達拉布特礦主采煤層煤質特征及氣化適應性分析

趙 奇

(1.煤炭科學技術研究院有限公司 煤化工分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013)

0 前 言

煤質分析主要包括煤的組成分析、煤的工藝性質分析和煤的物理性質分析，煤質特征研究是預測煤炭質量和評價煤炭利用途徑的基礎性研究[1-7]。我國已發布煤質評價方面的國家標準和煤炭行業標準20余項，對我國煤炭資源科學評價和合理利用發揮了重要的指導作用。根據煤炭資源煤質的特點和差異性，采取因地制宜、分質綜合利用等措施符合我國目前煤炭清潔利用的政策。

現代煤化工產業的發展是高效利用我國煤炭資源的途徑之一，準確把握煤化工項目用煤煤質對生產正常運行及經濟效益具有重要影響[8-10]。新疆地區賦存豐富的煤炭資源，和什托洛蓋煤田位于新疆準噶爾盆地西北緣，其為新疆和豐工業園區煤化工項目用煤基地[11]。達拉布特一號礦位于和什托洛蓋煤田白楊河礦區內，以下研究達拉布特一號礦主采煤層煤質特征，包括灰分、硫分、揮發分、黏結指數、發熱量、微量元素、煤灰成分及煤灰熔融溫度等煤質指標，并分析其氣化適應性，以期研究結果可為實現煤炭資源就地轉化利用提供參考。

1 達拉布特一號礦地質概況

達拉布特一號礦位于新疆準噶爾盆地西北緣、克拉瑪依市北90 km處，行政區劃屬和布克賽爾蒙古族自治縣管轄。井田東西長12.15 km～12.37 km，南北寬12.34 km～16.16 km，面積172.25 km2。井田內地層整體北傾，地層整體為單斜構造、向北傾斜，地層傾角很緩。井田內斷裂構造不發育，煤系地層無巖漿巖發育，屬簡單構造。

井田內主要含煤地層包括侏羅系中統西山窯組和下統八道灣組，2個煤組共含可采煤層7層，可采煤層的平均總厚度為19.56 m。井田內總資源量2 090.21 Mt，其中先期開采地段的總資源量747.25 Mt，主采煤層為B13煤層和B14煤層。

2 煤質特征

以達拉布特一號礦地質勘探鉆孔煤樣的煤質化驗數據為基礎，分析B13煤層和B14煤層煤樣的灰分、硫分、揮發分、黏結指數、發熱量、微量元素、煤灰成分及煤灰熔融溫度等主要煤質指標。

2.1 煤類判別

達拉布特一號礦主采煤層煤鏡質體平均最大反射率值在0.33%～0.48%，干燥無灰基揮發分產率在35%～41%，透光率約為60%，黏結指數G小于5。依據國標GB/T 5751《中國煤炭分類》的規定[12]，確定主采煤層煤炭以長焰煤(CY41)為主，局部位置有分布不均的不黏煤(BN31)。

2.2 灰分

達拉布特一號礦B13煤層原煤灰分(Ad)為5.96%～35.22%，平均12.83%；浮煤灰分(Ad)為3.35%～12.31%，平均8.18%。B14煤層原煤灰分(Ad)為7.26%～28.14%，平均13.31%；其浮煤灰分(Ad)為5.38%～14.05%，平均8.53%。B13煤層和B14煤層主要為低灰煤，灰分含量有一定波動，洗選后大部分煤樣的灰分小于10%。B13煤層和B14煤層的灰分分布等值線圖分別如圖1、圖2所示。

圖1 B13煤層灰分(Ad)分布等值線圖

圖2 B14煤層灰分(Ad)分布等值線圖

B13煤層灰分(Ad)總體主要集中分布在5.0%～20.0%，其所占的百分比為89%，且以10.0%～15.0%的樣品最多。該煤層灰分在水平方向上呈現西北和東北方向較高(有些甚至高于20.0%)、中部和南部方向較低、大部分低于10%。

B14煤層灰分(Ad)總體主要集中分布在8.0%～18.0%，所占的百分比為84%，且以8.0%～13.0%的樣品最多。該煤層灰分在水平方向上呈現東北和西南方向的較小區域內較高(大多高于15.0%)、其余方向較低、大部分低于15%。

2.3 硫分

達拉布特一號礦B13煤層原煤硫分(St,d)為0.15%～1.29%，平均0.46%；浮煤硫分(St,d)為0.11%～0.67%，平均0.26%。B14煤層原煤硫分(St,d)為0.17%～1.42%，平均0.44%；浮煤硫分(St,d)為0.08%～0.65%，平均0.26%。B13煤層和B14煤層主要為特低硫煤，硫分含量有一定波動，洗選后煤樣硫分大都有所降低。B13煤層和B14煤層硫分的分布等值線圖分別如圖3、圖4所示。

圖3 B13煤層硫分(St,d)分布等值線圖

圖4 B14煤層硫分(St,d)分布等值線圖

B13煤層硫分(St,d)主要集中分布在0.1%～0.5%，所占的百分比為71%。該煤層硫分水平整體較低，大多低于0.45%；在水平方向上呈現中間區域較低，而周邊區域相對略高，有部分高于0.6%。

B14煤層硫分(St,d)主要集中分布在0.2%～0.6%，所占的百分比為87%。該煤層硫分水平整體較低，大多低于0.6%；在水平方向上呈現西南區域略高，而其余區域均相對較低的特征。

2.4 發熱量

達拉布特一號礦B13煤層原煤發熱量(Qgr,d)為18.14 MJ/kg～27.33 MJ/kg，平均24.91 MJ/kg；B14煤層原煤發熱量(Qgr,d)為19.03 MJ/kg～26.61 MJ/kg，平均24.59 MJ/kg。B13煤層和B14煤層主要為中高發熱量煤，由達拉布特一礦主采煤層灰分(Ad)與干燥基高位發熱量(Qgr,d)的數據擬合，可得出B13煤層Qgr,d與Ad關系式:Qgr,d=28.94-0.310Ad；B14煤層Qgr,d與Ad關系式為:Qgr,d=29.32-0.349Ad。Qgr,d與Ad的關系圖分別如圖5、圖6所示。B13煤層和B14煤層Qgr,d與Ad之間為一元線性關系，相關系數R分別為0.961和0.932，線性相關性較好，可通過擬合得出的Qgr,d與Ad關系式由Ad較準確地預測Qgr,d。

圖5 B13煤層Qgr,d與Ad間擬合關系圖

圖6 B14煤層Qgr,d與Ad間擬合關系圖

2.5 微量元素

達拉布特一號礦B13煤層原煤磷含量(Pd)為0.000%～0.030%，平均0.010%；B14煤層原煤的磷含量(Pd)為0.001%～0.087%，平均0.019%。B13煤層特低磷煤占比為48.0%，低磷煤占比為52.0%。B14煤層特低磷煤占比為40.9%，低磷煤占比為41.5%，在先期開采區西北部區域出現中磷煤分布的點。

B13煤層原煤氟含量(Fd)為10 μg/g～187 μg/g，平均41 μg/g；B14煤層原煤氟含量(Fd)為14 μg/g～132 μg/g，平均43 μg/g。B13煤層特低氟煤占比為76.3%，低氟煤占比為5.1%，在先期開采區東北部區域有少量中氟煤分布的點。B14煤層特低氟煤占比為84.9%，低氟煤占比為13.2%，在先期開采區西南部區域有個別中氟煤分布的點。

B13煤層原煤氯含量(Cld)為0.000%～0.100%，平均0.020%；B14煤層原煤氯含量(Cld)為0.000%～0.078%，平均0.020%。B13煤層特低氯煤占比為89.4%，低氯煤占比為10.6%。B14煤層特低氯煤占比為95.5%，低氯煤占比為4.5%。2個煤層的氯含量(Cld)在空間分布上總體均較低。

2.6 煤灰成分及煤灰熔融特性

2.6.1煤灰成分

達拉布特一號礦主采煤層煤灰成分以SiO2為主，其次為CaO和Al2O3，煤灰成分含量波動較大。B13煤層煤灰的SiO2含量為15.66%～55.18%，平均33.72%；Al2O3含量為6.92%～28.40%，平均16.67%；CaO含量為5.32%～42.69%，平均20.55%。B14煤層煤灰的SiO2含量為10.56%～52.43%，平均33.94%；Al2O3含量為6.43%～31.01%，平均18.71%；CaO含量為10.23%～38.16%，平均為20.80%。

為了進一步分析煤灰成分，繪制達拉布特一號礦主采煤層的主要煤灰成分分布直方圖如圖7～圖12所示。

圖7 B13煤層SiO2統計直方圖

圖8 B13煤層Al2O3統計直方圖

圖9 B13煤層CaO統計直方圖

圖10 B14煤層SiO2統計直方圖

圖11 B14煤層Al2O3統計直方圖

圖12 B14煤層CaO統計直方圖

B13煤層煤灰組成中二氧化硅(SiO2)含量主要分布在15.00%～40.00%，所占百分比約為80%。三氧化二鋁(Al2O3)含量在10.00%～25.00%間有集中的趨勢，該區間Al2O3含量占比約81%。氧化鈣含量分布在10.00%～30.00%間有集中的趨勢，該區間氧化鈣含量約為78%。

B14煤層煤灰主要成分分布較為離散。煤灰組成中二氧化硅含量分布在22%～40%有集中的趨勢，所占百分比約為76%；Al2O3含量分布在12%～18%的占比為55%，其余含量內分布較為離散；氧化鈣含量分布在10%～38%，波動最大且規律不明顯。

2.6.2煤灰熔融性溫度

一般來講，石炭二疊紀煤灰中的Al2O3和SiO2較高，其煤灰熔融溫度較高；早、中侏羅世煤灰中的CaO含量較高而Al2O3較低，故其煤灰熔融溫度也較低。達拉布特一號礦主采煤層煤灰熔融溫度分析情況見表1。由表1可知，礦區主采煤層煤灰熔融溫度有一定波動，此為主采煤層灰成分的波動所造成。總之，達拉布特一礦B13及B14煤層的煤灰屬于較低軟化及較低流動溫度灰。

表1 主采煤層的煤灰熔融性溫度波動情況℃

3 氣化適應性分析

(1)固定床氣化用煤煤質要求。固定床氣化技術使用的原料煤可采用褐煤、長焰煤、貧煤和無煙煤，但根據應用狀況，對入爐煤主要煤質一般要求為:灰分(Ad)在20%以下，灰熔融溫度ST大于1 250 ℃，黏結指數小于10，熱穩定性TS+6大于60%。

(2)流化床氣化用煤煤質要求。流化床氣化工藝最適宜的煤種為褐煤和低階煙煤，對入爐煤主要煤質的一般要求為:入爐煤粒度控制小于10 mm，入爐煤水分要求小于10.0%，灰分適應性較寬(至30%)，煤灰熔融性溫度ST大于1 250 ℃。

(3)氣流床氣化用煤煤質要求。按進料方式的不同，氣流床氣化又分為干煤粉氣流床氣化工藝和水煤漿氣流床氣化工藝。干煤粉氣化可氣化無煙煤、煙煤、褐煤等各種煤，原料適應性較寬；水煤漿氣化可氣化改性褐煤和煙煤。干粉氣流床氣化工藝對入爐煤質的一般要求為:原料煤的FT要低于1 450 ℃，煙煤全水低于4%，褐煤全水低于8%，灰分含量控制在20%以下，煤的哈氏可磨性指數在60以上。水煤漿氣流床氣化工藝對入爐煤質一般要求為:灰熔融溫度FT低于1 300 ℃，煤中的灰分低于20%，水煤漿濃度大于60%，煤的哈氏可磨性指數在60以上。

(4)達拉布特一礦煤炭氣化適應性分析。達拉布特一礦煤炭原煤全水分在30%左右，灰分約13%，通過浮選后灰分可控制到10%以下；該煤炭灰分及硫分均較低，此可作為氣化用煤的優勢，微量元素含量較低則有利于氣化凈化及廢水的處理。煤灰熔融溫度是氣化用煤的重要指標之一，該煤炭灰熔融溫度ST約在1 240 ℃，對于固態排渣的魯奇氣化工藝煤灰熔融性溫度略低，可通過調節汽氧比等參數以降低氣化溫度實現應用；煤灰軟化溫度可滿足氣流床液態排渣的要求。該煤炭以無黏結性的長焰煤為主，煤對二氧化碳反應性在1 100 ℃時即可達到100%，熱穩定性TS+6在65%左右，哈氏可磨性指數在80左右。從煤質特性的角度分析考慮，該煤炭適用于氣化用煤，選擇氣化工藝時，需采取一定措施解決全水分高的問題，從而提高氣化過程的能效以及降低氣化廢水處理量。

4 結 論

新疆達拉布特一號礦主采B13煤層和B14煤層煤炭以長焰煤為主，局部位置有分布不均的不黏煤，主要煤質特征為低灰、特低硫、中高發熱量、低磷、特低氟、特低氯煤;主采煤層煤灰成分以SiO2為主，其次為CaO和Al2O3，煤灰成分含量波動較大，煤灰熔融性屬于較低軟化溫度灰以及較低流動溫度灰，適合作為氣化用煤炭資源。