黃隴侏羅紀(jì)煤田彬長(zhǎng)礦區(qū)4號(hào)煤層氣化、液化特征研究

李聰聰，杜芳鵬，喬軍偉，魏云迅

(1.中國(guó)煤炭地質(zhì)總局航測(cè)遙感局，西安 710199；2. 陜西省地理空間信息工程技術(shù)研究中心，西安 710199； 3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221006)

黃隴侏羅紀(jì)煤田彬長(zhǎng)礦區(qū)4號(hào)煤層氣化、液化特征研究

李聰聰1,2，杜芳鵬1,2，喬軍偉1,3，魏云迅1,2

(1.中國(guó)煤炭地質(zhì)總局航測(cè)遙感局，西安 710199；2. 陜西省地理空間信息工程技術(shù)研究中心，西安 710199； 3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221006)

為了實(shí)現(xiàn)彬長(zhǎng)礦區(qū)優(yōu)質(zhì)煤炭資源的清潔高效利用，在對(duì)以往勘查鉆孔的煤質(zhì)化驗(yàn)資料統(tǒng)計(jì)分析和系統(tǒng)采樣測(cè)試的基礎(chǔ)上，對(duì)礦區(qū)主采煤層4號(hào)煤的煤巖、煤質(zhì)特征進(jìn)行詳細(xì)分析，并編制了主要煤質(zhì)指標(biāo)的等值線分布圖，論述了硫分、灰分、揮發(fā)分、氫碳原子比的分布規(guī)律，并參照氣化、液化用煤的煤質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系對(duì)4號(hào)煤的氣化、液化特征進(jìn)行劃分，劃分結(jié)果顯示：彬長(zhǎng)礦區(qū)4號(hào)煤層原煤以適合常壓固定床氣化為主，部分適合流化床氣化，對(duì)該礦區(qū)煤炭資源的潔凈高效利用具有指導(dǎo)意義。

4號(hào)煤層；煤質(zhì)特征；氣化、液化；彬長(zhǎng)礦區(qū)

0 引言

煤炭是我國(guó)的主體能源和重要工業(yè)原料，近年來(lái)，煤炭工業(yè)取得了長(zhǎng)足發(fā)展，但煤炭利用方式粗放、污染重的問(wèn)題仍存在。推進(jìn)煤炭?jī)?yōu)質(zhì)化分選與提質(zhì)加工，提高煤炭產(chǎn)品質(zhì)量，構(gòu)建清潔、高效、低碳、安全、可持續(xù)的現(xiàn)代煤炭清潔利用體系是未來(lái)煤炭產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要途徑[1-3]。煤炭液化、氣化是煤炭清潔高效利用的重要措施，而煤巖、煤質(zhì)特征是研究氣化、液化用煤指標(biāo)的主要依據(jù)[4-6]。彬長(zhǎng)礦區(qū)作為黃隴基地的主力礦區(qū)，是陜西省規(guī)劃建設(shè)的重要原煤生產(chǎn)基地和煤化工基地[7]。前人研究表明彬長(zhǎng)礦區(qū)煤炭可用于氣化、液化、高爐噴吹用煤、水煤漿及動(dòng)力用煤[8-9]。前人對(duì)彬長(zhǎng)礦區(qū)煤巖煤質(zhì)特征的分析主要以個(gè)別煤礦的統(tǒng)計(jì)分析為主，暫未對(duì)整個(gè)礦區(qū)內(nèi)影響煤層氣化、液化的主要煤質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行整體系統(tǒng)劃分，尤其是未對(duì)礦區(qū)內(nèi)4號(hào)主采煤層的氣化、液化特征進(jìn)行專(zhuān)門(mén)分析研究，系統(tǒng)分析礦區(qū)內(nèi)主要煤層的煤巖、煤質(zhì)特征，對(duì)礦區(qū)內(nèi)煤炭資源分質(zhì)分級(jí)和清潔高效利用具有指導(dǎo)意義。

1 礦區(qū)概況

彬長(zhǎng)礦區(qū)處于黃隴侏羅紀(jì)煤田中部，位于陜西省咸陽(yáng)市北部縣、長(zhǎng)武、旬邑境內(nèi)，礦區(qū)東西長(zhǎng)46km，南北寬36.5km，面積為978km2，資源/儲(chǔ)量89.8億t，設(shè)計(jì)生產(chǎn)建設(shè)規(guī)模5 740萬(wàn)t/a。礦區(qū)劃分為13個(gè)井田。

彬長(zhǎng)礦區(qū)位于鄂爾多斯盆地西南部的渭北撓褶帶北緣廟彬凹陷區(qū)，總體形態(tài)為一NW向緩傾的單斜構(gòu)造，地層傾角3°～9°，斷裂構(gòu)造較不發(fā)育，礦區(qū)整體構(gòu)造簡(jiǎn)單。本區(qū)的含煤地層為侏羅系中統(tǒng)延安組。自下而上發(fā)育4號(hào)、4上、4上-1、4上-2、3號(hào)、2號(hào)及1號(hào)煤層，其中延安組下部的4號(hào)煤層賦存穩(wěn)定，且多為中厚-特厚煤層，為礦區(qū)內(nèi)主采煤層。

2 煤巖煤質(zhì)特征

本次研究以彬長(zhǎng)礦區(qū)以往勘查的623個(gè)鉆孔的煤質(zhì)化驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合井下重點(diǎn)煤層垂向剖面樣品的采集，對(duì)4號(hào)煤層進(jìn)行煤巖顯微組分鑒定、工業(yè)分析、全硫、灰成分分析、煤灰熔融性、哈氏可磨指數(shù)、黏結(jié)指數(shù)、熱穩(wěn)定性、微量元素等煤巖、煤質(zhì)測(cè)試分析。

2.1 煤巖特征

煤巖學(xué)就是從巖石學(xué)的觀點(diǎn)和方法來(lái)研究煤的組成、成分、類(lèi)型、性質(zhì)等,主要研究領(lǐng)域是煤的顯微鏡學(xué)，煤的煤巖學(xué)特征包括宏觀煤巖特征和顯微煤巖特征。

4煤層宏觀煤巖類(lèi)型以暗淡、半暗型煤為主，夾半亮型煤。4煤層顯微煤巖中有機(jī)質(zhì)顯微組分含量較高，平均值92.90%，其中鏡質(zhì)組及半鏡質(zhì)組含量相對(duì)較低，平均值為25.3%。惰質(zhì)組含量平均值66.00%。殼質(zhì)組含量較少，平均值3.00%，無(wú)機(jī)組分含量平均為7.30%，以黏土類(lèi)和碳酸鹽類(lèi)為主，硫化物類(lèi)含量較少。4號(hào)煤層煤巖顯微組分有機(jī)質(zhì)含量高，達(dá)90%以上，其中以惰質(zhì)組分為主，次為鏡質(zhì)組，殼質(zhì)組含量低；無(wú)機(jī)組分含量較低，以黏土、碳酸鹽巖和氧化物為主。其鏡質(zhì)組反射率為0.65～0.71，平均為0.67，屬于Ⅱ煤化階段煙煤。

2.2 煤質(zhì)特征

2.2.1 水分(Mad)

彬長(zhǎng)礦區(qū)4號(hào)煤層原煤水分含量為1.43%～8.41%,平均4.53%；浮煤水分含量為1.19%～8.20%,平均3.70%。

表1 彬長(zhǎng)礦區(qū)4號(hào)煤層顯微組分定量分析

2.2.2 灰分(Ad)

彬長(zhǎng)礦區(qū)4號(hào)煤層原煤灰分產(chǎn)率(Ad)為3.69%～36.44%,平均13.52%,浮煤灰分(Ad)灰分產(chǎn)率為3.18%～33.3%,平均7.90%。

彬長(zhǎng)礦區(qū)4號(hào)煤層主要為低灰煤，其次為特低灰煤，少量中灰煤和中高灰煤，洗選后，大部分灰分產(chǎn)率小于10%，以特低灰煤為主，其次低灰煤，近極少數(shù)為中灰煤(圖1)。平面上，全區(qū)原煤灰分以低灰煤占大面積，僅礦區(qū)西南部楊家坪井田、大佛寺井田西部部分區(qū)域和礦區(qū)東部文家坡井田零星區(qū)域灰分達(dá)到中灰，最高出現(xiàn)在文家坡井田東部、達(dá)到中灰煤；總體上，原煤灰分展布特征表現(xiàn)為由礦區(qū)中部孟村-小莊井田向礦區(qū)外圍灰分產(chǎn)率增大， 由特低灰煤漸變至低灰煤、中灰煤(圖2)。浮煤灰分產(chǎn)率與原煤灰分產(chǎn)率具有高度正相關(guān)性，因而其總體分布規(guī)律與原煤相近，但灰分產(chǎn)率總體下降明顯。

2.2.3 揮發(fā)分(Vdaf)

4號(hào)煤層原煤揮發(fā)分(Vdaf)產(chǎn)率為18.50%～41.04%, 平均32.58%； 浮煤揮發(fā)分 (Vdaf) 產(chǎn)率為23.99%～37.82%,平均31.96%。

圖1 4號(hào)煤層灰分、揮發(fā)分產(chǎn)率分布頻數(shù)直方圖Figure 1 Histogram of coal No.4 ash content, volatile matter yield distribution frequency

圖2 4號(hào)煤層原煤灰分等值線圖Figure 2 Isogram of coal No.4 raw coal ash content

彬長(zhǎng)礦區(qū)4號(hào)煤層原煤揮發(fā)分集中在28.0%～37.0%之間，為中高揮發(fā)分煤，僅極少量為高揮發(fā)分煤或中等揮發(fā)分煤；浮選后揮發(fā)分產(chǎn)率變化較小，分布范圍與原煤近一致(圖1)。平面上，礦區(qū)內(nèi)大部分區(qū)域原煤的揮發(fā)分產(chǎn)率在30%～32%之間，變化不大，僅東部文家坡井田和西南部楊家坪井田部分區(qū)域低于30%，礦區(qū)北部雅店、高家堡和西部楊家坪井田部分區(qū)域高于33%，最高值出現(xiàn)在礦區(qū)西部高家堡與楊家坪井田界線處，為高揮發(fā)分煤?？傮w上，彬長(zhǎng)礦區(qū)4號(hào)煤層原煤揮發(fā)分變化不大，但呈現(xiàn)處由北西向南東變小的趨勢(shì)(圖3)。

圖3 4號(hào)煤層揮發(fā)分等值線圖Figure 3 Isogram of coal No.4 volatile matter yield

2.2.4 氫碳原子比

彬長(zhǎng)礦區(qū)4號(hào)煤層原煤氫碳原子比為0.52～0.80，主要分布在0.6～0.7之間，平均值為0.67；浮煤氫碳原子比為0.39～0.75，平均值為0.67；總體上以0.65～0.70為中心正態(tài)分布(圖4)。平面上，礦區(qū)內(nèi)絕大部分區(qū)域氫碳原子比為0.60～0.70之間，僅礦區(qū)西部楊家坪井田、高家堡井田、孟村井田界線處以及礦區(qū)南端蔣家河井田相對(duì)較高；總體上，H/C由南向北有所增大，然而局部亦有特別情況(圖5)。

圖4 4號(hào)煤層H/C分布直方圖Figure 4 Histogram of coal No.4 H/C distribution

2.2.5 硫分

4號(hào)煤層原煤全硫(St.d)含量為0.08%～3.61%,平均0.77%,浮煤全硫含量為0.50%～2.49%，平均0.50%。屬特低硫煤-低硫煤，少部分為中硫煤，極少部分為中高硫煤；洗選后，浮煤絕大部分為特低硫煤，部分為低硫煤，而極少數(shù)為中硫煤或中高硫煤(圖6)。平面上，大部分區(qū)域硫分小于1.00%，在礦區(qū)東部的文家坡井田、小莊井田、官牌井田較大區(qū)域大于1%，甚至大于2%，達(dá)到中硫煤，礦區(qū)南北下溝井田、西部高家堡井田、楊家坪井田亦有部分區(qū)域大于1%，總體上，由北向南，中硫煤區(qū)間隔性出現(xiàn)(圖7)。

圖5 4號(hào)煤層H/C等值線圖Figure 5 Isogram of coal No.4 H/C

圖6 4號(hào)煤層硫含量分布直方圖Figure 6 Histogram of coal No.4 sulfur content

圖7 4號(hào)煤層硫分等值線圖Figure 7 Isogram of coal No.4 sulfur content

2.2.6 煤灰熔融性

煤灰熔融性是影響煤炭氣化的重要因素之一，同時(shí)也是煤炭氣化爐工藝設(shè)計(jì)重要指標(biāo)。根據(jù)彬長(zhǎng)礦區(qū)煤質(zhì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，4號(hào)煤的煤灰熔融性(ST)范圍為1 108～>1 500 ℃，平均為1 268 ℃(N=216)。參考煤灰熔融溫度范圍：易熔灰分(ST<1 160 ℃)；中熔灰分(ST為1 160～>1 350 ℃)；難熔灰分(ST為1 350～>1 500 ℃)；可確定彬長(zhǎng)礦區(qū)煤灰以中熔煤占絕大多數(shù)(84.7%)、少量易熔灰和難熔灰(圖8)。

圖8 4號(hào)煤灰熔融性分布直方圖(ST)Figure 8 Histogram of coal No.4 ash fusibility distribution (ST)

2.2.7 煤的黏結(jié)指數(shù)(GR.I)

4號(hào)煤的黏結(jié)指數(shù)為0～14.9，平均為0.67，絕大多數(shù)為0，因此判斷其為無(wú)黏結(jié)或微黏結(jié)性煤。

2.2.8 煤的熱穩(wěn)定性(TS+6)

4號(hào)煤的熱穩(wěn)定性為55.7%～99.4%，平均81.99%。按照煤灰熱穩(wěn)定性分級(jí)(MT/T560-2008),屬于高熱穩(wěn)定性煤。

2.2.9 煤灰成分

彬長(zhǎng)礦區(qū) 4號(hào)煤灰中主要成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)如下：SiO2為15.58%～69.49%,平均44.88%(N=167)；Al2O3為5.85%～33.85%,平均17.18%；Fe2O3為1.95%～23.44%,平均8.04%；CaO為0.24%～48.00%,平均16.43%；MgO為0.27%～17.58%,平均2.71%。SO3為0.18%～16.62%，平均6.46%。總體上以硅鋁酸鹽氧化物為主，堿性氧化物次之。

3 氣化、液化類(lèi)型劃分

我國(guó)GB/T 23251-2009煤化工用煤技術(shù)導(dǎo)則中對(duì)煤制油用煤優(yōu)化配置和合理規(guī)劃提出了要求，明確經(jīng)洗選后作為煉焦用的主要煉焦煤類(lèi)不應(yīng)作為煤炭氣化、煤炭液化用煤，評(píng)價(jià)順序?yàn)榻够?、液化及氣化，?jīng)洗選后作為煉焦用的1/3焦煤、肥煤、焦煤、瘦煤等主要煉焦煤類(lèi)應(yīng)進(jìn)行合理規(guī)劃和保護(hù)性開(kāi)發(fā)利用。因此，評(píng)價(jià)時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮煤類(lèi)是否適合煉焦用煤，再考慮液化用煤，最后考慮是否可以氣化。

按照氣化、液化特殊用煤評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，首先確定煤類(lèi)，彬長(zhǎng)礦區(qū)4號(hào)煤層以不黏煤為主，少量為弱黏煤，屬于適合直接液化的煤類(lèi)，但是進(jìn)一步對(duì)比《直接液化用原料煤技術(shù)條件》(GB/T 23810-2009)中煤質(zhì)技術(shù)要求和本次研究確定的煤炭直接液化的煤質(zhì)指標(biāo)體系，發(fā)現(xiàn)4號(hào)煤層揮發(fā)分18.50%～41.04%，平均為32.58%，整體小于35%，鏡質(zhì)組最大反射率0.65～0.71，平均為0.67，整體大于0.65，氫碳原子比0.39～0.75，平均為0.67，絕大部分小于0.70，氫碳原子比是評(píng)價(jià)煤炭直接液化性能的重要指標(biāo)[10-11]，不符合直接液化用煤的分級(jí)指標(biāo)，屬不宜直接液化用煤(表2)。

表2 4號(hào)煤層直接液化特征對(duì)比

彬長(zhǎng)礦區(qū)4號(hào)煤層屬不宜直接液化用煤，考慮其作為氣化用煤，本次研究對(duì)比《流化床氣化用原料煤技術(shù)條件》GB/T 29721-2013、《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中三種不同工藝煤質(zhì)技術(shù)要求，提出適合重點(diǎn)礦區(qū)煤炭氣化的煤質(zhì)指標(biāo)體系，經(jīng)詳細(xì)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，彬長(zhǎng)礦區(qū)4號(hào)煤層大部適合常壓固定床氣化，部分適合流化床氣化(表3)。

彬長(zhǎng)礦區(qū)共劃分為13個(gè)井田，除楊家坪和高家堡未建井開(kāi)采外，其余都已建井或正在開(kāi)采，按照氣化用煤指標(biāo)對(duì)煤質(zhì)參數(shù)的要求，通過(guò)對(duì)整個(gè)礦區(qū)內(nèi)4號(hào)煤層全水分、灰分、全硫、煤灰熔融性、對(duì)CO2反應(yīng)性、黏結(jié)指數(shù)、熱穩(wěn)定性的分析，對(duì)4號(hào)煤層的氣化用煤分布進(jìn)行了劃分，4號(hào)煤層煤炭資源以常壓固定床氣化為主，占整個(gè)礦區(qū)4號(hào)煤炭資源分布面積的89.97%。少部分適合流化床氣化占整個(gè)4號(hào)煤資源分布面積的10.03%(圖9)。

表3 4號(hào)煤層氣化特征對(duì)比

圖9 4號(hào)煤層氣化用煤資源分布圖Figure 9 Distribution map of coal No.4 resources for gasification

依據(jù)彬長(zhǎng)礦區(qū)內(nèi)各井田資源量初步統(tǒng)計(jì)，截至2015年底，適合常壓固定床氣化用煤保有資源量為779 074.44萬(wàn)t，適合流化床氣化用煤保有資源量為86 860.66萬(wàn)t。

4 結(jié)論

①通過(guò)對(duì)彬長(zhǎng)礦區(qū)以往煤質(zhì)測(cè)試資料的分析，對(duì)4號(hào)煤層的主要?dú)饣?、液化煤質(zhì)指標(biāo)的變化規(guī)律進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，該煤層以、低中灰、中高揮發(fā)分、特低-低硫、高熱穩(wěn)定性煤不黏煤為主，含小范圍的弱黏煤。

②依據(jù)按照氣化、液化特殊用煤評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，對(duì)彬長(zhǎng)礦區(qū)4號(hào)煤層的氣化、液化特征進(jìn)行了詳細(xì)劃分，整個(gè)礦區(qū)內(nèi)4號(hào)煤層不適合直接液化用煤，以適合常壓固定床氣化為主，占4號(hào)煤層資源分布面積的89.97%。少部分適合流化床氣化，占整個(gè)4號(hào)煤資源分布面積的10.03%。氣化、液化類(lèi)型的劃分為該礦區(qū)煤炭資源的分質(zhì)分級(jí)和潔凈高效利用提供了方向。

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StudyonCoalNo.4GasificationandLiquefactionCharacteristicsinBinchangMiningArea,HuanglongJurassicCoalfield

Li Congcong1,2, Du Fangpeng1,2, Qiao Junwei1,3and Wei Yunxun1,2

(1.Aerial Photogrammetry and Remote Sensing Bureau, CNACG, Xi’an, 710199; 2.Shaanxi Provincial Geospatial Information Engineering Technological Research Center, Xi’an, 710199; 3.China University of Mining and Technology, Xuzhou, Jiangsu 210006)

To realize clean and high efficiency utilization of high quality coal resources from the Binchang mining area, based on previous exploratory borehole coal quality tested data statistical analysis and systematic sample tests, carried out detailed analysis for mining area main mineable coal No.4 coal petrological and coal quality features. Then compiled main coal quality indicator isograms, discussed distribution pattern of sulfur, ash, volatile matter and hydrogen to carbon atomic ratio. Referred to coal for gasification and liquefaction quality assessment system carried out partitioning for gasification and liquefaction characteristics of coal No.4. The result has shown that the raw coal of coal No.4 is mainly propitious to constant pressure fixed bed gasification, part propitious to fluidized bed gasification. The study has guiding significance in mining area coal resource clean and high efficiency utilization.

coal No.4; coal quality characteristics; gasification; liquefaction; Binchang mining area

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.11.04

1674-1803(2017)11-0017-07

A

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局資源調(diào)查項(xiàng)目(DD20160187)資助。

李聰聰(1984—)，男，山西臨汾人，高級(jí)工程師，碩士，從事遙感地質(zhì)、能源地質(zhì)工作。

2017-08-08

宋博輦