直接液化用煤指标体系分级探讨及应用评价

秦云虎，王彦君，胡荣华，王双美，徐晓琴

(江苏地质矿产设计研究院，江苏徐州 221006)

直接液化用煤指标体系分级探讨及应用评价

秦云虎，王彦君，胡荣华，王双美，徐晓琴

(江苏地质矿产设计研究院，江苏徐州 221006)

直接液化用原料煤技术条件(GB/T 23810-2009)规定了直接液化用原料煤的类别为褐煤，烟煤中的长焰煤、不黏煤、弱黏煤及气煤。煤质指标有全水分(Mt/%)、灰分(Ad/%)、挥发分(Vdaf/%)、氢碳原子比(H/C，以干燥无灰基表示)、惰质组含量(I，去矿物基/%)、哈氏可磨性指数(HGI)和镜质体反射率Rmax/%,对煤质指标值也作了规定。通过对这些煤质指标的分析，提出了直接液化用煤(原煤)指标分级方案。选择陕西府谷、神府矿区和内蒙胜利、白音华矿区的部分井田为评价区，以指标分级方案为基础，对直接液化用煤(原煤)资源进行了评价，认为评价区没有优质液化用烟(褐)煤，主要为中等液化用烟(褐)煤和一般液化用烟(褐)煤，白音华矿区和胜利矿区部分井田，原煤经洗选后可作为优质液化用褐煤。

液化用煤；技术要求；指标体系；评价

引言

我国在煤炭液化技术研究开发方面取得了一定的进展。2008年12月31日，神华集团在内蒙古鄂尔多斯的世界首套百万吨煤直接液化工业示范厂一次性试车成功，成为世界最大、技术最先进的煤直接液化商业化示范工厂，标志着我国煤直接液化技术已经处于世界领先水平[1]。我国煤炭资源丰富，低变质、中低变质的煤类占有较大比例，这对发展直接液化是非常重要的资源保障。利用煤质指标对适宜的煤炭资源进行直接液化分级，可以促进煤炭资源清洁高效利用，为管理部门勘查开发利用规划提供决策依据。

1 直接液化用煤的技术要求

GB/T 23810-2009直接液化用原料煤技术条件中规定了直接液化用原料煤的类别为褐煤，烟煤中的长焰煤、不黏煤、弱黏煤及气煤。技术要求的项目煤质指标有全水分(Mt/%)、灰分(Ad/%)、挥发分(Vdaf/%)、氢碳原子比(H/C，以干燥无灰基表示)、惰质组含量(I，去矿物基/%)、哈氏可磨性指数(HGI)和镜质体反射率Rmax/%,对项目煤质指标值也作了规定，现对项目煤质指标分析如下。

1.1 煤阶指标

挥发分和镜质体最大反射率是确定煤类或煤阶的最重要的表征指标，其可反映煤化程度的高低，因此成为评定液化用煤的重要指标。

前人的研究表明，液化用煤一般采用挥发分较高的煤。挥发分越高越易液化，通常选择挥发分大于35%的煤作为直接液化煤类。镜质体平均最大反射率Ro,max小于0.7%的煤大多适于液化,最佳为平均Ro,max为0.5%左右[2]。

干燥无灰基挥发分它能较好地反映煤化程度，并与煤的工艺性质有关，而且其区分能力强，测定方法简单，易于标准化。镜质体反射率直接反映了煤级，Davis[3]等人提出，煤中镜质体反射率在0.5～1.0的煤料适宜作为直接液化用煤(图1)。

图1 煤镜质体反射率与煤转化率之间的关系Figure 1 Relationship between vitrinite reflectance and coal conversion rate

1.2 水分

水对于直接液化而言,不利的方面是主要的,有利的方面是次要的[4]。

液化过程中，原料煤中的水分要低，因为水分的存在会使氢化反应速度放慢，所以，低煤阶煤的高水分成为液化中的一个不利因素。水分高的煤，首先需要干燥，这就造成了不必要的热损失。而且水分高将不利于磨矿和制煤浆。只有在某些液化工艺中，如一氧化碳蒸汽工艺，这时水的存在才是有益的。

1.3 灰分

煤中的灰分(主要是煤中的无机组分)在多数煤液化工艺中都是消极因素大于积极因素，它会影响煤转化终端产品的质量与过程效益，因此一般来说都希望煤中的无机组分越少越好。试验表明煤中灰分多少对煤的液化率与转化率无明显影响，但煤中灰分太高会给液化操作带来诸多不便[2]。在多数情况下，原煤的液化效果比精煤要好，所以液化以采用原煤为宜。原料煤的灰分不要超过25%，过高会给整个工艺系统带来一系列困难[5]。灰中的Fe、Co、Mo等元素和黄铁矿对液化有催化作用，可产生好的影响，但灰中的Si、Al、Ca、Mg等元素易结垢、沉积，影响传热和正常操作，且造成管道系统磨损堵塞和设备磨损。因此加氢液化原料煤的灰分较低为好，一般认为液化用原料煤的灰分应小于10%。

GB/T 23810-2009直接液化用原料煤技术条件中将灰分分为1级≤8.00%，2级8.01%～12.00%，相当于GB/T 15224.1-2010中煤炭资源评价灰分分级特低灰煤(≤10.00%)和部分低灰煤(10.01%～20.00%)。

1.4 氢碳原子比

煤中氢碳元素的原子比在一定程度上也能代表煤的变质程度。氢对高变质程度的煤，尤其无烟煤能很好地反映变质程度规律。

有研究认为[6]，氢、氧含量高，碳含量低的煤转化率为低分子产物的速度快，特别是H/C原子比高的煤，其转换率和油产率高，但是当H/C原子比高到一定值后，油产率将随之减小(图2)。

图2 氢碳原子比与煤转化率的关系Figure 2 Relationship between H/C and coal conversion rate

这是因为H/C原子比高、煤化程度低的(泥炭、年轻褐煤)含脂肪族碳和氧较多，加氢液化生成的气体和水增多。一般来说，除无烟煤不能液化外，其他煤均可不同程度的液化，煤炭加氢液化的难度随煤的变质程度增加而增加，即泥炭<年轻褐煤<褐煤<高挥发分烟煤<低挥发分烟煤。

褐煤和年轻的高挥发烟煤的H/C原子比相对较高，它们易于加氢液化，并且H/C比越高，液化时消耗的氢越少，通常选H/C原子比大于0.8或碳氢质量比小于16的煤作为直接液化用煤。含碳量(Cdaf)在80%～85%的煤，其转化率最高。

低阶位煤，如褐煤等，得出的液体产率比烟煤低，但活性较高，对液化条件很敏感。煤的碳含量(Cdaf)在52%～84%，其转化率随H/C或O/C比增加而增大。低阶位煤(Cdaf<80%)，含芳香碳较少，可能有足够活性的健容易断开进行液化，但液化时氢耗较大；低阶位煤含钙量较高，使得液化器内易沉积碳酸钙。

1.5 惰质组含量

同一煤化程度的煤，由于形成煤的原始植物种类和成分的不同，成煤初期沉积环境的不同，导致煤岩相组成也有不同，其加氢液化的难易程度也不同。煤中镜质组、壳质组和惰质组在液化时具有不同的液化反应性。同一煤岩显微组分因变质程度的差异也表现出不同的液化性能。许多研究已经证明，高挥发分煤的镜质组和壳质组为煤的活性组分，在加氢液化时具有较高的转化率。其中壳质组的液化率高于镜质组，惰质组的液化性能最低。

研究工作表明，液化用煤的惰质组含量应在10%以下，最高也不要超过15%，否则未反应的煤太多会影响液化效果[5]。因此煤中惰质组含量也应作为煤液化性能的重要评价指标，煤中惰质组含量越少，镜质组和壳质组含量越高，其液化性能越好。另外煤岩显微成分控制了煤加氢液化的最佳反应温度。煤液化行为不仅取决于煤的平均化学组成，而且还具有明显的颗粒特征。煤的显微组分可以较好的满足上述要求。

1.6 哈氏可磨性指数

煤的可磨性是指煤磨碎成粉的难易程度。煤的可磨性与其煤化度、水分含量和煤的岩相组成、以及煤中矿物质的种类、数量和分布状态有关。它是确定煤粉碎过程的工艺和选择煤粉设备的重要依据。

直接液化过程要求先把煤磨成200目左右的粉煤，并干燥到水分小于2%。如果可磨性不好，生产过程能耗会很高，设备磨损严重，配件、材料消耗大，增加生产成本。大量数据统计表明哈氏可磨性指数大于50适合用于液化。

2 直接液化用煤指标体系及分级

综上所述，影响液化用煤质量的因素较多，首先是合适的煤类选择，用于煤炭直接液化的煤类可使用年老褐煤、长焰煤、不黏煤、弱黏煤、部分气煤等低变质烟煤作为原料煤。煤炭直接液化用煤应考虑灰分、挥发分和煤岩显微组分含量等主要技术指标。镜质组反射率直接反映了煤级，煤中镜质组和壳质组的含量直接影响了煤的H/C比值和挥发分产率，煤岩指标较工业分析和元素分析指标更能准确地表征和预测煤的液化性能。选择出具有良好液化性能的煤不仅可以得到高的转化率和油收率，使反应在较温和条件下进行，并且可以降低操作费用[7]。

考虑煤炭资源的实际情况，一般都是对原煤进行评价，通过对煤炭科学总院北京煤化学研究所15种适宜液化煤和神华直接液化煤煤质数据的分析，结合GB/T 23810-2009直接液化用原料煤技术条件中项目指标值和“特殊用煤资源潜力调査评价”项目收集资料及调研的情况，提出直接液化用煤(原煤)指标分级方案(表1)。

表1 直接液化用烟煤或褐煤(原煤)评价指标分级方案

注：H/C,以干燥无灰基表示；I为去矿物基。

3 应用实例

3.1 直接液化用煤评价方法

本次选择陕西府谷、神府矿区和内蒙胜利、白音华矿区的部分井田为评价区，以表1为基础，按如下步骤对直接液化用煤(原煤)资源进行评价[8]：

第一步骤，计算参数基本数据统计。将井田或勘探区的主要煤层作为基本评价单元，采用加权平均方法，分别统计所有参评基本单元的计算参数。基本数据包括全水分(Mt/%)、灰分(Ad/%)、挥发分(Vdaf/%)、氢碳原子比(H/C，以干燥无灰基表示)、惰质组含量(I，去矿物基/%)、哈氏可磨性指数(HGI)和镜质体反射率Rmax/%, 如果缺乏实测数据，则采用地质类比法获得相关数据。

第二步骤，划分基本评价单元直接液化用煤类型，并计算其煤炭资源量。根据表1分类指标，划分基本评价单元(主煤层)的直接液化用煤类型，每一基本评价单元对应一种直接液化用煤类型。然后，采用体积法计算相应直接液化用煤类型的煤炭资源量。

第三步骤，直接液化用煤资源量汇总与分析。根据建立的区划方案(表2)，按井田(勘探区)、矿区两个层次进行汇总。

表2 评价区区划方案

3.2 评价结果

根据表1和评价方法，对评价区的直接液化用煤资源进行了类型划分，结果如表3。

从表3可看出，评价区没有优质液化用烟(褐)煤，府谷矿区为一般液化用烟煤，神府矿区为中等液化用烟煤，胜利矿区为中等液化用褐煤和一般液化用褐煤，白音华矿区为中等液化用褐煤。神府矿区灰分(Ad)低于10%，但惰质组含量(I，去矿物基)较高,超过40%，其液化性能一般； 白音华矿区惰质组含量(I，去矿物基)低于6%，灰分(Ad)16.74%～27.52%， 通过洗选， 4个井田的浮煤灰分(Ad)为8.71%～10.86%，降至12%以下，可作为优质液化用褐煤。胜利矿区胜利东一号、 胜利东二号井田惰质组含量(I，去矿物基)平均分别为9.11%和12.2%，胜利一号、胜利东三号惰质组含量(I，去矿物基)>15.00%，原煤洗选后4个井田的浮煤灰分(Ad)为8.34%～10.67%，降至12%以下，胜利东一号、胜利东二号可作为优质液化用褐煤，胜利一号、胜利东三号可作为中等液化用褐煤。

表3 评价区直接液化用煤资源等级表

4 结论

①通过分析直接液化用原料煤煤质指标全水分(Mt/%)、灰分(Ad/%)、挥发分(Vdaf/%)、氢碳原子比(H/C，以干燥无灰基表示)、惰质组含量(I，去矿物基/%)、哈氏可磨性指数(HGI)和镜质体反射率Rmax/%，提出了直接液化用煤(原煤)指标分级方案。

②选择陕西府谷、神府矿区和内蒙胜利、白音华矿区的部分井田为评价区，以表1为基础，对直接液化用煤(原煤)资源进行了评价，认为评价区没有优质液化用烟(褐)煤，主要为中等液化用烟(褐)煤和一般液化用烟(褐)煤，白音华矿区和胜利矿区部分井田，原煤经洗选后可作为优质液化用褐煤。

[1]张玉卓.煤洁净转化工程--神华煤制燃料和合成材料技术探索与工程实践[M].北京：煤炭工业出版社,2011.

[2]王生维，李思田. 抚顺长焰煤的液化性能研究[J].煤炭转化，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 刚,凌开成.煤的结构对直接液化反应性影响的分析[J].洁净煤技术.2008,14(4):35-39.

[5]杨秀敏.浅谈液化煤的要求[J].煤炭技术，2004,23(6):6-8.

[6]蒋立翔,煤质对煤液化效果的影响分析[J].煤化工,2008,(5):46～49.

[7]张银元，赵景联. 煤直接液化技术的研究与开发[J].山西煤炭，2001,21(2):32-36.

[8]秦云虎,李壮福,王双美等.华东地区液化煤资源评价指标及总体构成[J].中国煤炭地质,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

项目来源：《特殊用煤资源潜力调查评价》，项目编号：DD20160187

秦云虎(1962—)，男，江苏无锡人，教授级高级工程师，1985年毕业于山东矿业学院煤田地质勘查专业，现主要从事煤炭地质勘查、科研及岩土工程工作。

2017-08-26

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.09.02

1674-1803(2017)09-0007-04

A

责任编辑：宋博辇