富油煤原位热解技术战略价值与科学探索

【背景】我国油气需求缺口大、供给制约多、煤炭绿色低碳转型任务艰巨,富油煤作为集煤、油、气属性于一体的煤炭资源,具有立足国内增加油气供给的巨大潜力。【进展】富油煤原位热解技术已在陕西榆林成功实施工程试验,目前仍处于探索阶段。其具备两大战略价值:一是弥补我国油气需求缺口,提高油气自主保障能力;二是变革煤炭开采技术,推动煤炭产业绿色、低碳转型发展。富油煤原位热解包括钻孔式和矿井式两种实践途径,目标是持续高效提取煤中油气资源,主要面临热解选区、加热技术与高效传热传质等难题。【展望】“四性”是原位热解技术研发的关键,包括地质条件适宜性、加热技术匹配性、传热传质有效性和热解安全稳定性。主要内容为:(1)从富油煤资源条件、地层封闭条件、水文地质条件和构造条件等方面阐明适宜富油煤原位热解的地质基础,揭示热辐射范围内围岩封闭动态稳定性的约束条件,为原位热解选址和工程设计提供地质依据。(2)深刻认识富油煤在温度、应力约束下的热物理性质演化行为,基于地质−工程条件论证原位加热技术适宜性,并针对煤层低导热特性开展高效加热工艺设计,通过风、光、电多种供能方式互补实现供热能源经济性。(3)地应力、大尺度煤体、焦油高黏度是制约原位热解油气运移、产出的主要因素,煤层致裂、载热介质优化与温压调控、焦油降黏轻质化是改善煤层传热传质性能和提高热解油气可产出性的潜在方法。(4)原位热解持续稳定运行依赖于全过程监测与动态预警,需要监测手段立体化、地质信息反演精准化、多相多场环境模型化、突变阈值预测预警等技术予以支撑。进一步探索与地质条件相匹配的富油煤原位持续高效热解关键技术,破解煤炭资源开发与地质环境之间的制约矛盾,是推动富油煤原位热解技术深入发展的关键。

新疆富油粉煤快速热解特性研究

针对我国富油粉煤资源未被充分合理利用的问题,设计并搭建了一种高频炉快速热解装置,以新疆富油粉煤为原料,研究了快速热解对初始热解产物生成规律的影响。结果表明:随着热解终温和升温速率的增加,轻质可燃气体产量增加,H2摩尔分数超过45%;焦油产率提高,最高可达到煤样格金焦油产率的125%,但也伴随重质组分增加,导致焦油品质降低;GC/MS分析表明,与慢速热解相比,快速热解下焦油中长链烷烃的质量分数降低至1.33%(主要为十六烷),而多环芳烃类物质的质量分数显著增加至61.26%,焦油组分的相对分子质量和芳香性增加;通过比表面积分析发现,快速热解半焦的孔结构部分坍塌或融合,比表面积和微孔数量减少,降低了对氧气的吸附能力,从而降低了半焦自燃的可能性。

古城矿区富油煤赋存特征及主控因素分析

以前期煤田勘查成果为基础,选取4^(#)、8^(#)和9^(-1#)煤为研究对象,通过原煤焦油产率分级划分,研究了各煤层的富油煤赋存特征;从镜惰比(V/I)、H/C原子比、挥发分产率及灰成分指数等方面,探讨了富油煤的时空分布规律及主控因素。结果表明:各煤层焦油产率主要分布在9.02%~11.43%;平面上,4^(#)、8^(#)煤多为富油煤,高油煤零星分布;9^(-1#)煤以富油煤为主,局部分布高油煤;垂向上,自上而下煤层焦油产率呈增大趋势。煤层焦油产率与挥发分产率、氢元素含量均呈正相关,与灰分产率负相关,与灰成分中CaO含量呈弱正相关。煤层镜质体反射率为0.723%~0.733%,变质程度中等,生油潜力较大,含腐泥型母质为生油提供了物质基础,温暖、潮湿的气候环境和较深覆水或闭塞条件下的还原环境有利于富油煤形成。

富油煤原位热解地下开采及提质方案研究

富油煤是重要的煤基油气资源。通过对三塘湖煤田汉水泉、条湖和白石湖矿区煤质特征及煤的热解产物进行分析,探讨了研究区煤原位热解地下开采的可行性与提质利用方案。研究结果表明:汉水泉矿区富油煤热解半焦产物性能指标好,条湖、白石湖矿区富油煤半焦灰分质量分数过高,超过了相应指标,其利用受限制;结合矿区实际情况,应优先发展煤的低温干馏与煤焦油的加氢制取产业,获得燃料油及相关化工产品,采用梯级利用模式;结合研究区富油煤结构特征与热解性能,提出“液化为主、气化为辅、原位固碳”的分级利用模式。

青龙寺煤矿煤层特征综合研究

为查明陕北侏罗纪煤田新民矿区青龙寺煤矿井田煤层特征,进而为煤炭资源的洗选、加工利用以及煤矿安全、高效、绿色、智能化开采提供基础地质资料,采用地质钻探、岩心精细描述、宏观/显微煤岩组分分析、煤地球化学分析、煤自然发火试验及发火标志性气体气相色谱分析、比热分析等多种技术手段,根据测试结果,综合分析青龙寺煤矿煤岩煤质特征及其自然发火特征。结果表明,新民矿区青龙寺煤矿各煤层裂隙不发育,煤体的坚固性系数1.5~3.2,属于中硬—坚硬煤体,并提出了注水压裂超前弱化坚硬煤岩体、降低煤岩体强度;煤质具有中—高水分、低灰分、低—特低硫、高发热量的高焦油煤的特征,局部存在高水分煤;煤层均属于自燃—容易自燃煤层、自然发火期短,发火标志性气体为CO、C_(2)H_(4)、C_(2)H_(6)和C_(3)H_(8),其中C 2H 2为辅助性标志,5^(-2)煤层最短自然发火期为36 d。煤炭开采过程中,加强对漏风通道的封堵的同时,应加强密闭采空区气体监测、综采工作面通风管理和开采速度的控制,严格落实综合防灭火措施。研究成果可为煤矿煤炭资源清洁利用、加工洗选以及火灾的早期预警和日常防治提供依据。

西部地区富油煤开发利用潜力分析和技术体系构想

西部地区富油煤资源量丰富,具备产业规模化发展的资源基础;科学认识富油煤的油气资源属性,推动以油气为主要产品的富油煤开发与转化,是增加国内油气供给、缓解油气对外依存度、保障国家能源安全的战略方向。本文依据现阶段煤炭资源的勘查成果,估算了西部地区富油煤资源潜力;系统梳理了西部地区富油煤开发利用的现状和存在问题;针对碳达峰、碳中和战略目标,智能绿色开发,弥补油气不足等新要求,论证提出了西部地区富油煤开发利用的基本理念与技术构想。研究认为,富油煤的开发利用,需要着重突破高精度综合勘查、高回采率开采、井下原位热解、热解气化一体化、原位热解半焦CO_(2)封存等关键技术。研究建议,将富油煤纳入非常规油气资源管理,加大富油煤开发利用科技攻关,设立富油煤开发利用国家级示范区,推动西部地区新能源和富油煤协同开发,由此发挥富油煤作为煤基油气资源的特殊优势、实现煤炭资源低碳高值利用。

神府南部矿区低阶煤化学组成与工艺性质:特征、关系与实践

煤炭分质利用是契合其高效、清洁与绿色发展趋势的必然途径,而了解煤的基本化学组成与关键工艺性质是实现煤炭资源分级分质利用的基础。陕西神府南部矿区煤炭储量丰富,是西部重要的低阶煤生产基地,但长期以来未能完全实现煤的最佳分质利用,制约着优质煤炭资源价值优势的充分发挥以及经济与社会效益的进一步提升。以此为背景,以神府南部矿区主要生产矿井低阶煤样品为研究对象,开展煤的化学组成与工艺性质测试,化学组成包括工业组分、主量元素、全硫与形态硫、有害元素P及煤灰成分等,工艺性质包括发热量、低温干馏、热稳定性与煤灰熔融性等方面。基于数量化分析方法揭示煤的化学组成与工艺性质特征及其内在关系,构建基于化学组成的工艺性质预测数学模型,为煤炭分级分质利用提供基础依据。结果显示:①研究区低阶煤资源以特低灰、特低硫、特低磷、高-特高发热量、富油、高热稳定性、弱-无黏结性为特点,品质优良,具有显著的分质利用优势,尤其广泛分布的富油煤应予以高度重视;②煤的工艺性质与化学组成之间存在密切成因联系,发热量与固定碳含量呈正相关,低温干馏焦油产率与挥发分产率、氢元素含量呈正相关,水分含量决定低温干馏总水分产率,且在特定煤类条件下,灰分产率是控制煤诸多工艺性质的关键因素,包括发热量、黏结性、焦油产率等,均呈负相关性;③基于逐步回归分析与显著性检验,建立了基于化学组成预测煤关键工艺性质的数学模型,并以张家峁矿为例,利用所建模型预测低温干馏焦油产率和富油煤分布,预测结果与实测数据相符,验证了模型的可靠性。建立的预测模型为利用早期地质勘查资料评价煤的关键工艺性质,尤其富油煤分布提供了可行途径。研究成果对丰富陆相盆地低阶煤物质组成与化学性质基础认识,刻画其内在关联属性与量化模型具有重要参考价值,可为神府南部矿区以及其他类似地区优质煤炭资源(富油煤)的科学评价与最佳利用提供参考依据。

富油煤的油气资源属性与绿色低碳开发

黄河中上游是国家大型煤炭基地集中分布区,也是我国富油煤的主要生产区。受我国“缺油、少气、相对富煤”资源禀赋特点的制约,煤炭安全绿色开采,清洁低碳利用已成为保障国家能源安全的重大需求。实现黄河流域富油煤开发与生态环境保护协调发展,对缓解我国油气供应紧张、保障能源战略安全具有重要的科学价值和现实意义。富油煤是集煤油气属性为一体的煤炭资源,其油气潜力、特殊性、关键地质问题亟需研究,绿色低碳化开发技术亟待探索。①富油煤主要赋存于中低阶煤类中,主要特点是富含较多富氢结构;在隔绝空气加热时,可生成油、气和半焦。半焦主要成分为固定碳,与无烟煤相近;气体的主要成分是CH_(4),H_(2),CO等,可以作为燃料气和原料气;油为煤焦油,类似于重质石油,可通过前处理、加氢精制和加氢催化裂化工艺等达到清洁燃料油标准;②富氢结构是富油煤具有油气资源属性的物质基础,研究富氢结构的岩石学、沉积学特征及变化规律,分析富氢结构物质来源、沉积转化、变质演化、聚集规律及地质驱动机制,是构建富油煤预测模式与评价理论的基础;③梯级利用和原位热解是富油煤绿色低碳开发的重要途径。富油煤地面热解-气化一体化、热解-化工-发电一体化技术可以实现清洁高效利用,井下原位热解有望破解清洁低碳利用的难题。其中,矿井式原位热解技术通过井巷工程布置方式,利用井下巷道开展煤层分割、保温封闭,通过煤层原位加热实现井下热解生产油气;钻孔式原位热解技术通过注热孔加热和油气抽采孔回收油气,也可借助人工辅助造缝,实现加热回收油气。将富油煤作为煤基油气资源管理和开发,是新时代煤炭工业高质量发展的重要方向。

柠条塔煤矿富油煤赋存特征及其成煤环境控制

为查明柠条塔煤矿富油煤煤岩煤质变化特征、成煤环境,通过收集整理的煤岩特征、工业分析、元素分析等数据,统计分析镜惰比、形态硫分布、灰成分指数、三角端元图及干酪根类型等参数,探讨各煤层参数变化及成煤环境。结果表明:各煤层焦油产率平均值7.5%~11.5%,以富油煤为主,煤岩组分中惰质组含量较高,镜惰比为0.65~1.62,煤系剖面上呈低-高-低变化特征,与焦油产率、硫分均呈正相关关系;灰分及灰成分指数显示成煤沼泽接近陆源区,覆水程度较浅,2^(-2)、3^(-1)和4^(-2)煤偏向于覆水较深的还原性环境;活性组分(镜质组+壳质组)、挥发分及氢含量较高的煤层,焦油产率也高,惰质组含量高则相反;各煤层煤化程度相当于石油开始形成阶段。

造缝产烃还是改质造烃?——论含油气源岩层系的储集层属性和烃源岩属性

源岩层系油气已成为世界油气工业体系中举足轻重的重点领域,未来发展潜力很大。本文通过深入解读含油气源岩层系的地质形成条件,发现储集层属性和烃源岩属性在根本上决定了源岩层系油气成功开发的技术路径。储集层属性是指储集层储存和渗滤油气的物理性质及其相互关系,地史时期微—纳米级孔-喉-缝系统充注和聚集了大面积连续型油气资源,人工压裂形成缝网系统突破了致密储层的连通属性短板,成功开发了规模油气资源,突破流动属性短板可能是另一个发展方向。烃源岩属性是指烃源岩滞留、转化和排出油气的物理化学性质及其相互关系,包括已转化的滞留油气和未转化的残留有机质,滞留及潜在烃类资源规模巨大,地下人工加热等方式理论上可突破烃源岩的有机质数量和成熟度属性短板,可能是实现成功开发的有效路径。储集层属性和烃源岩属性是实现源岩层系油气规模发展的内在潜质基础,公共属性参数是外部环境基础。造缝产烃还是改质造烃?前提是准确研判优选何种内在属性参数,基础是系统整合优化所有外在属性参数,推动实现源岩层系油气商业化可持续发展,未来中低熟富有机质页岩及油页岩、中高熟富气态烃页岩层系、低变质程度富油煤岩、深层可气化煤炭等是值得期待的战略发展领域。

论富氢镜质组型腐殖煤──生油煤的一种新类型

根据大量样品综合配套分析研究结果，提出并论证了中国南华北盆地晚石炭世太原组（Ｃ＿２）富镜质组腐殖煤是一种新的煤型油源岩或生油煤。其特点是主要油源组分不是类脂组而是镜质组；确切地说，它是一种有少量类脂组“参与”的、主要由富氢镜质体构成的富镜质组腐殖型的生油煤。这种新型生油煤的发现和确定是“煤成烃”和“镜质组生油”领域的重要突破，具有全球性的科学与战略意义。

陕北富油煤熄焦特征污染物析出规律探究

为研究陕北富油煤的熄焦特征污染物析出规律,从而实现煤炭的清洁高效利用。以张家峁4-2富油煤为研究对象,采用热解炉制备不同热解终温和不同热解恒温时间的热解焦,对热解焦进行干法熄焦,探究熄焦过程中特征污染物的析出规律。实验结果表明:富油煤热解干熄焦过程中,污染物SO_(2)最大浓度为400×10^(-6)、颗粒物最大浓度为400 mg/m^(3),同时有少量的NO产生,熄焦6 min后SO_(2)浓度降至较低水平,8 min后基本不再产生污染物,13 min后热解焦温度降至250℃,熄焦过程结束;相对于大粒径(5~30 mm)的煤,小粒径(<5 mm)的煤产生的SO_(2)和颗粒物更多。

陕北榆神矿区富油煤深成变质的古地质温度计算方法初探

根据陕北榆神矿区2-2号、3-1号、5-2号煤层的地质概况(位置、镜质体反射率和平均镜质体反射率),利用吴氏煤变质热动力学方程计算古地质温度为54.2~79.4℃,并将各煤层的古地质时间、镜质组反射率和古地质温度三者之间的相互关系用图加以显示。对于榆神矿区的富油煤层,要升高0.02%镜质组反射率,古地质温度只需要升高3℃;而古地质时间则需要延长大约5000万a。根据煤层的最大埋深,用地表恒温15℃、鄂尔多斯盆地现地温梯度2.88℃/100 m计算得出现埋深温度仅为32.5~35.6℃,还达不到褐煤变质的临界温度。利用以正常地温为热源的煤生成镜质组反射率梯度一般低于0.06%/100 m的结论,计算得古温度梯度为8.27~8.59℃/100 m,因此重新计算的埋深温度已经升至在67.1~74.1℃。采用吴氏煤变质热动力学方程计算出最大古地质温度和平均镜质组反射率的条件下的有效受热时间6800~9600万a。

少油点火与水平浓淡燃烧器相结合在一台600MW机组锅炉上的应用

介绍了为减少煤粉锅炉启动用油 ,将少油点火与百叶窗水平浓淡煤粉燃烧器结合 ,并且应用在一台 6 0 0MW的锅炉上的设计、试验和应用情况。点火小油枪的布置位置没有按照传统作法布置在下一次风口内 ,而是将其放置在紧邻下一次风口的二次风口中 ,以避免其因磨损而失效。利用水平浓淡燃烧的特点 ,将小油枪火焰尽量冲向浓侧煤粉气流 ,以便尽可能充分混合。试验表明 ,这种技术能够可靠地点燃煤粉并稳定燃烧 ,取得了显著的节油效果。此外 ,由于每支小油枪都配有专门的火焰检测器 ,而且并入了FSSS系统 。

富油煤热解流体滞留特征及其机制

富油煤作为煤基油气资源在我国西部地区拥有丰富的资源量,对其规模化提取油气不仅有利于提高国内能源供给能力,同时有利于改善煤炭的高碳属性。富油煤原位热解技术在提取煤中油气资源的过程中,具有绿色、低碳、地质结构损害小的优势,但其油气产出可能面临流体迁移约束与滞留问题。利用低场核磁共振实验和热重分析实验充分证实了富油煤热解残样中存在油气滞留特征,基于傅里叶红外光谱数据探讨了煤基质结构演化对热解流体迁移的束缚和滞留机制。研究结果表明,低场核磁共振T_(1)-T_(2)谱显示富油煤500℃热解后存在较强烈的油性小分子信号,利用热重分析技术对500℃热解后的半焦再次进行热解实验,发现其初始热解温度仅为461.5℃,低于前期500℃预处理温度。对比该热解样品与未热解的富油煤原始样品,在371~462℃热解温度段活化能前者却远低于后者。上述现象充分说明500℃富油煤热解阶段存在油的束缚情况。随着热解温度的升高,煤中含氧官能团和脂肪结构不断减少,导致煤-油相互作用增强、煤-水相互作用减弱,这一方面使煤基质对热解焦油的迁移约束性增强,另一方面使煤中可动水含量逐渐增多。此外,煤的芳香结构不断增多,使得煤基质塑性减弱、表面张力增强,也不利于热解产物形成的气泡突破基质壳体,从而产生滞留。然而,700℃热解样品几乎没有束缚油特征,这主要是由于该温度段热解产物发生了强烈的二次热解反应,滞留物质多以气态小分子形式存在。上述研究有助于深化富油煤原位热解流体迁移与产出认识。

郭家沟富油煤细菌降解产腐殖酸研究

通过单因素实验和正交实验,分别得到荧光假单胞菌和蜡样芽孢杆菌降解郭家沟富油煤提取腐殖酸的最优工艺条件,将最优工艺条件下得到的2种生物腐殖酸与碱性萃取剂法得到的化学腐殖酸利用元素分析、UV-vis、FTIR、XRD及有机质元素检测法进行了对比。研究发现,荧光假单胞菌和蜡样芽孢杆菌在煤浆浓度为0.5 g/50 mL、提取时间14 d时,对煤样腐殖酸的最高提取率分别为32.87%和38.23%;而碱提取法对煤样腐殖酸最高提取率为42.70%。元素分析表明,2种生物腐殖酸与化学腐殖酸相比,H、N及S含量较高,O、C含量较低;UV-vis、FTIR表明2种生物腐殖酸与化学腐殖酸相比分子量较小,芳香度较低;XRD表明2种生物腐殖酸与化学腐殖酸相比芳香层片间距较大,碳层数较少;营养元素分析表明2种生物腐殖酸与化学腐殖酸相比,N、P、K、Ca、Mg的含量远远大于化学腐殖酸。虽然生物腐殖酸的提取率比化学腐殖酸低,但微生物提取具有反应条件温和、清洁无污染、有机质元素含量高等优点。

陕西省富油煤资源潜力及开发建议

碳达峰、碳中和目标要求下,陕西作为煤炭资源大省,煤炭资源的低碳开发与利用势在必行。基于陕西五大煤田的5000余组煤质数据,研究陕西省煤炭资源中煤焦油产率的变化规律为:陕北三叠纪煤田>陕北侏罗纪煤田>陕北石炭–二叠纪煤田≈黄陇侏罗纪煤田>渭北石炭–二叠纪煤田,划分出3种富油煤类型:富油煤型、富油煤–高油煤型、富油煤–含油煤型。按照煤炭资源量计算办法,全省已经查明的煤炭资源中富油煤+高油煤资源量为1550.33亿t,内蕴焦油资源量144.5亿t;预测出陕西省2000 m以浅煤炭资源总量中富油煤+高油煤资源量为3845亿t,内蕴焦油资源325亿t;并对富油煤资源控制程度进行划分。分析富油煤的成因机理,指出变质程度、沉积相及物质组成和埋藏条件等为富油煤形成的主要影响因素。针对目前煤炭开发中存在的资源浪费问题,提出一种富油煤原位地下热解多煤层协同开采的资源开发新思路。

榆神矿区富油煤赋存特征及其沉积环境研究

榆神矿区丰富的富油煤资源为我国煤化工提供了优质的化工原料,但是榆神矿区富油煤的赋存特征尚不明确,严重制约了富油煤资源的高效利用。为查明榆神矿区富油煤的分布特征和沉积环境,对该地区富油煤的进一步勘探和开发利用提供地质依据,以榆神矿区延安组2-2煤和5-2煤为研究对象,通过原煤的焦油产率分级划分,对榆神矿区的富油煤赋存特征进行研究,并根据灰成分指数、硫分、镜惰比等煤层形成过程中的地球化学特征及成烃母质的干酪根特征,探讨2-2煤和5-2煤层富油煤的沉积环境。研究结果表明:2-2煤原煤焦油产率5.3%~15.3%,平均10.1%,5-2煤原煤焦油产率5.1%~14.6%,平均9.9%,榆神矿区主要以富油煤为主,局部分布为高油煤。平面上,原煤焦油产率有由西向东、由三角洲平原向滨浅湖方向呈增高的趋势,垂向上,自下而上逐渐增高,高油煤随着滨浅湖由东北向西南迁移。榆神矿区富油煤形成于持续稳定下降的鄂尔多斯盆地古构造环境、还原性较强的滨浅湖古地理环境及温暖潮湿的古气候环境。含腐泥型母质为生油提供了物质基础。

榆神府矿区富油煤煤相及孔隙结构特征试验研究

为研究成煤环境对煤样孔隙结构的影响,以榆神府矿区柠条塔、张家峁煤矿富油煤为研究对象,开展显微煤岩组分定量与煤相分析,通过压汞法分析其孔径分布与孔隙结构特征,探究了该区域富油煤孔隙结构特征与煤相存在的内在联系。研究发现:榆神府矿区富油煤沼泽类别以湿地草本沼泽相和干燥森林沼泽相为主,动水能力较弱;立足于柠条塔、张家峁富油煤孔隙结构对比,柠条塔2-2煤小孔、中孔、大孔发育较为均衡,而张家峁4-2煤中的小孔、中孔发育较好,大孔发育相对较差;对榆神府矿区富油煤而言,在相似煤阶条件下,其TPI煤相特征主要控制着大孔发育状况,并间接影响着煤储层后期低温热解效率。

基于BP神经网络的富油煤焦油产率预测

我国的资源禀赋特征为“缺油、少气、相对富煤”,紧张的油气供应形势促进了煤制油行业的发展。矿产资源工业要求手册(2014修订版)将在格金干馏试验条件下焦油产率小于7%的煤称为含油煤,焦油产率在7%~12%的煤称为富油煤、大于12%为高油煤。我国煤炭资源保有储量中超过半数属于高油、富油煤,但是有超过80%的煤炭直接作为燃料,只有不到十分之的煤炭为化工行业所用。绝大多数高油、富油煤直接燃烧.