我國褐煤的工業(yè)特性及對(duì)水和甲烷的吸附

我國褐煤的工業(yè)特性及對(duì)水和甲烷的吸附

黃褐色煤是變質(zhì)程度最低的煤礦類型。這是通過脫水和壓縮而轉(zhuǎn)化為有機(jī)生物巖石的初始產(chǎn)物。一般指鏡質(zhì)組的最大反射率為0.2%0.5%范圍。我國褐煤資源豐富,產(chǎn)量逐年增加。前人在研究煤階系列時(shí)對(duì)褐煤的煤巖、煤質(zhì)、工藝性質(zhì)、孔徑結(jié)構(gòu)、吸附性等進(jìn)行了較多研究,但對(duì)不同變質(zhì)程度褐煤中的全水分、空氣干燥基水分、揮發(fā)分、孔徑結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律研究則相對(duì)較少?；诖?筆者對(duì)采自我國主要褐煤產(chǎn)地(內(nèi)蒙古海拉爾、云南昭通、河北萬全、新疆吐哈盆地等)的13個(gè)煤樣進(jìn)行了工業(yè)分析、比重瓶法孔隙度測(cè)試、壓汞和等溫吸附試驗(yàn),探討了褐煤中全水分、空氣干燥基水分、揮發(fā)分及孔隙度隨變質(zhì)程度的變化規(guī)律,以期為褐煤中次煙煤的劃分、褐煤提質(zhì)利用及褐煤中煤層氣資源開發(fā)提供參考。1煤炭林分布及分布我國褐煤資源豐富,埋深2000m以淺資源總量3194.38億t,占我國煤炭資源總量的5.74%;探明儲(chǔ)量1291.32億t,占全國探明儲(chǔ)量的12.69%;預(yù)測(cè)褐煤資源量1903.06億t,占預(yù)測(cè)煤炭資源總量的4.18%。埋深1000m以淺的褐煤資源量為2465.44億t,占褐煤總資源量的77.2%,主要分布在內(nèi)蒙古、吉林、遼寧、山東、云南、廣西等地。埋深1000~1500m的褐煤資源量為138.20億t,占褐煤總資源量的4.3%,主要分布在內(nèi)蒙古、遼寧、廣西等地;埋深1500~2000m的褐煤資源量為590.74億t,占褐煤總資源量的18.5%,主要分布在內(nèi)蒙古自治區(qū)和遼寧等地。根據(jù)GB/T5751—2009《中國煤炭分類》,褐煤分為年輕褐煤(HM1)和年老褐煤(HM2)。東北地區(qū)多屬年老褐煤,以形成于早白堊世(K1)、古近紀(jì)(E)為主,云南多為新近紀(jì)年輕褐煤。我國年輕褐煤的資源量為689.73億t,年老褐煤的資源量為2504.65億t。我國褐煤資源地域分布不均,主要分布在我國的東北和西南地區(qū),大型褐煤盆地群有海拉爾盆地群、二連盆地群和昭通盆地群。內(nèi)蒙古東部褐煤占全國褐煤總資源量的77.55%,云南褐煤占全國褐煤總量的11.88%。褐煤在黑龍江、吉林、遼寧以及廣西也有分布,在河北、山東、廣東、海南和四川等省的局部地區(qū)也有零散分布。內(nèi)蒙古保有褐煤儲(chǔ)量占內(nèi)蒙古保有煤炭?jī)?chǔ)量的45.0%,云南占3.7%,廣西占4.7%,黑龍江占5.4%,海南則幾乎全部是褐煤。2棕櫚巖和煤炭性質(zhì)特征2.1生活質(zhì)量及孔隙度早、中侏羅世褐煤的腐植組含量最低,平均僅50%左右,而其他時(shí)代的褐煤腐植組含量普遍高達(dá)80%以上,其中以古近紀(jì)褐煤最多,平均可達(dá)87%左右;早、中侏羅世褐煤的惰質(zhì)組含量最高,一般大于30%,早白堊世褐煤的惰質(zhì)組平均含量比古近紀(jì)、新近紀(jì)褐煤略高;褐煤中的穩(wěn)定組平均含量小于5%,且成煤時(shí)代越早含量越低,如新近紀(jì)平均含量5.91%,古近紀(jì)平均3.71%,早白堊世平均含量為2.03%。對(duì)采自不同地區(qū)的13個(gè)煤樣進(jìn)行煤巖鑒定、工業(yè)分析及孔隙度測(cè)試,結(jié)果見表1。由表1可知,13個(gè)煤樣實(shí)測(cè)的腐植組含量26.16%~84.77%,平均58.67%;惰質(zhì)組含量6.43%~62.98%,平均33.73%;穩(wěn)定組含量3.41%~10.66%,平均7.51%。2.2褐煤的組分、硫含量本次實(shí)測(cè)我國主要褐煤產(chǎn)地褐煤中的全水分含量介于7.70%~50.85%,平均為27.22%(表1),隨變質(zhì)程度的增加而減少(圖1a)?？諝飧稍锘纸橛?.31%~25.24%,平均為12.56%,亦隨變質(zhì)程度的增加而減少(圖1b)。干燥基灰分一般為20%~30%,一些煤質(zhì)較好的礦區(qū)如霍林河、伊敏、扎賚諾爾、平莊、小龍?zhí)兜鹊V區(qū),灰分為10%~20%,云南的一些小型褐煤盆地,灰分也有在10%以下的,而煤質(zhì)較差的舒蘭、琿春、茂名、石鼓、長(zhǎng)坡、長(zhǎng)昌、五圖等礦區(qū)的灰分則高達(dá)30%~50%。干燥無灰基揮發(fā)分為33.41%~49.71%,平均為40.24%,也隨變質(zhì)程度的增加而減少(圖1c)。褐煤中的硫分(干燥基全硫含量)以東北地區(qū)為最低,霍林河、伊敏、扎賚諾爾等地褐煤硫分一般為0.2%~0.7%;廣西、廣東、海南等地的褐煤硫分多為1.5%~3.0%;云南褐煤的硫分為0.2%~6.0%,甚至達(dá)8.0%以上,云南玉溪多數(shù)煤層的硫分為0.2%~0.4%,而彌勒跨竹礦區(qū)硫分為1.5%~8.0%,差別較大。褐煤屬低熱值~中低熱值煤,干燥基低位發(fā)熱量Qnet,d一般介于16.73~25.09MJ/kg,收到基低位發(fā)熱量Qnet,ar為1.71~16.73MJ/kg。其中,早白堊世褐煤的熱值較高,古近紀(jì)、新近紀(jì)褐煤則相對(duì)較低。3煤的基本特征褐煤物性特征包括孔隙度、孔徑結(jié)構(gòu)、不同孔徑段的孔容、比表面積及其對(duì)甲烷的吸附性等?？讖浇Y(jié)構(gòu)分布決定了褐煤吸附水和甲烷的能力,也控制了水和甲烷在其中的擴(kuò)散和流動(dòng),是研究褐煤脫水及煤層氣開發(fā)的基礎(chǔ)。1)孔隙特征。采用比重瓶法實(shí)測(cè)煤的真密度、視密度,計(jì)算得出褐煤的孔隙度介于8.22%~31.91%,平均為16.83%(表1),先隨變質(zhì)程度的增加而減少,后隨變質(zhì)程度的增加而增大,拐點(diǎn)約在Ro,max=0.35%處(圖2)。2)孔容特征。采用壓汞法實(shí)測(cè)煤樣總孔容,測(cè)試結(jié)果差別較大,介于0.058~0.530cm3/g(表2),平均為0.23cm3/g,總體上大孔、中孔、過渡孔、微孔(以B.B.Χoдoт十進(jìn)制分類)分布較均勻,分別占26.4%、22.4%、30.2%、20.9%,有利于煤層氣的開發(fā)。3)比表面積特征。實(shí)測(cè)煤樣總比表面積差別較大,介于9.01~61.77m2/g(表3),平均為25.93m2/g,大孔、中孔、過渡孔、微孔分別占1.31%、9.13%、55.96%、33.31%,集中分布在過渡孔和微孔中。4)褐煤對(duì)甲烷的吸附性。褐煤對(duì)甲烷的等溫吸附試驗(yàn)表明,吸附曲線呈朗格繆爾方程形式,低壓時(shí)(<1.3MPa)吸附量隨壓力增大呈線性增長(zhǎng),后隨壓力增大吸附量增加緩慢,逐漸趨于定值(圖3),其中,溫度25℃,Ro,max=0.41%吸附量數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn),Ro,max=0.45%引自文獻(xiàn),Ro,max=0.40%引自文獻(xiàn)。實(shí)測(cè)朗格繆爾體積介于1.13~13.62m3/t,平均為6.27m3/t;實(shí)測(cè)朗格繆爾壓力介于0.58~8.79MPa,平均為3.46MPa?？傮w上,褐煤對(duì)甲烷的吸附能力低,使煤儲(chǔ)層含氣量低,不利于煤層氣的開發(fā)。4變質(zhì)程度對(duì)褐煤孔隙度的影響我國褐煤以木質(zhì)煤和碎屑煤為主,二者含量之和大于80%,褐煤中全水分、空氣干燥基水分、揮發(fā)分隨變質(zhì)程度的增加而減少。當(dāng)Ro,max<0.35%,褐煤孔隙度隨變質(zhì)程度的增加而減少,當(dāng)Ro,max>0.35%隨變質(zhì)程度的增加而增大。褐煤中比表面積集中分布在過渡孔和微