韓曉宙，霍 超，趙 岳，張建強(qiáng)，張恒利，賀 軍

(中國(guó)煤炭地質(zhì)總局勘查研究總院，北京 100039)

我國(guó)“富煤缺油少氣”的能源資源稟賦以及煤炭資源獲取的可靠性、低廉性，決定了我國(guó)以煤炭為主體的能源結(jié)構(gòu)短期內(nèi)難以改變[1]。煤炭為經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步做出了巨大的促進(jìn)作用，但一直以來粗放的煤炭利用方式，帶來了低能效、高污染等一系列問題。因此，有必要尋求更高效、更清潔的技術(shù)方案以使我國(guó)豐富而廉價(jià)的煤炭資源得以可持續(xù)利用[2]?！睹禾抗I(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》和《煤炭清潔高效利用行動(dòng)計(jì)劃(2015-2020年)》中均提出“促進(jìn)煤炭清潔高效利用，推進(jìn)煤炭分質(zhì)分級(jí)梯級(jí)利用”。由此可見，煤的分級(jí)轉(zhuǎn)化、多元利用是實(shí)現(xiàn)煤潔凈、高效轉(zhuǎn)化的有效途徑[3-4]。

我國(guó)低階煤資源豐富，其占已探明煤炭?jī)?chǔ)量55%以上，褐煤作為一種低階煤，其約占煤炭總儲(chǔ)量的12.7%[5]。低階煤尤其是褐煤含水量高，直接燃燒或氣化效率低，但低階煤化學(xué)結(jié)構(gòu)中側(cè)鏈較多和氫、氧含量較高的特點(diǎn)，決定了其具有較好反應(yīng)活性和較高的揮發(fā)分，進(jìn)而具有良好的液化性能[6-7]。煤直接液化技術(shù)作為煤炭的清潔轉(zhuǎn)化和高效利用的重要手段之一，不僅具有保障國(guó)家能源安全的重大戰(zhàn)略意義，而且具有提高煤炭利用率、減少環(huán)境污染的現(xiàn)實(shí)意義[8-10]。

本次研究的勝利煤田東二號(hào)露天礦6煤層煤類為褐煤，筆者通過對(duì)研究區(qū)6煤層進(jìn)行采樣測(cè)試分析，著重從煤巖組分和煤質(zhì)特征來探討6煤層褐煤直接液化的可行性，為煤炭直接液化提供理論基礎(chǔ)依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

1.1 構(gòu)造特征

勝利煤田盆地位于大興安嶺西麓，二連盆地坳陷(亦稱二連盆地群)東端烏尼特坳陷帶中[11-12](圖1)。井田主體構(gòu)造形態(tài)為一走向N50°E、傾角0～14°的兩翼不對(duì)稱的寬緩向斜，區(qū)內(nèi)構(gòu)造復(fù)雜程度中等。

Ⅰ.烏尼特坳陷；Ⅱ.馬尼特坳陷；Ⅲ.騰格爾坳陷；Ⅳ.烏蘭察布坳陷；Ⅴ.川井坳陷圖1 烏尼特坳陷構(gòu)造單元?jiǎng)澐謭D(據(jù)參考文獻(xiàn)[11]，有修改)Figure 1 Structural element partition of Unit depression (after reference [11], modified)

1.2 地層

勝利煤田東二號(hào)露天礦發(fā)育的地層自下而上有：白堊系下統(tǒng)巴彥花群錫林組(K1bxl)、勝利組(K1bsh)新近系上新統(tǒng)(N2)和第四系(Q)(表1)：

表1 井田地層簡(jiǎn)表

1.3 含煤特征

東二號(hào)露天礦含煤地層為白堊系下統(tǒng)巴彥花群勝利組(K1sh)和錫林組(K1xl)[13]，勝利組為本區(qū)主要含煤地層，其含煤層數(shù)多，厚度大，含煤系數(shù)高，埋藏較淺且連續(xù)性好，含煤13層(由上到下編號(hào)為2、3、4、5、6、6下1、6下2、7、8上、8、9、10、11煤層)。6煤層全區(qū)發(fā)育最好煤層，賦存深度143.80～623.00m，平均345.90m?？刹擅簩雍穸?.50～228.30m，平均64.81m，煤類屬褐煤。

2 煤巖顯微組分與液化性能

從煤巖學(xué)角度，煤中顯微組分主要分為三大類，即鏡質(zhì)組、穩(wěn)定組和惰質(zhì)組。由于三種顯微組分具有不同的物理和化學(xué)特征，導(dǎo)致其具有不同的液化活性[14-15]。在通常的液化反應(yīng)條件下，鏡質(zhì)組和穩(wěn)定組易于活化，惰質(zhì)組則難于活化。

陳洪博等[14]研究了神東煤不同顯微組分加氫液化性能，結(jié)果表明：神東煤鏡質(zhì)組和殼質(zhì)組的轉(zhuǎn)化速率為惰質(zhì)組的近2.6倍，鏡質(zhì)組和殼質(zhì)組生成油和瀝青烯的速率為惰質(zhì)組的近2.9倍。李永倫等[15]對(duì)不同惰質(zhì)組分含量的上灣煤樣進(jìn)行了高壓釜煤液化實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：惰質(zhì)組含量越高，煤的轉(zhuǎn)化率和油收率越低。

對(duì)6煤層25個(gè)褐煤煤樣測(cè)試化驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明：6煤層煤的有機(jī)顯微組分以鏡質(zhì)組為主，鏡質(zhì)組在52.2%～94.1%，平均70.8%；惰質(zhì)組在0.6%～24.5%，平均12.5%；穩(wěn)定組在0.6%～25.2%，平均8.7%(表2)。

《直接液化用原料煤技術(shù)條件》(GB/T 23810-2009)中要求直接液化原料煤中惰質(zhì)組含量<45.00%。《煤化工用煤技術(shù)導(dǎo)則》(GB/T 23251-2009)中要求直接液化原料煤中惰質(zhì)組含量<35.00%；通過對(duì)6煤層煤樣測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，其煤巖顯微組分中惰質(zhì)組含量完全符合以上條件，該煤層可以作為直接液化的優(yōu)選原料煤。

3 煤質(zhì)參數(shù)與液化性能

3.1 灰分對(duì)液化性能的影響

在褐煤直接液化過程中，煤中灰分(主要是煤中的無機(jī)組分)含量的高低影響油的產(chǎn)率和系統(tǒng)的的正常操作，會(huì)給液化進(jìn)程帶來諸多不便，因此煤中的無機(jī)組分越低越有利于煤炭直接液化[16]。

本文對(duì)6煤層133個(gè)褐煤煤樣煤質(zhì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其原煤灰分在6.95%～29.97%，平均16.01%；浮煤灰分在6.50%～10.44%，平均8.30%(圖2，表3)。

《煤化工用煤技術(shù)導(dǎo)則》(GB/T 23251-2009)中要求直接液化原料煤中灰分(Ad)<10.00%；《直接液化用原料煤技術(shù)條件》(GB/T 23810-2009)將灰分定為小于12%。通過對(duì)6煤層煤樣測(cè)試化驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，其浮煤灰分均小于12%(圖3)，因此6煤層通過洗選后可作為直接液化原料煤。

3.2 揮發(fā)分對(duì)液化性能的影響

前人研究表明，液化用煤一般采用揮發(fā)分較高的煤，一般來說，揮發(fā)分越高越易于液化。司勝利等[17]研究了我國(guó)西部低煤級(jí)煤的液化性能，結(jié)果表明：煤的揮發(fā)分產(chǎn)率與液化性能表現(xiàn)出良好的線性關(guān)系。

本次對(duì)6煤層133個(gè)褐煤煤樣煤質(zhì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其原煤揮發(fā)分含量在37.86%～48.30%，平均44.32%；浮煤揮發(fā)分含量在37.47%～46.93%，平均43.36%(表3)。

舒歌平[18]和賀永德[19]研究認(rèn)為直接液化用煤應(yīng)選擇揮發(fā)分應(yīng)大于35%的煤種?！睹夯び妹杭夹g(shù)導(dǎo)則》(GB/T 23251-2009)和《直接液化用原料煤技術(shù)條件》(GB/T 23810-2009)中均要求直接液化原料煤中揮發(fā)分(Vdaf)>35%。通過對(duì)6煤層煤樣測(cè)試化驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，其原煤和浮煤揮發(fā)分均大于35%(表3，圖3)，該煤層揮發(fā)分含量符合直接液化用煤要求。

表2 6煤層顯微煤巖組分含量表

表3 6煤層煤質(zhì)測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果表

圖2 樣品數(shù)量分布圖(按原煤/浮煤灰分)Figure 2 Sample number distribution (based on raw coal/float coal ash content)

圖3 樣品數(shù)量分布圖(按原煤/浮煤揮發(fā)分)Figure 3 Sample number distribution (based on raw coal/float coal volatile matter content)

3.3 氫碳原子比對(duì)液化性能的影響

羅星云[20]通過對(duì)云南褐煤直接液化可行性研究，發(fā)現(xiàn)褐煤的H/C原子比相對(duì)較高，是適宜液化的煤種。凌開成和鄒綱明[21]選取兗州三種年輕煙煤與石油渣油共處理反應(yīng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：原煤中的H/C原子比和和煤的轉(zhuǎn)化率存在較好的相關(guān)性，煤的轉(zhuǎn)化率隨原煤中的H/C原子比增高而增大。

本次對(duì)6煤層55個(gè)褐煤煤樣進(jìn)行煤質(zhì)測(cè)試分析，其碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(Cdaf)為67.17%～76.51%，平均72.05%；氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)(Hdaf)為4.05%～5.24%，平均4.49%；氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)(Odaf)為15.67%～29.32%，平均20.98%；H/C為0.66～0.90，O/C為0.15～0.30(表3)。

通過對(duì)煤炭直接液化優(yōu)選煤種和指標(biāo)體系分級(jí)研究，朱曉蘇[22]和秦云虎[23]認(rèn)為褐煤直接液化一般情況下應(yīng)滿足以下幾個(gè)條件：碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)不應(yīng)低于65%，H/C大于0.70，O/C在0.06～0.26。本次55件煤樣中有40件煤樣落在該區(qū)域內(nèi)(即H/C>0.70，0.06

圖4 樣品H/C原子比和O/C原子比關(guān)系Figure 4 Relationship between sample H/C and O/C atomic ratios

4 直接液化用煤評(píng)價(jià)結(jié)果

通過對(duì)6煤層煤樣測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，從煤巖顯微組分(惰質(zhì)組質(zhì)量分?jǐn)?shù))和煤質(zhì)參數(shù)(灰分、揮發(fā)分、H/C原子比等)兩個(gè)方面6項(xiàng)指標(biāo)出發(fā)，論述了勝利煤田東二號(hào)露天礦6煤層液化性能(表4)，圈定出6煤層符合直接液化用煤有利區(qū)，估算直接液化用煤資源量約49 959.57萬t。

表4 6煤層直接液化用煤參考指標(biāo)

5 結(jié)論

(1)褐煤作為一種液化用煤，其直接液化過程是比較復(fù)雜的物理和化學(xué)反應(yīng)，受多種因素影響，其中煤巖顯微組分和煤質(zhì)是影響液化反應(yīng)性的重要因素，是褐煤直接液化過程能夠持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。

(2)褐煤直接液化與煤巖顯微組分關(guān)系：煤巖中活性組分(鏡質(zhì)組+穩(wěn)定組)含量決定著轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)物收率，其含量越高越有利于液化，反之惰質(zhì)組含量越低越有利于煤炭液化。

(3)褐煤直接液化與煤質(zhì)關(guān)系：一般而言，低灰分產(chǎn)率、高揮發(fā)分產(chǎn)率、高H/C原子比含量的褐煤有利于直接液化。

綜上所述，勝利煤田東二號(hào)露天礦6煤層原料煤煤巖中較高的活性組分含量、較高的揮發(fā)分和較高的H/C原子比、洗選后較低的灰分含量表明，其可作為較理想的直接液化原料煤。