寧東煤田侏羅紀煤巖煤質特征及清潔高效利用

杜芳鵬，雒 錚，喬軍偉，趙曉辰，譚富榮，李聰聰，范 琪

寧東煤田侏羅紀煤巖煤質特征及清潔高效利用

杜芳鵬1,2，雒 錚3，喬軍偉1,2，趙曉辰1,2，譚富榮3，李聰聰3，范 琪3

(1. 西安科技大學 地質與環境學院，陜西 西安 710054；2. 陜西省煤炭綠色開發地質保障重點實驗室，陜西 西安 710054；3. 中國煤炭地質總局航測遙感局，陜西 西安 710199)

寧東煤田侏羅紀煤炭資源量巨大，是當前寧夏回族自治區煤炭資源開發利用的主體。為保障煤炭資源的清潔高效利用，以煤田大量勘查資料為主要依據，分析了寧東煤田侏羅紀煤的煤巖、煤質特征。結果顯示：寧東煤田侏羅紀煤具有特低–低灰、特低–低硫、低磷、低砷、低氟、高發熱量的特征，這些特征表明其為高清潔度動力用煤；同時還具有中高揮發分、較高氫碳原子比、焦油產率較低(普遍＜7%)及富惰質組等特征表明不適于直接液化用或提取煤焦油。無黏結性、較低水分產率、較高的與二氧化碳反應性(950℃)、煤灰熔融溫度，表明其適于氣化，且以水煤漿氣流床和干煤粉氣流床為宜。綜合認為研究區煤炭資源的清潔高效利用方式為動力用煤，氣化用煤及以氣化為基礎的間接液化用煤。

寧東煤田；煤炭清潔高效利用；煤巖；煤質；侏羅紀煤

我國當前處于“煤炭革命”時期[1]，煤炭綠色概念逐漸形成[2]，煤炭的清潔高效利用，已成為當前形勢下的必然選擇[3-4]。提高清潔高效利用的舉措中，相關政策的制定、管理及相應設備的改良是重要措施[5]，而根據煤炭資源自生的特性，優化利用方式，提高資源利用率，增加產品附加值則是另一重要舉措。因此，煤炭清潔高效利用除了提高動力用煤的清潔度外，還應包括煤中富集有益元素的回收[6-7]，液化[8-9]、煉焦、氣化[10]，富油煤中煤焦油的提取[11]等一系列方式。煤巖、煤質是煤炭資源的基本特征，也是分析、評價其清潔潛勢及利用途徑的關鍵依據；同時，煤炭地質勘探過程中，積累了豐富、全面的相關數據可供分析。寧東煤田位于寧夏回族自治區東部，煤炭資源儲量巨大，是寧夏回族自治區現今及未來煤炭資源開發利用的絕對主體；基于前人的研究基礎，筆者從清潔高效利用的角度出發，全面梳理，重新認識研究區煤炭資源的煤巖、煤質特征，以期綜合分析其清潔利用方向。

1 地質背景

寧東煤田位于鄂爾多斯盆地西緣逆沖帶(圖1a)，區內斷裂較發育，局部地層傾角較大，煤層埋深變化較大。研究區內分布3套含煤地層，分別為上石炭統—下二疊統太原組、下二疊統山西組和侏羅系延安組。延安組為一套陸相河流–三角洲相沉積，厚度達300余米，巖性主要為砂巖、粉砂巖、泥巖及煤層(圖1b)。根據巖性組合，延安組由下至上劃分為5個巖性段，發育煤層(煤線)近20層，其中主要可采煤層由上至下依次為2、4、6、10、16和18號煤層，這些煤層主要發育在各沉積旋回頂部。

圖1 寧東煤田區域位置及延安組地層柱狀

寧東煤田以侏羅系延安組為含煤地層的礦區包括鴛鴦湖礦區、靈武礦區、馬家灘礦區、積家井礦區和萌城礦區，其中，鴛鴦湖礦區和靈武礦區目前開發程度較高，其余礦區開發程度仍較低。

2 煤巖特征

寧東煤田各煤層宏觀煤巖類型主要為半暗—半亮型，部分煤層為暗淡型，少量為光亮型。富惰質組是寧東煤田延安組各煤層顯微煤巖組分最鮮明的特征，惰質組體積分數平均值達到51.8%(含礦物基)，是典型的“富惰質組煤”；鏡質組體積分數明顯低于惰質組，占39.7%，殼質組和礦物含量較低，平均分別為1.8%和6.7%。

垂向上，各煤層顯微組分的平均含量具有一定變化，尤其是鏡質組和惰質組，根據其在垂向上的變化規律，大致可劃分為18煤—15煤、15煤—4煤以及4煤—2煤等3個沉積旋回，在每個旋回中，鏡質組含量先升高再降低，惰質組含量相應地先減少后增大。總體上，寧東煤田各煤層顯微組分表現為延安組上部和下部煤層惰質組含量高，中部煤層惰質組含量相對較低的特征(表1)。

2、4、6、18煤的亞顯微組分鑒定結果顯示，寧東煤田侏羅紀煤中鏡質組包括基質鏡質體(圖2g)、均質鏡質體(圖2i)、結構鏡質體(圖2h)和少量團塊鏡質體，其中基質鏡質體含量最高，膠結了惰質組、殼質組和礦物；結構鏡質體多表現出胞腔變形，近乎閉合的特征。惰質組包括火焚絲質體(圖2a)、氧化絲質體(圖2b，圖2c)、半絲質體(圖2e)、粗粒體(圖2d)、微粒體、碎屑惰質體等，其中半絲質體含量最高，氧化絲質體和碎屑惰質體含量次之。殼質組主要為小孢子體(圖2j，圖2l)、角質體(圖2j)和樹脂體(圖2k)。

3 煤質特征

鄂爾多斯盆地侏羅紀煤普遍具有低灰、低硫的特征，寧東煤田也不例外。煤田內各煤層原煤灰分質量分數普遍低于16.0%，各礦區原煤灰分質量分數平均值介于9.5%~11.7%，為特低灰–低灰煤(圖3a)；全硫質量分數普遍低于1.0%，各礦區全硫質量分數平均值介于0.58%~0.82%，主要為特低硫–低硫煤(圖3d)。平面上，局部區域存在中灰、中–高硫煤區域，如2煤在鴛鴦湖礦區北部部分區域灰分質量分數超過16.0%，全硫普遍超過1.5%，零星區域甚至達到3.0%；3煤在積家井礦區中部同樣存在中灰、中硫煤的區域。形態硫分析數據顯示，低硫煤中有機硫和硫化鐵硫為主要組成，而中、高硫煤中硫化鐵硫占主體。

表1 寧東煤田侏羅系各煤層及其他煤田顯微煤巖組分平均值統計[11-17]

圖2 寧東煤田侏羅紀煤煤巖顯微組分(圖3j為藍色熒光照射下拍攝，其他均為油浸反射光)

揮發分產率和氫含量受煤熱演化程度影響較大，寧東煤田侏羅紀煤鏡質體最大反射率max平均值介于0.52%~0.57%，為低變質煙煤。寧東煤田各礦區延安組煤層的浮煤揮發分產率平均值介于30.4%~33.7%，為中高揮發分煤(圖3b)，平面分布穩定；就延安組所處的變質階段而言，其揮發分產率偏低。與之相呼應，煤中氫含量同樣偏低，各煤層原煤氫碳原子比(H/C)主要分布在0.60~0.75(圖3c)，各礦區H/C值平均值介于0.56~0.67。顯然，這與侏羅紀煤富惰質組的顯微煤巖特征一致[18]。

此外，寧東煤田侏羅紀煤黏結指數為0，無黏結性；具有較高的對二氧化碳反應性()，950°C溫度下主要分布在60~90(圖3j)，平均69；哈氏可磨指數(HGI)主要分布在50~80(圖3k)，平均68.3；煤灰熔融性較高，軟化溫度(ST)平均值為1 202℃，流動溫度(FD)平均值為1 224℃(圖3l)。

圖3 寧東煤田延安組煤質指標頻率直方圖

4 清潔利用方向探討

首先，寧東煤田侏羅紀煤是優質的動力用煤，除具有低灰、低硫等優點外，還具有低有害元素的特征。寧東煤田延安組煤中砷(As)含量普遍低于4 μg/g(圖3f)，為一級含砷煤；磷(P)質量分數絕大部分小于0.05%(圖3e)，為特低磷–低磷煤；氟含量變化較大，主要為特低–低氟煤(圖3g)。根據唐書恒等[19](2006)潔凈煤潛勢的評價方法，研究區煤可達高清潔潛勢的動力用煤指標要求，這是寧東煤田與同處鄂爾多斯盆地的陜北侏羅紀煤田、東勝煤田等普遍具有的優良特性，也是其作為“優質煤”的主要依據，明顯區別于華北石炭–二疊紀煤、華南二疊紀煤以及東北地區白堊紀煤。此外，寧東煤田侏羅紀煤為高發熱量煤(圖3h)，平均高位發熱量(gr,d)達27.61 MJ/kg。高清潔潛勢與高發熱量雙重特性確定其為優質的清潔動力用煤，因此，作為動力用煤是重要的利用途徑。針對全硫含量超過3.0%的區域不予開采；1.5%~3.0%的區域，煤炭開采后通過洗選去除硫化鐵硫后進行開采利用。

煤中有益金屬元素的回收利用是其高效利用的方式之一，這方面工作也是當前煤炭地質工作的熱點之一[7-8]。2煤、4煤、6煤和18煤中微量元素分析結果表明，寧東煤田侏羅系煤中微量元素的富集程度普遍為虧損或正常，未發現有益金屬元素富集[20]。因此，寧東煤田侏羅紀煤基本不具回收稀有金屬資源的前景。

富油煤的研究和利用逐漸成為低階煤清潔利用的重要方向之一，所關注重點是煤焦油的產率[9]。低溫干餾實驗數據分析顯示，寧東煤田侏羅紀煤的焦油產率(ar,d)普遍低于7%(圖3i)；根據《礦產資源工業要求手冊(2014修訂版)》煤炭焦油產率分級，寧東煤田侏羅紀煤達不到富油煤指標，為含油煤，因此，寧東煤田煤焦油提取的前景小。同時，寧東煤田侏羅紀煤的煤類為不黏煤，熱演化程度較低，也不適合煉焦。

“煤制油”是以煤為化工原料煉制油品，是煤炭資源清潔化利用的途徑之一，分為直接液化和間接液化兩種技術方式。煤的直接液化是指將煤研磨后混合于溶劑中，在加溫、加壓、加氫(或不加)、加催化劑的情況下，使部分煤分子發生裂解，形成溶于溶劑的液態產品；煤的間接液化是基于煤的氣化，然后再形成液態烴類產品[21-22]。直接液化要求原料煤具有較高的化學活性，而相同變質程度下煤巖組分的活性“殼質組＞鏡質組＞惰質組”[23]，因此，直接液化用煤要求原料煤具有低惰質組含量，高揮發分產率和氫含量。基于這一共識，不同學者給出了相似的適于直接液化的煤巖煤質指標[24-27]，然而，寧東煤田侏羅紀煤是典型的富惰質組煤，氫碳原子比普遍低于0.7，揮發分產率普遍低于35%，不是理想的直接液化用煤。

煤的間接液化建立在“氣化”的基礎上，此外，煤制甲醇、煤制烯烴等均以煤的氣化為基礎。煤的氣化工藝較多，包括常壓固定床、流化床、水煤漿氣流床、干煤粉氣流床等。不同工藝流程對煤質的要求也不同，根據喬軍偉等[10]提出的平均指標，對照相應煤質數據，寧東煤田侏羅紀煤滿足常壓固定床、流化床、水煤漿氣流床和干煤粉氣流床等氣化工藝的基本煤質要求，其中，部分煤層水煤漿氣流床和干煤粉氣流床可達到一級指標要求(圖4)。

綜上所述，基于煤巖、煤質資料分析結果表明，寧東煤田侏羅紀煤的主要利用途徑為動力用煤、氣化用煤及以氣化為基礎的間接液化用煤。事實上，寧東煤田侏羅紀煤炭資源現今利用方式及規劃與這一分析結果相當契合。寧東能源化工基地以寧東煤田煤炭資源為主要依托，發展成為集煤炭生產、火電、煤化工為一體的大型基地，“截至2017年底，煤炭產能達到9 140萬t、火電裝機容量1 325萬kW、外送電規模1 200萬kW、煤化工產能2 225萬t，是全國最大的煤制油和煤基烯烴生產加工基地”[28]。侏羅紀煤炭資源是其最主要的煤炭產能、火力發電動力用煤及煤制油(間接液化)、煤基烯烴原料用煤。

5 結論

a. 寧東煤田侏羅紀煤為特低–低灰、特低–低硫、低磷、低有害元素、高發熱量的富惰質組低階煙煤。同時還具有無黏結性、低有益金屬元素、相對較低水分和焦油產率、與二氧化碳較高反應性、可磨性和灰熔融溫度等特征。

b. 煤質特征決定寧東煤田侏羅紀煤不適宜提取煤焦油、直接液化及回收有益金屬元素，煤炭清潔高效利用途徑主要為優質的清潔動力用煤、氣化用煤，及以氣化為基礎的間接液化制油、制甲醇、制烯烴等。氣化工藝建議采用為水煤漿氣流床或干煤粉氣流床。

圖4 寧東煤田鴛鴦湖礦區各煤層煤質指標及化工用途

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Petrographic, quality characteristics and clean & efficient use of Jurassic coal in Ningdong coalfield

DU Fangpeng1,2, LUO Zheng3, QIAO Junwei1,2, ZHAO Xiaochen1,2, TAN Furong3, LI Congcong3, FAN Qi3

(1. College of Geology and Environment, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an 710054, China; 2. Shaanxi Provincial Key Laboratory of Geological Support for Coal Green Exploitation, Xi’an 710054, China; 3. Aerophoto Grammetry & Remote Sensing Bureau, China National Administration of Coal Geology, Xi’an 710199, China)

Jurassic coal resources in Ningdong coalfield are huge, also play important role in coal resource development and utilization in Ningxia. For the purpose of clean and efficient use of Jurassic coal in Ningdong coalfield, coal quality and petrographic characteristics were analyzed based on coalfield exploration data. The results show that Jurassic coal in Ningdong coalfield is characterized by very low to low ash, very low to low sulfur content, low phosphorus, low arsenic, low fluorine and high heating value, these characters indicate that Jurassic coal is clean power coal. Besides that, it has medium to high volatile, higher H/C, lower tar yield and abundant inertinite, these characters determined that the coal is neither suitable for direct liquidation nor for extraction of coal tar. The others characteristics like no caking, lower moisture, relatively higher(950℃) and ash melting temperature indicate its suitability for gasification mainly through entrained-flow bed of water slurry and dry feed entrained flow bed. We suggest that Jurassic coal in Ningdong coalfield should be used as power coal and gasification coal, as well as indirect liquefactions based on gasification.

Ningdong coalfield; clean & efficient use of coal; coal petrography; coal quality; Jurassic coal

P62；TD984

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.02.012

1001-1986(2020)02-0071-07

2019-11-11；

2020-01-15

中國地質調查局地質調查二級項目(DD20160187)；國家自然科學基金項目(41702144)

Geological Survey Project of China Geological Survey(DD20160187)；National Natural Science Foundation of China(41702144)

杜芳鵬，1990年生，男，陜西志丹人，博士后，從事能源地質研究工作. E-mail：mrdo0911@163.com

杜芳鵬，雒錚，喬軍偉，等. 寧東煤田侏羅紀煤巖煤質特征及清潔高效利用[J]. 煤田地質與勘探，2020，48(2)：71–77.

DU Fangpeng，LUO Zheng，QIAO Junwei，et al.Petrographic，quality characteristics and clean & efficient use of Jurassic coal in Ningdong coalfield[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(2)：71–77.

(責任編輯 范章群)