紹根礦區煤巖煤質特征及清潔利用方向探討

張建強，寧樹正，黃少青，張 莉，龔漢宏，徐小濤

(中國煤炭地質總局勘查研究總院，北京市豐臺區，100039)

紹根礦區是國家規劃礦區之一，目前正在建設階段，尚未進行大規模開發。已有相關學者對紹根礦區的含煤地層特征及煤層對比方法等工作進行過研究[1]，但對整個礦區內煤層的煤巖煤質特征和煤氣化、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上，系統研究了紹根礦區內主采煤層的煤巖和煤質特征，研究成果可為未來紹根礦區煤炭資源的清潔高效利用提供參考。

1 礦區概況

紹根礦區位于內蒙古自治區赤峰市阿魯科爾沁旗東南部，東距通遼約100 km。礦區南北長約15.5 km，東西寬為1.3～2.4 km，面積約為86 km2。紹根礦區在區域構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造，是在海西期裙皺帶基底上發展起來的中生代斷陷型盆地[3]。區內的含煤地層為白堊系下統阜新組，主要見3～5號煤層，其中5號煤層最為發育，并在全區分布；4號煤層沿北西向逐漸變薄尖滅或被剝蝕，且區內大部分發育；3號煤層僅局部有發育。

紹根礦區分為2個大型礦井和1個后備區，建設總規模為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 煤巖煤質特征

本次研究以紹根礦區的鉆孔煤質化驗數據為基礎，對5號煤層煤巖顯微組分的煤巖特征進行了研究，并對煤的工業分析以及全硫、煤灰熔融性、哈氏可磨指數、黏結指數、熱穩定性、微量元素等煤質指標進行了分析研究。

2.1 煤巖特征

根據前人的研究結果可以看出，通常在液化反應條件下，鏡質組和穩定組易于活化，而惰質組難于活化，即惰質組含量越高，煤的轉化率和油收率就越低[4-6]。紹根礦區主要可采煤層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組平均含量為95.43%；惰質組平均含量為4.22%；殼質組普遍較低，平均含量為0.35%。紹根礦區煤的鏡質組最大反射率為0.47%～0.58%，屬低變質階段的褐煤，變質階段為0-Ⅱ。

2.2 煤質特征

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率，灰分過高會造成煤化工工藝管道系統堵塞和設備磨損，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5號煤層原煤灰分產率為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，在中部后備區主要為中灰煤。

2.2.3 揮發分(Vdaf)

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

圖4 5號煤層揮發分含量分布直方圖

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

圖5 5號煤層揮發分含量平面分布

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

2.2.4 硫分(St，d)

硫分在煤炭液化的轉化過程中具有催化作用[15-16]，液化用煤硫分含量一般應小于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%，經過選煤后全硫含量出現一定的下降，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中部后備區。

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鍵指標，煤中氫碳原子比與煤的液化轉化率存在較好的正相關性，轉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/流動溫度對碳轉化率、排渣量和氣化效率有影響，同時也是煤氣化爐工藝設計的重要指標[19-20]。紹根礦區5號煤層的煤灰熔融性ST為1 098 ℃，屬易熔融灰分。

2.2.7 煤的黏結指數(GR.I)

煤的黏結指數是用于評價煤的黏結性能的指標之一。原料煤黏結指數較高時，氣化過程中會在干餾層產生膠質結焦，使得氣流在料層中分布不均，進而導致氣固接觸不良，最終影響氣化產物質量和產量，嚴重時還會影響氣化工藝正常運行[21]。紹根礦區5號煤層煤的黏結指數為0～2，屬無黏結或微黏結性煤。

2.2.8 煤的熱穩定性(TS+6)

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

2.2.9 煤對CO2的反應性

煤對CO2的反應性指標是流化床氣化必須考慮的重要參數之一[23]，以950 ℃測溫時CO2的還原率(α)為標準，當α小于70%時為弱反應性。紹根礦區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%，屬弱反應煤。

3 氣化、液化用煤指標劃分

我國《煤化工用煤技術導則》(GB/T 23251-2009)中對煤制油用煤優化配置和合理規劃提出了要求，明確經選煤處理后，作為煉焦用的主要煉焦煤類不應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進行合理規劃和保護性開發利用[18，24]，評價時應優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。理論上，所有的煤炭資源都可以氣化，但在當前工藝技術條件下，并非所有煤炭都能經濟地氣化。因此氣化用煤按照氣化工藝流程由復雜到簡單、對煤質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

通過對紹根礦區5號煤層全水分、灰分、揮發分、氫碳原子比、黏結指數、煤灰熔融性溫度等指標分析發現，紹根礦區中部(后備區)的煤炭資源大部分可以作為直接液化用煤，礦區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。

紹根礦區煤炭資源氣化和液化用煤分布如圖10所示。

圖10 紹根礦區煤炭資源氣化和液化用煤分布

4 結論

(1)紹根礦區各井田5號煤層煤類為褐煤。煤質具有中低灰分、高揮發分、中硫、煤灰易熔融、無黏結性、較高熱穩定性、在950 ℃時CO2反應性為弱反應等特點。

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

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

煤炭清潔高效利用是能源供給革命的核心內容之一，以煤為原料制取人工油氣等清潔燃料，可進一步拓寬清潔能源產品的來源渠道、合理優化原料煤產業布局，實現“專煤專用”，對提高國家能源戰略安全保障能力具有十分重要的意義。