準(zhǔn)東高鈉煤逐級化學(xué)提取試驗研究及應(yīng)用途徑建議

李賽歌， 雍曉艱

(新疆維吾爾自治區(qū)煤炭綜合勘查院，烏魯木齊 830091)

根據(jù)準(zhǔn)東煤田各礦區(qū)總體規(guī)劃確定的煤炭轉(zhuǎn)化利用方向，2014.06～2015.12，針對準(zhǔn)東煤田煤炭資源的煤質(zhì)特性，尤其是煤中鈉的賦存狀態(tài)及煤灰特性開展研究，選取代表性樣品進(jìn)行提質(zhì)、熱解、氣化等轉(zhuǎn)化試驗研究，提出新疆準(zhǔn)東煤田主要煤層的煤質(zhì)特征，分析煤炭轉(zhuǎn)化應(yīng)用中可能存在的問題并提出相應(yīng)對策，為新疆準(zhǔn)東煤田煤炭資源的潔凈、高效利用提供地質(zhì)依據(jù)。

1 概況

新疆準(zhǔn)東煤田位于準(zhǔn)格爾盆地的東部，北界山體為北西走向的克拉麥里山，南界山脈為東西向的東天山的博格達(dá)山，二者在木壘縣城東北部胡喬克處交匯，西界由克拉麥里山西端的滴水泉沿216國道向南至吉木薩爾城西的三臺鎮(zhèn)，與準(zhǔn)噶爾盆地中心相接；整體呈東窄西寬的三角形。行政區(qū)劃大部屬昌吉回族自治州吉木薩爾縣、奇臺縣和木壘哈薩克自治縣管轄。西北角屬阿勒泰地區(qū)富蘊縣管轄。東西長約226km，南北西邊界處最寬處為126 km，面積約7 596 km2。查明及預(yù)測總資源量約2 215億t。含煤地層為侏羅系中統(tǒng)西山窯組、下統(tǒng)八道灣組。西山窯組含煤1～16層，煤層總厚0.8～65.11m，可采3～15層，可采厚度33.38～57.11m，煤種為31號不黏煤，少量41號長焰煤；八道灣組含煤1～4層，煤層厚度0.5～7.72m，可采1～3層，可采厚度0.8～6.2m，煤種為41號長焰煤。準(zhǔn)東煤田自西向東劃分為五彩灣礦區(qū)、大井礦區(qū)、將軍廟礦區(qū)、西黑山礦區(qū)和老君廟礦區(qū)(表1)。

2 高鈉煤逐級化學(xué)提取試驗及結(jié)果分析

2014.06～2015.12歷時一年半時間，對新疆準(zhǔn)東煤田高鈉煤進(jìn)行了研究工作，通過選擇代表性煤樣、夾矸樣及頂?shù)装鍢悠?，以去離子水、醋酸銨、鹽酸為提取劑對準(zhǔn)東高鈉煤進(jìn)行逐級化學(xué)提取試驗，結(jié)論為準(zhǔn)東高鈉煤中鈉形態(tài)以水溶鈉為主，占比64%～85%；其次為醋酸銨溶和鹽酸溶的有機(jī)鈉占比10%～30%；不溶鈉占比10%。但以矸石為主的頂板、底板和夾矸中的不溶鈉占比較高，最高占比達(dá)90.10%。(見表2)

表1 各礦區(qū)面積及資源量統(tǒng)計表

表2 準(zhǔn)東高鈉煤進(jìn)行逐級化學(xué)提取試驗

為了對比研究準(zhǔn)東煤中鈉賦存形態(tài)，同時選取五彩灣礦Bm煤層上部分層樣、下部分層樣、夾矸樣、頂板、底板樣品進(jìn)行煤中鈉測試、逐級化學(xué)提取試驗研究。煤灰中氧化鈉從高到低的順序為：下部分層樣>上部分層樣>頂板>夾矸>底板。煤層煤灰中氧化鈉含量遠(yuǎn)高于夾矸、頂?shù)装逯醒趸c含量。(見圖1)

圖1 五彩灣礦試驗樣品煤灰中氧化鈉含量 Figure 1 Coal ash sodium oxide content in samples from Wucaiwan coalmine

圖2 五彩灣礦不同種類樣品中鈉賦存形態(tài)Figure 2 Sodium hosting form in different samples from Wucaiwan coalmine

經(jīng)去離子水、醋酸銨和鹽酸逐級提取后，各樣品中水溶態(tài)、醋酸溶態(tài)、鹽酸溶態(tài)以及不溶態(tài)鈉含量占比如圖2所示。除頂板外，其他樣品以水溶態(tài)鈉為主，占比從高到低的順序為：夾矸>上部分層樣>下部分層樣>底板>頂板。

3 準(zhǔn)東高鈉煤應(yīng)用途徑建議

鑒于準(zhǔn)東高鈉煤結(jié)渣沾污過程及其影響因素，提出準(zhǔn)東高鈉煤不利影響的控制措施主要有合理的鍋爐設(shè)計、運行工況調(diào)整、燃料的預(yù)處理、添加劑、摻燒和管壁處理等。目前對高鈉煤的燃燒引起的沾污主要采用摻燒、運行工況調(diào)整、管壁處理等控制措施。

(1) 添加劑作用。向準(zhǔn)東煤中摻加不同比例的高嶺土或者高嶺土和剛玉混合物調(diào)節(jié)灰成分，灰熔點逐步升高(表3)。

表3 添加劑混煤樣品灰熔點變化

(2)配煤。配煤是一種經(jīng)濟(jì)可行、技術(shù)有效的方法，將沾污傾向弱的煤與高鈉煤進(jìn)行摻燒，可以減弱高鈉煤燃燒過程中的沾污傾向。但是對準(zhǔn)東煤這種廉價的低變質(zhì)煤來講，大量配入價格較高的煤經(jīng)濟(jì)成本較高；若摻燒煤中灰分的含量較大，則會增大電除塵的負(fù)荷。在準(zhǔn)東周邊地區(qū)，能夠與準(zhǔn)東煤進(jìn)行配煤的礦區(qū)主要有烏東礦區(qū)、準(zhǔn)南礦區(qū)、北塔山礦區(qū)和巴里坤西部礦區(qū)，這些煤的灰成分與準(zhǔn)東地區(qū)的煤形成互補(bǔ)優(yōu)勢，是準(zhǔn)東煤較好的配煤原料。

(3)脫鈉提質(zhì)工藝。在試驗室內(nèi)，可以通過水洗、酸洗以及乳酸鋁等溶劑洗滌可以有效脫除準(zhǔn)東高鈉煤中部分鈉，大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的技術(shù)并不成熟。準(zhǔn)東地區(qū)的煤炭價格低，噸煤處理成本相對高，經(jīng)濟(jì)性不佳；準(zhǔn)東地區(qū)極度缺水，目前在經(jīng)濟(jì)上和技術(shù)上是不可行的。

4 結(jié)論

通過對準(zhǔn)東高鈉煤進(jìn)行逐級化學(xué)提取試驗研究，明確了準(zhǔn)東高鈉煤中鈉形態(tài)以水溶鈉為主；其次為醋酸銨溶和鹽酸溶的有機(jī)鈉占；不溶鈉占比小。煤灰中氧化鈉從高到低的順序一般為：煤層下部分層樣 >上部分層樣 > 頂板 > 夾矸 > 底板。煤層煤灰中氧化鈉含量遠(yuǎn)高于夾矸、頂?shù)装逯醒趸c含量。同時，針對目前準(zhǔn)東高鈉煤利用中出現(xiàn)的煤質(zhì)問題和沾污、結(jié)渣、腐蝕等關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)問題，提出為有效防止準(zhǔn)東高鈉煤應(yīng)用，建議以配煤為最佳方案。