東勝礦區(qū)水煤漿氣流床氣化用煤評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及資源分級(jí)

張 靜 秦云虎 王雙美 何建國(guó) 朱士飛 霍 超 馬 榮

(1.江蘇地質(zhì)礦產(chǎn)設(shè)計(jì)研究院，江蘇省徐州市，221006；2.中國(guó)煤炭地質(zhì)總局勘查研究總院，北京市豐臺(tái)區(qū)，100039)

“十三五”時(shí)期，國(guó)家將煤炭清潔高效開(kāi)發(fā)利用作為能源轉(zhuǎn)型發(fā)展的立足點(diǎn)和首要任務(wù)，為煤炭行業(yè)轉(zhuǎn)變發(fā)展方式、實(shí)現(xiàn)清潔高效發(fā)展創(chuàng)造了有利條件?！疤厥庥妹涸u(píng)價(jià)指標(biāo)體系研究”是中國(guó)煤炭地質(zhì)總局承擔(dān)的二級(jí)項(xiàng)目“特殊用煤資源潛力調(diào)査評(píng)價(jià)”中的主要內(nèi)容，主要用于評(píng)價(jià)我國(guó)現(xiàn)有煤炭資源中用于煉焦、直接液化以及氣化這3種不同工業(yè)用途的優(yōu)質(zhì)煤炭資源，從源頭對(duì)煤炭進(jìn)行煤質(zhì)指標(biāo)評(píng)價(jià)，確定其利用方向，為煤炭分級(jí)分質(zhì)提供依據(jù)，具有重要意義。

1 水煤漿氣流床氣化用煤評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

水煤漿氣化技術(shù)是目前最為成熟的氣流床氣化技術(shù)，水煤漿氣流床氣化用煤通常選用氣化反應(yīng)活性較高的年輕煙煤，煙煤中最適宜的是長(zhǎng)焰煤和氣煤等。不同的煤類(lèi)有不同的工業(yè)用途，在選擇不同的加工工藝和加工方法時(shí)，可合理安排煤炭產(chǎn)品的等級(jí)和品種。依托“特殊用煤資源潛力調(diào)査評(píng)價(jià)”項(xiàng)目，實(shí)地調(diào)研了氣化企業(yè)神華神木化工有限公司、兗州煤業(yè)榆林能化有限公司甲醇廠、內(nèi)蒙古中煤遠(yuǎn)興能源化工有限公司，依據(jù)國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，收集資料和采樣測(cè)試數(shù)據(jù)，分析研究水分、灰分、硫分、哈氏可磨性指數(shù)、成漿濃度以及煤灰熔融性6項(xiàng)煤質(zhì)指標(biāo)對(duì)水煤漿氣流床氣化用煤的影響，確定影響水煤漿氣流床氣化用煤的主要煤質(zhì)指標(biāo)，建立水煤漿氣流床氣化用煤評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。水煤漿氣流床氣化用煤評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的制定主要是針對(duì)各勘查階段的煤炭資源和原煤，適用于煤炭資源的評(píng)價(jià)。

在東勝礦區(qū)以往勘查鉆孔的煤質(zhì)化驗(yàn)資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合采樣測(cè)試分析的水分、灰分、硫分、哈氏可磨性指數(shù)、煤灰熔融性等煤質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)，依據(jù)建立的水煤漿氣流床氣化用煤評(píng)價(jià)指標(biāo)體系對(duì)東勝礦區(qū)進(jìn)行資源量分級(jí)。

1.1 煤質(zhì)指標(biāo)對(duì)水煤漿氣流床氣化的影響

1.1.1 水分指標(biāo)(Mad)

控制煤中水分含量，主要是為了保證正常氣化過(guò)程以及獲得較好的氣化效率。一般變質(zhì)程度較深、內(nèi)在水份含量較低的年輕煙煤較易制出高濃度的水煤漿，而褐煤等年輕煤，內(nèi)在水分高、成漿性不好，水煤漿濃度只能做到30%～40%，冷煤氣效率將低于30%，經(jīng)濟(jì)效益較差，不適用作為水煤漿加壓氣化的原料。有專(zhuān)家研究發(fā)現(xiàn)氣化用煤內(nèi)水宜≤8%，還有專(zhuān)家分析認(rèn)為原料煤內(nèi)在水分應(yīng)控制在8%以?xún)?nèi)，總水含量越低越好。

本次實(shí)地調(diào)研的3家企業(yè)采用原煤作為水煤漿氣化原料煤，煤質(zhì)內(nèi)水均低于4%，制漿濃度均在60%以上，內(nèi)水含量和成漿濃度見(jiàn)表1。

表1 內(nèi)水含量和成漿濃度 %

經(jīng)綜合分析后將本次調(diào)研水分指標(biāo)確定為≤10%。

1.1.2 灰分指標(biāo)(Ad)

水煤漿氣流床煤中灰分越低越好，原煤中灰分含量的增加，不僅直接影響氣化效率，還增大氣化爐渣口結(jié)渣幾率，增加氣化系統(tǒng)的氧耗、煤耗、能耗和生產(chǎn)成本，同時(shí)也會(huì)加劇管道、設(shè)備和耐火磚的磨損，對(duì)氣化系統(tǒng)長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行不利。有些專(zhuān)家認(rèn)為水煤漿氣化爐原料煤灰分(Ad)最高不要超過(guò)20%，最好在15%以下，灰分越高，氣化爐比氧耗、比煤耗越高，冷煤氣效率越低。

本次調(diào)研的3家氣化企業(yè)灰分含量為特低～低灰煤，煤氣化企業(yè)煤質(zhì)灰分指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 煤氣化企業(yè)煤質(zhì)灰分指標(biāo) %

本次將灰分指標(biāo)確定為兩級(jí)，一級(jí)指標(biāo)為≤10%(特低灰煤)，二級(jí)指標(biāo)為10%～25%(中灰煤)。

1.1.3 硫分指標(biāo)(St,d)

水煤漿氣化過(guò)程中硫可通過(guò)脫硫工藝制硫磺，氣化工藝對(duì)硫分要求較低，因此本次硫分不作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1.1.4 哈氏可磨性指數(shù)(HGI)

煤的可磨性直接影響磨機(jī)的選擇和工況條件的確定，既影響水煤漿的產(chǎn)量和質(zhì)量，又影響磨機(jī)的消耗。有些專(zhuān)家認(rèn)為氣化用煤哈氏可磨指數(shù)一般要求大于60。本次實(shí)地調(diào)研的兩家采用原煤作為水煤漿氣化原料煤可磨性指數(shù)均50以上，成漿濃度都在60%～62%。

經(jīng)綜合分析，本次將哈氏可磨性指數(shù)>60定為一級(jí)指標(biāo)，50～60定為二級(jí)指標(biāo)。

1.1.5 成漿濃度(C)

成漿濃度是水煤漿氣流床氣化工藝重要指標(biāo)參數(shù)，在氣化過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用。理論上水煤漿濃度越高越好，但兼顧水煤漿的流動(dòng)性及穩(wěn)定性，適宜的水煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)通常為在60%以上。

本次認(rèn)為成漿濃度可通過(guò)內(nèi)水和哈氏可磨性指數(shù)進(jìn)行表征，因此成漿濃度不作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1.1.6 煤灰熔融性流動(dòng)溫度(FT)

煤灰熔融性是氣化用煤的重要質(zhì)量指標(biāo)，是判斷氣化用煤爐內(nèi)氣化過(guò)程中是否容易結(jié)渣的一項(xiàng)重要指標(biāo)，也是煤類(lèi)選擇的重要依據(jù)。

本次調(diào)研的神華神木化工有限公司和兗礦神木甲醇廠均采用原煤作為氣化用原料煤，神華公司采用錦界煤礦煤灰熔點(diǎn)較高，平均在1300℃左右，超過(guò)神華神木化工有限公司氣化爐1350℃的臨界運(yùn)行溫度，為保證氣化爐正常運(yùn)行，不得不降低氣化運(yùn)行溫度，以免管道結(jié)渣，造成停產(chǎn)。

經(jīng)綜合分析，本次將水煤漿灰熔融流動(dòng)溫度指標(biāo)確定為≤1350℃。

1.2 水煤漿氣流床氣化用煤評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

綜上分析，對(duì)于水煤漿氣化而言，水煤漿氣化過(guò)程中硫可通過(guò)脫硫工藝制成硫磺，氣化工藝對(duì)硫分要求較低；成漿濃度可通過(guò)內(nèi)水和哈氏可磨性指數(shù)進(jìn)行表征，因此本次硫分和成漿濃度不作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。水煤漿氣流床氣化用煤評(píng)價(jià)指標(biāo)主要考慮煤灰熔融性流動(dòng)溫度、水分、哈氏可磨性指數(shù)、灰分4項(xiàng)煤質(zhì)指標(biāo)。二級(jí)指標(biāo)是適合水煤漿氣流床氣化用煤的入門(mén)指標(biāo)，一級(jí)指標(biāo)是優(yōu)質(zhì)水煤漿氣流床氣化用煤指標(biāo)。水煤漿氣流床氣化用煤評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及分級(jí)見(jiàn)表3。

表3 水煤漿氣流床氣化用煤評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2 礦區(qū)概況

2.1 礦區(qū)地質(zhì)背景

東勝礦區(qū)大地構(gòu)造分區(qū)屬于華北地區(qū)鄂爾多斯市向斜東勝隆起區(qū)，隸屬于鄂爾多斯中新生代盆地北部伊盟隆起區(qū)及其與伊陜斜坡、天環(huán)坳陷的過(guò)渡區(qū)，具體位置處于東勝隆起區(qū)中東部。東勝礦區(qū)主要含煤地層為侏羅系中下統(tǒng)延安組，全區(qū)主要可采煤層為2-2中煤層。

2.2 礦區(qū)煤質(zhì)特征

研究過(guò)程中，收集了東勝礦區(qū)溫家塔煤礦、李家塔煤礦、武家塔煤礦、轉(zhuǎn)龍灣煤礦和淖爾壕煤礦等14個(gè)主要井田的鉆孔煤質(zhì)資料和勘探地質(zhì)報(bào)告?，F(xiàn)場(chǎng)采集了烏蘭木倫煤礦、布爾臺(tái)煤礦、霍洛灣煤礦、補(bǔ)連塔煤礦、上灣煤礦、柳塔煤礦、寸草塔一礦、寸草塔二礦和灣圖溝煤礦這9個(gè)井田樣品共計(jì)60件，對(duì)所采樣品的水分、全硫、灰成分、煤灰熔融性以及哈氏可磨性指數(shù)等煤質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試分析。東勝礦區(qū)各井田2-2中煤層原煤主要煤質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表4。

2.2.1 水分(Mad)

東勝礦區(qū)原煤水分含量變化在3.98%～10.62%之間，平均為7.36%，水分含量較低。其中烏蘭木倫煤礦和溫家塔煤礦水分含量較其它井田偏高，平均含量為9.60%和9.52%；上灣煤礦水分含量則偏低，平均含量為4.93%。

表4 東勝礦區(qū)各井田2-2中煤層原煤主要煤質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

注：a為平均值

2.2.2 灰分(Ad)

東勝礦區(qū)原煤灰分變化在3.60%～26.243%之間，平均為9.14%，大部分為特低灰-低灰煤。其中補(bǔ)連塔煤礦和柳塔煤礦灰分含量平均值大于10%，分別為10.16%和12.75%；寸草塔一礦的原煤灰分含量最高，灰分變化范圍為21.95%～30.93%，平均值達(dá)到26.24%，為中高灰煤；布爾臺(tái)煤礦和灣圖溝煤礦的灰分含量較低，其平均值分別為3.60%和4.96%。

2.2.3 硫分(St,d)

勝礦區(qū)原煤硫分變化在0.08%～1.32%之間，平均為0.42%，大部分為特低硫煤-低硫煤。其中寸草塔二礦的原煤硫分含量最低，硫分變化范圍為0.08%～0.14%，平均值達(dá)到0.12%，屬于特低硫煤。

2.2.4 揮發(fā)分(Vdaf)

東勝礦區(qū)原煤揮發(fā)分變化在29.55%～46.14%之間，平均為35.11%。大部分大于20～37，黏結(jié)指數(shù)(GRI)測(cè)試數(shù)據(jù)為0，依據(jù)中國(guó)煤炭分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)(GB5751-2009)，東勝礦區(qū)煤類(lèi)確定為以不粘煤為主，有零星分布的長(zhǎng)焰煤。

2.2.5 哈氏可磨性指數(shù)(HGI)

東勝礦區(qū)原煤哈氏可磨指數(shù)范圍為57～128，絕大多數(shù)在60～128之間，屬中等可磨性～極易磨煤。對(duì)于氣流床來(lái)說(shuō)，本礦區(qū)煤的可磨性好，易制成高濃度的水煤漿。

2.2.6 煤灰熔融性流動(dòng)溫度(FT)

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)東勝礦區(qū)煤質(zhì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，煤灰熔融性流動(dòng)溫度在1120℃～1480℃之間，絕大多數(shù)的數(shù)據(jù)小于等于1350℃，適用于水煤漿氣流床氣化用煤。

3 資源量分級(jí)

根據(jù)東勝礦區(qū)2-2中煤層煤質(zhì)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，結(jié)合水煤漿氣流床氣化用煤評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，東勝礦區(qū)2-2中煤層大部分煤質(zhì)數(shù)據(jù)達(dá)到水煤漿氣流床氣化用煤煤質(zhì)指標(biāo)的要求。依據(jù)水煤漿氣流床氣化用煤評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，對(duì)東勝礦區(qū)2-2中煤層的煤炭資源量進(jìn)行分級(jí)，見(jiàn)表5和圖1。

寸草塔一礦的灰分含量大于25%，不在水煤漿氣流床氣化用煤評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中的灰分范圍內(nèi)，不劃入水煤漿氣流床氣化用煤，資源量0.47億t；柳塔井田和補(bǔ)連塔井田灰分含量大于10%，符合二級(jí)指標(biāo)的煤質(zhì)要求，劃分為水煤漿氣流床二級(jí)氣化用煤，資源量3.85億t；其它11個(gè)井田的各項(xiàng)煤質(zhì)指標(biāo)符合水煤漿氣流床氣化用煤評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的一級(jí)指標(biāo)，劃分為水煤漿氣流床氣化用煤的一級(jí)指標(biāo)，資源量10.61億t。

圖1 東勝礦區(qū)2-2中煤層特殊用煤資源評(píng)價(jià)

表5 東勝礦區(qū)2-2中煤層特殊用煤資源量分級(jí)

4 結(jié)論

(1)通過(guò)分析水分、灰分、硫分、哈氏可磨性指數(shù)、成漿濃度以及煤灰熔融性6項(xiàng)煤質(zhì)指標(biāo)對(duì)水煤漿氣流床氣化用煤的影響，確定影響水煤漿氣流床氣化用煤的主要煤質(zhì)指標(biāo)為煤灰熔融性流動(dòng)溫度、水分、哈氏可磨性指數(shù)和灰分，并對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行了分級(jí)，建立水煤漿氣流床氣化用煤評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

(2)東勝礦區(qū)2-2中煤層水分含量較低；寸草塔一礦的灰分含量大于25%，灰分較高；硫分普遍較低；煤類(lèi)確定為以不粘煤為主，有零星分布的長(zhǎng)焰煤；哈氏可磨性指數(shù)絕大多數(shù)在60～128之間，屬中等可磨性-極易磨煤；煤灰熔融性流動(dòng)溫度在1120℃～1480℃之間，絕大部分的煤灰熔融性流動(dòng)溫度小于等于1350℃。

(3)東勝礦區(qū)2-2中煤層根據(jù)水煤漿氣流床氣化用煤評(píng)價(jià)指標(biāo)體系劃分為3種類(lèi)型：寸草塔一礦不符合水煤漿氣流床氣化用煤評(píng)價(jià)指標(biāo)體系條件，不適宜作為水煤漿氣流床氣化用煤；柳塔井田和補(bǔ)連塔可作為水煤漿氣流床二級(jí)氣化用煤；其它11個(gè)井田適宜作為水煤漿氣流床一級(jí)氣化用煤。

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