巴里坤紙房礦區(qū)西山窯組B4煤層清潔利用研究

王 康，王文強(qiáng)

(1.江蘇地質(zhì)礦產(chǎn)設(shè)計(jì)研究院(中國(guó)煤炭地質(zhì)總局檢測(cè)中心)，江蘇省徐州市，221006；2.中國(guó)煤炭地質(zhì)總局煤系礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省徐州市 221006)

新疆巴里坤哈薩克自治縣地處新疆維吾爾自治區(qū)的東北部，目前已發(fā)現(xiàn)巴里坤煤田和三塘湖煤田，預(yù)測(cè)遠(yuǎn)景儲(chǔ)量超過(guò)500億t。巴里坤紙房礦區(qū)礦井已經(jīng)開(kāi)始建設(shè)，未來(lái)將對(duì)發(fā)展地方經(jīng)濟(jì)、促進(jìn)就業(yè)發(fā)揮良好作用。劃分煤的潔凈等級(jí)是實(shí)現(xiàn)煤炭清潔利用的重要途徑，為此需要綜合分析礦區(qū)煤質(zhì)，據(jù)此制定合理開(kāi)發(fā)利用方案促進(jìn)煤的潔凈利用具有十分重要的意義[1-7]。

1 礦區(qū)概況

巴里坤紙房礦區(qū)(以下簡(jiǎn)稱“紙房礦區(qū)”)位于縣城北西方向約181 km，地處東經(jīng)91°28′26″～91°45′01″、北緯44°23′54″～44°36′14″，礦區(qū)東西長(zhǎng)約為26 km，南北寬約為12.6 km，總面積約為304.5 km2。紙房礦區(qū)含煤地層主要為侏羅系西山窯組，根據(jù)鉆孔資料，結(jié)合地震及鉆探資料，本礦區(qū)東部煤層賦存較好，西區(qū)主要鉆遇西山窯組上段的C組煤和下段B組煤，共含煤21層，鉆孔揭露最大純煤厚度為36 m(14-1號(hào)孔)[8]。

2 煤質(zhì)特征研究

本次主要針對(duì)紙房礦區(qū)西山窯組主可采煤層——B4煤層進(jìn)行研究，收集了73個(gè)鉆孔的煤質(zhì)化驗(yàn)數(shù)據(jù)，采集測(cè)試煤樣51件，分析整理了B4煤層原煤的工業(yè)分析、元素含量等指標(biāo)數(shù)據(jù)，同時(shí)補(bǔ)充測(cè)定了煤對(duì)二氧化碳反應(yīng)性指標(biāo)。

2.1 主要煤質(zhì)指標(biāo)

B4煤層原煤主要煤質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 B4煤層原煤主要煤質(zhì)指標(biāo)

(1)灰分。B4煤層原煤的灰分為3.49%～20.52%，平均值為9.34%，依據(jù)《煤炭質(zhì)量分級(jí) 第1部分：灰分》(GB/T 15224.3-2004)判別，B4煤層原煤為特低灰分-中灰分煤，總體為特低灰分煤。

(2)揮發(fā)分。B4煤層原煤的揮發(fā)分為36.82%～44.70%，平均值為40.94%，按照《煤的揮發(fā)分產(chǎn)率分級(jí)》(MT/T849-2000)判別，B4煤層原煤總體為高揮發(fā)分煤。

(3)全硫。B4煤層原煤的全硫?yàn)?.29%～0.76%，平均值為0.45%，按照《煤炭質(zhì)量分級(jí) 第2部分：硫分》(GB/T 15224.3-2004)判別，B4煤層原煤總體為低硫煤。

(4)哈氏可磨性指數(shù)。B4煤層哈氏可磨性指數(shù)范圍為41～63，平均值為48，按照《煤的哈氏可磨性指數(shù)分級(jí)》(MT/T852-2000)判別，B4煤層原煤總體為較難磨的煤。

(5)發(fā)熱量。B4煤層原煤的干燥基低位發(fā)熱量為24.06～30.09 MJ/kg，平均值為27.74 MJ/kg，依據(jù)《煤炭質(zhì)量分級(jí)第3部分：發(fā)熱量》(GB/T 15224.3-2004)判別，B4煤層原煤是中高熱值-特高熱值煤，總體為高熱值煤。

(6)透光率。作為確定區(qū)別褐煤與煙煤的重要依據(jù)，B4煤層透光率最低為68%、最高為99%，均大于50%，因此可以判定B4煤層原煤不屬于褐煤。

(7)粘結(jié)性。參照國(guó)家煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，礦區(qū)B4煤層中的原煤大多數(shù)屬于不粘結(jié)的煤，GR.I.測(cè)試值為0；個(gè)別是弱粘結(jié)的煤，GR.I.測(cè)試值均小于5。

(8)焦油產(chǎn)率。B4煤層原煤的焦油產(chǎn)率為4.4%～14.0%，平均值為9.6%，按照《礦產(chǎn)資源工業(yè)要求手冊(cè)》(2014年修訂本)判定，B4煤層原煤總體為富油煤。

2.2 化學(xué)元素

B4煤層原煤元素含量見(jiàn)表2。

表2 B4煤層原煤元素含量

(1)有害元素。B4煤層原煤中磷(Pd)的含量為0.001 5%～0.065 0%，平均含量為0.013 0%，按照《煤中有害元素含量分級(jí) 第1部分：磷》(GB/T20475.1-2006)判別，B4煤層原煤總體為低磷煤；B4煤層原煤中的氟(Fd)含量為24～128 μg/g，平均值為57 μg/g，按照《煤中有害元素含量分級(jí)第5部分：氟》(GB/T20475.5-2020)判別，B4煤層原煤總體為特低氟煤；B4煤層原煤中的氯(Cld)含量為0.003%～0.119%，平均含量為0.050%，按照《煤中有害元素含量分級(jí)第2部分：氯》(GB/T20475.2-2006)判別，B4煤層原煤總體為特低氯煤；B4煤層原煤中的砷(Asd)含量為0～3 μg/g，平均值為2 μg/g，按照《煤中有害元素含量分級(jí)第3部分：砷》(GB/T20475.3-2012)判別，B4煤層原煤是一級(jí)含砷煤；B4煤層原煤中的鉛(Pbd)含量為0～14 μg/g，平均含量為5 μg/g,按照《煤中鉛含量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(MT/T 964-2005)判別，B4煤層是低鉛煤。

(2)各煤層有益元素含量普遍較低，只有個(gè)別點(diǎn)位的釩元素達(dá)到開(kāi)采品位，沒(méi)有明顯的工業(yè)利用價(jià)值。

2.3 煤灰成分及煤灰熔融性

礦區(qū)內(nèi)B4煤層煤灰成分主要以酸性物質(zhì)(SiO2+Al2O3+TiO2)為主，按照《煤灰軟化溫度分級(jí)》(MT/T853.1-2000)和《煤灰流動(dòng)溫度分級(jí)》(MT/T853.2-2000)判別，B4煤層煤灰軟化溫度ST范圍為1 201～>1 400 ℃，是較低軟化灰-高軟化的灰；B4煤層煤灰流動(dòng)溫度FT為1 212～>1 500 ℃，為較低流動(dòng)灰-高流動(dòng)灰。

2.4 煤對(duì)CO2的反應(yīng)性

測(cè)定了B4煤層原煤對(duì)CO2的反應(yīng)性，見(jiàn)表3。

表3 B4煤層原煤對(duì)CO2反應(yīng)性 %

由表3可以看出，燃燒溫度為900、950、1 000 ℃時(shí)，B4煤層原煤對(duì)CO2反應(yīng)性依次為40.0%～56.7%、57.5%～90.9%、63.4%～97.3%，表明B4煤層原煤對(duì)CO2的反應(yīng)性良好。

2.5 結(jié)渣性

煤灰結(jié)渣致使煤中的碳未反應(yīng)完全就被排出爐外，爐內(nèi)結(jié)渣嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致停產(chǎn)。B4煤層原煤的結(jié)渣性見(jiàn)表4。

表4 B4煤層原煤的結(jié)渣性

依據(jù)《礦產(chǎn)資源工業(yè)要求手冊(cè)》(2014年修訂本))判定，B4煤層為弱結(jié)渣性煤。

3 煤類與潔凈等級(jí)劃分

3.1 煤種

按照《中國(guó)煤炭分類標(biāo)準(zhǔn)》(GB5751-2009)，B4煤層原煤揮發(fā)分為36.51%～44.70%，粘結(jié)指數(shù)GR.I.小于5，透光率PM大于50%。50個(gè)測(cè)試點(diǎn)后判定B4煤層原煤為長(zhǎng)焰煤，判定1個(gè)測(cè)試點(diǎn)為不粘煤，因此可以綜合判定B4煤層原煤為長(zhǎng)焰煤(CY)。

3.2 煤的潔凈等級(jí)劃分

煤炭清潔利用潛勢(shì)劃分是煤炭分級(jí)、分質(zhì)、清潔高效利用的依據(jù)之一。B4煤層原煤的全硫?yàn)?.29%～0.76%、灰分為3.49%～20.52%、砷元素含量為0～3%、氯元素含量為0.003%～0.119%、氟元素含量為24～128 μg/g，依據(jù)煤炭清潔利用潛勢(shì)評(píng)價(jià)體系[9]判定，并根據(jù)煤的潔凈等級(jí)劃分對(duì)比可知，紙房礦區(qū)B4煤層原煤屬于Ⅲ級(jí)較好潔凈煤。

4 煤的清潔利用前景分析

4.1 動(dòng)力用煤前景分析

動(dòng)力煤的主要用戶之一是工業(yè)鍋爐、窯爐等，要探討動(dòng)力煤的資源評(píng)價(jià)指標(biāo)，需要了解動(dòng)力煤的燃燒方式及其對(duì)煤質(zhì)的基本要求[10]。通過(guò)對(duì)比《商品煤質(zhì)量 鏈條爐用煤》(GB/T 18342-2018)、《商品煤質(zhì)量 發(fā)電煤粉鍋爐用煤》(GB/T 7562-2018)和《商品煤質(zhì)量 水泥回轉(zhuǎn)窯用煤》(GB/T 7563-2018)的用煤要求可知，紙房礦區(qū)B4煤層原煤可以作為鏈條爐用煤、粉煤鍋爐用煤和水泥回轉(zhuǎn)窯用煤。

4.2 煉焦用煤前景分析

通過(guò)對(duì)比《煉焦用煤技術(shù)條件》(GB/T 397-2009)用煤要求可知，礦區(qū)B4煤層原煤不符合煉焦用煤的要求，但除了粘結(jié)指數(shù)不符外，B4煤層原煤還具有低硫、低灰、低磷的特點(diǎn)，可以作為煉焦用煤的配合煤。配用一部分的長(zhǎng)焰煤在不影響焦炭性能的前提下，緩解了煉焦煤資源不足的問(wèn)題，也能起到降低焦炭的灰分和硫分以及焦配煤的成本的作用[11-12]。

4.3 蘭炭用煤前景分析

蘭炭正逐步取代冶金焦被廣泛運(yùn)用于電石、鐵合金、硅鐵、碳化硅等產(chǎn)品的生產(chǎn)，成為一種不可替代的炭素材料[13]。通過(guò)對(duì)比《蘭炭用煤技術(shù)條件》(GB/T 25210-2010)可知，B4煤層原煤總體上符合蘭炭用煤技術(shù)條件對(duì)用煤的要求。

4.4 氣化液化用煤前景分析

通過(guò)對(duì)比《常壓固定床氣化用煤技術(shù)條件》(GB/T 9143-2008)、《氣流床氣化用原料煤技術(shù)條件》(GB/T 29722-2013)、《直接液化用原料煤技術(shù)條件》(GB/T 23810-2009)、《氣流床氣化用原料煤技術(shù)條件》(GB/T 29722-2013)、《流化床氣化用原料煤技術(shù)條件》(GB/T 29721-2013)可知，B4煤層原煤符合常壓固定床氣化、氣流床氣化用對(duì)原料要求，部分符合流化床氣化和直接液化用煤的要求。

5 結(jié)論

通過(guò)綜合分析紙房礦區(qū)煤的物理特性、煤的化學(xué)性質(zhì)以及煤的工藝性質(zhì)可知，紙房礦區(qū)B4煤層主要以長(zhǎng)焰煤為主，并含有少量的不粘煤，煤質(zhì)特征為以低灰分、高揮發(fā)分、特低硫、高熱值煤、具弱結(jié)渣性、對(duì)CO2的反應(yīng)性較好，且為富油煤，屬于Ⅲ級(jí)較好潔凈煤，工業(yè)使用前景宜作為動(dòng)力用煤和氣化用煤，同時(shí)可做煉焦配合煤和蘭炭用煤。

B4煤層有害元素含量總體較低，但個(gè)別指標(biāo)偏高，應(yīng)當(dāng)給予適當(dāng)注意，建議將煤炭的開(kāi)采利用與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展有機(jī)結(jié)合起來(lái)，在開(kāi)采加工的過(guò)程中采取原煤洗選、淋濾、燃燒顆粒物回收、添加吸附劑或吸附裝置等技術(shù)手段進(jìn)行控制，將對(duì)環(huán)境的影響降低到最低限度。