張建強，寧樹正，黃少青，張 莉，龔漢宏，徐小濤

(中國煤炭地質(zhì)總局勘查研究總院，北京市豐臺區(qū)，100039)

紹根礦區(qū)是國家規(guī)劃礦區(qū)之一，目前正在建設(shè)階段，尚未進行大規(guī)模開發(fā)。已有相關(guān)學(xué)者對紹根礦區(qū)的含煤地層特征及煤層對比方法等工作進行過研究[1]，但對整個礦區(qū)內(nèi)煤層的煤巖煤質(zhì)特征和煤氣化、煤液化性能等方面的研究較少[2]。因此，筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)研究了紹根礦區(qū)內(nèi)主采煤層的煤巖和煤質(zhì)特征，研究成果可為未來紹根礦區(qū)煤炭資源的清潔高效利用提供參考。

1 礦區(qū)概況

紹根礦區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市阿魯科爾沁旗東南部，東距通遼約100 km。礦區(qū)南北長約15.5 km，東西寬為1.3～2.4 km，面積約為86 km2。紹根礦區(qū)在區(qū)域構(gòu)造上位于大興安嶺余脈南麓、松遼平原西緣，屬南東、北西受斷裂控制的山間斷陷型盆地，總體走向為北東、傾向南東的弧形單斜構(gòu)造，是在海西期裙皺帶基底上發(fā)展起來的中生代斷陷型盆地[3]。區(qū)內(nèi)的含煤地層為白堊系下統(tǒng)阜新組，主要見3～5號煤層，其中5號煤層最為發(fā)育，并在全區(qū)分布；4號煤層沿北西向逐漸變薄尖滅或被剝蝕，且區(qū)內(nèi)大部分發(fā)育；3號煤層僅局部有發(fā)育。

紹根礦區(qū)分為2個大型礦井和1個后備區(qū)，建設(shè)總規(guī)模為300萬t/a，其中愛民溫都礦井120萬t/a，阿根塔拉礦井180萬t/a。

2 煤巖煤質(zhì)特征

本次研究以紹根礦區(qū)的鉆孔煤質(zhì)化驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對5號煤層煤巖顯微組分的煤巖特征進行了研究，并對煤的工業(yè)分析以及全硫、煤灰熔融性、哈氏可磨指數(shù)、黏結(jié)指數(shù)、熱穩(wěn)定性、微量元素等煤質(zhì)指標進行了分析研究。

2.1 煤巖特征

根據(jù)前人的研究結(jié)果可以看出，通常在液化反應(yīng)條件下，鏡質(zhì)組和穩(wěn)定組易于活化，而惰質(zhì)組難于活化，即惰質(zhì)組含量越高，煤的轉(zhuǎn)化率和油收率就越低[4-6]。紹根礦區(qū)主要可采煤層5號煤層宏觀煤巖類型以半暗型煤為主，半亮型煤次之。顯微煤巖組分中鏡質(zhì)組平均含量為95.43%；惰質(zhì)組平均含量為4.22%；殼質(zhì)組普遍較低，平均含量為0.35%。紹根礦區(qū)煤的鏡質(zhì)組最大反射率為0.47%～0.58%，屬低變質(zhì)階段的褐煤，變質(zhì)階段為0-Ⅱ。

2.2 煤質(zhì)特征

2.2.1 水分(Mad)

煤中水分的高低對成漿性能有較重要的影響，一般認為煤的內(nèi)水含量越高，煤中的氧碳比(O/C)越高、含氧官能團和親水官能團越多、空隙率越發(fā)達，同時成漿性能也就越差，而且制備的煤漿濃度越低，而后對煤氣化時的有效氣體含量、氧氣消耗和高負荷運行越不利[7]。煤中水分太高還會增加氣化過程中的熱能消耗，降低氣化反應(yīng)的效率。5號煤層原煤水分含量為1.92%～19.57%，其中特低水分煤(≤6%)占比最多，原煤水分平均含量為8.2%，屬于中等水分煤；浮煤水分含量為4.14%～26.25%，其中中高水分煤(12%～20%)占比最多，浮煤水分平均含量為14.21%。5號煤層水分含量分布直方圖如圖1所示。

圖1 5號煤層水分含量分布直方圖

2.2.2 灰分(Ad)

煤中灰分含量的高低會影響油的產(chǎn)率，灰分過高會造成煤化工工藝管道系統(tǒng)堵塞和設(shè)備磨損，從而影響氣化爐的安全運行[8-10]。5號煤層灰分含量分布直方圖如圖2所示。

圖2 5號煤層灰分含量分布直方圖

由圖2可以看出，紹根礦區(qū)5號煤層原煤灰分產(chǎn)率為9.55%～38.14%，其中低灰煤(10%～20%)占比最多，原煤灰分平均含量為21.14%；浮煤灰分產(chǎn)率為7.45%～14.54%，其中低灰煤(10%～20%)占比最多，浮煤灰分平均含量為10.62%。5號煤層主要為低-中灰分煤，經(jīng)選煤處理后灰分有明顯的降低，主要為低灰分煤，其次為特低灰分煤。5號煤層灰分含量平面分布如圖3所示。

圖3 5號煤層灰分含量平面分布

由圖3可以看出，紹根礦區(qū)5號煤層灰分含量呈南北低、中間高的特點，在北部阿根塔礦井和南部愛民溫都礦井灰分主要為低灰煤，在中部后備區(qū)主要為中灰煤。

2.2.3 揮發(fā)分(Vdaf)

煤的揮發(fā)分產(chǎn)率與液化性能表現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，即揮發(fā)分越高越適合液化[11-14]。5號煤層揮發(fā)分含量直方圖如圖4所示。

圖4 5號煤層揮發(fā)分含量分布直方圖

由圖4 可以看出，紹根礦區(qū)5號煤層揮發(fā)分產(chǎn)率大于35%，揮發(fā)分指標符合直接液化用煤。紹根礦區(qū)5號煤層原煤的揮發(fā)分產(chǎn)率為36.59%～46.95%，平均產(chǎn)率為43.05%，主要為高揮發(fā)分煤；浮煤揮發(fā)分產(chǎn)率為34.80%～44.04%，平均產(chǎn)率為40.98%。5號煤層揮發(fā)分含量平面分布如圖5所示。

圖5 5號煤層揮發(fā)分含量平面分布

由圖5可以看出，5號煤層揮發(fā)分含量基本無大的差別，僅在北部阿根塔礦井的揮發(fā)分含量略高于其他區(qū)域。

2.2.4 硫分(St，d)

硫分在煤炭液化的轉(zhuǎn)化過程中具有催化作用[15-16]，液化用煤硫分含量一般應(yīng)小于1%。5號煤層硫分含量分布直方圖如圖6所示。

圖6 5號煤層硫分含量分布直方圖

由圖6可以看出，紹根礦區(qū)5號煤層原煤全硫含量為0.43%～3.67%，其中低硫煤(0.51%～1.00%)和中硫煤(1.01%～2.00%)占比最多，全硫含量平均為1.20%，經(jīng)過選煤后全硫含量出現(xiàn)一定的下降，浮煤全硫含量為0.42～2.55%，其中低硫煤(0.51%～1.00%)占比最多，全硫含量平均為0.95%。5號煤層硫分含量平面如圖7所示。

圖7 5號煤層硫分含量平面分布

由圖7可以看出，硫分含量呈南北低、中間高的特征，低硫煤主要分布在阿根塔礦井和愛民溫都礦井，中硫煤主要分布在礦區(qū)中部后備區(qū)。

2.2.5 氫碳原子比(H/C)

氫碳原子比是評價煤炭液化性能的關(guān)鍵指標，煤中氫碳原子比與煤的液化轉(zhuǎn)化率存在較好的正相關(guān)性，轉(zhuǎn)化率隨氫碳原子比增高而增大[17-18]。5號煤層氫碳原子比含量分布直方圖如圖8所示。

圖8 5號煤層氫碳原子比含量分布直方圖

由圖8可以看出，紹根礦區(qū)5 煤層原煤氫碳原子比為0.53～0.88，其中 0.75～0.8占比最多，平均值為0.74。5號煤層氫碳原子比含量平面分布圖如圖9所示。

圖9 5號煤層氫碳原子比含量平面分布

由圖9可以看出，5號煤層氫碳原子比平面上呈南北略低、中間略高的特征。

2.2.6 煤灰熔融性(ST)

煤灰熔融性是影響煤炭氣化的重要因素之一，煤灰熔融性軟化/流動溫度對碳轉(zhuǎn)化率、排渣量和氣化效率有影響，同時也是煤氣化爐工藝設(shè)計的重要指標[19-20]。紹根礦區(qū)5號煤層的煤灰熔融性ST為1 098 ℃，屬易熔融灰分。

2.2.7 煤的黏結(jié)指數(shù)(GR.I)

煤的黏結(jié)指數(shù)是用于評價煤的黏結(jié)性能的指標之一。原料煤黏結(jié)指數(shù)較高時，氣化過程中會在干餾層產(chǎn)生膠質(zhì)結(jié)焦，使得氣流在料層中分布不均，進而導(dǎo)致氣固接觸不良，最終影響氣化產(chǎn)物質(zhì)量和產(chǎn)量，嚴重時還會影響氣化工藝正常運行[21]。紹根礦區(qū)5號煤層煤的黏結(jié)指數(shù)為0～2，屬無黏結(jié)或微黏結(jié)性煤。

2.2.8 煤的熱穩(wěn)定性(TS+6)

熱穩(wěn)定性過低的煤易在氣化過程中產(chǎn)生細粒和煤末，妨礙氣流流動而影響氣化過程的正常運行[22]。紹根礦區(qū)5號煤層的熱穩(wěn)定性為52.08%～72.29%，平均61.24%，屬中熱穩(wěn)定性(60%～70%)，總體熱穩(wěn)定性較好，有利于氣化。

2.2.9 煤對CO2的反應(yīng)性

煤對CO2的反應(yīng)性指標是流化床氣化必須考慮的重要參數(shù)之一[23]，以950 ℃測溫時CO2的還原率(α)為標準，當α小于70%時為弱反應(yīng)性。紹根礦區(qū)5號煤層煤在常壓下試驗溫度為950 ℃時，CO2還原率(α)可達63.5%，屬弱反應(yīng)煤。

3 氣化、液化用煤指標劃分

我國《煤化工用煤技術(shù)導(dǎo)則》(GB/T 23251-2009)中對煤制油用煤優(yōu)化配置和合理規(guī)劃提出了要求，明確經(jīng)選煤處理后，作為煉焦用的主要煉焦煤類不應(yīng)作為煤炭氣化和煤炭液化用煤，評價順序為焦化、液化及氣化，經(jīng)選煤處理后作為煉焦用的1/3焦煤、肥煤、焦煤、瘦煤等主要煉焦煤類應(yīng)進行合理規(guī)劃和保護性開發(fā)利用[18，24]，評價時應(yīng)優(yōu)先考慮煤類是否適合煉焦用煤，再考慮液化用煤，最后考慮是否可以作為氣化用煤。目前，煤炭氣化工藝主要包括固定床氣化、流化床氣化、氣流床氣化等技術(shù)。理論上，所有的煤炭資源都可以氣化，但在當前工藝技術(shù)條件下，并非所有煤炭都能經(jīng)濟地氣化。因此氣化用煤按照氣化工藝流程由復(fù)雜到簡單、對煤質(zhì)要求由高到低的順序依次評價[25-26]。直接液化用煤和氣化用煤評價指標體系及參數(shù)見表1。

表1 直接液化用煤和氣化用煤評價指標體系及參數(shù)

通過對紹根礦區(qū)5號煤層全水分、灰分、揮發(fā)分、氫碳原子比、黏結(jié)指數(shù)、煤灰熔融性溫度等指標分析發(fā)現(xiàn)，紹根礦區(qū)中部(后備區(qū))的煤炭資源大部分可以作為直接液化用煤，礦區(qū)南部愛民溫都礦井和北部阿根塔礦井主要可作為粉煤灰氣化用煤。

紹根礦區(qū)煤炭資源氣化和液化用煤分布如圖10所示。

圖10 紹根礦區(qū)煤炭資源氣化和液化用煤分布

4 結(jié)論

(1)紹根礦區(qū)各井田5號煤層煤類為褐煤。煤質(zhì)具有中低灰分、高揮發(fā)分、中硫、煤灰易熔融、無黏結(jié)性、較高熱穩(wěn)定性、在950 ℃時CO2反應(yīng)性為弱反應(yīng)等特點。

(2)煤炭氣化、液化用煤主要考慮的指標有：煤巖中的惰質(zhì)組，煤質(zhì)中灰分、揮發(fā)分、全硫、H/C、煤灰熔融性軟化溫度、黏結(jié)指數(shù)、熱穩(wěn)定性等指標。

(3)按照煤炭氣化、液化特殊用煤煤質(zhì)技術(shù)要求，對紹根礦區(qū)5號煤層煤的氣化、液化特征進行了初步評價，礦區(qū)中部(后備區(qū))煤具有直接液化用煤潛力，礦區(qū)北部(阿根塔礦井)煤和礦區(qū)南部(愛民溫都礦井)煤以流化床氣化工藝用煤為主。

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