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陕北庙哈孤矿区煤质特征及清洁利用方向研究

许 婷1,2,李 宁1,2,姚 征1,2,谢 青1,2,高 骏1,2,李华兵1,2

(1.陕西省矿产地质调查中心,陕西省西安市,710068;2. 陕西省地质调查院,陕西省西安市,710054)

摘 要 为厘清庙哈孤矿区煤炭资源清洁利用潜力,探讨其清洁高效利用可能性,基于相关煤炭勘查资料及采样测试结果,对该矿区煤岩和煤质特征进行了分析,并探讨了煤炭清洁利用潜力及途径。研究结果表明,该区煤炭有机显微组分具有惰质组含量较高的特点,各可采煤层为富惰质组煤;煤质具有低水分、特低灰分、中高-高挥发分、特低硫、高发热量、较低灰熔点、无黏结性、耐磨指数高、中到中高热稳定性以及富油等特点;通过参考相关煤炭清洁利用潜力评价体系,划分了该矿区各可采煤层的洁净等级,除5-2号煤层原煤洁净等级为Ⅴ级、浮煤洁净等级为Ⅲ级外,其他煤层原煤洁净等级均为Ⅱ级,浮煤洁净等级均为Ⅰ级,经过选煤工艺处理后煤的洁净程度明显变好。最后提出该区煤炭的主要用途为优质动力用煤、气化用煤和低温干馏用煤的建议。

关键词 庙哈孤矿区;富油煤;煤质特征;洁净等级;清洁利用

煤炭是我国的主要能源和重要的工业生产原料,但在推动我国经济发展的同时,也带来了一系列生态环境问题[1-3]。在“双碳”目标下,环保要求日益严格,能源结构调整和生态环境保护的双重压力,促使煤炭清洁高效利用成为煤炭行业发展的必由之路[4-5]。煤炭在化学转化中,不同工艺对煤质有不同的要求,因此系统研究煤岩煤质特征是划分煤炭洁净等级的基础,也是煤炭清洁高效利用的重要依据。

陕北侏罗纪煤田是我国西北地区重要的煤炭基地,煤炭资源丰富且煤质优良,具有低灰、低硫、高发热量、高含油等特点[6-8]。庙哈孤矿区位于陕北侏罗纪煤田东北边缘地区,由于其处于煤田的边缘地带,与神府、榆神、榆横矿区相比,受重视程度并不高,因此对该区煤岩煤质特征的研究较少,也未对其清洁利用潜力及方式进行过系统研究。为了充分利用煤田边缘的煤炭资源,优化煤炭资源开发利用的方式,以庙哈孤矿区可采煤层为研究对象,以煤化工利用为目的对其煤岩煤质特征进行分析,并评价其洁净利用等级、探讨其清洁利用方向,可为该区煤炭资源清洁高效利用提供依据。

1 地质概况

庙哈孤矿区行政区划隶属府谷县庙沟门镇、哈镇、孤山镇管辖,该区属于伊陕斜坡东北边缘侏罗纪沉积区[9],矿区南部地区主体为向SW倾斜的单斜构造,倾角1°~3°,局部发育为宽缓的波状起伏;北部地区发育近东西向、宽4~5 km的狭长断陷带,区内尚未发现岩浆活动迹象。含煤地层为侏罗系中统延安组,共含煤9层,自上而下编为2-2、3-1、4-2、4-3、4-4、5-1、5-2上、5-2、5-3号煤层,可采煤层5层,分别为2-2、3-1、4-2、5-1、5-2号煤层,可采煤层厚度均值为1.71~3.67 m,以中厚-厚煤层为主,煤层结构简单,发育稳定。

2 煤岩煤质特征

2.1 煤岩特征

庙哈孤矿区可采煤层煤岩成分以暗煤、亮煤为主,夹镜煤条带或透镜体。宏观煤岩类型以半暗煤为主,半亮煤次之。显微煤岩组成中有机显微组分含量较高,平均含量为95.37%~98.70%。其中,镜质组均值为33.61%~54.33%,惰质组均值为39.57%~63.73%,壳质组均值为0.84%~1.65%,镜惰比均值为0.54~1.47。根据李小彦[10]关于富惰质组煤的划分方案(惰质组含量大于30%、镜惰比小于2为富惰质煤)判断,认定庙哈孤矿区可采煤层属于富惰质组煤。各煤层无机显微组分含量较低,平均含量为1.30%~4.63%。以碳酸盐类为主,均值为1.05%~1.69%;其次为粘土类,均值为0.47%~5.40%;硫化物少量,均值为0.25%~0.60%。各煤层煤化程度较低,镜质组最大反射率均值为0.49%~0.57%,属0-I级变质阶段,为低煤化度烟煤,可采煤层煤岩鉴定成果见表1。

表1 可采煤层煤岩鉴定成果

可采煤层有机显微组分/%镜质组惰质组壳质组有机总量无机显微组分/%粘土类硫化物碳酸盐无机总量镜质组最大反射率/%变质程度2-248.4348.701.5798.700.470.401.051.300.49低煤级煤3-154.3339.571.4795.375.400.401.154.630.57中煤级煤I4-247.6746.801.6596.571.600.601.603.430.54中煤级煤I5-133.6163.730.8498.180.600.251.691.830.55中煤级煤I5-239.0157.151.4897.630.930.301.462.370.56中煤级煤I

2.2 化学性质

(1)水分(Mad)。各可采煤层水分含量均值为8.88%~9.43%,属低水分煤。经过选煤处理后,浮煤水分含量均值为3.53%~6.78%。相比原煤,水分含量有所降低。

(2)灰分(Ad)。各可采煤层原煤灰分产率均值为6.35%~9.97%,属特低灰分煤,经过选煤处理后,浮煤灰分产率均值为3.58%~4.96%。相比原煤,灰分产率均有不同程度的降低。

(3)挥发分(Vdaf)。各可采煤层原煤挥发分产率均值为34.64%~37.42%,属中高-高挥发分煤,其中3-1、4-2号煤层为高挥发分煤,2-2、5-1、5-2号煤层为中高挥发分煤。浮煤挥发分产率均值为34.21%~37.30%。相比原煤,挥发分产率有所降低,但变化较小。

(4)硫分(St,d)。各可采煤层原煤全硫主要以硫化铁硫和有机硫为主,经选煤处理后,浮煤中的硫化铁硫含量有所降低,硫酸盐硫和有机硫与原煤相比变化不大。原煤全硫含量均值为0.25%~0.36%,总体上各煤层原煤全硫含量差别不大,含量均较低,均属特低硫煤,经选煤处理后,浮煤全硫含量比原煤有所降低,均值为0.19%~0.30%。

(5)氢碳原子比(H/C)。各可采煤层原煤氢碳原子比均值为0.63~0.69,浮煤氢碳原子比均值为0.66~0.72。

2.3 工艺性能

(1)发热量(Qgr,d)。各可采煤层原煤干燥基高位发热量均值为27.99~30.36 MJ/kg,依据《煤炭质量分级 第3部分:发热量》(GB/T 15224.3-2010)标准,各煤层均为高发热量煤。

(2)煤灰熔融性。各可采煤层的煤灰熔融性软化温度(ST)均值为1 158~1 243 ℃。按照《煤灰软化温度分级》(MT/T 853.1-2000)标准,各煤层以较低软化温度灰为主。煤灰熔融性流动温度(FT)为1 179~1 284 ℃。按照《煤灰流动温度分级》(MT/T 853.2-2000)标准,各煤层灰融点较低。

(3)黏结指数(GRI)。各可采煤层黏结性指数均为0,按照《烟煤黏结指数分级》(MT/T 596-2008)标准,各煤层均为不黏煤。

(4)哈式可磨性指数(HGI)。各可采煤层原煤哈氏可磨性指数均值为49~69,按照《煤的哈氏可磨性指数分级》(MT/T 852-2000)标准,除2-2号煤层为中等可磨煤外,其他煤层均为较难磨煤。

(5)热稳定性(TS+6)。各可采煤层热稳定性指标均值为60.07%~74.50%。根据《煤的热稳定性分级》(MT/T 560-2008)标准,各煤层均属中-中高热稳定性煤。

(6)煤对二氧化碳的反应性(α)。在950 ℃时,煤对二氧化碳的反应性均值为53.40%~64.0%,各可采煤层在950 ℃时煤对二氧化碳的反应性良好。

2.4 有害元素

(1)氯。各可采煤层原煤氯含量(Cld)均值为0.014%~0.017%,浮煤氯含量均值为0.008%~0.046%,按照《煤中有害元素含量分级 第2部分:氯》(GB/T 20475.2-2006)分级标准,各煤层均属特低氯煤。

(2)氟。各可采煤层原煤氟含量(Fd)均值为35.6~168.0 μg/g,浮煤氟含量均值为32.1~132.0 μg/g,按照《煤中有害元素含量分级 第5部分:氟》(GB/T 20475.5-2020)分级标准,各煤层均属特低氟-低氟煤,其中5-2号煤层为低氟煤,其他煤层均属特低氟煤。

(3)砷。各可采煤层原煤砷含量(Asd)均值为1~2 μg/g,浮煤砷含量均值为0~1 μg/g,按照《煤中有害元素含量分级 第3部分:砷》(GB/T 20475.3-2012)分级标准,各煤层均属特低砷煤。

3 庙哈孤矿区煤类与洁净等级划分

3.1 煤类

根据《中国煤炭分类》(GB/T 5751-2009)标准,煤类以表征煤化程度的浮煤干燥无灰基挥发分产率(Vdaf)和黏结性指数(GR.I.)以及辅助分类指标透光率(PM)确定。庙哈孤矿区各可采煤层黏结指数均为0,透光率均大于50%,因此煤类主要依据干燥无灰基挥发分来划分,除3-1号煤层浮煤挥发分产率大于37%、为长焰煤41号(CY41)外,其他2-2、4-2、5-1、5-2号煤均为不黏煤31号(BN31)。

3.2 洁净等级划分

煤炭洁净等级划分是煤炭质量评价的基础,也是煤炭绿色、清洁、高效利用的依据之一。根据唐书恒等[11]研究人员提出的洁净煤潜力评价方法,结合庙哈孤矿区可采煤层的煤质特征及煤炭清洁利用的相关指标,选取灰分(Ad)、硫分(St,d)、砷含量(Asd)、氯含量(Cld)及氟含量(Fd)5个评价因子进行洁净等级划分,洁净等级划分方案及评价因子见表2。

表2 洁净等级划分方案及评价因子

分级等级名称St,d/% Ad /%Asd/(μg·g-1)Cld /%Fd /(μg·g-1)Ⅰ特好洁净煤0.5540.050 0 80Ⅱ好洁净煤1.01060.078 2 100Ⅲ较好洁净煤1.520100.122 5 126Ⅳ中等洁净煤2.030160.191 7 159Ⅴ较差洁净煤3.040250.300 0 200Ⅵ差洁净煤4.550400.469 0 251

当各指标的洁净等级不一致时,采取“就低不就高”的原则,以评级等级差者为准,庙哈孤矿区洁净煤潜力见表3。

表3 庙哈孤矿区洁净煤潜力

煤层St,d/% Ad /%Asd /(μg·g-1)Cld /%Fd/(μg·g-1)分级等级名称原煤2-20.258.1920.01735.60Ⅱ好洁净煤3-10.299.8210.01687.33Ⅱ好洁净煤4-20.329.0720.01673.67Ⅱ好洁净煤5-10.326.3520.01744.33Ⅱ好洁净煤5-20.369.9720.014168.00Ⅴ较差洁净煤浮煤2-20.194.1300.00932.10Ⅰ特好洁净煤3-10.244.3900.00860.25Ⅰ特好洁净煤4-20.264.1710.04670.43Ⅰ特好洁净煤5-10.283.5810.02536.74Ⅰ特好洁净煤5-20.304.9610.020132.00Ⅲ较好洁净煤

由表3可以看出,庙哈孤矿区各煤层原煤硫分、氯、砷含量均较低,洁净等级均达到Ⅰ级,灰分产率均值为6.35%~9.97%,按照洁净等级划分均属Ⅱ级。2-2、3-1、4-2、5-1、5-2号煤层氟含量分别为35.60 μg/g、87.33 μg/g、73.67 μg/g、44.33 μg/g、168.00 μg/g,氟含量变化较大,按照洁净等级划分标准,2-2、3-1、4-2、5-1号煤层综合评价洁净等级为Ⅱ级,属好洁净煤。5-2号煤层由于氟含量较高,综合评价洁净等级为Ⅴ级,属较差洁净煤。

经选煤处理后,浮煤各指标含量均有不同程度的降低,其中灰分产率小于5%,洁净等级上升为Ⅰ级。浮煤中的氟含量也有不同程度的下降,其中2-2、3-1、4-2、5-1、5-2号煤层氟含量分别为32.10 μg/g、60.25 μg/g、70.43 μg/g、36.74 μg/g、132.00 μg/g,按照洁净等级划分标准,2-2、3-1、4-2、5-1号煤层浮煤综合评价洁净等级上升为Ⅰ级,属特好洁净煤。5-2号煤层浮煤综合评价洁净等级上升为Ⅲ级,属较好洁净煤。经过选煤处理后,煤的洁净程度明显变好。

较好洁净煤直接利用对环境污染较小,而较差洁净煤直接利用则对周边环境污染较严重[12]。研究区中5-2号煤层氟含量偏高,煤燃烧产生的氟化物排入大气后会对环境造成严重的污染和破坏,因此,可以先通过选煤处理脱氟后再有效利用,从而提高煤炭清洁程度,降低对环境的污染。

4 庙哈孤矿区煤炭清洁利用方向

4.1 优质动力用煤

庙哈孤矿区可采煤层总体具有低灰、低硫、低有害元素的特点,整体清洁度较好且发热量较高,平均高位发热量为27.99~30.36 MJ/kg,属高发热量煤,高清洁度和高发热量决定了其为优质动力用煤。实际上该区已开采的煤炭资源,主要作为动力煤使用。其中氟含量较高的煤层及地区需引起注意,脱氟处理是其清洁利用的必要保障。

4.2 低温干馏用煤

富油煤资源的利用是低阶煤清洁利用的重要组成部分。根据《矿产资源工业要求手册(2014修订版)》焦油产率(Tar,d)划分标准[13],即Tar,d≤7%,为含油煤;Tar,d为7%~12%,为富油煤;Tar,d>12%,为高油煤。根据研究区低温干馏数据分析表明,可采煤层原煤的焦油产率普遍大于7%,均值为8.99%~10.57%,各煤层均为富油煤,总体焦油产率较高,具有较大的低温干馏制油潜力。

4.3 气化液化用煤

用作动力用煤并减少其中有害成分的排放,是煤炭清洁利用的重要方式,而将其转化成清洁产品来替代直接燃烧,则是另一种有效的清洁利用方式[14-15]。煤制油是以煤炭为原料,通过化工手段生产油品,是煤炭清洁利用的重要途径之一,主要分为煤直接液化和煤间接液化。

对比直接液化用煤的煤质技术要求,庙哈孤矿区煤具有较高的惰质组含量,属典型的富惰质组煤,挥发分产率大部分小于37%,甚至35%,氢碳原子比也小于0.70,因此庙哈孤矿区煤并不适合作为直接液化用煤。

煤间接液化主要建立在“气化”的基础上,应当纳入气化用煤范畴[3,15]。煤的气化工艺较多,主要包括常压固定床、流化床、水煤浆气流床、干煤粉气流床气化等,不同气化工艺对煤质的要求不同。对比《常压固定床气化用煤技术条件》(GB/T 9143-2008)、《流化床气化用原料煤技术条件》(GB/T 29721-2013)、《气流床气化用原料煤技术条件》(GB/T 29722-2013)等技术条件的要求,庙哈孤矿区煤的变质程度低,镜质组最大反射率均值为0.49%~0.57%,具有较强的反应生气能力,此外还具有特低灰、无黏结性、较低灰熔融性、较高热稳定性及CO2反应良好等特点,使其可以成为优质气化原料用煤,并符合常压固定床气化用煤、水煤浆气流床和干煤粉气流床气化用煤的煤质要求,部分符合流化床气化用煤的煤质要求。

5 结论

通过对庙哈孤矿区可采煤层煤岩和煤质特征进行分析后得出,该矿区各煤层主要为低水分、特低灰分、中高-高挥发分、特低硫、高发热量、较低灰融点、无黏结性、较难磨、中-中高热稳定性的富油煤,并参照煤炭清洁利用潜力评价体系,对各煤层的洁净等级进行了划分,除5-2号煤层氟含量相对较高、洁净等级相对较差外,其他各煤层洁净等级均较好。

作为大煤田边缘的煤炭资源,庙哈孤矿区煤质优良、清洁程度高,但其为低阶的富惰质组煤,不适合作为直接液化用煤,建议其清洁利用方式主要为优质的动力用煤、气化或煤间接液化用煤。同时其又为焦油产率较高的富油煤,可以优先选择低温干馏制油的方式加以分级提质利用,从而优化该区煤炭资源的开发利用方式,实现煤炭资源绿色、清洁、高效利用。

参考文献:

[1] 王双明.对我国煤炭主体能源地位与绿色开采的思考[J].中国煤炭,2020,46(2):11-16.

[2] 武晓娟. 煤炭主体能源地位难改变[J].资源导刊, 2014(4): 12-13.

[3] 乔军伟, 宁树正, 秦云虎, 等. 特殊用煤研究进展及工作前景[J].煤田地质与勘探, 2019, 47(1): 49-55.

[4] 樊金璐. 煤炭清洁高效利用方式发展方向研究[J].中国能源, 2016, 38(9): 20-22,44.

[5] 郭水文. 神华集团煤炭清洁高效利用的实践与途径[J].煤炭经济研究, 2017, 37(12): 34-37.

[6] 虎锐, 李波, 张秀成. 榆林地区兰炭产业发展现状及其前景[J].中国煤炭, 2008,34(5): 69-72.

[7] 许婷, 李宁, 姚征, 等. 陕北榆神矿区富油煤分布规律及形成控制因素[J].煤炭科学技术: 2022, 50(3): 161-168.

[8] 刘巧霞. 陕北中低温煤焦油中酚类化合物的提取研究[D].西安: 西北大学, 2010.

[9] 王庆涛. 府谷庙哈孤矿区断层特征及综合探查技术[J].煤炭技术, 2020, 39(4): 94-97.

[10] 李小彦. 神东矿区富惰质组煤的形成条件研究——惰质组分的真菌交替成因意义[J].煤田地质与勘探, 2005, 33(5): 4-7.

[11] 唐书恒, 秦勇, 姜尧发, 等. 中国洁净煤地质研究[M].北京: 地质出版社, 2006.

[12] 赵明珍. 河南省主要煤田煤炭资源清洁利用潜势[J].煤田地质与勘探, 2020, 48(2): 57-63.

[13] 矿产资源工业要求手册编委会. 矿产资源工业要求手册(2014修订版)[M].北京: 地质出版社, 2014.

[14] 杜芳鹏, 雒铮, 乔军伟, 等. 宁东煤田侏罗纪煤岩煤质特征及清洁高效利用[J].煤田地质与勘探, 2020, 48(2): 71-77.

[15] 杜芳鹏, 宁树正, 刘池洋, 等. 中国低阶富惰质组煤的时空分布、煤质特征及清洁利用[J/OL].中国地质: 1-20[2022-01-31].http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1167.P.20200601. 1838.024.html

Research on coal quality characteristics and coal clean utilization direction of Miaohagu mining area in Northern Shaanxi

XU Ting1,2, LI Ning1,2, YAO Zheng1,2, XIE Qing1,2, GAO Jun1,2, LI Huabing1,2

(1.Shaanxi Mineral Resources and Geological Survey Center, Xi'an, Shaanxi 710068, China;2. Shaanxi Institute of Geological Survey, Xi'an, Shaanxi 710054, China)

Abstract In order to clarify the clean utilization potential of coal resources in Miaohagu mining area and explore the possibility of clean and efficient utilization, based on relevant coal exploration data and sampling test results, the paper analyzes the characteristics of coal rock and coal quality in this mining area, and discusses the potential and ways of coal clean utilization. The research results show that the organic macerals of coal in this mining area had high content of inertinite, and the coal of mineable coal seams is inertinite-rich. Coal quality was characterized by low moisture, ultra-low ash, medium-high-to-high volatility, ultra-low sulfur, high calorific value, lower ash melting point, no cohesion, high wear index, medium-to-medium-high thermal stability, rich tar and so on. By referring to relevant evaluation system for coal clean utilization potential, the cleanliness of each mineable coal seam in the mining area is divided, which shows that the cleanliness of raw coal is grade II and that of the floating coal is grade I from all coal seam except the 5-2 coal seam with grade V of the raw coal and grade III of the floating coal, and the cleanliness of coal is obviously improved after coal preparation. Finally, it is suggested that high-quality power coal, gasification coal and low-temperature dry distillation coal are the main applications of coal in this mining area.

Key words Miaohagu mining area; tar-rich coal; coal quality characteristics; cleanliness grade; clean utilization

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引用格式:许婷,李宁,姚征,等. 陕北庙哈孤矿区煤质特征及清洁利用方向研究[J].中国煤炭,2022,48(7):144-148.doi:10.19880/j.cnki.ccm.2022.07.022

XU Ting, LI Ning, YAO Zheng,et al. Research on coal quality characteristics and coal clean utilization direction of Miaohagu mining area in Northern Shaanxi [J]. China Coal, 2022,48(7):144-148.doi:10.19880/j.cnki.ccm.2022.07.022

基金项目:陕西省公益性地质调查专项资助项目(20180304,202202)

作者简介:许婷(1988-),女,湖北武汉人,博士,工程师,主要从事能源地质研究。E-mail:xuting_0206@126.com

中图分类号 TQ533;P618.11

文献标志码 A

(责任编辑 王雅琴)