胜利东二号露天矿6煤层直接液化性能评价

韩晓宙，霍 超，赵 岳，张建强，张恒利，贺 军

(中国煤炭地质总局勘查研究总院，北京 100039)

我国“富煤缺油少气”的能源资源禀赋以及煤炭资源获取的可靠性、低廉性，决定了我国以煤炭为主体的能源结构短期内难以改变[1]。煤炭为经济发展和社会进步做出了巨大的促进作用，但一直以来粗放的煤炭利用方式，带来了低能效、高污染等一系列问题。因此，有必要寻求更高效、更清洁的技术方案以使我国丰富而廉价的煤炭资源得以可持续利用[2]。《煤炭工业发展“十三五”规划》和《煤炭清洁高效利用行动计划(2015-2020年)》中均提出“促进煤炭清洁高效利用，推进煤炭分质分级梯级利用”。由此可见，煤的分级转化、多元利用是实现煤洁净、高效转化的有效途径[3-4]。

我国低阶煤资源丰富，其占已探明煤炭储量55%以上，褐煤作为一种低阶煤，其约占煤炭总储量的12.7%[5]。低阶煤尤其是褐煤含水量高，直接燃烧或气化效率低，但低阶煤化学结构中侧链较多和氢、氧含量较高的特点，决定了其具有较好反应活性和较高的挥发分，进而具有良好的液化性能[6-7]。煤直接液化技术作为煤炭的清洁转化和高效利用的重要手段之一，不仅具有保障国家能源安全的重大战略意义，而且具有提高煤炭利用率、减少环境污染的现实意义[8-10]。

本次研究的胜利煤田东二号露天矿6煤层煤类为褐煤，笔者通过对研究区6煤层进行采样测试分析，着重从煤岩组分和煤质特征来探讨6煤层褐煤直接液化的可行性，为煤炭直接液化提供理论基础依据。

1 地质背景

1.1 构造特征

胜利煤田盆地位于大兴安岭西麓，二连盆地坳陷(亦称二连盆地群)东端乌尼特坳陷带中[11-12](图1)。井田主体构造形态为一走向N50°E、倾角0～14°的两翼不对称的宽缓向斜，区内构造复杂程度中等。

Ⅰ.乌尼特坳陷；Ⅱ.马尼特坳陷；Ⅲ.腾格尔坳陷；Ⅳ.乌兰察布坳陷；Ⅴ.川井坳陷图1 乌尼特坳陷构造单元划分图(据参考文献[11]，有修改)Figure 1 Structural element partition of Unit depression (after reference [11], modified)

1.2 地层

胜利煤田东二号露天矿发育的地层自下而上有：白垩系下统巴彦花群锡林组(K1bxl)、胜利组(K1bsh)新近系上新统(N2)和第四系(Q)(表1)：

表1 井田地层简表

1.3 含煤特征

东二号露天矿含煤地层为白垩系下统巴彦花群胜利组(K1sh)和锡林组(K1xl)[13]，胜利组为本区主要含煤地层，其含煤层数多，厚度大，含煤系数高，埋藏较浅且连续性好，含煤13层(由上到下编号为2、3、4、5、6、6下1、6下2、7、8上、8、9、10、11煤层)。6煤层全区发育最好煤层，赋存深度143.80～623.00m，平均345.90m。可采煤层厚度2.50～228.30m，平均64.81m，煤类属褐煤。

2 煤岩显微组分与液化性能

从煤岩学角度，煤中显微组分主要分为三大类，即镜质组、稳定组和惰质组。由于三种显微组分具有不同的物理和化学特征，导致其具有不同的液化活性[14-15]。在通常的液化反应条件下，镜质组和稳定组易于活化，惰质组则难于活化。

陈洪博等[14]研究了神东煤不同显微组分加氢液化性能，结果表明：神东煤镜质组和壳质组的转化速率为惰质组的近2.6倍，镜质组和壳质组生成油和沥青烯的速率为惰质组的近2.9倍。李永伦等[15]对不同惰质组分含量的上湾煤样进行了高压釜煤液化实验，结果表明：惰质组含量越高，煤的转化率和油收率越低。

对6煤层25个褐煤煤样测试化验数据统计分析，结果表明：6煤层煤的有机显微组分以镜质组为主，镜质组在52.2%～94.1%，平均70.8%；惰质组在0.6%～24.5%，平均12.5%；稳定组在0.6%～25.2%，平均8.7%(表2)。

《直接液化用原料煤技术条件》(GB/T 23810-2009)中要求直接液化原料煤中惰质组含量<45.00%。《煤化工用煤技术导则》(GB/T 23251-2009)中要求直接液化原料煤中惰质组含量<35.00%；通过对6煤层煤样测试数据统计分析，其煤岩显微组分中惰质组含量完全符合以上条件，该煤层可以作为直接液化的优选原料煤。

3 煤质参数与液化性能

3.1 灰分对液化性能的影响

在褐煤直接液化过程中，煤中灰分(主要是煤中的无机组分)含量的高低影响油的产率和系统的的正常操作，会给液化进程带来诸多不便，因此煤中的无机组分越低越有利于煤炭直接液化[16]。

本文对6煤层133个褐煤煤样煤质测试数据进行统计分析，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%(图2，表3)。

《煤化工用煤技术导则》(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术条件》(GB/T 23810-2009)将灰分定为小于12%。通过对6煤层煤样测试化验数据统计分析，其浮煤灰分均小于12%(图3)，因此6煤层通过洗选后可作为直接液化原料煤。

3.2 挥发分对液化性能的影响

前人研究表明，液化用煤一般采用挥发分较高的煤，一般来说，挥发分越高越易于液化。司胜利等[17]研究了我国西部低煤级煤的液化性能，结果表明：煤的挥发分产率与液化性能表现出良好的线性关系。

本次对6煤层133个褐煤煤样煤质测试数据进行统计分析，其原煤挥发分含量在37.86%～48.30%，平均44.32%；浮煤挥发分含量在37.47%～46.93%，平均43.36%(表3)。

舒歌平[18]和贺永德[19]研究认为直接液化用煤应选择挥发分应大于35%的煤种。《煤化工用煤技术导则》(GB/T 23251-2009)和《直接液化用原料煤技术条件》(GB/T 23810-2009)中均要求直接液化原料煤中挥发分(Vdaf)>35%。通过对6煤层煤样测试化验数据统计分析，其原煤和浮煤挥发分均大于35%(表3，图3)，该煤层挥发分含量符合直接液化用煤要求。

表2 6煤层显微煤岩组分含量表

表3 6煤层煤质测试数据结果表

图2 样品数量分布图(按原煤/浮煤灰分)Figure 2 Sample number distribution (based on raw coal/float coal ash content)

图3 样品数量分布图(按原煤/浮煤挥发分)Figure 3 Sample number distribution (based on raw coal/float coal volatile matter content)

3.3 氢碳原子比对液化性能的影响

罗星云[20]通过对云南褐煤直接液化可行性研究，发现褐煤的H/C原子比相对较高，是适宜液化的煤种。凌开成和邹纲明[21]选取兖州三种年轻烟煤与石油渣油共处理反应，实验结果表明：原煤中的H/C原子比和和煤的转化率存在较好的相关性，煤的转化率随原煤中的H/C原子比增高而增大。

本次对6煤层55个褐煤煤样进行煤质测试分析，其碳质量分数(Cdaf)为67.17%～76.51%，平均72.05%；氢质量分数(Hdaf)为4.05%～5.24%，平均4.49%；氧质量分数(Odaf)为15.67%～29.32%，平均20.98%；H/C为0.66～0.90，O/C为0.15～0.30(表3)。

通过对煤炭直接液化优选煤种和指标体系分级研究，朱晓苏[22]和秦云虎[23]认为褐煤直接液化一般情况下应满足以下几个条件：碳质量分数不应低于65%，H/C大于0.70，O/C在0.06～0.26。本次55件煤样中有40件煤样落在该区域内(即H/C>0.70，0.06

图4 样品H/C原子比和O/C原子比关系Figure 4 Relationship between sample H/C and O/C atomic ratios

4 直接液化用煤评价结果

通过对6煤层煤样测试数据统计分析，从煤岩显微组分(惰质组质量分数)和煤质参数(灰分、挥发分、H/C原子比等)两个方面6项指标出发，论述了胜利煤田东二号露天矿6煤层液化性能(表4)，圈定出6煤层符合直接液化用煤有利区，估算直接液化用煤资源量约49 959.57万t。

表4 6煤层直接液化用煤参考指标

5 结论

(1)褐煤作为一种液化用煤，其直接液化过程是比较复杂的物理和化学反应，受多种因素影响，其中煤岩显微组分和煤质是影响液化反应性的重要因素，是褐煤直接液化过程能够持续稳定运行的基础。

(2)褐煤直接液化与煤岩显微组分关系：煤岩中活性组分(镜质组+稳定组)含量决定着转化率和产物收率，其含量越高越有利于液化，反之惰质组含量越低越有利于煤炭液化。

(3)褐煤直接液化与煤质关系：一般而言，低灰分产率、高挥发分产率、高H/C原子比含量的褐煤有利于直接液化。

综上所述，胜利煤田东二号露天矿6煤层原料煤煤岩中较高的活性组分含量、较高的挥发分和较高的H/C原子比、洗选后较低的灰分含量表明，其可作为较理想的直接液化原料煤。