鄂爾多斯盆地府谷礦區(qū)直接液化用煤潛力分析

魏云迅 吳軍虎 杜芳鵬 喬軍偉 李聰聰 譚富榮 雒 錚

(1. 中國(guó)煤炭地質(zhì)總局航測(cè)遙感局，陜西省西安市，710199；2.陜西省地理空間信息工程技術(shù)研究中心，陜西省西安市，710054；3. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，江蘇省徐州市，221008)

煤的直接液化是指將煤研磨后混合于溶劑中，在加溫、加壓、加氫(或不加)、加催化劑的情況下，使部分煤分子發(fā)生裂解，形成溶于溶劑的液態(tài)產(chǎn)品；與其對(duì)應(yīng)的是煤的間接液化，它是基于煤的氣化，然后再形成液態(tài)烴類產(chǎn)品。直接液化用煤的本質(zhì)是在人工干預(yù)下破壞煤的大分子結(jié)構(gòu)，使其中的碳與更多的氫結(jié)合形成小分子烴類物質(zhì)的過(guò)程。自1911年首次將煤液化為重質(zhì)油以來(lái)，多國(guó)曾先后進(jìn)行了大規(guī)模煤直接液化開(kāi)發(fā)研究，工藝流程不斷更新。我國(guó)于20世紀(jì)70年代開(kāi)始進(jìn)行直接液化用煤的基礎(chǔ)研究，目前液化工藝已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)水平。

我國(guó)是煤炭資源生產(chǎn)和消費(fèi)第一大國(guó)，2016年煤炭消費(fèi)量占全球煤炭消費(fèi)總量的50.58%(據(jù)《世界能源統(tǒng)計(jì)年鑒》，2017)。伴隨而來(lái)的系列環(huán)境問(wèn)題迫使我國(guó)加快煤炭清潔利用的步伐；與此同時(shí)，我國(guó)石油對(duì)外依存度早已超過(guò)安全界線，能源安全形式不容樂(lè)觀。雙重形式的壓迫下，煤炭的直接液化利用是可靠的選擇之一，既可有效降低環(huán)境污染，又可作為能源戰(zhàn)略安全的保障，其研究意義不言而喻。前人對(duì)于鄂爾多斯盆地侏羅系煤的液化利用研究和討論較多，但石炭-二疊系煤則很少涉及，主要原因在于其變質(zhì)程度總體偏高；然而盆地東北部石炭-二疊系煤田煤的熱演化程度低，府谷礦區(qū)以長(zhǎng)焰煤為主，其直接液化潛力值得探討。

1 直接液化用煤關(guān)鍵煤質(zhì)指標(biāo)

直接液化用煤也稱煤制油，即將煤煉制成石油。從元素組成來(lái)看，煤與石油之間最主要的差距在于氫的含量，煤中氫元素占比一般介于2.4%～5.5%，而石油中的氫含量則占11%～14%。這便要求液化時(shí)應(yīng)選擇氫元素含量高的原料煤，并且通過(guò)人工加氫以改善煤在元素構(gòu)成上與石油的差異。分子結(jié)構(gòu)組成上，煤以高芳香烴低鏈狀脂肪烴為特點(diǎn)，液化過(guò)程中需要較大的能量來(lái)破壞芳香烴的苯環(huán)結(jié)構(gòu)，使得更多碳原子與所加的氫原子結(jié)合從而提高油產(chǎn)量。煤巖顯微組分中，殼質(zhì)組鏈狀結(jié)構(gòu)豐富，模擬生烴試驗(yàn)也證明其生油能力遠(yuǎn)高于鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組，因而一些富殼質(zhì)組煤系泥巖在做烴源巖類型評(píng)價(jià)中可劃分為Ⅱ型；然而，我國(guó)煤中殼質(zhì)組總體含量偏低，一般小于10%，氫指數(shù)與其含量相關(guān)性不高，而與殼質(zhì)組+鏡質(zhì)組中的基質(zhì)鏡質(zhì)體的含量相關(guān)性非常好，故而煤中鏡質(zhì)組生烴能力是我國(guó)液化用煤最需要關(guān)注的。惰質(zhì)組芳香度最高，以芳香基團(tuán)及含氧官能團(tuán)為特征，生烴能力最差。不同時(shí)期學(xué)者們提出的適于直接液化用煤的煤巖煤質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 適于直接液化用煤的煤巖煤質(zhì)指標(biāo)

基于上述煤的元素組成、分子結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，前人就適于直接液化用煤的煤巖煤質(zhì)進(jìn)行了諸多探討。代表性的有王生維1986年提出的Ro,max<0.8%、揮發(fā)分>35%、顯微活性組分(鏡質(zhì)組+殼質(zhì)組)>60%、H/C>0.75，此外最好N、S、O、Cl等元素含量較低，較全面地規(guī)定了常見(jiàn)的影響直接液化用煤的煤巖煤質(zhì)指標(biāo)；戴和武1988年主要提出了揮發(fā)分>38%、芳香度<0.7的要求，抓住了煤熱演化程度、分子結(jié)構(gòu)兩方面關(guān)鍵要素；秦云虎等2009年則對(duì)于煤類、各元素組成、顯微組分、所含無(wú)機(jī)礦物做了更加細(xì)致的要求。

各學(xué)者所提出的煤巖煤質(zhì)指標(biāo)，主要考慮了煤熱演化程度、元素組成、顯微組分、潛在的催化劑等4個(gè)方面問(wèn)題，這也是煤自身性質(zhì)所能決定煤直接液化的關(guān)鍵要素。煤直接液化研究已近百年，除了溫度、壓力、溶劑3個(gè)方面重要因素外，添加催化劑等其他手段的介入對(duì)煤的轉(zhuǎn)換率等有著重要影響。煤加氫液化試驗(yàn)研究取得了不少成果，一些提高直接液化用煤油產(chǎn)率的主要方法見(jiàn)表2。除伽馬射線照射、與重質(zhì)油共處理等新穎手段外，硫、鐵等的催化作用是重要方法。因此，秦云虎等在煤巖煤質(zhì)指標(biāo)中特別提出了煤中富細(xì)粒黃鐵礦。

綜合煤熱演化程度、元素組成、顯微組分、催化4個(gè)方面要素及前人的指標(biāo)，本文提出了直接液化用煤煤巖煤質(zhì)指標(biāo)，見(jiàn)表1。Ro,max為 0.3%～0.7%、揮發(fā)分>35%，即將煤階劃定在褐煤和低階煙煤；惰質(zhì)組含量<45%，旨在規(guī)定煤中氫含量下限，及煤巖分子結(jié)構(gòu)中芳香烴上限，戴和武(1988)引入的芳香度是很好的指標(biāo)，但該數(shù)據(jù)獲取成本高、廣泛使用性受限；H/C>0.75，明確氫元素含量下限，是評(píng)價(jià)液化用煤最重要的指標(biāo)；較高的硫化鐵硫，這是一項(xiàng)輔助指標(biāo)，畢竟催化劑在后期可以人工調(diào)配。需要指出的是上述指標(biāo)是現(xiàn)階段較理想的液化用煤指標(biāo)，隨著液化工藝的不斷提高，指標(biāo)下限必將不斷被突破。

表2 提高直接液化用煤油產(chǎn)率的主要方法

2 地質(zhì)背景

府谷礦區(qū)位于鄂爾多斯盆地東緣北段，晉西撓褶帶與陜北斜坡結(jié)合部位，黃河西岸。盡管所處構(gòu)造位置特殊，但礦區(qū)內(nèi)地層、構(gòu)造較為簡(jiǎn)單，含煤地層為石炭—二疊系太原組和山西組。鄂爾多斯盆地是著名的多種能源共存的沉積盆地，其中上古生界天然氣主要來(lái)源于上古生界煤系烴源巖，府谷礦區(qū)西部即為神木氣田；而東部則為國(guó)家首批煤層氣示范區(qū)，也是以石炭—二疊系煤層為目標(biāo)；此外，礦區(qū)周緣亦有較多上古生界凝析油、油氣逸散顯示。區(qū)域上石炭—二疊煤系顯示出了高的生烴能力。

礦區(qū)總體形態(tài)呈近南北向展布，以兩組斷裂為界劃分為三段，共包含段寨、堯峁、馮家塔、西王寨、海則廟、沙川溝等6個(gè)井田。研究區(qū)構(gòu)造位置圖見(jiàn)圖1。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造位置圖

3 煤巖煤質(zhì)特征

府谷礦區(qū)含煤層段為石炭—二疊系太原組和山西組，含可采煤層11層，不同井田內(nèi)各煤層展布狀況有所差別。為了研究府谷礦區(qū)煤的直接液化潛力，系統(tǒng)梳理了礦區(qū)內(nèi)各井田勘查資料，重點(diǎn)對(duì)各煤層的煤質(zhì)資料進(jìn)行匯總，并與液化用煤煤質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析。對(duì)礦區(qū)內(nèi)的主采4#煤層的煤巖煤質(zhì)特征進(jìn)行深入解析，得出其平面分布特征；并于馮家塔井田對(duì)4#煤層進(jìn)行了井下全煤層系統(tǒng)刻槽采樣，進(jìn)行了主要煤質(zhì)指標(biāo)的化驗(yàn)，探究其垂向特征，以求更加立體地認(rèn)識(shí)其特征，進(jìn)而更加準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)其直接液化潛力。

3.1 各煤層煤質(zhì)特征

府谷礦區(qū)各煤層煤質(zhì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。由表3可知，府谷礦區(qū)煤中灰分普遍偏高，礦區(qū)內(nèi)各煤層平均灰分含量均大于15%，灰分最低的5#煤層平均值也達(dá)到16.5%，灰分最高的11#煤層更是達(dá)到28.2%，普遍以高灰和中灰為特征。灰成分主要以SiO2和Al2O3為主，反映陸緣碎屑物對(duì)其影響較強(qiáng)。揮發(fā)分含量普遍較高，除5#煤層產(chǎn)率為34.0%之外，其余各煤層平均值均大于37%，揮發(fā)分最高的4#煤層達(dá)到了40.0%。硫分含量呈現(xiàn)出明顯的特征是，山西組所含的2#、3#、4#煤層值較低，平均值分別為0.65%、0.55%和0.56%，而屬于太原組的5#～11#煤層值較高，僅5#煤層相對(duì)較低，平均值為0.79%，其余煤層平均值均大于1.0%，硫分最高的11#煤層達(dá)到1.85%。除5#煤層的H/C較低(平均值為0.69)之外，其余各煤層均在0.75左右，其中3#、4#、6#、10#、11#煤層大于0.75，最高的3#煤層達(dá)到了0.79。煤巖顯微組分特征，無(wú)機(jī)礦物含量較高，這與高灰分相關(guān)。有機(jī)組分總體上以鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組為主，含礦物基鏡質(zhì)組含量多大于45%，惰質(zhì)組多小于30%，鏡惰比大于1，僅8#煤層和11#煤層小于1。

表3 府谷礦區(qū)各煤層煤質(zhì)數(shù)據(jù)

對(duì)比各煤層關(guān)鍵煤質(zhì)數(shù)據(jù)與直接液化用煤指標(biāo)，3#、4#、6#、10#、11#煤層是其中液化潛力較大的煤層，而2#、7#、8#、9#煤層由于H/C略低于0.75，液化潛力次之，5#煤層H/C低于0.7，直接液化潛力差。

3.2 4#煤層煤質(zhì)特征

目前，府谷礦區(qū)僅馮家塔井田和海則廟井田處于開(kāi)采期間，馮家塔井田目前開(kāi)采2#煤層和4#煤層，海則廟井田開(kāi)采9#煤層。這三層煤中，4#煤層是府谷礦區(qū)主要可采煤層之一，前文已經(jīng)敘述其各項(xiàng)煤質(zhì)特征能夠達(dá)到液化用煤指標(biāo)，因此以其為重點(diǎn)煤層。

通過(guò)對(duì)府谷礦區(qū)196個(gè)鉆孔中4#煤層原煤關(guān)鍵煤質(zhì)數(shù)據(jù)分析(圖2)，發(fā)現(xiàn)4#煤層灰分總體較大，大部分超過(guò)20%，僅北部?jī)蓚€(gè)小區(qū)域灰分低于15%；絕大部分揮發(fā)分產(chǎn)率大于37%，且有較大區(qū)域超過(guò)了41%，僅北部?jī)蓚€(gè)小區(qū)域小于37%，位置上與低灰區(qū)域近一致；H/C大部分區(qū)域超過(guò)0.75，較大部分區(qū)域超過(guò)0.8，零星存在小于0.7的區(qū)域。

馮家塔井田4#煤層厚2.9 m，于綜采面進(jìn)行了系統(tǒng)刻槽采樣，等間距地采取了從頂板到煤層底部共27件樣品進(jìn)行直接液化用煤相關(guān)的煤質(zhì)化驗(yàn)。測(cè)試數(shù)據(jù)表明，垂向上4#煤層灰分變化較大，總體上上部灰分高于下部，上部灰分基本大于20%，近半樣品甚至接近40%，下部灰分多數(shù)小于20%，但也有兩個(gè)樣品超過(guò)40%；但是洗選之后，灰分均可降至8%以下；揮發(fā)分在垂向上表現(xiàn)穩(wěn)定，基本在40%附近小幅變化；全水分變化也較小，主要分布在5%～8%之間；硫分含量低，均小于0.8，分布在0.5%左右；H/C大部分較為穩(wěn)定，接近0.75。值得注意的是，F(xiàn)Fj-21樣品由于灰分超過(guò)60%，不能算做煤，但它引起了揮發(fā)分、H/C的明顯增高與全水分、硫分的明顯降低。府谷礦區(qū)二疊系山西組4#煤層煤質(zhì)柱狀圖見(jiàn)圖3。

圖2 府谷礦區(qū)4#煤層主要煤質(zhì)指標(biāo)等值線圖

圖3 府谷礦區(qū)二疊系山西組4#煤層煤質(zhì)柱狀圖

4 討論

研究發(fā)現(xiàn)府谷礦區(qū)多個(gè)煤層適合直接液化，代表性的4#煤層主要煤質(zhì)指標(biāo)在平面和垂向上的變化特征也已詳細(xì)敘述。府谷礦區(qū)的煤作為液化用煤的優(yōu)點(diǎn)十分突出，關(guān)鍵性指標(biāo)揮發(fā)分和H/C高，能夠達(dá)到要求；缺點(diǎn)也非常明顯，灰分太高，不可能直接將其作為原料煤進(jìn)行液化。

針對(duì)灰分過(guò)高的缺點(diǎn)，處理方法較為簡(jiǎn)單，即將其進(jìn)行浮選去灰，府谷礦區(qū)4#煤層可選性較高，樣品中浮煤灰分絕大部分小于10%。然而，如樣品FFj-21所展現(xiàn)的高灰分與高揮發(fā)分、高H/C共存，顯然灰分對(duì)煤中揮發(fā)分及氫元素有著較高貢獻(xiàn)。這一現(xiàn)象是否普遍存在？灰分去除后，揮發(fā)分和H/C是否能達(dá)到液化用煤的要求？

針對(duì)這一問(wèn)題，選取了礦區(qū)內(nèi)不同井田的95個(gè)鉆孔中的4#煤層煤工業(yè)分析數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，分析浮選去灰對(duì)煤其他指標(biāo)的影響程度。結(jié)果表明，浮選之后，高硫分原煤去硫效果明顯，而低硫分煤去硫效果一般甚至反而有所增高。這顯然與硫的形態(tài)相關(guān)，礦區(qū)內(nèi)高硫主要是由硫化鐵硫造成的，即主要為無(wú)機(jī)硫所致，因而去灰之后降硫明顯；低硫煤中硫分主要為有機(jī)硫，無(wú)法降低。浮選前后煤的揮發(fā)分變化規(guī)律較為復(fù)雜，大部分變化較小，但也有變化較大者，升高降低者均有，這些樣品原煤揮發(fā)分平均為39.70%，浮選后為39.64%,降低幅度很低。原煤和浮煤的H/C變化主要表現(xiàn)為浮煤略低于原煤，原煤H/C為高值者，變化更為明顯，降低幅度可達(dá)0.05。這些樣品的原煤H/C為0.771，浮煤降低至0.761。此外，原煤H/C大于0.82的14個(gè)樣品，其灰分平均值高于全部樣品灰分約5%。無(wú)機(jī)礦物中富含多種形態(tài)的水，因而高灰煤中灰分對(duì)氫有較高貢獻(xiàn)。

綜上所述，浮選在使得灰分達(dá)到工業(yè)要求的同時(shí)，對(duì)煤的揮發(fā)分影響較少，H/C則有一定影響，平均降低了0.01,但府谷礦區(qū)浮煤仍能達(dá)到液化用煤指標(biāo)要求。此外，浮選也去除了煤中對(duì)直接液化可起催化作用的黃鐵礦。

圖4 府谷礦區(qū)4#煤層原煤與浮煤主要煤質(zhì)對(duì)比圖

5 結(jié)論

(1)直接液化用煤對(duì)煤巖煤質(zhì)的要求主要聚焦在煤熱演化程度、元素組成、顯微組分、催化等四方面要素，將“Ro,max介于0.3%～0.7%、揮發(fā)分>35%、惰質(zhì)組含量<45%、H/C>0.75、較高的硫化鐵硫”作為其評(píng)價(jià)指標(biāo)較為合適。

(2)府谷礦區(qū)以4#煤層為代表，府谷礦區(qū)3#、4#、6#、10#、11#等煤層各項(xiàng)煤質(zhì)指標(biāo)均達(dá)到直接液化用煤指標(biāo)，平面上和剖面上這些特征展布穩(wěn)定；浮選后揮發(fā)分基本保持不變、H/C略有降低、黃鐵礦被去除，仍為較好的直接液化原料煤。

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