我国煤岩学研究现状及前景分析

范章群

（中煤科工集团西安研究院有限公司，西安 710077）

我国煤岩学研究现状及前景分析

范章群

（中煤科工集团西安研究院有限公司，西安 710077）

煤岩学是以岩石学观点和方法来研究煤的物质成分、性质和用途，煤岩组分的物理化学性质差异在指导煤炭的高效洁净利用方面，具有其他学科无法替代的优势。基于我国煤岩学研究成果，分别论述了基础煤岩学和应用煤岩学的研究现状和取得的成果，对于后者重点论述炼焦配煤、煤液化和气化等方面煤岩学的应用现状和认识。指出基于图像分析的自动化测试技术和大力开展全国煤炭资源的高效洁净利用是当前乃至以后煤岩学在方法和应用方面的发展方向。

煤岩学；基础煤岩学；应用煤岩学；煤炭高效洁净利用

煤岩学是以岩石学观点和方法来研究煤的物质成分、性质和工艺用途，并确定其成因和合理应用的科学。从理论和应用两方面，可将煤岩学分为基础煤岩学和应用煤岩学，前者包括从煤岩组分的识别、命名和检测方法的研发；后者主要是利用煤岩学组分结构、物理化学特性差异指导煤炭的加工利用。近年来，煤炭的清洁高效利用越来越受到多个行业的重视，而煤岩学作为一种基础学科，在指导煤的精细化加工利用方面具有其他学科不可替代的优势，本文分析了煤岩学在基础理论和指导炼焦配煤、煤液化和气化等方面的研究现状和取得的成果，并扼要地阐述了其今后的攻克方向。

1 基础煤岩学

自20世纪30年代起，煤岩学从煤岩组分的认识、命名等基础研究着手；20世纪90年代，煤岩快速发展，并形成了一系列煤岩学国家标准；进入21世纪，煤岩学自动化测试技术成为研究攻克的重点。

1.1 煤岩组分的识别与分类

自然界成煤植物和成煤环境的多样化，使得其岩石组分各异，这是评价煤的性质和用途的重要依据，也是反推煤成因，煤变质及煤成烃等理论和实际问题的重要基础。煤岩组分命名和分类方法大致经历了以下三个阶段。

①1964年由煤炭部提出了“煤岩显微组分的统一命名方案”，将煤岩显微组分按类、组、组分和亚组分来划分，分为五大类：镜质类、丝质类、稳定类、腐泥类和矿物类；六大组：镜质组、半镜质组、半丝质组、丝质组、稳定组、腐泥组和矿物组；各大组又细划分为组分和亚组分。但分类方法与国际上煤岩分类存在较大差异。

②1979年，煤炭科学研究所提出，从实际应用角度出发，依据煤的工艺性质和成因进行煤岩显微组分的划分和命名，研究结果将煤的显微组分划分为三大类（镜质类、惰质类和稳定类），四大组（镜质组、半镜质组、半丝质组+丝质组和壳质组），同时又在各个组分下划分出亚组分，以“体”命名。本次划分方案中，尤其提到了介于镜质组和惰质组之间的过渡组分“半镜质组”，该过渡组分在低煤化阶段，尤以在西北地区侏罗系煤中存在一定份量，从加热熔融试验可知，其黏结性和熔融性比镜质组高，比惰质组低。其反射率较镜质组高出0.20%～0.25%。半镜组分的提出符合我国煤储层实际情况，在指导煤的加工利用方面，过渡环境中形成的特殊组分不可忽略[3]。

③1986年，鉴于国际煤岩分类在各国获得了广泛应用，便于使煤岩学的研究与国际接轨和国际煤炭贸易的往来，煤炭科学研究所，结合我国具体情况，对之前的研究成果进一步完善和修改，提出了“中国烟煤显微组份划分及命名的”三大组分划分方案[4]，即：镜质组、惰质组和壳质组，其中将之前的半镜质组归入镜质组中。1998年，提出了煤的镜质体反射率的显微镜测定方法[5]，该两套标准是进行煤岩学理论和应用研究的基础标准。随后的一段时期内，为扩大标准的适应性和细节问题的处理，多次对标准进行了修定和完善，一直延用至今。

1.2 煤岩学研究方法

煤岩学的研究从宏观到显微和超微观，从定性到定量。使用的仪器设备主要有偏反光显微镜和显微镜光度计、电子显微镜，红外光谱，磁共振和X衍射等手段，其中显微镜光度计是煤岩学检测最直观和可靠的仪器，利用该仪器主要检测煤的镜质体反射率、显微煤岩组分、显微煤岩类型，商品煤判别等。

20世纪70～80年代以后，我国各科研院所和高等院校，引进了一批显微镜（如德国LEIZ）和显微镜光度计（如德国MPV3显微镜光度计），一直延用至今，目前仪器存在了老化、测试精度差等问题；煤岩学测试是一项特殊的工作，其测试精度直接受技术人员、测试仪器和测试样品三个因素的综合影响，需要测试者具有丰富的知识和测试经验，且测试劳动强度大，工作效率低。针对以上问题，我国的大批专业技术人员也着力于显微镜光度计的硬件及软件的自动化研发工作。刘宗保[6]、金奎励[7]、赵景德[8]、姚伯元等[9-10]先后提出了煤的镜质体反射率自动测试设想、设备和技术方法，其共同思想是将煤中所有对象全部进行反射率测定，然后对检测数据进行筛选，这无疑给结果的准确性带来一定的风险。众所周知，煤是各性异性极强的不均质体，不同沉积环境下，其微观成分特征各异，导致不同显微组分、亚组分反射率值存在重叠区域。这种自动化测试方法与人工测试结果不具有可比性。

2009—2011年，中煤科工集团西安研究院针对国内市场上使用的显微镜光度计存在的问题和国外产品价格高昂等因素（表1），研制出了PMT和MSP两个系列的光度计产品[11-12]（图1）。两个系列的产品测试精度达到国家标准的要求，实现了脱离目镜直接在显示屏上测定目标，大大解放了眼力劳动，提高了工作效率。目前国内常用的显微镜光度计主要是进口（表1），较为先进的产品是德国ZEISS公司与J&M公司合作研发的Axio Imager.A2m&’J&M’系列显微镜光度计，该产品具有自动化测试煤的镜质体随机反射率功能，但其测试程序复杂，测试项目单一，不能满足我国煤岩研究需要。且该套产品成本高，难于应用于大批量的生产测试项目中。

表1 国内常用的显微镜光度计Table 2 Commonly used microscope photometers in China

针对国内现状，中煤科工集团西安研究院于2013-2015年，提出了“煤岩自动化测试设备的研制”项目，目前该成果各项指标均达到或优于国家标准的相关要求[13]。以前两项成果为基础，2015年提出了“基于图像处理显微煤岩自动识别技术开发”。该技术的实现可以大大推动我国在煤岩学科的发展与应用。

图1 MSP-Ⅱ型显微镜光度计Figure 1 MSP-II type microscope photometer

2 煤岩学应用

煤岩各组分在物理化学性质方面存在显著差异，因此，利用此差异性指导煤炭加工利用，既方便直观又科学可靠。以下重点论述煤岩学在指导炼焦配煤、煤液化和煤气化三个方面的应用和所取得的成果（图2）。

图2 煤炭转化Figure 2 Coal conversion

图3 T3和P2煤的热变温度区间对比[17]Figure 3 Comparison of late Triassic and middle Permian coal thermal alteration temperature ranges[17]

2.1 炼焦配煤

20世纪60-80年代以来，本溪钢铁公司、上海梅山冶金公司、武汉钢铁学院等单位，借鉴国外配煤技术，将煤岩学引入了配煤方案中，并提出了较为成熟的煤岩配煤方案和参数，确立了煤岩组分在配煤中的地位和作用。张昕等[14]利用煤岩组成和镜质体反射率指导炼焦配煤，预测焦炭质量，研究指出炼焦配煤实际是将“可熔成份和不可熔成份的配合”，二者的均匀混合是保证焦炭质量的最重要因素。吴俊[15]在借鉴美国钢铁公司N、夏皮罗的配煤方法对水城若干煤层气进行配煤计算并预测焦炭质量。郑佑军[16]选用平衡指数（CBI）和镜质组最大平均反射率（Rmax）进行煤岩配煤、并预测焦炭质量。叶道敏等[17]提出的优势配煤方法，研究指出，不同成煤时代不同变质程度煤中的组分活性存在差异（图3），科学地提出了“标准活性组分”这一概念参数。利用优选出的3个基本参数：标准活性组分Vt，st、随机反射率Rran和标准差S，建立了预测M40、M25和M10的炼焦配煤模型，其配煤模型的拟合度可达95%以上。刘运良等[18]首次引入了容惰指数“Ihi”来表示活、惰性组分的质量，同时也引入了活性组分配合度Dm与容惰指数配合来进行焦炭强度的预测。薛改凤等[19]将镜质组反射率的各分布区间之间的比例结合单种煤的黏结指数G、胶质层最大厚度Y和作为评定单种煤煤质的指标，根据特征区间集中度，保证了单种煤的合理配用，提高焦炭质量。针对炼焦优质用煤短缺问题，刘文礼等[20]研究指出，可在储量相对丰富的低变质程度煤中分选出活性组分，再配入一定量的优质炼焦煤进行配煤炼焦。这种配煤方法需了解低变质程度煤的煤岩活性组分分布规律及煤活性组分与优质炼焦煤配煤炼焦规律。试验表明该配煤技术最终能使低阶煤的配入比例超过20%，且炼出的焦炭质量合格。

从以上研究成果不难看出，其方法主要依据是：显微组分的活、惰性差异，镜质组和壳质组为活性组分，惰质组为惰性组分，炼焦配煤时，活性组分可熔融，而惰性组分不可熔但可作为骨架，在配煤中也是不可或缺性的。因此，将煤岩学应用于炼焦配煤技术中，可以科学配煤并预测焦炭质量，实现了从定性的经验配煤向科学配煤的跃变，使得焦炭质量预测在生产上应用成为可能。

2.2 煤液化

我国煤液化研究起步较晚，而通过研究煤的显微组分、亚组分性能促进了煤液化技术得到了质的提升。影响煤液化的因素主要有以下下几个方面：

2.2.1 煤变质程度

唐跃刚等[21]研究指出，煤级对煤的液化影响最大，液化转化率随褐煤煤级升高而降低。

2.2.2 显微组分差异

在炼焦配煤中指出，煤中的显微组分存在活、惰性差异，不同显微组分的煤在加氢液化时，其转化率不同[21，23]，而且腐植组中的亚组分组成差异也会较明显的影响转化率（其影响可高达10%以上）。陈洪博[24]在研究液化残渣中煤的显微组分发现，原料煤中的壳质组和镜质组全部转化，惰质组部分转化，未转化的是煤中反射率最高的惰性组分。王绍清[25]等研究指出富含树皮体的煤液化性能优于富含半丝质体煤，且液化油收率和煤结构中的CH2基团中的碳含量呈正相关关系，而液化转化率和煤的芳碳率呈负相关关系。李小彦[26]研究指出：宏观煤岩成分中，转化率和油产率表现出镜煤＞亮煤＞暗煤＞丝炭；显微组分中，不仅镜质组和壳质组具有反应活性，半镜质组也有一定活性，且活性组分（镜质组+半镜质组+壳质组）含量与液化转化率、油产率表现出良好的正比关系；当Rmax＜1.50%时半丝质组分具有液化反应活性，其活性低于同一煤中的半镜质组，当Rmax＞1.50%时惰质组分已不具反应活性；建立了液化性能与煤岩组分之间的量化预测关系，提出了适合液化效果的煤岩学预测方法和高效的配煤液化技术方法。

2.2.3 液化温度

陈洪博[22]在研究神东煤田煤液化性能时得出：不同惰质组含量，最佳的液化反应温度不同，只要选择合适的液化条件，惰质组含量高的煤也是可以液化的，并且可以得到较高的油收率，但是当惰质组含量在70%以上时，油收率相对较低；液化反应“活性组分”、“过渡组分”最大反射率上限值每升高0.05%，对应的液化反应温度升高5℃。罗洁[27]研究表明：对于同一煤种，其不同的显微组分对应的最适宜的反应温度各不相同。当初始压力为10 MPa、反应温度为460℃时，神华富含惰质组补连塔煤的液化反应性能较佳，其转化率和油产率分别为89.37%和59.69%；在最佳反应条件下，煤的油产率和转化率均随惰质组含量的升高而降低

2.3 煤气化

从煤岩学角度研究煤气化性能时主要包括三个方面：显微组分与CO2和水蒸气反应活性；不同变质程度煤中各组分的气化活性；显微组分气化活性随压力的变化。

煤变质程度不同，热解过程和产物也不同[28]，且分子结构差异显著[29]，褐煤分子支链较多，可利用官能团多，结构不紧密容易分解，大都具有较好的化学反应活性，因此其适宜作为煤炭转化为清洁能源的原料，烟煤次之。Huang等[30]研究了不同煤种不同显微组分富集物的气化活性的差异性，其成果指出3种：东胜煤＞大同煤＞红阳煤；脱灰后惰质组富集物焦样的气化反应活性大于镜质组，且惰质组和镜质组反应活性随煤级的升高而降低。张永发等[31]研究平朔煤的显微组分富集物及焦样与CO2的活性时得出，稳定组分在673～723 K的温度范围内表现出明显的热解过程，丝质组原样和丝质组焦样与CO2的反应性较强，而镜质组原样和镜质组焦样与CO2的反应性低，即：稳定组＞丝质组＞镜质组。谢克昌[32]研究指出显微组分富集物与水蒸气气化的反应速率顺序则为惰质组＞镜质组＞稳定组。忻仕河[33]根据惰质组和镜质组的密度差异，定性和定量地探讨了煤岩显微组分在气化过程中的交互作用，研究指出惰质组含量高有利于煤焦的气化反应。

从以上三个方面的研究成果看出，煤在焦化、液化和气化研究中共同依据是煤岩组分的活、惰性差异，这也是其他学科不可替代的优势。我国煤种丰富，且全国成煤环境差异显著，基于此，不同沉积环境不同变质程度煤中组分含量存在差异，充分认识其差异性是进行煤炭加工利用的前提。

3 煤岩学发展趋势及前景分析

①基于图像处理的煤岩组分自动化识别和自动没测试技术是今后煤岩学基础研究的目标，同时形成与之配套的硬件设备和软件测试技术，并形成相应的测试标准，将解决了多年来煤岩测试效率低，测试可比性差等问题。这也是应用煤岩学进一步发展的基础条件。

②我国的煤炭利用居高不下，其直接利用也带来了一系列环境问题。指导煤的高效洁净利用，是煤岩学进一步发展的重要意义所在。从目前的焦化、液化和气化的研究成果来看，多集中于低煤级煤的研究，其他煤种研究较少，需要进一步开展工作，推动全国煤炭的精细化深加工利用的步伐。建议建立全国煤炭资源煤岩等特征数据库，为煤炭资源高效统筹利用提供数据平台。

③煤岩学需结合煤化学、沉积学、地球化学、石油地质学等学科的研究方法、手段共同能源的勘探、开发和利用服务，相互补充，互相促进发展。

致谢！论文在编写过程中，得到教授级高工张秀仪老师的悉心指导，在此表示感谢！

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Coal Petrology Study Status Quo and Prospect in China

Fan Zhangqun
(Xi'an Research Institute,China Coal Technology and Engineering Group Corp.,Xi'an,Shaanxi 710077)

The coal petrology is a branch of learning to study coal material composition,properties and uses,physical and chemical property differences between coal macerals from petrological viewpoint and methods.On the aspect to guide effective coal clean utilization possesses other disciplines irreplaceable advantage.Based on coal petrological research findings in China,discussed research status and achieved results of basic coal petrology and applied coal petrology respectively.For the later has emphatically discussed coal petrological application status quo and understanding on aspects of coking blend,coal liquefaction and gasification.Finally the paper pointed out that the automatic test technology based on image analysis and to pay great effort on nationwide coal resources high efficiency and clean utilization are the development direction of coal petrology methodology and application at present and henceforth;provide scientific guidance to promote coal resources high efficiency and clean utilization.

coal petrology;basic coal petrology;applied coal petrology;high efficiency and clean utilization of coal

P618.11

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.02.04

1674-1803(2017)02-0015-05

中煤科工集团西安研究院有限公司技术创新资金项目（2015XAYZD09）

范章群（1981—），女，安徽泗县人，助理研究员，硕士，主要从事煤与煤层气地质和煤岩学研究。

2016-08-23

责任编辑：宋博辇