內蒙古東勝煤田布日其井田延安組2-2煤層煤質特征及清潔高效利用研究

［關鍵詞］煤巖煤質；清潔高效利用；延安組；布日其井田

煤炭是我國能源消費的主體，然而煤炭資源粗放式開發和低水平利用，不但造成巨大的資源浪費，更帶來了嚴重的生態環境問題[1-2]。“十三五”以來，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，積極推進煤炭資源從燃料向燃料與原料并重轉變，煤制油、煤制氣行業快速發展[3-4]。煤炭資源條件是煤化工發展的基礎，煤質對煤制工藝的選擇、煤炭利用效率、產能、產品質量、環境等都有較大影響。相對于長期以來重視煤炭資源數量特征而言，當前應加強對煤炭資源質量特征的研究[5-6]。

鄂爾多斯東勝煤田煤炭資源豐富，黃河沿岸盟市水資源比較豐富，水煤組合條件較好，煤化工產業已經初具規模。在布日其井田煤炭地質勘探工作的基礎上，對2-2號煤層煤巖煤質特征進行系統研究，參照煤制油氣用煤評價指標，對液化和氣化用煤等級進行了評價分析，為布日其井田煤炭資源的清潔高效利用提供科學依據。

1. 地質概況

布日其井田位于內蒙古自治區鄂爾多斯市烏審旗東南，行政區劃隸屬于烏審旗嘎魯圖鎮和烏蘭陶勒蓋鎮管轄。總體為走向近南北，傾向西的單斜構造，地層產狀平緩，傾角一般0°～2°。含煤地層為侏羅系中、下統延安組，含2、3、4、5、6五個煤組，具有對比編號煤層13層，可采煤層5層，自下而上為6-2、5-2^上、4-1、3-1、2-2，可采煤層厚度7.53～15.40 m，平均12.45 m，可采含煤系數5.72%。2-2煤層位于延安組三巖段的中下部，見煤點埋深686.15～797.94m，平均736.69m。煤層自然厚度0.39～7.46m，平均5.27m，可采厚度2.57～7.06m（B1-31），平均5.20m。煤層以厚煤層為主，厚度變化小，規律明顯，結構簡單，對比可靠，屬全區可采的較穩定煤層。

2.2-2 煤層煤巖煤質特征

2.1 煤巖特征

布日其井田2-2 煤宏觀煤巖組分以暗煤為主，其次為亮煤，絲炭分布于層面，偶見鏡煤，以條帶或透鏡體狀分布，宏觀煤巖類型屬半亮—半暗型煤。顯微煤巖組成中有機顯微組分含量較高，含量體積分數為90.20%～95.23%，平均值為92.80%。顯微煤巖以鏡質組和惰質組為主，顯微煤巖類型為微鏡惰煤。鏡質組體積分數為47.21%～78.55%，平均為58.10%，惰質組體積分數為20.75%～52.32%，平均為41.29%，殼質組體積分數為0.46%～0.70%，平均為0.60%。煤中無機組分以黏土礦物體積分數最高為3.08%～9.00%，平均為5.99%，其他無機組分含量較少（ 表1）。2-2 煤層鏡質組最大反射率（Romax%）平均為0.54%～0.60%，按照《鏡質體反射的煤化程度分級》（MT/T1158-2011）標準劃分等級，變質程度為中煤階煤I。

2.2 化學性質

（1）水分（Mad）。2-2 煤層原煤水分含量為0.95%～8.08%，平均為4.51%；浮煤水分含量為1.56%～8.08%，平均為4.14%，經浮選水分略微降低。

（2）灰分（Ad）。2-2 原煤灰分含量為3.69%～21.84%，平均值為7.64%，屬特低灰煤。浮煤灰分產含量為2.25%～8.85%，平均為5.36%，比原煤平均灰分降低約2.28%。

（3）揮發分（Vdaf）。2-2煤層原煤揮發分含量為31.77%～39.99%，平均為35.84%，屬中高揮發分煤。

浮煤揮發分含量為31.50%～39.49%，平均為35.50%比原煤揮發分產率有所降低，但變化較小。

（4）固定碳（FCd）。2-2煤層原煤固定碳含量為52.72%～61.49%，平均為56.69%，屬中等固定碳煤。浮煤固定碳含量為52.72%～61.49%，平均為57.29%，經浮選后固定碳含量稍微升高。

（5）硫分（St. d）。2-2 煤層原煤硫分含量為0.22%～2.42%，平均為1.29%，屬于中硫煤。浮煤硫分含量為0.21%～2.66%，平均為1.12%，經浮選后略有降低。

2.3 工藝性能

（1）發熱量。2-2煤層原煤干燥基高位發熱量為25.69～32.79MJ/kg，平均為30.98MJ/kg，浮煤干燥基高位發熱量為30.40～32.96MJ/kg，平均值為31.79MJ/kg，經浮選干燥基高位發熱量均略微升高，屬于特高發熱量煤。

（2）黏結性及焦渣類型。2-2煤層黏結指數為0～16，平均為4，屬于無黏結煤，有利于氣化用煤。原煤焦渣類型為2～5，平均值為3；浮煤焦渣類型為2～5，平均值為3，結焦性能低，不適宜煉焦。

（3）可磨性。2-2煤層哈氏可磨性指數是評價粉煤鍋爐用煤成粉難易程度的重要參數。2-2煤層源煤哈氏可磨性指數在51～59，平均值在54，屬于較難磨煤。浮煤哈氏可磨性指數在51～59 之間，平均值在54。

（4）煤的熱穩定性。2-2煤層熱穩定范圍（TS+6）為85.4%～96.4%，平均值為90.5%，熱穩定范圍（TS-3）為2.8%～8.7%，平均值為5.9%，屬于高熱穩定性煤。

（5）煤對二氧化碳反應性。當試驗溫度在900℃時，2-2煤層煤對二氧化碳還原率為10.8%～20.4%，平均值為16.3%。當試驗溫度在1000℃時，2-2煤層煤對二氧化碳還原率為35.4%～53.4%，平均值為43.3%。溫度升高，煤對二氧化碳的反應性越強。

（6）灰熔融性。2-2 煤層煤灰熔融性軟化溫度（ST，℃）為1115℃～1434℃，平均為1248℃，屬于較低軟化溫度灰煤；煤灰熔融性流動溫度（FT，℃）為1125℃～1392℃，平均為1272℃，屬于較低流動溫度灰煤。

（7）煤灰黏度。2-2煤層灰熔點低，煤灰黏度小。當溫度高于1450℃時，煤灰黏度均低于5Pa.s，當溫度低于1200℃時，煤灰渣才可能凝固。

（8）結渣性。當爐柵截面流速為0.1m/秒時，2-2煤層的灰渣結渣率為4.7%～25.7%，平均值為14.8%；當爐柵截面流速為0.2m/s時，各煤層的灰渣結渣率為4.4%～28.3%，平均值為16.8%；當爐柵截面流速為0.3m/s時，各煤層的灰渣結渣率為4.6%～27.2%，平均值12.7%。2-2煤層以弱結渣為主。

3. 清潔利用方向評價

3.1 直接液化用煤

煤直接液化用煤也稱煤制油，是將煤研磨后混合于溶劑中，加溫、加壓、加氫、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[7].。煤直接液化對煤質要求相對較高，但具有步驟簡單、成本較低的優點，一般是煤炭清潔利用的首選方向。

影響液化用煤質量的因素較多，依據《直接液化用原料煤技術條件》（GB/T23810-2009）和液化用煤煤質指標體系[8-10]，布日其井田2-2號煤煤質特征與直接液化指標對比分析發現，2-2號煤揮發分＞35%，灰分小于15%，鏡質體最大反射率小于0.7%，可以進行直接液化，但碳含量、氫含量偏低，惰質組含量較高，轉化率較低，直接液化經濟型相對，綜合評價為二級液化用煤（表3）。

3.2 氣化用煤

煤炭氣化是指以煤或以煤焦為原料，以氧氣（空氣，富氧或純氧）水蒸氣或氫氣等作氣化劑，在一定溫度和壓力下通過化學反應將固體煤或煤焦中的可燃部分轉化為氣體燃料的熱化學過程。煤的氣化工藝較多，主要包括常壓固定床氣化、流化床氣化、水煤漿氣流床氣化等不同氣化工藝對煤質的要求不同。常壓固定床氣化方式是現階段煤炭氣化的最常用方式。依據《常壓固定床氣化用煤技術條件》（GB/T9143-2008）和氣化用煤煤質指標體系[11-13]，布日其井田2-2號煤煤質特征與常壓固定床氣化用煤指標對比分析發現，2-2號煤灰分小于25%、水分小于10%、全硫小于1.5%、煤灰熔融性1272℃、粘結指數小于20，熱穩定性大于60%，綜合評價為一級氣化用煤（表4）

4. 結論

布日其井田2-2 號煤層為屬特低灰、中高揮發分、低—中硫、較低軟化溫度、較低流動溫度、弱結渣性、低黏結性、高發熱量煤。2-2號煤煤質特征滿足直接液化用煤二級指標要求和常壓固定床氣化一級指標要求。煤炭氣化和液化可以作為布日其井田2-2號煤層清潔高效利用方向。