劉成龍，周鳳英，張 艷，閆 強(qiáng)

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所，北京 100037；2.中國地質(zhì)科學(xué)院全球礦產(chǎn)資源戰(zhàn)略研究中心，北京 100037；3.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京 100083；4.國土資源部成礦作用與資源評價重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100037)

寧夏特種煤資源煤質(zhì)特征綜合評價研究

劉成龍1，2，3，周鳳英1，2，4，張 艷1，2，4，閆 強(qiáng)1，2，4

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所，北京 100037；2.中國地質(zhì)科學(xué)院全球礦產(chǎn)資源戰(zhàn)略研究中心，北京 100037；3.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京 100083；4.國土資源部成礦作用與資源評價重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100037)

根據(jù)不同煤質(zhì)的綜合利用是未來煤炭開發(fā)需重點(diǎn)考慮的問題，也是去產(chǎn)能現(xiàn)狀下煤炭的唯一出路，寧夏特種煤煤質(zhì)特征評價研究不夠。本文通過對寧夏9個煤礦14塊樣品的煤質(zhì)分析實(shí)驗(yàn)，評價了寧夏特種煤資源煤質(zhì)和分布特征。寧夏適合氣化用煤主要分布在寧東地區(qū)，煤與CO2反應(yīng)性好的煤礦包括清水營、棗泉、王洼1井、金鳳和羊場灣。金鳳煤礦12號煤對比直接液化煤質(zhì)要求匹配度0.81，匹配度最高，寧夏適合直接液化的特種煤資源主要分布在馬家灘礦區(qū)。石炭井礦區(qū)大豐2號煤中含有伴生有益高元素，其中鈧Sc、鎵Ga、釷Th元素含量高于中美煤中元素含量平均值。寧夏部分煤中有害元素富集，其中王洼1井5號煤屬高磷煤，金鳳煤、任家莊3號煤中鉛和氟含量富集。相較于全國其他地區(qū)，白芨溝和大豐礦煤具有低含水、低灰低硫、高發(fā)熱量及落下強(qiáng)度高的煤質(zhì)特征，是一種國際公認(rèn)的稀缺而珍貴的煤炭資源，俗稱“黑金”，屬稀缺煤類。

特種煤；氣化用煤；直接液化；有益元素；有害元素；稀缺煤

根據(jù)不同煤質(zhì)的綜合利用是未來煤炭開發(fā)需重點(diǎn)考慮的問題，也是去產(chǎn)能現(xiàn)狀下煤炭的唯一出路[1-2]。具有特殊煤質(zhì)和特殊用途煤稱為特種煤，根據(jù)煤炭清潔利用方式和對環(huán)境的影響，中國煤炭地質(zhì)總局認(rèn)為特種煤又分為優(yōu)質(zhì)煤化工用煤、特殊高元素煤和稀缺煤。其中，煤化工用煤包括氣化用煤、液化用煤和焦化用煤[3]；特殊高元素煤包括有益元素和有害元素，如含有有益元素有鍺、鎵、鋰、銅、釷、鈾和稀土元素等，有害元素有硒、磷、汞、砷、氯、氟、鉛等[4]。隨著國內(nèi)環(huán)境惡化壓力的增大，煤炭清潔利用越來越受到重視，前環(huán)保部部長現(xiàn)北京市長陳吉寧就明確指出，控制空氣污染，“十三五”將大力推進(jìn)清潔煤炭的使用[1]。從而對煤炭的分質(zhì)利用要求隨之提高，特種煤的綜合評價的需求也勢在必行。

寧夏回族自治區(qū)是中國重要的含煤大省，截至2015年底，寧夏煤炭查明資源儲量328.03億t，其中探明資源量290.66億t，居全國第六位[5]。全區(qū)含煤面積17 000 km2，煤礦122個。主要聚煤期有晚石炭世、早二疊世和中侏羅世，主要含煤礦區(qū)有石炭井礦區(qū)、靈武礦區(qū)、馬家灘礦區(qū)和王洼產(chǎn)煤區(qū)[6]。本文前人研究的基礎(chǔ)上，加上本次在寧夏四大重點(diǎn)礦區(qū)煤樣煤巖煤質(zhì)實(shí)驗(yàn)，得出了寧夏煤炭資源中特種煤煤質(zhì)及分布特征，力爭為寧夏特種煤的綜合開發(fā)利用提供參考。

1 樣品的采集與測試

本次研究共采集煤樣品14塊，來自于四大礦區(qū)9個煤礦(圖1)，樣品覆蓋寧夏主要含煤地區(qū)，具體樣品信息見表1。采樣方法嚴(yán)格參照《煤層煤樣采取方法》(GB/T 482-2008)、《煤炭資源勘探煤樣采取規(guī)程》((87)煤地字第 656號)和《煤炭資源勘查煤質(zhì)評價規(guī)范》(MT/T1090-2008)。在江蘇地質(zhì)礦產(chǎn)設(shè)計研究院完成包括煤巖學(xué)、工業(yè)分析、元素分析、工藝分析等煤質(zhì)實(shí)驗(yàn)，具體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包括水分、灰分、揮發(fā)分、發(fā)熱量、全硫、元素分析、氫碳原子比、哈氏可磨性指數(shù)、煤巖顯微組分、煤鏡質(zhì)體反射率、灰熔融性、煤對CO2反應(yīng)性、熱穩(wěn)定性、落下強(qiáng)度、灰成分、鍺、鎵、鈾、鋰、鈮、稀土元素、釩、銅。

2 寧夏煤化工用煤煤質(zhì)及分布特征

煤化工產(chǎn)業(yè)目前是我國煤炭清潔利用的主要方式之一，現(xiàn)代煤化工過程采用的技術(shù)是在密閉的系統(tǒng)中，將煤炭氣化，生成的粗合成氣后再經(jīng)過脫硫、脫碳等凈化措施，得到純凈的合成氣用于合成天然氣、油品、甲醇、烴類等過程。煤化工過程輸入的是煤、氧氣、水，輸出的是產(chǎn)品和純凈的二氧化碳，原料煤中的硫、汞等污染物都在工藝過程中得到了轉(zhuǎn)化回收，硫回收率達(dá)到99.8%以上，沒有NOX排放，循環(huán)水排污水、工藝廢水等深度處理后回用，最終實(shí)現(xiàn)污水近零排放。煤化工實(shí)現(xiàn)了煤炭中的污染物處理和集中利用，具有明顯的環(huán)保優(yōu)勢，和直接燃煤相比，SO2排放可下降99.8%，粉塵排放可下降99.9%，和燃煤發(fā)電(帶脫硫脫硝，脫硫效率約90%)相比，SO2排放可進(jìn)一步降低80%，NOx可降低75%。近年來以煤制油、煤制天然氣、煤制烯烴、煤制乙二醇、煤制芳烴為代表的新型煤化工發(fā)展勢頭迅猛，正處在大規(guī)模建設(shè)階段，產(chǎn)能擴(kuò)張迅速。據(jù)統(tǒng)計中國投產(chǎn)、在擬建煤化工項(xiàng)目共168項(xiàng)，其中投產(chǎn)54項(xiàng)，在家44項(xiàng)，擬建70項(xiàng)。不同煤化工工藝原煤煤質(zhì)要求不同，選取不當(dāng)會導(dǎo)致煤質(zhì)生產(chǎn)事故，如氣化爐內(nèi)壁腐蝕、渣口堵渣、合成器冷卻器入口堵灰、水煤漿濃度偏低、灰熔點(diǎn)不穩(wěn)定等。因此，查明寧夏煤化工用煤的煤質(zhì)及分布特征，可為寧夏煤化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與布局提供重要的依據(jù)。

圖1 寧夏煤炭資源分布及采樣位置

礦區(qū)樣品名稱層位石炭井大豐2上、大豐2桿1、大豐2中、大豐2桿2、大豐2底、白芨溝2號侏羅系延安組靈武棗泉2號、靈新、清水營2號、任家莊3號、羊場灣2號侏羅系延安組馬家灘金鳳12號、金鳳18號侏羅系延安組王洼王洼1井5號侏羅系延安組

2.1 寧夏氣化用煤煤質(zhì)及分布特征

煤氣化是以煤為原料，以氧氣、水蒸氣或氫氣等作氣化劑，在高溫條件下通過化學(xué)反應(yīng)將煤中的可燃部分轉(zhuǎn)化為氣體燃料或下游原料的過程。煤氣化 效率的高低，決定了采用煤制氣工藝效率的高低，通常用煤與CO2的反應(yīng)性實(shí)驗(yàn)得出。即煤與CO2反應(yīng)過程中，CO2還原率越大，說明煤氣化效果越好[7-8]。圖2展示煤與二氧化碳的反應(yīng)性曲線(圖2)。從圖2中可以看出，寧夏的靈武礦區(qū)煤氣化效果最好，其次是王洼礦區(qū)和馬家灘礦區(qū)，石炭井礦區(qū)煤氣化效果差。950 ℃溫度下，CO2還原率超過50%的有清水營煤、棗泉煤、王洼1井煤、金鳳

煤和羊場灣煤，其中清水營煤75.6%最高；大豐煤、白芨溝煤和任家莊煤CO2還原率均未超過50%，。對比分析圖3顯示高CO2還原率煤具有以下煤質(zhì)特征：水分含量4%～10%；氧含量12%～20%；揮發(fā)分30%～40%；低位發(fā)熱量20～26 kJ/kg；哈氏可磨性指數(shù)大于90；氫碳原子比0.6～0.8；硫化鐵硫0.1%～0.5%；酸性礦物含量大于40%，堿性礦物含量小于40%。

總之，適合氣化用煤的煤礦包括清水營、棗泉、王洼1井、金鳳和羊場灣，主要分布在寧夏寧東地區(qū)。

圖2 煤與CO2反應(yīng)曲線

圖3 煤CO2還原率與煤質(zhì)相關(guān)關(guān)系

2.2 液化特征

煤直接液化是將煤在氫氣和催化劑作用下通過加氫裂化轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w燃料的過程[9]。目前，國內(nèi)直接液化工藝只有神華直接液化技術(shù)，是由神華集團(tuán)研制的煤炭直接液化工藝，一般要求原煤灰分<10%，氫含量>5.2%，硫分<1，氫碳原子比≥0.77，鏡質(zhì)組反射率<0.85%，揮發(fā)分>35%，惰質(zhì)組分含量<10%。為了定量化各煤礦煤是否滿足直接液化要求，引入匹配度的概念，匹配度是指各煤質(zhì)參數(shù)滿足直接液化要求的程度，最大值為1。匹配度等于各煤質(zhì)參數(shù)匹配度的平均值，如灰分含量要求<10%，滿足要求的匹配度為1，不滿足要求的匹配度等于10%除以灰分含量。氫含量要求>5.2%，滿足要求匹配度為1，不滿足要求匹配度等于氫含量除以5.2%。根據(jù)直接液化煤質(zhì)要求，分析各煤樣的匹配度(表2)，得出以下結(jié)論。

1)馬家灘礦區(qū)金鳳煤礦12號煤直接液化匹配度0.81，匹配度最高，煤中灰分含量34.44%，液化配煤需做洗煤去灰處理，可將灰分含量降低到15%以內(nèi)。金鳳礦18號煤直接液化匹配度0.79，煤中惰質(zhì)組分含量過高，不易處理，18號煤不適合作為直接液化用。

2)靈武礦區(qū)和王洼產(chǎn)煤區(qū)煤樣直接液化匹配度0.77～0.8，惰質(zhì)組分含量過高，分布為31.3%～77.7%，平均51.2%，不適合作為液化用煤。

3)石炭井礦區(qū)煤樣直接液化匹配度0.59～0.64，大豐礦和白芨溝礦煤中氫含量平均3.3%，氫碳原子比平均0.43%，揮發(fā)分平均10.58%，均低于直接液化用煤煤質(zhì)要求，鏡質(zhì)體反射率平均2.5%，成熟度過高，不適合作液化用煤。

因此可見，寧夏適合直接液化的特種煤資源主要分布于馬家灘礦區(qū)。

表2 直接液化煤質(zhì)要求及寧夏區(qū)煤樣煤質(zhì)數(shù)據(jù)

3 煤中伴生高元素含量特征

動力煤燃燒使用，是我國煤炭資源目前最主要的利用方式之一。而高有益元素煤，若直接燃燒，其中的有益元素未回收，則是一種資源的浪費(fèi)；而高有害元素煤，如高硫煤，若直接燃燒而未采用有效措施控制，將導(dǎo)致酸雨的形成，帶來嚴(yán)重的環(huán)境污染。因此，查明特殊的高元素煤的分布，將為寧夏煤炭資源合理、高效清潔利用，提供重要的依據(jù)。

煤中伴生元素主要包括鋰Li、鈧Sc、銅Cu、鎵Ga、釔Y、鈮Nb、鑭La、鈰Ce、鐠Pr、釹Nd、釤Sm、銪Eu、釓Gd、鋱Tb、鏑Dy、鈥Ho、餌Er、銩Tm、鐿Yb、镥Lu、釷Th、鈾U。中國煤中元素含量平均值是按照第三次煤田地質(zhì)預(yù)測資料，以各全國各礦區(qū)保有儲量為依據(jù)，引入“儲量權(quán)值”概念的方法進(jìn)行的統(tǒng)計，各元素含量值由代世峰等統(tǒng)計(表3)[10]。對比寧夏煤與中國煤以及美國煤中伴生元素含量平均值，發(fā)現(xiàn)以下異常。

1)鈧Sc。Sc屬稀土元素，鈧常用來制特種玻璃、輕質(zhì)耐高溫合金。在大豐露天礦2號煤層中Sc含量6.98～8.1μg/g，是中國煤和美國煤中Sc含量平均值的兩倍。

2)鎵Ga。Ga常用于半導(dǎo)體生產(chǎn)，溫度計，激光二極管，也可用作癌的定位。在大豐礦2號煤中Ga含量平均14.5μg/g，超過中國煤和美國煤中Ga含量平均值，但沒有達(dá)到工業(yè)開采品位30μg/g。煤中Ga一般與黏土礦物或鋁的氫氧化物礦物有關(guān)，主要是因?yàn)锳l和Ga的地球化學(xué)性質(zhì)相似，Ga可以和Al形成類質(zhì)同像。

3)釷Th。大豐礦2號煤中Th含量7～10.08μg/g，超過中國煤和美國煤中Th含量平均值。釷是一種放射性金屬元素，帶鋼灰色光澤，質(zhì)地柔軟，化學(xué)性質(zhì)較活潑。釷經(jīng)過中子轟擊，可得鈾-233，因此它是潛在的核燃料。釷廣泛分布在地殼中，是一種前景十分可觀的能源材料。

表3 寧夏煤中伴生元素含量與中國煤平均值以及美國煤平均值的對比

數(shù)據(jù)來源：中國煤中微量元素的含量是按照第三次煤田地質(zhì)預(yù)測資料，以全國各礦區(qū)保有儲量為依據(jù)，引入“儲量權(quán)值”概念的方法進(jìn)行統(tǒng)計，表中鋰Li、鈧Sc、鎵Ga、釔Y、鈮Nb、鑭La、鈰Ce、鐠Pr、釹Nd、釤Sm、銪Eu、釓Gd、鋱Tb、鏑Dy、鈥Ho、餌Er、銩Tm、鐿Yb、镥Lu由代世峰統(tǒng)計，銅Cu、釷Th、鈾U由任德貽統(tǒng)計[10]。

煤中有害元素有磷、硫、鉛、氯、氟、砷、汞、硒，寧夏主要礦區(qū)煤中有害元素含量見表4。煤中磷在煉焦時，隨著礦物質(zhì)轉(zhuǎn)入焦炭，在冶煉時易使生鐵產(chǎn)生冷脆性，燃燒時污染空氣，王洼1井5號煤磷含量0.14%，超過中國煤和美國煤中磷含量平均值，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)煤中磷含量的分析，王洼1井5號屬高磷煤。煤中含硫，若直接燃燒，易生成的二氧化硫腐蝕設(shè)備，污染空氣，危害人體健康；當(dāng)作為焦炭用于煉鐵時使鐵產(chǎn)生熱脆性，嚴(yán)重影響生鐵質(zhì)量。本次研究的寧夏煤中硫含量0.08%～1.39%，屬中低硫煤。煤中鉛通常是通過燃燒進(jìn)入大氣土壤和水中，從而影響環(huán)境，鉛含量金鳳煤19 μg/g、任家莊3號煤29 μg/g以及大豐2號夾矸中42 μg/g，超過中美煤中鉛含量平均值，相對富集。煤中氟是有毒物質(zhì)，人體蓄存過量致氟中毒后的主要癥狀為牙齒變黃、變黑、腿呈X型或O型、躬腰駝背或者手臂只能彎不能伸等，中毒輕者造成氟斑牙，重者出現(xiàn)氟骨癥，甚至完全喪失勞動和生活自理能力，金鳳12號煤氟含量206 μg/g，大豐2號夾矸中氟含量299 μg/g，遠(yuǎn)超過中美煤中氟含量平均值，屬高氟煤。其他有害元素富集不明顯。

表4 煤中有害元素含量表

數(shù)據(jù)來源：文獻(xiàn)[10]。

4 稀缺煤煤質(zhì)特征

分析石炭井礦區(qū)大豐2號煤和白芨溝煤煤質(zhì)特征，發(fā)現(xiàn)煤巖顯微組分中鏡質(zhì)組含量平均75%，以基質(zhì)鏡質(zhì)體為主，膠結(jié)惰質(zhì)組和黏土等，少量結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體2，胞腔變形；惰質(zhì)組平均22%，以半絲質(zhì)體為主，其次碎屑惰質(zhì)體，少量粗粒體和氧化絲質(zhì)體；礦物主要為黏土，充填裂隙或胞腔，碳酸鹽在菱鐵礦中，結(jié)核狀；未發(fā)現(xiàn)殼質(zhì)組分。工業(yè)分析中水分、灰分、揮發(fā)分含量低，固定碳含量高，平均含水1.37%，灰分8.09%，揮發(fā)分10.6%，固定碳82.2%。發(fā)熱量高，平均低位發(fā)熱量31.1 kJ/kg。硫含量平均0.11%，屬特低硫煤，碳含量高達(dá)91%。煤灰成分中SiO227.15%、Al2O313.27%、Fe2O317.17%、CaO 3.86%，K2O 0.4%、Na2O 1.66%、MgO 9.43%、SO34.23%、TiO20.85%、MnO20.24%、P2O50.1%，堿性礦物含量大于酸性礦物含量。煤工藝性質(zhì)中，煤落下強(qiáng)度96.9%，落下強(qiáng)度高；哈氏可磨性指數(shù)54.3，可磨指數(shù)低；熱穩(wěn)定性高，TS6平均93.75%。相較于全國其他地區(qū)，白芨溝和大豐礦煤具有低含水、低灰低硫、高發(fā)熱量及落下強(qiáng)度高的煤質(zhì)特征，是一種國際公認(rèn)的稀缺而珍貴的煤炭資源，俗稱“黑金”，屬稀缺煤類。

5 結(jié) 論

本文對通過對寧夏重要礦區(qū)煤樣的煤質(zhì)特征分析，得出以下結(jié)論。

1)寧夏區(qū)特種煤種類豐富，氣化用煤、液化用煤和稀缺煤均有分布，其中可氣化用煤主要分布在寧東地區(qū)；可直接液化煤炭資源少，馬家灘礦區(qū)金鳳煤礦煤基本滿足直接液化要求，且同時可用作氣化用煤利用，應(yīng)將金鳳煤礦列為煤化工用煤重點(diǎn)研究礦區(qū)。

2)大豐2號煤具有低含水、低灰低硫、高發(fā)熱量及落下強(qiáng)度高的煤質(zhì)特征，屬稀缺煤。且煤中鈧Sc、鎵Ga、釷Th元素含量異常超過中國煤和美國煤中鈧Sc、鎵Ga、釷Th元素含量平均值，具備高元素煤開采的潛在價值，應(yīng)保護(hù)性開采

3)寧夏部分煤中有害元素富集，如王洼1井5號高磷煤、金鳳任家莊3號高鉛煤以及金鳳12號高氟煤。在煤炭開發(fā)利用過程中應(yīng)注意有害元素的前期洗選和后期排放回收。

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Study on comprehensive evaluation of coal quality characteristics of special coal resources in Ningxia

LIU Chenglong1，2，3，ZHOU Fengying1，2，4，ZHANG Yan1，2，4，YAN Qiang1，2，4

(1.Institute of mineral resources，Chinese Academy of Geological Sciences，Beijing 100037，China；2.Research Center for Strategy of Global Mineral Resources，Chinese Academy of Geological Sciences，Beijing 100037，China；3.Earth Science and Surveying Engineering，China University of Mining and Technology(Beijing)，Beijing 100083，China；4.MLR Key Laboratory of Metallogeny and Mineral Assessment，Beijing 100037，China)

Comprehensive utilization with different coal quality is considered to be the key issue of the future coal development，and it is coal’s only way out under the status of reducing coal production.Study of the evaluation of special coal quality in Ningxia is not enough.In this paper，the quality and distribution characteristics of special coal resources in Ningxia were evaluated by coal quality analysis of 14 samples of 9 coal mines in Ningxia.Good reactivity of coal and CO2includes Qingshuiying/Zaoquan/Wangwa 1#/Jingfeng and Yangchangwan.Coal resources suitable for gasification in Ningxia are mainly distributed in Ningdong area.According to coal quality request of direct liquefaction，the matching degree of Jinfeng coal mine is the highest，0.81.Special coal resources suitable for direct liquefaction in Ningxia are mainly distributed in Majiagou mining area.Dafeng 2# coal in Shitanjing mining area contains associated beneficial elements.The content of Sc，Ga and Th in Dafeng is higher than the average content in China and United States.Part of the coal in Ningxia has harmful elements.Wangwa1 5# is high-phosphorus，lead and fluoride content enrichment in Jinfeng and Renjiazhuang 3#.Compared with other parts of China Baijigou and Dafeng coal has low water content，low ash and low sulfur，high calorific value and high strength of falling strength.It is an internationally recognized scarce and precious coal resource.

special coal；gasification coal；direct liquefaction；beneficial element；harmful elements；scarcity coal

2017-03-26 責(zé)任編輯：宋菲

地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查評價項(xiàng)目“全國特種煤資源綜合評價與信息系統(tǒng)建設(shè)”資助(編號：DD20160189)；地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查評價項(xiàng)目“能源安全綜合研究與動態(tài)跟蹤評價”資助(編號：DD20160084)

劉成龍(1988-)，男，博士研究生，主要從事煤巖及煤層氣開發(fā)方面的研究工作，E-mail：iamliuchl@qq.com。

TQ536

A

1004-4051(2017)07-0061-07