新疆库拜地区煤质特征与气、液转化可行性研究--以榆树田下10 煤为例

沈宝存 张 号 孙先立

（1.湖北煤炭地质勘查院，湖北 武汉 430074；2.徐矿集团，江苏 徐州 221018）

随着西北地区煤炭资源的大力开发，与煤化工相关领域的投资和研究也越趋火热，不少专家学者针对西部地区的煤质特征及气化工艺参数、工艺选型进行了研究[1-5]。这些研究在大尺度上研究了西北地区煤的气、液化所需的煤质指标，但对于新疆库拜煤田在煤质参数的匹配及针对煤层的工艺性能和气、液化评价指标等方面的问题研究程度较低。

本次以新疆库拜地区榆树田煤矿下10 号煤层作为研究对象，通过采集下10 煤层相关样品并进行化验测试，对其进行了煤岩煤质、工艺性能和气、液转化特性分析，为新疆库拜地区煤的气、液化可行性研究提供了理论支撑。

1 井田地质简述

1.1 地层

井田内地层从老到新为：侏罗系下统塔里奇克组（J1t）、侏罗系下统阿合组（J1a）、侏罗系中统克孜努尔组（J2k）、第四系全新统（Qhpl）。

1.2 构造

榆树田井田横跨夏阔坦向斜两翼，向斜轴呈近东西向展布，东部翘起，向西倾伏，北翼缓，地层倾向185°～245°为主，倾角10°～14°，南翼陡，地层倾向340°～355°为主，倾角40°～60°，地表和井下未发现断层。如图1。

1.3 煤层赋存

作为本次研究对象的下10 煤层，位于塔里奇克组下含煤段（J1t1），基本不含夹矸，结构简单，平均可采厚度7.05 m。如图2。

图2 下10 煤厚度等值线图

2 煤岩煤质

2.1 工业分析

工业指标是判断煤的用途及煤炭质量好坏的依据。通过施工勘查钻孔并采集样品送检化验，得到勘查区内煤层的工业指标数据见表1。

表1 下10 煤层工业指标数据统计结果

1）Mad：下10 煤层原煤水分含量0.67%～1.20%，平均为0.93%，属低水分。在气、液化过程中，煤内水分太高，会使煤浆的浓度降低进而气化炉需要更多的能量，间接导致煤的气、液化转化率下降,本区下10 煤水分不高，因此对煤的气、液转化有利。

2）Ad：灰分直接影响煤的发热量，间接影响其工业生产价值。本区下10 煤灰分均值为9.93%，属低-特低灰分。灰分超标会使煤灰流动温度超过正常范围，影响到气化设备寿命及生产安全。《煤化工用煤技术导则》规定灰分低于10%的煤才能用于直接液化，下10 煤灰分平均含量较低，因此对煤的气、液转化有利（图3）。

图3 下10 煤灰分等值线图

3）Vdaf：挥发分数值高低直接反映煤变质程度的深浅。研究区下10 煤挥发分均值为36.49%，属中高-高挥发分。在向液态转化时，挥发分数值越高煤转化越容易，可直接液化的煤其挥发分数值一般不低于35%。研究区下10 煤挥发分均大于33%，因此可以将下10 煤作为煤液化的优选区块。

4）St,d：研究区全硫百分含量均值0.38%，属特低-低硫。煤向液态转化时，具有一定含量的硫可以提高油产率，同时有利于煤向液态转化。本区属于特低-低硫煤，因此对煤向液态的转化有利。

5）H/C 及O/C：下10 煤层H/C 值平均为0.06（表2）。在变质程度较低的煤中，H/C 值能一定程度反映出煤转化时的转换效率及产油率，其值越高对煤向液态的转化越有利，本区H/C 值不低于0.05，经筛选后该值能得到提升；本区O/C 均值为0.09，在煤直接向液态转化时，该值的范围一般在0.06～0.26之间，本区下10 煤层H/C值均在此范围，因此可以作为煤液化的优选目的煤层。

表2 下10 煤层煤岩显微组分测试结果

2.2 工艺性能

1）ST与FT：下10 煤灰熔融性软化温度（ST）均值为1157 ℃，属低软化温度；煤灰熔融性流动温度（FT）均值为1213 ℃，为低-较低流动温度（LFT-RLFT）。一般煤向气态转化过程时的排渣难易程度可以用煤灰熔融性来衡量，过高的ST和FT会使气体中的有效成分发生改变，同时造成生产设备的损耗，生产中规定流动温度不高于1350 ℃的煤才能作为气流床气化用煤。本区下10 煤符合气化用煤对煤灰熔融性的要求。

2）GRI：下10 煤黏结指数平均94，属特强黏结煤。水煤浆气流床气化用煤对黏结指数无要求。

3）HGI：经测试得到下10 煤HGI均值为49，属较难磨煤（RDG）。可磨性指数较低的煤更适合用来制作浓度较高的水煤浆，以此可以降低能量的损耗及生产系统的磨损。因此当下10 煤用于气化时需注意对设备进行改造，以减少设备损耗。

2.3 煤岩特征

煤的液化工艺与其显微煤岩特征密切相关，显微组分不同，煤的液化效率也会不同。显微组分中的壳质组和镜质组一般被归为活性组分，煤向液态转化的转化率及产物一般和这些活性组分的含量相关，活性组分越多，则对煤向液态转化越有利；一般条件下难以液化的为非活性组分，其主要包括惰质组。下10 煤显微煤岩组分测试结果见表2。

1）研究区煤层的有机组分总含量占总组分的89.3%，其中主要为镜质组，其次为惰质组，含量最少的为壳质组。前人在研究煤的液态转化时发现，煤液化的转化率与其活性组分含量呈正相关。本区活性组分含量高，因此下10 煤适合进行液态转化。

2）下10 煤层的惰质组含量占本区有机组分的39.5%。研究表明非活性组分含量也会影响煤液化转化率，且二者之间的关系呈负相关。也有研究发现，惰质组含量高的煤具有高产油率的特征。因此下10 煤虽然含有较高的惰质组，但仍符合直接液化的条件，可用于液化用煤。

3）含矿物基显微组分中约含10.63%的无机质，其主要为黏土类矿物，其次为极少量的碳酸盐。煤岩样的化验结果显示，下10 煤层的镜质组最大反射率（Ro.max）均值约为0.56%，变质程度因此属于I阶段，属低变质煤。我国西北部的低阶煤中镜质组最大反射率低于1.5%时，惰质组中存在活性的半丝质组可以促进煤向液态转化。

3 转化性能评价

通过对榆树田井田下10 煤层进行采样测试发现，本区下10 煤层的工业指标表现出低水、低-特低灰、中高-高挥发分、高氢/碳比、低-特低硫的特点，工艺性能表现出低煤灰熔融性、特高黏结性、高热稳定性、抗碎强度高、可磨指数较高的特点，而其显微组分显示出该层煤层活性组分高的特征。本次研究通过构建煤的气、液转化的评价指标体系，结合本区煤质测试成果，进而对榆树田井田下10煤的气、液转化性能进行分级评价。

3.1 气、液化用煤的评价指标

表3、表4 是在前期研究及工业生产基础上总结出的气、液化用煤的评价指标体系。从表可知，气化用煤通常采用常压固定床气化等四种工艺，四种工艺的共同评价指标包括灰熔融性、灰分和硫分。四种的不同之处为：干煤粉气流床气化增加了HGI值及水分两个评价指标；常压固定床气化添加了水分、热稳定性、黏结指数这三个指标；水煤浆气流床气化添加了HGI值这一指标；流化床气化添加了水分、黏结指数这两个指标。液化用煤工艺的评价指标主要为镜质组最大反射率、H/C值、权重分析、惰质组质量分数。

表3 气化用煤评价指标

表4 液化用煤评价指标

不同工艺再按照各指标的差异继续划分对应的等级，直接气、液化用煤对应一级标准，满足气、液化用煤指标的对应二级标准，符合国家煤炭资源用煤标准、用于战略储备的对应三级、四级标准。

3.2 转化利用性能评价

榆树田井田下10 煤层灰分均值9.93%，水分不高于10%，黏结指数均值94，软化温度（ST）均值1157 ℃，全硫均值0.38%，HGI值平均是49%。除HGI值外，其他指标均符合水煤浆气流床气化一级指标和干煤粉气流床气化一级指标的用煤要求，可以作为普通气化用煤。对于液化用煤，下10 煤除H/C值不符合要求，其余各项数值均符合二级指标的要求，即下10 煤可用于普通液化。

4 结论

通过对榆树田煤矿下10 煤层进行采样测试，发现下10 煤层煤质具有低水、低-特低灰、中高-高挥发分、高H/C、特低-低硫等特点，满足气化用煤指标体系中水煤浆气流床气化和干煤粉气流床气化一级指标，可作为普通气化用煤；除H/C值指标不符合要求，其余指标均符合液化用煤二级指标的要求，可以用于普通液化。