較高的煤。揮發(fā)分越高越易液化，通常選擇揮發(fā)分大于35%的煤作為直接液化煤類(lèi)。鏡質(zhì)體平均最大反射率Ro,max小于0.7%的煤大多適于液化,最佳為平均Ro,max為0.5%左右[2]。

干燥無(wú)灰基揮發(fā)分它能較好地反映煤化程度，并與煤的工藝性質(zhì)有關(guān)，而且其區(qū)分能力強(qiáng)，測(cè)定方法簡(jiǎn)單，易于標(biāo)準(zhǔn)化。鏡質(zhì)體反射率直接反映了煤級(jí)，Davis[3]等人提出，煤中鏡質(zhì)體反射率在0.5～1.0的煤料適宜作為直接液化用煤(圖1)。

圖1 煤鏡質(zhì)體反射率與煤轉(zhuǎn)化率之間的關(guān)系Figure 1 Relationship between vitrinite reflectance and coal conversion rate

1.2 水分

水對(duì)于直接液化而言,不利的方面是主要的,有利的方面是次要的[4]。

液化過(guò)程中，原料煤中的水分要低，因?yàn)樗值拇嬖跁?huì)使氫化反應(yīng)速度放慢，所以，低煤階煤的高水分成為液化中的一個(gè)不利因素。水分高的煤，首先需要干燥，這就造成了不必要的熱損失。而且水分高將不利于磨礦和制煤漿。只有在某些液化工藝中，如一氧化碳蒸汽工藝，這時(shí)水的存在才是有益的。

1.3 灰分

煤中的灰分(主要是煤中的無(wú)機(jī)組分)在多數(shù)煤液化工藝中都是消極因素大于積極因素，它會(huì)影響煤轉(zhuǎn)化終端產(chǎn)品的質(zhì)量與過(guò)程效益，因此一般來(lái)說(shuō)都希望煤中的無(wú)機(jī)組分越少越好。試驗(yàn)表明煤中灰分多少對(duì)煤的液化率與轉(zhuǎn)化率無(wú)明顯影響，但煤中灰分太高會(huì)給液化操作帶來(lái)諸多不便[2]。在多數(shù)情況下，原煤的液化效果比精煤要好，所以液化以采用原煤為宜。原料煤的灰分不要超過(guò)25%，過(guò)高會(huì)給整個(gè)工藝系統(tǒng)帶來(lái)一系列困難[5]。灰中的Fe、Co、Mo等元素和黃鐵礦對(duì)液化有催化作用，可產(chǎn)生好的影響，但灰中的Si、Al、Ca、Mg等元素易結(jié)垢、沉積，影響傳熱和正常操作，且造成管道系統(tǒng)磨損堵塞和設(shè)備磨損。因此加氫液化原料煤的灰分較低為好，一般認(rèn)為液化用原料煤的灰分應(yīng)小于10%。

GB/T 23810-2009直接液化用原料煤技術(shù)條件中將灰分分為1級(jí)≤8.00%，2級(jí)8.01%～12.00%，相當(dāng)于GB/T 15224.1-2010中煤炭資源評(píng)價(jià)灰分分級(jí)特低灰煤(≤10.00%)和部分低灰煤(10.01%～20.00%)。

1.4 氫碳原子比

煤中氫碳元素的原子比在一定程度上也能代表煤的變質(zhì)程度。氫對(duì)高變質(zhì)程度的煤，尤其無(wú)煙煤能很好地反映變質(zhì)程度規(guī)律。

有研究認(rèn)為[6]，氫、氧含量高，碳含量低的煤轉(zhuǎn)化率為低分子產(chǎn)物的速度快，特別是H/C原子比高的煤，其轉(zhuǎn)換率和油產(chǎn)率高，但是當(dāng)H/C原子比高到一定值后，油產(chǎn)率將隨之減小(圖2)。

圖2 氫碳原子比與煤轉(zhuǎn)化率的關(guān)系Figure 2 Relationship between H/C and coal conversion rate

這是因?yàn)镠/C原子比高、煤化程度低的(泥炭、年輕褐煤)含脂肪族碳和氧較多，加氫液化生成的氣體和水增多。一般來(lái)說(shuō)，除無(wú)煙煤不能液化外，其他煤均可不同程度的液化，煤炭加氫液化的難度隨煤的變質(zhì)程度增加而增加，即泥炭<年輕褐煤<褐煤<高揮發(fā)分煙煤<低揮發(fā)分煙煤。

褐煤和年輕的高揮發(fā)煙煤的H/C原子比相對(duì)較高，它們易于加氫液化，并且H/C比越高，液化時(shí)消耗的氫越少，通常選H/C原子比大于0.8或碳?xì)滟|(zhì)量比小于16的煤作為直接液化用煤。含碳量(Cdaf)在80%～85%的煤，其轉(zhuǎn)化率最高。

低階位煤，如褐煤等，得出的液體產(chǎn)率比煙煤低，但活性較高，對(duì)液化條件很敏感。煤的碳含量(Cdaf)在52%～84%，其轉(zhuǎn)化率隨H/C或O/C比增加而增大。低階位煤(Cdaf<80%)，含芳香碳較少，可能有足夠活性的健容易斷開(kāi)進(jìn)行液化，但液化時(shí)氫耗較大；低階位煤含鈣量較高，使得液化器內(nèi)易沉積碳酸鈣。

1.5 惰質(zhì)組含量

同一煤化程度的煤，由于形成煤的原始植物種類(lèi)和成分的不同，成煤初期沉積環(huán)境的不同，導(dǎo)致煤巖相組成也有不同，其加氫液化的難易程度也不同。煤中鏡質(zhì)組、殼質(zhì)組和惰質(zhì)組在液化時(shí)具有不同的液化反應(yīng)性。同一煤巖顯微組分因變質(zhì)程度的差異也表現(xiàn)出不同的液化性能。許多研究已經(jīng)證明，高揮發(fā)分煤的鏡質(zhì)組和殼質(zhì)組為煤的活性組分，在加氫液化時(shí)具有較高的轉(zhuǎn)化率。其中殼質(zhì)組的液化率高于鏡質(zhì)組，惰質(zhì)組的液化性能最低。

研究工作表明，液化用煤的惰質(zhì)組含量應(yīng)在10%以下，最高也不要超過(guò)15%，否則未反應(yīng)的煤太多會(huì)影響液化效果[5]。因此煤中惰質(zhì)組含量也應(yīng)作為煤液化性能的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，煤中惰質(zhì)組含量越少，鏡質(zhì)組和殼質(zhì)組含量越高，其液化性能越好。另外煤巖顯微成分控制了煤加氫液化的最佳反應(yīng)溫度。煤液化行為不僅取決于煤的平均化學(xué)組成，而且還具有明顯的顆粒特征。煤的顯微組分可以較好的滿(mǎn)足上述要求。

1.6 哈氏可磨性指數(shù)

煤的可磨性是指煤磨碎成粉的難易程度。煤的可磨性與其煤化度、水分含量和煤的巖相組成、以及煤中礦物質(zhì)的種類(lèi)、數(shù)量和分布狀態(tài)有關(guān)。它是確定煤粉碎過(guò)程的工藝和選擇煤粉設(shè)備的重要依據(jù)。

直接液化過(guò)程要求先把煤磨成200目左右的粉煤，并干燥到水分小于2%。如果可磨性不好，生產(chǎn)過(guò)程能耗會(huì)很高，設(shè)備磨損嚴(yán)重，配件、材料消耗大，增加生產(chǎn)成本。大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明哈氏可磨性指數(shù)大于50適合用于液化。

2 直接液化用煤指標(biāo)體系及分級(jí)

綜上所述，影響液化用煤質(zhì)量的因素較多，首先是合適的煤類(lèi)選擇，用于煤炭直接液化的煤類(lèi)可使用年老褐煤、長(zhǎng)焰煤、不黏煤、弱黏煤、部分氣煤等低變質(zhì)煙煤作為原料煤。煤炭直接液化用煤應(yīng)考慮灰分、揮發(fā)分和煤巖顯微組分含量等主要技術(shù)指標(biāo)。鏡質(zhì)組反射率直接反映了煤級(jí)，煤中鏡質(zhì)組和殼質(zhì)組的含量直接影響了煤的H/C比值和揮發(fā)分產(chǎn)率，煤巖指標(biāo)較工業(yè)分析和元素分析指標(biāo)更能準(zhǔn)確地表征和預(yù)測(cè)煤的液化性能。選擇出具有良好液化性能的煤不僅可以得到高的轉(zhuǎn)化率和油收率，使反應(yīng)在較溫和條件下進(jìn)行，并且可以降低操作費(fèi)用[7]。

考慮煤炭資源的實(shí)際情況，一般都是對(duì)原煤進(jìn)行評(píng)價(jià)，通過(guò)對(duì)煤炭科學(xué)總院北京煤化學(xué)研究所15種適宜液化煤和神華直接液化煤煤質(zhì)數(shù)據(jù)的分析，結(jié)合GB/T 23810-2009直接液化用原料煤技術(shù)條件中項(xiàng)目指標(biāo)值和“特殊用煤資源潛力調(diào)査評(píng)價(jià)”項(xiàng)目收集資料及調(diào)研的情況，提出直接液化用煤(原煤)指標(biāo)分級(jí)方案(表1)。

表1 直接液化用煙煤或褐煤(原煤)評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)方案

注：H/C,以干燥無(wú)灰基表示；I為去礦物基。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 直接液化用煤評(píng)價(jià)方法

本次選擇陜西府谷、神府礦區(qū)和內(nèi)蒙勝利、白音華礦區(qū)的部分井田為評(píng)價(jià)區(qū)，以表1為基礎(chǔ)，按如下步驟對(duì)直接液化用煤(原煤)資源進(jìn)行評(píng)價(jià)[8]：

第一步驟，計(jì)算參數(shù)基本數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。將井田或勘探區(qū)的主要煤層作為基本評(píng)價(jià)單元，采用加權(quán)平均方法，分別統(tǒng)計(jì)所有參評(píng)基本單元的計(jì)算參數(shù)。基本數(shù)據(jù)包括全水分(Mt/%)、灰分(Ad/%)、揮發(fā)分(Vdaf/%)、氫碳原子比(H/C，以干燥無(wú)灰基表示)、惰質(zhì)組含量(I，去礦物基/%)、哈氏可磨性指數(shù)(HGI)和鏡質(zhì)體反射率Rmax/%, 如果缺乏實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，則采用地質(zhì)類(lèi)比法獲得相關(guān)數(shù)據(jù)。

第二步驟，劃分基本評(píng)價(jià)單元直接液化用煤類(lèi)型，并計(jì)算其煤炭資源量。根據(jù)表1分類(lèi)指標(biāo)，劃分基本評(píng)價(jià)單元(主煤層)的直接液化用煤類(lèi)型，每一基本評(píng)價(jià)單元對(duì)應(yīng)一種直接液化用煤類(lèi)型。然后，采用體積法計(jì)算相應(yīng)直接液化用煤類(lèi)型的煤炭資源量。

第三步驟，直接液化用煤資源量匯總與分析。根據(jù)建立的區(qū)劃方案(表2)，按井田(勘探區(qū))、礦區(qū)兩個(gè)層次進(jìn)行匯總。

表2 評(píng)價(jià)區(qū)區(qū)劃方案

3.2 評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)表1和評(píng)價(jià)方法，對(duì)評(píng)價(jià)區(qū)的直接液化用煤資源進(jìn)行了類(lèi)型劃分，結(jié)果如表3。

從表3可看出，評(píng)價(jià)區(qū)沒(méi)有優(yōu)質(zhì)液化用煙(褐)煤，府谷礦區(qū)為一般液化用煙煤，神府礦區(qū)為中等液化用煙煤，勝利礦區(qū)為中等液化用褐煤和一般液化用褐煤，白音華礦區(qū)為中等液化用褐煤。神府礦區(qū)灰分(Ad)低于10%，但惰質(zhì)組含量(I，去礦物基)較高,超過(guò)40%，其液化性能一般； 白音華礦區(qū)惰質(zhì)組含量(I，去礦物基)低于6%，灰分(Ad)16.74%～27.52%， 通過(guò)洗選， 4個(gè)井田的浮煤灰分(Ad)為8.71%～10.86%，降至12%以下，可作為優(yōu)質(zhì)液化用褐煤。勝利礦區(qū)勝利東一號(hào)、 勝利東二號(hào)井田惰質(zhì)組含量(I，去礦物基)平均分別為9.11%和12.2%，勝利一號(hào)、勝利東三號(hào)惰質(zhì)組含量(I，去礦物基)>15.00%，原煤洗選后4個(gè)井田的浮煤灰分(Ad)為8.34%～10.67%，降至12%以下，勝利東一號(hào)、勝利東二號(hào)可作為優(yōu)質(zhì)液化用褐煤，勝利一號(hào)、勝利東三號(hào)可作為中等液化用褐煤。

表3 評(píng)價(jià)區(qū)直接液化用煤資源等級(jí)表

4 結(jié)論

①通過(guò)分析直接液化用原料煤煤質(zhì)指標(biāo)全水分(Mt/%)、灰分(Ad/%)、揮發(fā)分(Vdaf/%)、氫碳原子比(H/C，以干燥無(wú)灰基表示)、惰質(zhì)組含量(I，去礦物基/%)、哈氏可磨性指數(shù)(HGI)和鏡質(zhì)體反射率Rmax/%，提出了直接液化用煤(原煤)指標(biāo)分級(jí)方案。

②選擇陜西府谷、神府礦區(qū)和內(nèi)蒙勝利、白音華礦區(qū)的部分井田為評(píng)價(jià)區(qū)，以表1為基礎(chǔ)，對(duì)直接液化用煤(原煤)資源進(jìn)行了評(píng)價(jià)，認(rèn)為評(píng)價(jià)區(qū)沒(méi)有優(yōu)質(zhì)液化用煙(褐)煤，主要為中等液化用煙(褐)煤和一般液化用煙(褐)煤，白音華礦區(qū)和勝利礦區(qū)部分井田，原煤經(jīng)洗選后可作為優(yōu)質(zhì)液化用褐煤。

[1]張玉卓.煤潔凈轉(zhuǎn)化工程--神華煤制燃料和合成材料技術(shù)探索與工程實(shí)踐[M].北京：煤炭工業(yè)出版社,2011.

[2]王生維，李思田. 撫順長(zhǎng)焰煤的液化性能研究[J].煤炭轉(zhuǎn)化，1996,19(4):79-84.

[3]David J.Cookson and Brian E.Smith.Observed and Predicted Properties of Jet and Diesel Fuels Formulated from Coal Liquefaction and Fischer-Tropsch Feedstocks[J].Energy & Fuels,1992,6.

[4]李 剛,凌開(kāi)成.煤的結(jié)構(gòu)對(duì)直接液化反應(yīng)性影響的分析[J].潔凈煤技術(shù).2008,14(4):35-39.

[5]楊秀敏.淺談液化煤的要求[J].煤炭技術(shù)，2004,23(6):6-8.

[6]蔣立翔,煤質(zhì)對(duì)煤液化效果的影響分析[J].煤化工,2008,(5):46～49.

[7]張銀元，趙景聯(lián). 煤直接液化技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)[J].山西煤炭，2001,21(2):32-36.

[8]秦云虎,李壯福,王雙美等.華東地區(qū)液化煤資源評(píng)價(jià)指標(biāo)及總體構(gòu)成[J].中國(guó)煤炭地質(zhì),2009,21(6):14-16.

DiscussiononIndexSystemClassificationofCoalforDirectLiquefactionandApplicationAssessment

Qin Yunhu， Wang Yanjun， Hu Ronghua，Wang Shuangmei， Xu Xiaoqin

(Jiangsu Geological and Mineral Resources Design and Research Institute, Xuzhou, Jiangsu 221006)

In the “Specification of Coal for Direct Liquefaction (GB/T 23810-2009)” has stipulated that the lignite and long flame coal, non-caking coal, weakly caking coal and gas coal in bituminous coals can be used as direct liquefaction feed coal. Coal quality indices have total moisture (Mt/%), ash content (Ad/%), volatile matter (Vdaf/%), hydrogen to carbon atomic ratio (H/C, dry ash free basis), inertinite content (I, mineral free basis/%), Hardgrove grindability index (HGI) and maximum vitrinite reflectanceRmax/%); also stipulated coal quality desired values. Through coal quality analysis, the paper has proposed coal (raw coal) for direct liquefaction indices classification scheme. The mining areas of Fugu and Shenfu in Shaanxi, Shengli and Bayanhua in Inner Mongolia are selected as assessment areas. Taking the indices classification scheme as the basis has carried out assessment of coal (raw coal) for direct liquefaction resources. Considered that the assessment areas have no high quality but moderate and middling bituminous coal (lignite) for liquefaction. Washed raw lignite from part of minefields in Shengli and Bayanhua mining areas can be used as high quality lignite for liquefaction.

coal for liquefaction; technical specifications; index system; assessment

項(xiàng)目來(lái)源：《特殊用煤資源潛力調(diào)查評(píng)價(jià)》，項(xiàng)目編號(hào)：DD20160187

秦云虎(1962—)，男，江蘇無(wú)錫人，教授級(jí)高級(jí)工程師，1985年畢業(yè)于山東礦業(yè)學(xué)院煤田地質(zhì)勘查專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)主要從事煤炭地質(zhì)勘查、科研及巖土工程工作。

2017-08-26

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.09.02

1674-1803(2017)09-0007-04

A

責(zé)任編輯：宋博輦