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‘贰’ 关于煤质分析的一篇大学毕业论文。煤的工业分析！！
巨野煤田煤质分析及科学利用评价
摘要]从工业、元素、工艺性质方面，对巨野煤田煤质进行了详细的分析，根据其煤质特点，进行科学论证，得出巨野煤田
是优质动力用煤和炼焦用煤的结论，可以用来制备水煤浆，用于煤气化合成氨、合成甲醇及后续产品，用作焦化原料等。
[关键词]煤质分析；煤质特点；科学利用；评价
1巨野煤田煤质分析
1.1煤的工业分析
工业分析是确定煤组成最基本的方法。在指标
中，灰分可近似代表煤中的矿物质，挥发分和固定碳
可近似代表煤中的有机质。
衡量煤灰分性能指标主要有灰分含量、灰分组
成、煤灰熔融性（DT、ST、HT和FT）。其中煤灰熔融性是
动力用煤和气化用煤的重要性能指标。一般以煤灰软
化的温度（即灰熔点ST）作为衡量煤灰熔融性的指标。
1.1.1龙固矿钻孔煤样工业分析结果(表1)变形温度（DT）为煤灰锥体尖端开始弯曲或变圆
时的温度；软化温度（ST)为煤灰锥体弯曲至锥尖
触及底板变成球形时的温度；半球温度（HT）为灰锥形
变至近似半球形，即高约等于底长的一半时的温度；
流动温度（FT）为煤灰锥体完全熔化展开成高度＜1.5 mm
薄层时的温度。
1.1.2彭庄矿钻孔煤样工业分析结果（表2）
2煤质特点及科学利用评价
2.1巨野煤田煤质特点
由煤炭科学研究总院《巨野矿区煤质特征及菜加
工利用途径评价》2003.5可以看出巨野煤田煤质有
如下特点：①灰分含量低，属于中、低灰煤层。②挥发
分含量高，各煤层原煤的挥发分含量在33%以上，且
差异不大，均属于高挥发分煤种。③磷含量特低；硫分
含量上低下高。④干燥基低位热值高。各层煤的都比
较高，且随原煤灰分的降低而升高。⑤粘结指数、胶质
层厚度和焦油产率均较高。⑥碳、氢含量较高。碳含量
在86.02%～86.51%之间，氢含量在5.41%～5.44%之
间，C/H比值＜16。⑦灰熔点上高下低。
2.2成浆性实验评价
2008年1月，华东理工大学对巨野煤田龙固矿
(1#)、赵楼矿(2#)和彭庄矿(3#)原煤进行成浆性实验
及评价。
2.2.1成浆浓度实验
成浆浓度是指剪切速率100 s-1，粘度为
1 000 mPa·s，水煤浆能达到的浓度。采用双峰级配制
浆，粗颗粒与细颗粒质量比为3∶7；选取腐殖酸盐作
为添加剂，用量为煤粉质量的1%。制成一系列浓度的
水煤浆，测量其流动性，观察水煤浆的表观粘度随成
浆浓度上升的变化规律，结果如表10所示。由表10看出，随着煤浆浓度增大，煤浆表观粘度
也明显升高。本实验3种煤样成浆浓度分别为龙固矿
66%(wt)；赵楼矿67%(wt)；彭庄矿68%(wt)。
2.2.2流变性实验
水煤浆流变特性是指受外力作用发生流动与变
形的特性。良好的流变性和流动性是气化水煤浆的重
要指标之一。
将实验用煤制成适宜浓度的水煤浆，然后用
NXS-4 C型水煤浆粘度计测定其粘度。将水煤浆的表
观粘度随剪切变化的规律绘制成曲线，观察水煤浆的
流变特性，见表11。
从表11可以看出，3种煤制成的水煤浆中，随着
剪切速率增大，表观粘度都随之降低，均表现出一定
的屈服假塑性。屈服假塑性有利于气化水煤浆的储
存、泵送和雾化。
2.2.3实验结论
煤粉粗粒度（40～200目）和细颗粒（＜200目）质
量比为3∶7，腐殖酸盐作为添加剂，添加量为煤粉质
量的1%时，龙固矿煤浆浓度为66%（wt）、赵楼矿煤浆
浓度为67%（wt）、彭庄矿煤浆浓度为68%（wt），满足加
压气流床水煤浆气化技术对水煤浆浓度的要求。
2.3原料煤的应用
2.3.1适合于制备水煤浆
水煤浆不但是煤替代重油的首选燃料，而且是加
压气流床水煤浆气化制备合成气的重要原料。同时它
又是一种很有前途的清洁工业燃料。实践上，华东理
工大学“巨野煤田原煤成浆性实验评价报告”表明：巨
野煤田各矿井原料煤均适合于制备高浓度稳定水煤
浆。
2.3.2用于煤气化合成氨、合成甲醇及后续产品
巨野煤田原煤属于高发热量的煤种（弹筒热平均
值在28～31 MJ/kg之间），该煤有利于降低氧气和能量消耗，并能提高气化产率；因灰熔点较高
（＞1 300℃），有利于固态排渣。根据鞍钢和武钢分
别使用双鸭山和平项山1/3焦煤作高炉喷吹的经验，
巨野煤田的1/3焦煤与双鸭山和平顶山1/3焦煤一
样成浆性较好，其1/3焦煤洗精煤可以制成水煤浆，
作为德士古（Texaco）水煤浆气化炉高炉喷吹用原料。
煤气化得到的合成气既可通过变换用于合成
氨/尿素，又可经净化脱硫合成甲醇或二甲醚。以甲
醇为基础可进一步合成其他约120余种化工产品。另
外，还可利用甲醇制备醇醚燃料及合成液体烃燃料
等。
2.3.3用作焦化原料
焦化用于生产冶金焦、化工焦，其副产焦炉煤气
可用于合成甲醇或合成氨，副产煤焦油进行分离和深
加工后可得到一系列化工原料及化工产品。由表12看出，巨野煤田大槽煤经过洗选以后，可
以供将来的400万t/a焦化厂或者上海宝钢等大型
钢铁企业生产I级焦炭时作配煤炼焦使用；灰分
≤9.0%的8级精煤（2#），也可供华东地区的中小型焦
化企业生产2级和3级冶金焦的配煤炼焦使用。此
外，该煤也可以单独炼焦，但所生产焦炭的孔隙率偏
高，最好进行配煤炼焦。2.3.4远景目标———煤制油
煤直接液化可得到汽油、煤油等多种产品。巨野
煤田的大部分煤层均为富油煤，尤其是15煤层平均
焦油产率＞12%，属高油煤；根据元素分析计算的碳氢
比各煤层均＜16%；大部分煤层挥发分＞35%的气煤和
气肥煤通过洗选后的精煤挥发分＞37%，而其灰分
＜10%。因此，巨野煤田的煤炭都是较好的液化用原料
煤。
煤间接液化可制取液体烃类。煤经气化后，合成
气通过F-T合成，可以制取液体烃类，如汽油、柴油、
石腊等化工产品及化工原料。
3结语
综上所述，巨野煤田第三煤层大槽煤属于低灰、
低硫、低磷、结焦性好、挥发分高、发热量高的煤炭资
源，其中的气煤、1/3焦煤、气肥煤、肥煤、天然焦等是
国内紧缺的煤种，它们的洗精煤不仅可作为炼焦用
煤、动力用煤，而且是制备水煤浆和高炉喷吹气化的
重要原料。因此,菏泽大力发展煤气化合成氨和甲醇
并拉长产业链搞深度加工是必然的正确选择。
‘叁’ 煤化指标与煤质分析
一、煤级分析中的有关概念
煤的工业分类即煤的分类主要是依据煤级，而煤级划分的依据是煤质指标，特别是一些关键的煤质指标。一些煤质指标即煤化程度指标在前面已经做过介绍，本节将围绕煤的工业分类对一些煤级指标的获得做概略介绍(煤质学和煤化学已是独立的学科)。
“基”是表示化验结果是以什么状态下的煤样为基础而得出的，煤质分析中常用的“基”有空气干燥基、干燥基、收到基、干燥无灰基、干燥无矿物质基。在新旧标准中，“基”采用的符号不同(表7-1)。
表7-1 新旧标准中各种基采用的符号对照
空气干燥基是指以与空气湿度达到平衡状态的煤为基准，表示符号为 ad(air dry ba-sis); 干燥基是指以假想无水状态的煤为基准，表示符号为 d(dry basis); 收到基是指以收到状态的煤为基准，表示符号为 ar(as received); 干燥无灰基是指以假想无水、无灰状态的煤为基准，表示符号为 daf(dry ash free); 干燥无矿物质基是指以假想无水、无矿物质状态的煤为基准，表示符号为 dmmf(dry mineral matter free)。
可以看出，新的 “基”是用英文名词的开头字母表示的，而旧 “基”是用汉语拼音的字头表示。
二、主要的煤化指标
煤化指标是通过煤的工业分析获得的。工业分析也叫技术分析或实用分析，包括煤中水分、灰分和挥发分的测定及固定碳的计算。煤的工业分析是了解煤质特性的主要指标，也是评价煤质的基本依据，根据工业分析的各项测定结果可初步判断煤的性质、种类和各种煤的加工利用效果及其工业用途。
煤化程度指标简称煤化指标，又称煤级指标。由于煤化作用是个复杂的过程，不同煤化阶段中各种指标变化的显着性各不相同，因此对于一定煤化阶段往往具有不同的煤化程度指标(表7-2)。
表7-2 常用煤级指标在不同煤级阶段的变化情况
注:①各指标测值的变化范围按煤级增加的方向排列;②规律性差。(据杨起等，1988)
有关煤的化学组成和煤的元素已在第六章中介绍，这里仅就煤质分析中的一些关键指标如水分、灰分、挥发分、镜质体反射率等做简略介绍。
1.水分
水分是一项重要的煤质指标，它在煤的基础理论研究和加工利用中都具有重要的作用。
在现代煤炭加工利用中，有时水分高反是一件好事，如煤中水分可作为加氢液化和加氢气化的供氢体。在煤质分析中，煤的水分是进行不同基的煤质分析结果换算的基础数据。可以根据煤的水分含量来大致推断煤的变质程度。
2.灰分
煤的灰分不是煤中的固有成分，而是煤在规定条件下完全燃烧后的残留物。它是煤中矿物质在一定条件下经一系列分解、化合等复杂反应而形成的，是煤中矿物质的衍生物。它在组成和质量上都不同于矿物质，但煤的灰分产率与矿物质含量间有一定的相关关系，可以用灰分来估算煤中矿物质含量。煤中矿物质来源有三，一是“原生矿物质”，即成煤植物中所含的无机元素;二是“次生矿物质”，即煤形成过程中混入或与煤伴生的矿物质，三是“外来矿物质”即煤炭开采和加工处理中混入的矿物质。煤中存在的矿物质主要包括黏土或页岩、方解石(碳酸钙)、黄铁矿或白铁矿以及其他微量成分，如无机硫酸盐、氯化物和氟化物等。
煤中灰分是另一项在煤质特性和利用研究中起重要作用的指标。在煤质研究中由于灰分与其他特性，如含碳量、发热量、结渣性、活性及可磨性等有程度不同的依赖关系，因此可以通过它来研究上述特性。由于煤灰是煤中矿物质的衍生物，因此可以用它来算煤中矿物质含量。此外，由于煤中灰分测定简单，而它在煤中的分布又不易均匀，因此在煤炭采样和制样方法研究中，一般都用它来评定方法的准确度和精密度。在煤炭洗选工艺研究中，一般也以煤的灰分作为一项洗选效率指标。
3.挥发分
煤样在规定的条件下，隔绝空气加热，并进行水分校正后的挥发物质产率即为挥发分。
煤的挥发分主要是由水分、碳氢的氧化物和碳氢化合物(以CH4为主)组成，但煤中物理吸附水(包括外在水和内在水)和矿物质二氧化碳不属挥发分之列。
工业分析中测定的挥发分不是煤中原来固有的挥发性物质，而是煤在严格规定条件下加热时的热分解产物，改变任何试验条件都会给测定结果带来不同程度的影响。
影响挥发分测定结果的主要因素是加热温度、加热时间、加热速度，此外试验设备的型式和大小，试样容器的材质、形状和尺寸以及容器的支架都会影响测定结果，即测定结果取决于所规定的试验条件，因此说它是一个规范性很强的试验项目。
煤的挥发分产率与煤的变质程度有比较密切的关系———随着变质程度的加深，挥发分逐渐降低(表73)，因此根据煤的挥发分产率可以估计煤的种类。在我国及前苏联、美国、英国、法国、波兰和国际煤炭分类方案中，都以挥发分作为第一分类指标。
表7-3 挥发分与煤的变质程度的关系
根据挥发分产率和测定挥发分后的焦块特性可以初步决定煤的加工利用途径。如高挥发分的煤，干馏时化学副产品产率高，适于作低温干馏原料，也可作为气化原料;挥发分适中的烟煤，粘结性较好，适于炼焦。在配煤炼焦中，要用挥发分来确定配煤比，以将混煤的挥发分控制到适宜范围25%～31%。此外，根据挥发分，可以估算炼焦时焦炭、煤气、焦油和粗苯等产率。在燃煤中，可根据挥发分来选择适于特定煤源的燃烧设备或适于特定设备的煤源。在气化和液化工艺条件的选择上挥发分也有一定的参考作用。在环境保护中，挥发分还作为制定烟雾法的一个依据。
此外，挥发分与其他煤质特性指标，如发热量、碳和氢含量都有较好的相关关系。利用挥发分可以计算煤的发热量和碳氢含量。
4.煤的镜质体反射率
煤的镜质体反射率是不受煤的岩石成分含量影响，但却能反映煤化程度的一个指标。煤的镜质体反射率随它的有机组分中碳含量的增加而增高，随挥发分产率的增高而减少。也就是说同一显微组分，在不同的变质阶段，反射率不同，它能较好地反映煤的变质程度。因此，镜质体反射率是一个很有前途的煤分类指标。特别是对无烟煤阶段的划分，灵敏度大，是区分年老无烟煤、典型无烟煤和年轻无烟煤的一个较理想的指标。目前在国际上已有许多国家采用镜质体反射率作为一种煤炭分类指标。此外，煤的镜质体反射率在评价煤质及煤炭加工利用等方面都有重要意义，如日本、西德等国家用镜质体反射率来指导炼焦配煤来控制煤质量等等，而且在石油、地质勘探研究方面也很有价值。
反射率是指垂直反射时，反射光强度和入射光强度的百分比值，一般用R表示。
煤地质学
测定煤的镜质体反射率是将已知反射率的标准片和煤样(镜质体)放在显微镜下，在一定强度的入射光中，它们反射出的微弱光流，通过光电倍增管转变为电流并被放大成较强的电信号，然后将电信号输出并馈入到记录装置。根据记录装置刻度盘上读出标准片的反射光强度值和煤的镜质体的反射光强度值，按下式求出煤的镜质体反射率:
煤地质学
式中:R镜为煤的镜质体反射率;I标为标准片的反射光电流强度;I镜为煤的镜质体反射光电流强度;R标为标准片的反射率。
标准片的反射率R标按下式计算:
煤地质学
式中:n为标准片的折射率;n0为样品和物镜之间介质的折射率，空气为1，香柏油一般为1.515～1.518。
‘肆’ 煤储层的研究方法及实验技术
煤储层研究方法和实验技术的不断改进是煤储层研究取得重要进展的标志之一。在煤的孔裂隙系统和渗透性的表征研究中，传统的研究方法主要有露头、煤壁的野外观察法（王生维等，2005），煤岩显微裂隙观察法（姚艳斌等，2006a），压汞毛管压力法（姚艳斌等，2006b），氮气或二氧化碳吸附法和扫描电镜分析法（SEM）等；其他新型研究方法有，透射电镜分析法（Lee et al.，2006），小角度中子散射法（SANS）（Radlinski et al.，2004）和小角度X射线散射法（SAXS）（Diszko et al.，2000）等。
近年来，大量的非常规技术，特别是无损检测手段开始应用于煤储层的表征，其中包括医学中应用较广的核磁共振（NMR）技术和CT扫描技术，以及近来在常规低渗油气储层中取得重要应用进展的恒速压汞分析技术、X射线衍射（XRD）技术等。Karacan等（2001）采用X射线CT扫描（X-CT）方法研究了煤层气在煤的微观结构中的吸附和传输特征。Pitman等（2003）和Soto-Acosta等（2008）通过对煤中矿物的碳、氧同位素的X射线衍射（XRD）研究，分别分析了美国黑勇士盆地和印第安那宾夕法尼亚煤中割理发育及其成因特征。Mazumder等（2006）应用X射线计算机层析技术分析了割理和节理的发育特征。Karl-Heinze等（2008）首次采用CT扫描成像分析技术研究了煤中割理的发育特征，结果证明这种方法与实际割理的发育方位和密度具有高度一致性。国内的研究者，胡志明等（2006）和杨正明等（2006）首次将低场核磁共振技术和恒速压汞技术应用于低渗透率油田储层的研究，证明这种方法在研究煤的孔隙结构和吼道分布上具有较大优势。辽宁工程技术大学唐巨鹏等（2005）采用核磁成像（MRI）技术研究了煤层气解吸渗流特性，得出了新的煤层气解吸特性、渗流特性与有效应力间关系的实验结论。迄今为止，国内外还没有或少有应用核磁共振（NMR）技术和CT扫描技术来定量分析煤储层孔裂隙系统和渗透率等的相关报道。
另外，随着多学科交叉研究的发展，测井和地震等常规油气的方法逐渐应用于煤层气领域。如胡朝元等（2005）通过波阻抗、纵横波速和振幅、反射强度、瞬时相位等地震参数与煤储层物性关系理论的推导，建立了采用地震响应来预测煤储层裂隙发育程度的数学模型。杜翔（2007）提出了根据测井原理，利用煤层气测井参数来评价煤层气储层特征的方法。该方法为测井技术应用于分析煤储层的深度、厚度、煤质、含气量、渗透率、岩石力学性质、储层温度等研究提供了初步的研究思路。
总的来看，关于煤储层的研究方法与实验分析技术的研究已成为目前煤储层研究领域最活跃、进展最快的研究分支之一。然而，将低场核磁共振技术、恒速压汞技术和CT成像技术等用于煤储层的研究，在国内外还未见报道，因此进一步确定这些研究手段在煤储层研究中的具体应用将是今后的趋势。同时，地震和测井等手段有望进一步推动煤储层研究领域的发展。本书第4章和第5章内容将对低场核磁共振技术（low-field NMR）、恒速压汞技术和微焦点X射线断层扫描（μ-CT）技术在储层研究中的新应用进行重点阐述。
‘伍’ 研究方法
1.资料收集与分析
系统收集研究区区域地质资料、煤炭地质资料、煤层气地质资料、煤层气生产开发资料(钻井、测井、煤岩、压裂、排采等相关资料)及研究成果。通过资料分析,为研究区内煤田构造、含煤地层与煤层特征、煤变形与构造煤、煤岩煤质以及煤层气井煤粉产出影响因素研究提供资料基础。
图1-1 技术路线图
2.矿井调查及煤岩样品采集
充分利用地质学研究方法,开展野外地质调查和矿井地质调查,运用煤田地质学、构造地质学、沉积学的野外工作方法,观察研究区的煤层宏观结构构造特征,研究煤田构造、含煤沉积与煤层特征、煤变形与构造煤、煤岩等,系统采集煤岩样品,为煤岩测试分析和煤粉产出物理模拟实验提供样品。
3.现场监测及煤粉样品采集
选择不同井型、不同排采工艺、不同排采条件的典型煤层气生产井,对煤粉产出液进行长期、连续地观察、描述和监测煤粉产出情况及特征,获得煤层气生产井排采工艺、排采参数和煤粉产出的实际资料,用煤粉浓度测试仪测试煤粉液样中煤粉浓度,系统采集煤粉样品,为煤粉测试分析提供原始样品。
4.室内测试分析
对研究区的煤岩样品和煤粉样品进行室内测试分析,包括煤岩的工业分析和元素分析,用显微光度计测定煤岩样品的反射率,用光学显微镜对煤岩样品和煤粉样品进行煤岩显微组分定量分析,用扫描电镜对煤岩样品和煤粉样品进行形态特征和结构构造分析,用X射线衍射仪对煤粉样品进行无机矿物成分分析,采用激光粒度分析仪对煤粉粒度进行分析等。研究产出的煤粉与煤岩之间的关系,从煤粉的粒度、形态、成分等方面描述煤粉产出特征,研究煤粉的来源和成因。
5.物理模拟实验研究
针对不同煤岩样品,在不同排采条件下,进行煤粉产出的物理模拟实验。模拟煤层气生产过程中不同排采条件下围压和驱替流速的改变对煤粉产出的影响。模拟相同排采条件下,具有不同煤岩组分和不同煤体结构的煤岩样品对煤粉产出的影响。模拟不同粒度和不同成分的煤粉在不同流速下的运移情况,揭示煤层气排采过程中煤粉在煤储层、井筒和排采系统中的运移规律。
6.测井资料分析与煤体结构解释
利用煤田地质勘探钻孔和煤层气井的测井资料,分析不同煤体结构煤在不同类型的测井曲线上的响应特征,利用测井曲线组合特征解释研究区内煤层气井主采煤层的煤体结构,揭示煤层气井煤层特性及不同煤体结构煤的分布情况。
7.图件编制
利用排采日报中的数据,结合监测煤粉浓度数据,绘制煤粉浓度与排采参数关系的曲线图,分析煤粉产出与排采参数之间的关系。运用测井曲线对煤层的煤体结构进行识别,统计各个煤层的煤体结构解释结果,编制各煤层煤体结构类型分布图,结合现场煤层气井煤粉产出情况,分析煤体结构对煤粉产出的影响,预测煤层气井煤粉的产出情况。
8.综合分析
综合分析煤矿井下观察到的煤层现象、测井解释结果、室内测试数据、物理模拟实验数据及现场监测数据,从煤层自身特征和工程扰动及其耦合效应入手,分析韩城区块煤层气井煤粉产出的影响因素,研究煤粉的成因机制,查明煤粉产出的主控因素,揭示煤粉产出规律,提出合理的管控措施。