東勝礦區水煤漿氣流床氣化用煤評價指標體系及資源分級

張 靜 秦云虎 王雙美 何建國 朱士飛 霍 超 馬 榮

(1.江蘇地質礦產設計研究院，江蘇省徐州市，221006；2.中國煤炭地質總局勘查研究總院，北京市豐臺區，100039)

“十三五”時期，國家將煤炭清潔高效開發利用作為能源轉型發展的立足點和首要任務，為煤炭行業轉變發展方式、實現清潔高效發展創造了有利條件。“特殊用煤評價指標體系研究”是中國煤炭地質總局承擔的二級項目“特殊用煤資源潛力調査評價”中的主要內容，主要用于評價我國現有煤炭資源中用于煉焦、直接液化以及氣化這3種不同工業用途的優質煤炭資源，從源頭對煤炭進行煤質指標評價，確定其利用方向，為煤炭分級分質提供依據，具有重要意義。

1 水煤漿氣流床氣化用煤評價指標體系的建立

水煤漿氣化技術是目前最為成熟的氣流床氣化技術，水煤漿氣流床氣化用煤通常選用氣化反應活性較高的年輕煙煤，煙煤中最適宜的是長焰煤和氣煤等。不同的煤類有不同的工業用途，在選擇不同的加工工藝和加工方法時，可合理安排煤炭產品的等級和品種。依托“特殊用煤資源潛力調査評價”項目，實地調研了氣化企業神華神木化工有限公司、兗州煤業榆林能化有限公司甲醇廠、內蒙古中煤遠興能源化工有限公司，依據國家相關標準，收集資料和采樣測試數據，分析研究水分、灰分、硫分、哈氏可磨性指數、成漿濃度以及煤灰熔融性6項煤質指標對水煤漿氣流床氣化用煤的影響，確定影響水煤漿氣流床氣化用煤的主要煤質指標，建立水煤漿氣流床氣化用煤評價指標體系。水煤漿氣流床氣化用煤評價指標體系的制定主要是針對各勘查階段的煤炭資源和原煤，適用于煤炭資源的評價。

在東勝礦區以往勘查鉆孔的煤質化驗資料的基礎上，結合采樣測試分析的水分、灰分、硫分、哈氏可磨性指數、煤灰熔融性等煤質指標數據，依據建立的水煤漿氣流床氣化用煤評價指標體系對東勝礦區進行資源量分級。

1.1 煤質指標對水煤漿氣流床氣化的影響

1.1.1 水分指標(Mad)

控制煤中水分含量，主要是為了保證正常氣化過程以及獲得較好的氣化效率。一般變質程度較深、內在水份含量較低的年輕煙煤較易制出高濃度的水煤漿，而褐煤等年輕煤，內在水分高、成漿性不好，水煤漿濃度只能做到30%～40%，冷煤氣效率將低于30%，經濟效益較差，不適用作為水煤漿加壓氣化的原料。有專家研究發現氣化用煤內水宜≤8%，還有專家分析認為原料煤內在水分應控制在8%以內，總水含量越低越好。

本次實地調研的3家企業采用原煤作為水煤漿氣化原料煤，煤質內水均低于4%，制漿濃度均在60%以上，內水含量和成漿濃度見表1。

表1 內水含量和成漿濃度 %

經綜合分析后將本次調研水分指標確定為≤10%。

1.1.2 灰分指標(Ad)

水煤漿氣流床煤中灰分越低越好，原煤中灰分含量的增加，不僅直接影響氣化效率，還增大氣化爐渣口結渣幾率，增加氣化系統的氧耗、煤耗、能耗和生產成本，同時也會加劇管道、設備和耐火磚的磨損，對氣化系統長周期穩定運行不利。有些專家認為水煤漿氣化爐原料煤灰分(Ad)最高不要超過20%，最好在15%以下，灰分越高，氣化爐比氧耗、比煤耗越高，冷煤氣效率越低。

本次調研的3家氣化企業灰分含量為特低～低灰煤，煤氣化企業煤質灰分指標見表2。

表2 煤氣化企業煤質灰分指標 %

本次將灰分指標確定為兩級，一級指標為≤10%(特低灰煤)，二級指標為10%～25%(中灰煤)。

1.1.3 硫分指標(St,d)

水煤漿氣化過程中硫可通過脫硫工藝制硫磺，氣化工藝對硫分要求較低，因此本次硫分不作為評價指標。

1.1.4 哈氏可磨性指數(HGI)

煤的可磨性直接影響磨機的選擇和工況條件的確定，既影響水煤漿的產量和質量，又影響磨機的消耗。有些專家認為氣化用煤哈氏可磨指數一般要求大于60。本次實地調研的兩家采用原煤作為水煤漿氣化原料煤可磨性指數均50以上，成漿濃度都在60%～62%。

經綜合分析，本次將哈氏可磨性指數>60定為一級指標，50～60定為二級指標。

1.1.5 成漿濃度(C)

成漿濃度是水煤漿氣流床氣化工藝重要指標參數，在氣化過程中起著至關重要的作用。理論上水煤漿濃度越高越好，但兼顧水煤漿的流動性及穩定性，適宜的水煤漿質量分數通常為在60%以上。

本次認為成漿濃度可通過內水和哈氏可磨性指數進行表征，因此成漿濃度不作為評價指標。

1.1.6 煤灰熔融性流動溫度(FT)

煤灰熔融性是氣化用煤的重要質量指標，是判斷氣化用煤爐內氣化過程中是否容易結渣的一項重要指標，也是煤類選擇的重要依據。

本次調研的神華神木化工有限公司和兗礦神木甲醇廠均采用原煤作為氣化用原料煤，神華公司采用錦界煤礦煤灰熔點較高，平均在1300℃左右，超過神華神木化工有限公司氣化爐1350℃的臨界運行溫度，為保證氣化爐正常運行，不得不降低氣化運行溫度，以免管道結渣，造成停產。

經綜合分析，本次將水煤漿灰熔融流動溫度指標確定為≤1350℃。

1.2 水煤漿氣流床氣化用煤評價指標體系

綜上分析，對于水煤漿氣化而言，水煤漿氣化過程中硫可通過脫硫工藝制成硫磺，氣化工藝對硫分要求較低；成漿濃度可通過內水和哈氏可磨性指數進行表征，因此本次硫分和成漿濃度不作為評價指標。水煤漿氣流床氣化用煤評價指標主要考慮煤灰熔融性流動溫度、水分、哈氏可磨性指數、灰分4項煤質指標。二級指標是適合水煤漿氣流床氣化用煤的入門指標，一級指標是優質水煤漿氣流床氣化用煤指標。水煤漿氣流床氣化用煤評價指標體系及分級見表3。

表3 水煤漿氣流床氣化用煤評價指標體系

2 礦區概況

2.1 礦區地質背景

東勝礦區大地構造分區屬于華北地區鄂爾多斯市向斜東勝隆起區，隸屬于鄂爾多斯中新生代盆地北部伊盟隆起區及其與伊陜斜坡、天環坳陷的過渡區，具體位置處于東勝隆起區中東部。東勝礦區主要含煤地層為侏羅系中下統延安組，全區主要可采煤層為2-2中煤層。

2.2 礦區煤質特征

研究過程中，收集了東勝礦區溫家塔煤礦、李家塔煤礦、武家塔煤礦、轉龍灣煤礦和淖爾壕煤礦等14個主要井田的鉆孔煤質資料和勘探地質報告。現場采集了烏蘭木倫煤礦、布爾臺煤礦、霍洛灣煤礦、補連塔煤礦、上灣煤礦、柳塔煤礦、寸草塔一礦、寸草塔二礦和灣圖溝煤礦這9個井田樣品共計60件，對所采樣品的水分、全硫、灰成分、煤灰熔融性以及哈氏可磨性指數等煤質指標進行測試分析。東勝礦區各井田2-2中煤層原煤主要煤質指標統計見表4。

2.2.1 水分(Mad)

東勝礦區原煤水分含量變化在3.98%～10.62%之間，平均為7.36%，水分含量較低。其中烏蘭木倫煤礦和溫家塔煤礦水分含量較其它井田偏高，平均含量為9.60%和9.52%；上灣煤礦水分含量則偏低，平均含量為4.93%。

表4 東勝礦區各井田2-2中煤層原煤主要煤質指標統計

注：a為平均值

2.2.2 灰分(Ad)

東勝礦區原煤灰分變化在3.60%～26.243%之間，平均為9.14%，大部分為特低灰-低灰煤。其中補連塔煤礦和柳塔煤礦灰分含量平均值大于10%，分別為10.16%和12.75%；寸草塔一礦的原煤灰分含量最高，灰分變化范圍為21.95%～30.93%，平均值達到26.24%，為中高灰煤；布爾臺煤礦和灣圖溝煤礦的灰分含量較低，其平均值分別為3.60%和4.96%。

2.2.3 硫分(St,d)

勝礦區原煤硫分變化在0.08%～1.32%之間，平均為0.42%，大部分為特低硫煤-低硫煤。其中寸草塔二礦的原煤硫分含量最低，硫分變化范圍為0.08%～0.14%，平均值達到0.12%，屬于特低硫煤。

2.2.4 揮發分(Vdaf)

東勝礦區原煤揮發分變化在29.55%～46.14%之間，平均為35.11%。大部分大于20～37，黏結指數(GRI)測試數據為0，依據中國煤炭分類標準(GB5751-2009)，東勝礦區煤類確定為以不粘煤為主，有零星分布的長焰煤。

2.2.5 哈氏可磨性指數(HGI)

東勝礦區原煤哈氏可磨指數范圍為57～128，絕大多數在60～128之間，屬中等可磨性～極易磨煤。對于氣流床來說，本礦區煤的可磨性好，易制成高濃度的水煤漿。

2.2.6 煤灰熔融性流動溫度(FT)

煤灰熔融性是影響煤炭氣化的重要因素之一，同時也是煤炭氣化爐工藝設計重要指標。根據東勝礦區煤質數據統計，煤灰熔融性流動溫度在1120℃～1480℃之間，絕大多數的數據小于等于1350℃，適用于水煤漿氣流床氣化用煤。

3 資源量分級

根據東勝礦區2-2中煤層煤質數據分析結果，結合水煤漿氣流床氣化用煤評價指標體系，東勝礦區2-2中煤層大部分煤質數據達到水煤漿氣流床氣化用煤煤質指標的要求。依據水煤漿氣流床氣化用煤評價指標體系，對東勝礦區2-2中煤層的煤炭資源量進行分級，見表5和圖1。

寸草塔一礦的灰分含量大于25%，不在水煤漿氣流床氣化用煤評價指標體系中的灰分范圍內，不劃入水煤漿氣流床氣化用煤，資源量0.47億t；柳塔井田和補連塔井田灰分含量大于10%，符合二級指標的煤質要求，劃分為水煤漿氣流床二級氣化用煤，資源量3.85億t；其它11個井田的各項煤質指標符合水煤漿氣流床氣化用煤評價指標體系的一級指標，劃分為水煤漿氣流床氣化用煤的一級指標，資源量10.61億t。

圖1 東勝礦區2-2中煤層特殊用煤資源評價

表5 東勝礦區2-2中煤層特殊用煤資源量分級

4 結論

(1)通過分析水分、灰分、硫分、哈氏可磨性指數、成漿濃度以及煤灰熔融性6項煤質指標對水煤漿氣流床氣化用煤的影響，確定影響水煤漿氣流床氣化用煤的主要煤質指標為煤灰熔融性流動溫度、水分、哈氏可磨性指數和灰分，并對各指標進行了分級，建立水煤漿氣流床氣化用煤評價指標體系。

(2)東勝礦區2-2中煤層水分含量較低；寸草塔一礦的灰分含量大于25%，灰分較高；硫分普遍較低；煤類確定為以不粘煤為主，有零星分布的長焰煤；哈氏可磨性指數絕大多數在60～128之間，屬中等可磨性-極易磨煤；煤灰熔融性流動溫度在1120℃～1480℃之間，絕大部分的煤灰熔融性流動溫度小于等于1350℃。

(3)東勝礦區2-2中煤層根據水煤漿氣流床氣化用煤評價指標體系劃分為3種類型：寸草塔一礦不符合水煤漿氣流床氣化用煤評價指標體系條件，不適宜作為水煤漿氣流床氣化用煤；柳塔井田和補連塔可作為水煤漿氣流床二級氣化用煤；其它11個井田適宜作為水煤漿氣流床一級氣化用煤。

參考文獻：

[1] 高麗．德士古水煤漿加壓氣化技術的應用[J].煤炭技術，2010 (7)

[2] 井云環，吳躍，張勁松.神華寧夏煤化工基地3種煤氣化技術對比[J].煤炭科學技術，2013(S2)

[3] 胡明巖,煤田地質勘探中煤質工作的重要性[J].中國煤炭，2009 (11)

[4] 陳鵬.中國煤炭性質、分類和利用[M].北京:化學工業出版社，2006

[5] 張繼臻,種學峰.煤質對Texaco氣化裝置運行的影響及其選擇[J].化肥工業，2002 (3)

[6] 井云環.灰分對德士古氣化爐運行的影響[J].石油化工應用，2011 (9)

[7] 邢荔波.煤質對水煤漿加壓氣化爐操作性能的影響探析[J].煤質技術，2016(1)

[8] 王艷柳,張曉慧.煤灰熔融性對氣化用煤的影響[J].煤質技術，2009(4)

[9] 邱峰,張娜.淺談煤氣化技術及其用煤的選擇[J].現代化工，2010(S2)