富油煤研究进展与趋势

富油煤是集煤、油、气属性于一身的煤基油气资源,针对国内“相对富煤、缺油、少气”的能源禀赋,开发富油煤对缓解我国紧张的油气资源供应局势、实现煤炭的绿色开发和低碳利用具有重要的意义。以富油煤为主要关键词,通过CNKI和Web of Science数据库检索自1985-2023年底已公开发表的学术论文和专利,统计分析富油煤的发展历程和主要研究内容,梳理了富油煤研究的热点方向与前沿领域,展望了未来发展趋势。研究发现:富油煤热解、赋存特征及沉积环境、孔隙和分子结构、焦油产率预测、微生物降解、资源潜力及开发利用是当前富油煤研究热点内容。富油煤含有热解可生成油气的富氢结构,如脂肪结构的侧链与桥键及缩合芳香核周缘的弱键结构;富油煤多形成于陆相沉积物供应稳定、气候温暖湿润、强还原条件下的沉积环境;孔隙结构影响富油煤的热解反应效率、焦油析出和油气运移,而分子结构(主要为脂肪族氢含量和富氢弱键)决定了富油煤的生油潜力;富油煤通过微生物的水解、发酵、产氢产乙酸和产甲烷4个阶段向油气转化。随着地质选区技术瓶颈突破及多学科交叉与融合,富油煤富油性评价指标与预测方法、富氢组分的来源与定量判识、原位开发围岩封闭性及其评价方法、微生物降解与热解联作技术将成为今后研究的热点方向。研究成果为厘清当前富油煤的研究方向和未来走势奠定了基础。

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。

黏结性对富油煤热解孔隙结构演变及渗流的影响研究

【目的】富油煤的原位热解是将煤层在地下加热生产油气的技术,其中煤层的孔隙结构和渗透特性是影响加热介质注入和油气产出的重要因素。黏结性富油煤热解伴随胶质体的形成,使其孔隙结构和渗透特性不同于非黏结性煤。【方法】将黏结性富油煤在300、400、500和600℃下热解,采用饱和流体法和氮吸附法测试半焦的孔隙参数,并采用显微CT表征半焦的孔隙结构;通过构建等效孔隙网络模型,分析煤样孔隙数目、孔隙半径和配位数等参数的变化规律,并模拟高温N2在孔隙网络中的渗流特征。【结果和结论】结果表明:煤样经300℃热解后仅产生少量裂隙,总孔隙率维持在约5%;当热解温度为400~600℃时,总孔隙率逐渐增至约50%,而微观孔隙仅在600℃脱气后更为丰富。当热解温度由300℃升至400℃,胶质体的形成、膨胀使孔隙和喉道的数量显著增大,但平均半径分别维持在约160μm和约88μm;再由400℃升至600℃,挥发分的析出促进了孔隙结构的连通,使孔隙和喉道的数量逐渐减少,且概率分布向等效半径更大的范围偏移,使平均半径分别增至292.81μm和170.60μm,并使孔隙平均配位数由5.82分别增至6.60和6.33,孔隙率和配位数的增大使半焦的平均模拟渗透率由246.75μm2显著增至1377.49μm2。研究结果可为黏结性富油煤原位热解的工艺研发提供参考依据。

富油煤原位热解典型污染物时空分布特征

【目的和方法】富油煤原位热解产生的油、气在高温作用下会通过煤层顶板的裂隙带向覆岩层迁移富集,给地下环境造成潜在污染风险。为了了解富油煤地下热解过程中典型污染物的释放与分布特征,以陕北侏罗纪煤田神府矿区典型富油煤为研究对象,基于研究区地层结构与岩性资料,采用自主研发的富油煤原位热解相似模拟实验装置,研究富油煤热解产物的组成,及不同温度下煤焦油中酚油、萘油、洗油、蒽油和沥青等典型污染物的时空分布特征。【结果和结论】结果表明:不同热解温度下,典型污染物在覆岩中的分布随时间增加均呈现先上升后下降的趋势,且各组分含量与富集层位差异较大。热解温度为450℃和650℃下,不同覆岩层中污染物含量大小排序为沥青>蒽油>萘油>洗油>酚油。在450℃时,由于温度较低对覆岩层影响相对较小,所以各组分主要富集在中粒砂岩层。随着温度不断升高,覆岩层产生裂隙,导致650℃时轻质组分富集在距煤层较远的泥岩层,重质组分由于密度大且黏性强,迁移能力较差,所以其主要富集区域为泥质粉砂岩层。温度是影响覆岩中典型污染物时空分布特征的主要因素,升高温度会增加污染物的迁移范围,并且酚油、萘油和洗油含量的占比随之逐渐增大,蒽油和沥青含量的占比随之逐渐减小。研究结果为富油煤原位热解地下污染管控提供理论依据。

富油煤原位热解地质环境影响与地质保障技术

【目的】富油煤作为一种集煤、油、气为一体的特殊非常规油气资源,通过原位热解可转化为高附加值焦油、可燃气及半焦固体燃料等,具有解决传统煤炭工业发展过程中绿色开发、清洁低碳利用难题的潜力。在减少煤炭开采污染、提高能效利用等方面,为碳达峰碳中和(“双碳”)目标的实现提供了新的解决方案,也为我国寻求油气资源战略依赖突围提供了重要路径参考。然而,目前国内富油煤地下原位热解的研究仅限于少数先导性试验研究,对于富油煤原位热解的地质环境影响研究与全生命周期地质保障技术探索亟待开展。【方法】基于富油煤开发原位热解的地质环境扰动响应特征,重点探讨了富油煤原位热解对热解区岩体变质、覆岩损伤变形、地下水扰动、地表沉降及地表生态环境等方面的影响,总结了富油煤原位热解地质条件评价与过程监测主要内容和测试技术,梳理了富油煤原位热解地质保障面临的挑战。同时,结合理论研究、技术方法、感测装备、传感单元、数据解译、多源信息融合和工程实践等内容认识,提出了构建富油煤原位热解地质保障技术体系的思考。【结果和结论】分析认为,在富油煤原位热解的新型资源转化利用模式条件下,迫切需要研发与之相匹配的地质保障技术,制定完整的开发、设计、施工、评价方法和标准,以规范和引导富油煤热解技术的发展与应用。此外,还需要在充分挖掘和利用富油煤油气资源固有优势的基础上,积极推动富油煤清洁利用技术的研发创新、安全生产标准的提升以及生态环境保护的深度融合,为煤炭工业实现绿色转型和高效可持续发展提供全面的战略对策与保障。

铈改性磁性核壳HZSM-5催化富油煤热解研究

【目的】富油煤是集煤、油气属性为一体的宝贵煤炭资源,催化热解是实现其绿色低碳开发的重要途径。然而,高效可回收催化剂的研发仍面临着极大的挑战。【方法】以HZSM-5@SiO_(2)@MgFe_(2)O_(4)(HSMF)为原料,采用水热法与碱改性制备具有多级孔结构的HZSM-5@SiO_(2)@MgFe_(2)O_(4)(mHSMF),再通过沉淀法制备铈改性mHSMF(5-CeO_(2)/mHSMF);并利用固定床反应器考察了5-CeO_(2)/mHSMF对神府富油煤热解产物的调控作用及其抗积炭性能。【结果和结论】结果表明,CeO_(2)改性有助于在HSMF表面形成微−介孔多级孔道结构;在5-CeO_(2)/mHSMF催化剂上,650℃、N_(2)气氛、反应1 h的条件下,神府富油煤焦油产率达到13.38%,是格金试验焦油产率的176%;相较于原煤热解,催化热解得到的焦油中脂肪烃类及苯类化合物含量分别增加了3.04%和3.07%,煤气中H_(2)和CH_(4)含量提高了10.49%;经CeO_(2)改性后,催化剂的抗积炭性能增幅达86.1%,积炭量仅为11.60 mg/g,且积炭趋于稳定的石墨化结构。5-CeO_(2)/mHSMF对神府富油煤催化热解产物的分布及组成具有明显调控作用,并表现出良好的抗积炭效果和磁性可回收性能。

富油煤热解重质焦油基泡沫炭性能研究

【目的】富油煤热解重质焦油制备石墨化泡沫材料是富油煤资源高值化利用的方式之一。【方法】为探究不同反应条件与泡沫炭性能的联系从而制备高性能泡沫炭材料,以重质焦油制备中间相沥青为前驱体,采用高温自发泡法制备泡沫炭。考察不同反应温度、升温速率和反应压力对煤焦油基泡沫炭性能的影响,最后进行Box-Behnken响应面设计实验建立二次多项回归方程,揭示泡沫炭孔隙率、导热系数与反应条件的关系。【结果和结论】结果表明:反应温度、升温速率和反应压力对煤焦油基泡沫炭性能有显著影响。泡沫炭孔隙率的最优值为72.8%,对应的条件为温度559℃、压力0.48 MPa、升温速率9℃/min,影响因素温度>压力>升温速率;泡沫炭导热系数最优值为0.219 W/(m·K),对应的条件为温度549℃、压力2 MPa、升温速率3.9℃/min,影响因素升温速率>压力>温度。经过响应面模型优化后的工艺参数可制备具有良好孔隙率及导热性的泡沫炭材料,为提升富油煤热解效率提供新方案。

不同气氛下富油煤受热裂隙演化及热解动力学参数变化

富油煤的清洁高效开发有助于保障我国的能源安全。选择柠条塔矿富油煤,开展了N2和欠氧气氛条件下的加热试验,利用体视显微镜获取不同温度处理后富油煤的表观形貌,在氩气气氛中,对富油煤在0~600℃下热重(TG)、微商热重(DTG)、差示扫描量热(DSC)进行测试,基于激光闪射法监测富油煤热导率变化,并分析了不同升温速率下活化能、频率因子等热解动力学参数的变化规律,探讨富油煤热处理后裂隙演化和热解动力学参数变化。研究结果表明:随着加热温度的升高,富油煤表面裂隙数目明显增多,逐渐贯通,且镜煤裂隙发育程度更高。相比N2气氛,同温度下欠氧气氛中煤样裂隙率更高。质量损失率变化趋势与裂隙率相似,由于欠氧环境中煤样发生氧化反应,导致其增速更快。N2气氛中富油煤质量损失率与裂隙率迅速提升的温度点明显滞后于欠氧气氛。室温至350℃范围内,由于热膨胀影响,富油煤热导率随着温度升高有所增加。根据热重分析,富油煤随温度变化可分为室温至300℃、300~500℃和500~600℃3个阶段,在阶段Ⅰ和Ⅱ分别由于吸附水析出和有机质的分解吸热,频率因子和活化能逐渐增大;在阶段Ⅲ由于无机矿物的分解放热,频率因子和活化能降低。研究结果有助于理解富油煤高温开发过程中的结构演化机制和传热机理。

富油煤热解特性及其孔裂隙结构演化规律

【目的】富油煤原位热解提取煤基油气是弥补我国油气资源短缺、提升煤炭资源利用效率的重要措施,也是富油煤高效开发的新趋势。富油煤在原位热解过程中的油气产出特征及孔裂隙发育情况直接影响到煤体内部传热、热解产物迁移及产出,查明富油煤热解特性及其孔裂隙结构演化规律尤为关键。【方法】利用自主研制的热解实验装置,结合比表面及孔径分析仪、三维显微镜和同步热分析技术,记录富油煤在不同热解温度下的产气规律,测定热解残样的微观孔隙结构及孔径分布特征,分析煤体裂隙演化规律及表面裂隙参数,揭示煤体结构和热解产物对热解温度的响应机制。【结果和结论】结果表明,富油煤热解产气总量和最大产气速率随温度的升高而增大,在温度大于300℃时热解反应变得剧烈,产气量增加显著。通过对比不同热解温度下的孔裂隙结构,发现孔隙结构类型以300℃为界发生明显改变,低于该温度热解后的孔隙类型以细小瓶颈和缝隙/楔形孔为主,主要为中孔,随着温度升高,孔隙类型以平行狭缝为主,微孔增加,中孔和大孔则进一步发育扩展贯通,形成微裂隙。与低温作用煤样相比,高温作用煤样裂隙开度增加、裂隙网络密度及表面裂隙率相应增大,煤样结构发生宏观破坏,完整性降低。富油煤热解过程中的孔裂隙结构演化是水分蒸发、吸附气体解吸析出、不均匀热膨胀、有机质热解及热解气体逸出等共同作用的结果。研究结果可为富油煤原位热解工艺参数选择提供有益参考。

基于DNN的煤矿富水区探测反演方法研究

提出了一种基于DNN的煤矿富水区探测反演算法,该算法可以快速准确地实现煤矿富水区二维分布模型的重建。首先,利用时域有限差分方法(FDTD)获得不同分布模型的数值解;随后,依据数据样本搭建网络框架,网络的输入主要为电场分量,输出为相应的模型电导率参数。通过对神经网络进行训练,得到网络的最优系数,随后对富水区分布进行反演预测;结果表明:DNN算法在单个小目标异常体反演中,可以有效克服BP神经网络模型失效的问题,且对于多目标异常体的反演效果更加准确。另外,相同数据集下,DNN的训练耗时与预测耗时也少于BP神经网络。实验结果表明,该算法可以有效提高煤矿富水区探测效率。

黏结性富油煤热解油气析出规律及物性演变特征

黏结性富油煤受热产生的软化、熔融现象可能导致井筒堵塞和地层扰动,这是原位热解需考虑的重要因素。在300~700℃下对黏结性富油煤热解,考察油气析出规律和组成性质,分析半焦的物性演变特征及其对原位热解的指示意义。结果表明,焦油产率在500℃取得最大值7.75%,此时<300℃轻质组分含量最高(32.2%),且焦油成分在400~500℃变化显著,酚类和芳烃含量分别呈现增大和降低趋势。煤样的软化温度和固化温度分别为389和455℃,使半焦的宏观孔率度在≥400℃时由不足10%增至约50%,而微观孔隙结构仅在600~700℃高温脱气阶段更发达;半焦导热系数随温度先减小后增大,并在400℃达到最小值0.06 W/(m·℃)。黏结性富油煤原位热解面临通道堵塞、挥发分析出受阻和煤层导热速率偏慢等潜在问题,可尝试采用具有破黏效应的压裂支撑剂或近临界水原位转化技术加以解决。

大定源回线装置瞬变电磁法在煤矿采空区探测中的应用

该文通过研究大定源回线装置瞬变电磁法在煤矿采空区探测中的应用,旨在提高煤矿采空区探测的效率和准确性。深入探讨大定源回线装置瞬变电磁法的原理和工作机制。在此基础上,设计并实施适用于煤矿采空区的探测方案,并通过试验进行验证。结果表明,大定源回线装置瞬变电磁法在煤矿采空区探测中取得显著的效果。大定源回线装置瞬变电磁法具有高效、准确、可靠的特点,能够快速识别采空区位置,为后续生产建设提供保障,同时也为其他煤矿采空区勘察提供参考。

陕北曹家滩矿井富油煤地球化学特征及其沉积环境

为探讨陕北富油煤形成的沉积环境和控制因素,采用井下刻槽和钻探定向取样相结合的方法采集了曹家滩矿井2^(-2)煤的垂向剖面煤样,对样品的煤岩煤质参数和等离子低温灰化样的地球化学参数进行了系统测试,从有机显微煤岩组成和无机地球化学特征方面研究了2^(-2)煤层形成的沉积环境,探讨了焦油产率与沉积环境之间的关系,揭示了富油煤形成的主要控制因素。结果表明:曹家滩矿井2^(-2)煤层以亮煤、暗淡煤为主,显微煤岩组成以惰质组为主、镜质组次之,壳质组含量较少;低温灰化样无机矿物组成主要是方解石、石英和黏土,元素组成以Ca、Si、Fe、Al、S、Mg和Na为主;微量元素中大多数元素处于亏损,仅有Cs、Ba属于轻度富集;稀土元素含量均值9.91μg/g,低于世界煤均值68.47μg/g;煤相分析显示2^(-2)煤主要形成于干燥森林沼泽和潮湿森林沼泽中,成煤植物以低木本植物为主,整体属于弱还原的陆相淡水沉积环境、水动力条件弱,沉积期以温湿和干热的过渡气候为主,晚期出现了古气候由温湿向干热气候转变;显示了2^(-2)煤焦油产率与镜质组含量、凝胶化指数、Sr/Ba、Ni/Co、Ce/La等呈正相关关系,但与植物保存指数、植被指数及Fe_(2)O_(3)、Fe_(2)O_(3)+CaO+MgO、MnO_(2)含量呈负相关关系。富油煤在分布上具有中高等镜质组含量、中高凝胶化程度和低木本组分的特征,即植物组织保存程度低、凝胶化程度较高、低木本植物,以及有适量的陆源碎屑物质供应、适量盐度的还原沉积环境更有利于富油煤的生成。

富油煤焦油产率测井评价方法研究

【目的】富油煤作为一种集煤、油、气属性为一体的煤基油气资源,对于保障我国油气资源供应、实现煤炭清洁高效利用具有重要意义。目前富油煤的识别主要依靠格金干馏试验测量的焦油产率来判断,而利用地球物理手段准确识别与评价富油煤的研究则相对薄弱。【方法】以新疆三塘湖盆地侏罗系西山窑组和八道湾组煤层为研究对象,基于岩石物理实验,在明确富油煤典型测井响应特征基础上,创新建立了一种煤焦油产率测井定量评价方法。【结果和结论】结果表明:(1)相比含油煤,富油煤具有富氢结构物质含量高、孔隙结构差的特点,这造成富油煤具有“低密度、高中子和高电阻率”的常规测井响应特征;(2)通过多状态二维核磁共振实验测量分析,明确了富油煤具有“二维核磁T1谱双峰,T_(2)<1、T_(1)/T_(2)>10区域信号强”的核磁测井响应特征,而含油煤相应区域信号不明显,这与富油煤中富氢结构物质含量高有关;(3)基于富油煤典型测井响应特征,提出利用电阻率和中子2个参数构建富油煤指示因子Z,Z越大,表明煤焦油产率越高。在煤焦油产率刻度基础上,建立了煤焦油产率与指示因子间的线性关系,实现了煤焦油产率的准确方便计算,可操作性强。上述认识为基于地球物理测井手段识别和评价富油煤提供了理论指导。

富油煤原位热解技术研究现状及进展

我国富油煤资源量丰富,原位热解提取油气不仅可以实现富油煤的高效清洁低碳利用,还可以缓解油气对外依存度,是未来富油煤开采利用的重要发展方向之一。简述了富油煤的热物理性质及分布特性,地面热解和原位热解的工艺特点,重点阐述了富油煤原位热解(布井方式、加热方式、原位气化热解一体化、余热利用、储层压裂、地下封闭技术)的研究现状及进展,最后对富油煤原位热解技术的发展方向进行了展望。①梯级利用是富油煤地面热解的重要途径,井工式原位热解可实现井下收油,但需解决长距离输运管道保温问题,钻孔式原位热解是通过高温介质或电加热进行热解,可采用矿区的分布式能源加热载热流体。②推荐采用对流加热为主,其他加热方式为辅的复合加热技术,可利用原位热解后的余热预热载热流体,也可将煤层局部氧化反应的热量用于富油煤原位热解过程,降低载热流体的注热能耗。③原位气化热解一体化技术可有效提高热能利用率,但气化空腔需进行填充。④综合考虑储层压裂和富油煤原位热解孔隙变化规律,控制煤层裂缝生成路径,形成裂缝网络,以增强煤层热传导效率,降低油气产物在煤层中的运移难度。⑤根据富油煤热解工艺特点,选择适宜的地下体系封闭技术,可促进富油煤原位热解过程中能量的高效利用及生态环境保护,其中CO_(2)气驱止水技术在实现地下体系封闭的同时,还可以进行油气驱替并实现CO_(2)的地质封存。

伊犁洪海沟矿区富铀煤的元素地球化学以及铀的价态特征

铀是重要能源矿产和国家战略资源,煤岩型铀矿对我国核能产业可持续发展和“双碳”目标实现具有重要意义。本文采用X射线荧光光谱(XRF)、电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)和X射线光电子能谱(XPS)等手段,研究了伊犁盆地洪海沟矿区煤的元素地球化学、富铀因素以及铀活化迁移过程的价态变化特征。结果表明:①洪海沟煤中U超常富集,平均含量为258.91μg/g。石炭纪—二叠纪中—酸性火成岩和海西期花岗岩是煤中铀的物质来源,稳定的单斜构造,头屯河组砂砾岩和粗砂岩的岩性组合,晚侏罗世以来干旱气候及后生富铀溶液的入渗共同控制煤层中U、Re、Se、Mo等元素共同富集。②煤岩型铀矿的形成与氧化环境中U6+以络合物或酸根形式迁移,氧化—还原过渡环境中富铀含氧流体中U6+被还原成U4+沉淀富集有关。洪海沟矿区弱氧化—还原过渡环境高价态的变价元素被还原,以Se-U-Re-Mo模式共同富集于煤层顶部。③洪海沟矿区“上铀下煤”矿产资源分布和铀矿下部多煤层的发育,需要合理划分煤-铀矿产资源之间保护区距离,上部砂岩型铀矿优先进行地浸开采,下部煤岩型铀矿采用井工开拓方式进行“煤炭地下气化+煤灰原位地浸开采”,将煤灰中铀提取至地表利用,实现煤-铀资源协调开采利用。

产物导向与机器学习驱动的富油煤热解提油热效应评估

煤炭热解过程的热效应是煤炭热解机理研究、反应器设计等过程的关键参数。目前关于煤炭热解热效应的评估方法之间精度差异较大,其中应用最多且可行性最大的方法为基于同步热分析仪(TG-DSC同步联用)来进行测定,但该方法依然对仪器的测量精度依赖较大,且在得到热流曲线之后的热效应计算方法之间精度也存在差异,导致数据的可重复性差,难以适应大规模生产及工艺设计的需要。富油煤含有较多的脂肪侧链、桥键等富氢结构,在热解过程中受热裂解生成更多的焦油,是良好的煤制油原材料。热解工艺的调控是影响富油煤热解所制焦油品质的关键因素,这其中热解过程的热效应又是热解工艺开发的重要参数,因此无论是对富油煤热解还是对广义的煤炭转化来说,都迫切需要开发准确、高效的煤炭热解热效应评估方法。基于富油煤慢速热解实验结果并结合热解反应机理和经验公式,以产物为导向构建富油煤热解反应体系,利用经典热力学分析方法进行反应体系的热力学计算,得到富油煤热解过程的化学反应热,再结合热解过程中的物理吸热量,得到了富油煤中低温慢速热解过程中的热效应。结合已报道的煤炭热解实验结果和热解热效应测定值,利用机器学习方法中的随机森林模型对煤炭热解热效应进行非线性建模和预测。结果表明:基于实验结果,以产物为导向计算得到的富油煤慢速热解热效应数值总体要低于利用TG-DSC同步联用测得的数值,误差均在10%以内。基于机器学习算法预测得到的富油煤热解热效应的预测精度达到0.9352。综合来看,所构建的2种富油煤热解热效应预测模型具有实用性和适用性。

富油煤原位热解多物理场演化规律数值模拟研究

【目的】富油煤原位热解是一种具有清洁、高效、安全等优势的煤炭资源新兴利用技术,尚处于起步阶段,多物理场演化规律及关键工艺参数对富油煤原位热解过程具有重要影响。【方法】通过构建耦合流体流动、传热以及化学反应的多物理场数值模型,并与富油煤圆柱煤样热解实验的结果对比分析,以验证多物理场耦合模型的可靠性。根据先导试验条件,采用均质/非均质渗透率模型研究了渗透率、热载体流量以及致裂区高度对热解过程中传热传质的影响。【结果和结论】结果表明,增大渗透率有利于快速生产,对于均质渗透率模型而言,当渗透率为1μm2时热解反应仅需38 d即可完成,建议对煤层进行冲击致裂使得煤层渗透率达到达西级别。而对于非均质渗透率模型,在加热前期增大热载体流量可以提高传质传热速率。热载体流量为0.12 kg/s时,高渗区域热解反应完成仅需12 d左右。后期当中心高渗区域煤热解完成后,反应及渗流速率变慢,提高热载体流量对反应速率的影响较小。实际生产中建议前期选择较大的热载体流量(0.12 kg/s)促进高渗区域快速热解,更快产生焦油;后期可减小热载体流量节省成本。增大致裂区高度可提高热解速率,致裂区高度为6 m时,热解反应仅需130 d左右即可完成。实际应用中需综合考虑冲击致裂成本以及热解时间成本。

基于煤体真密度和自然伽马响应规律的富油煤判识

【目的】格金干馏试验下的焦油产率作为评价富油煤的唯一指标受制于前期较少的勘探资料无法满足富油煤规模化精细评价要求。【方法】基于二分类法提出利用真密度(ρ)和自然伽马(GR)判识富油煤的最佳阈值,并阐释富油煤具有显著岩石物理参数响应的内在机理。【结果和结论】研究表明:不同变质程度煤不具有统一的判识阈值,其中长焰煤类富油煤最佳判识阈值为,原煤真密度小于1.41 g/cm3、GR<80 API,判识正确率达81.82%。上述富油煤的地球物理测井参数响应受控于无机和有机组分条件,其中与焦油产率呈负相关性的灰分产率是影响煤体真密度的主要因素,灰成分(Al2O3+SiO2)所指示的黏土矿物含量对GR值影响显著;而对焦油产率起决定作用的显微组分则同样对原煤真密度变化具有一定影响。从分子尺度,干燥无灰基状态下的真密度(ρdaf)越小,煤脂肪结构越丰富、越有利于热解产生焦油;反之则芳香结构含量越高、越不利于热解形成焦油。总体而言,多种因素耦合作用使得煤体真密度与焦油产率呈现良好的负相关性。上述认识为基于地球物理测井参数评价富油煤提供了理论指导。

陕北富油煤分子模型构建及其热解提油分子动力学特性

【目的】富油煤结构复杂,热解反应过程与机理不明晰,需要进一步研究富油煤结构与其热解产物分布的构效关系,明晰富油煤热解提油机理。【方法】以陕北典型富油煤为研究对象,结合^(13)C NMR、FTIR和XPS等表征方法,计算并构建富油煤分子模型,分子式为C_(444)H_(380)O_(74)N_(8)S。基于构建的富油煤分子模型,通过ReaxFF MD对陕北富油热解产物分布、热解特性以及焦油生成机理进行了深入分析。【结果和讨论】结果表明,陕北富油煤具有大量脂肪侧链和桥键等富氢结构,受热容易分解生成焦油和气体等挥发分。温度和升温速率对富油煤热解产物分布影响显著,模拟热解温度在1500 K时富油煤没有完全反应,挥发性产物质量分数为7.8%;模拟热解温度升高至2000~3000 K时,分子及自由基碎片运动越剧烈,二次反应也更明显。随着升温速率的增加,气体产物降低,而焦油产物先增加后减少;升温速率在100~200 K/ps时,富油煤没有完全热解,导致挥发分产率低于36%。根据热解产物分布推测,陕北富油煤热解反应机理是富油煤大分子中富氢结构受热断裂形成自由基碎片,进一步发生热解生成轻质焦油、重质焦油和气体产物。