陜北廟哈孤礦區(qū)煤質(zhì)特征及清潔利用方向研究

許 婷，李 寧，姚 征，謝 青，高 駿，李華兵

(1.陜西省礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查中心，陜西省西安市，710068；2. 陜西省地質(zhì)調(diào)查院，陜西省西安市，710054)

煤炭是我國的主要能源和重要的工業(yè)生產(chǎn)原料，但在推動(dòng)我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，也帶來了一系列生態(tài)環(huán)境問題[1-3]。在“雙碳”目標(biāo)下，環(huán)保要求日益嚴(yán)格，能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的雙重壓力，促使煤炭清潔高效利用成為煤炭行業(yè)發(fā)展的必由之路[4-5]。煤炭在化學(xué)轉(zhuǎn)化中，不同工藝對煤質(zhì)有不同的要求，因此系統(tǒng)研究煤巖煤質(zhì)特征是劃分煤炭潔凈等級的基礎(chǔ)，也是煤炭清潔高效利用的重要依據(jù)。

陜北侏羅紀(jì)煤田是我國西北地區(qū)重要的煤炭基地，煤炭資源豐富且煤質(zhì)優(yōu)良，具有低灰、低硫、高發(fā)熱量、高含油等特點(diǎn)[6-8]。廟哈孤礦區(qū)位于陜北侏羅紀(jì)煤田東北邊緣地區(qū)，由于其處于煤田的邊緣地帶，與神府、榆神、榆橫礦區(qū)相比，受重視程度并不高，因此對該區(qū)煤巖煤質(zhì)特征的研究較少，也未對其清潔利用潛力及方式進(jìn)行過系統(tǒng)研究。為了充分利用煤田邊緣的煤炭資源，優(yōu)化煤炭資源開發(fā)利用的方式，以廟哈孤礦區(qū)可采煤層為研究對象，以煤化工利用為目的對其煤巖煤質(zhì)特征進(jìn)行分析，并評價(jià)其潔凈利用等級、探討其清潔利用方向，可為該區(qū)煤炭資源清潔高效利用提供依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

廟哈孤礦區(qū)行政區(qū)劃隸屬府谷縣廟溝門鎮(zhèn)、哈鎮(zhèn)、孤山鎮(zhèn)管轄，該區(qū)屬于伊陜斜坡東北邊緣侏羅紀(jì)沉積區(qū)[9]，礦區(qū)南部地區(qū)主體為向SW傾斜的單斜構(gòu)造，傾角1°～3°，局部發(fā)育為寬緩的波狀起伏；北部地區(qū)發(fā)育近東西向、寬4～5 km的狹長斷陷帶，區(qū)內(nèi)尚未發(fā)現(xiàn)巖漿活動(dòng)跡象。含煤地層為侏羅系中統(tǒng)延安組，共含煤9層，自上而下編為2-2、3-1、4-2、4-3、4-4、5-1、5-2上、5-2、5-3號煤層，可采煤層5層，分別為2-2、3-1、4-2、5-1、5-2號煤層，可采煤層厚度均值為1.71～3.67 m，以中厚-厚煤層為主，煤層結(jié)構(gòu)簡單，發(fā)育穩(wěn)定。

2 煤巖煤質(zhì)特征

2.1 煤巖特征

廟哈孤礦區(qū)可采煤層煤巖成分以暗煤、亮煤為主，夾鏡煤條帶或透鏡體。宏觀煤巖類型以半暗煤為主，半亮煤次之。顯微煤巖組成中有機(jī)顯微組分含量較高，平均含量為95.37%～98.70%。其中，鏡質(zhì)組均值為33.61%～54.33%，惰質(zhì)組均值為39.57%～63.73%，殼質(zhì)組均值為0.84%～1.65%，鏡惰比均值為0.54～1.47。根據(jù)李小彥[10]關(guān)于富惰質(zhì)組煤的劃分方案(惰質(zhì)組含量大于30%、鏡惰比小于2為富惰質(zhì)煤)判斷，認(rèn)定廟哈孤礦區(qū)可采煤層屬于富惰質(zhì)組煤。各煤層無機(jī)顯微組分含量較低，平均含量為1.30%～4.63%。以碳酸鹽類為主，均值為1.05%～1.69%；其次為粘土類，均值為0.47%～5.40%；硫化物少量，均值為0.25%～0.60%。各煤層煤化程度較低，鏡質(zhì)組最大反射率均值為0.49%～0.57%，屬0-I級變質(zhì)階段，為低煤化度煙煤，可采煤層煤巖鑒定成果見表1。

表1 可采煤層煤巖鑒定成果

2.2 化學(xué)性質(zhì)

(1)水分(Mad)。各可采煤層水分含量均值為8.88%～9.43%，屬低水分煤。經(jīng)過選煤處理后，浮煤水分含量均值為3.53%～6.78%。相比原煤，水分含量有所降低。

(2)灰分(Ad)。各可采煤層原煤灰分產(chǎn)率均值為6.35%～9.97%，屬特低灰分煤，經(jīng)過選煤處理后，浮煤灰分產(chǎn)率均值為3.58%～4.96%。相比原煤，灰分產(chǎn)率均有不同程度的降低。

(3)揮發(fā)分(Vdaf)。各可采煤層原煤揮發(fā)分產(chǎn)率均值為34.64%～37.42%，屬中高-高揮發(fā)分煤，其中3-1、4-2號煤層為高揮發(fā)分煤，2-2、5-1、5-2號煤層為中高揮發(fā)分煤。浮煤揮發(fā)分產(chǎn)率均值為34.21%～37.30%。相比原煤，揮發(fā)分產(chǎn)率有所降低，但變化較小。

(4)硫分(St,d)。各可采煤層原煤全硫主要以硫化鐵硫和有機(jī)硫?yàn)橹?，?jīng)選煤處理后，浮煤中的硫化鐵硫含量有所降低，硫酸鹽硫和有機(jī)硫與原煤相比變化不大。原煤全硫含量均值為0.25%～0.36%，總體上各煤層原煤全硫含量差別不大，含量均較低，均屬特低硫煤，經(jīng)選煤處理后，浮煤全硫含量比原煤有所降低，均值為0.19%～0.30%。

(5)氫碳原子比(H/C)。各可采煤層原煤氫碳原子比均值為0.63～0.69，浮煤氫碳原子比均值為0.66～0.72。

2.3 工藝性能

(1)發(fā)熱量(Qgr,d)。各可采煤層原煤干燥基高位發(fā)熱量均值為27.99～30.36 MJ/kg，依據(jù)《煤炭質(zhì)量分級 第3部分：發(fā)熱量》(GB/T 15224.3-2010)標(biāo)準(zhǔn)，各煤層均為高發(fā)熱量煤。

(2)煤灰熔融性。各可采煤層的煤灰熔融性軟化溫度(ST)均值為1 158～1 243 ℃。按照《煤灰軟化溫度分級》(MT/T 853.1-2000)標(biāo)準(zhǔn)，各煤層以較低軟化溫度灰為主。煤灰熔融性流動(dòng)溫度(FT)為1 179～1 284 ℃。按照《煤灰流動(dòng)溫度分級》(MT/T 853.2-2000)標(biāo)準(zhǔn)，各煤層灰融點(diǎn)較低。

(3)黏結(jié)指數(shù)(GRI)。各可采煤層黏結(jié)性指數(shù)均為0，按照《煙煤黏結(jié)指數(shù)分級》(MT/T 596-2008)標(biāo)準(zhǔn)，各煤層均為不黏煤。

(4)哈式可磨性指數(shù)(HGI)。各可采煤層原煤哈氏可磨性指數(shù)均值為49～69，按照《煤的哈氏可磨性指數(shù)分級》(MT/T 852-2000)標(biāo)準(zhǔn)，除2-2號煤層為中等可磨煤外，其他煤層均為較難磨煤。

(5)熱穩(wěn)定性(TS+6)。各可采煤層熱穩(wěn)定性指標(biāo)均值為60.07%～74.50%。根據(jù)《煤的熱穩(wěn)定性分級》(MT/T 560-2008)標(biāo)準(zhǔn)，各煤層均屬中-中高熱穩(wěn)定性煤。

(6)煤對二氧化碳的反應(yīng)性(α)。在950 ℃時(shí)，煤對二氧化碳的反應(yīng)性均值為53.40%～64.0%，各可采煤層在950 ℃時(shí)煤對二氧化碳的反應(yīng)性良好。

2.4 有害元素

(1)氯。各可采煤層原煤氯含量(Cld)均值為0.014%～0.017%，浮煤氯含量均值為0.008%～0.046%，按照《煤中有害元素含量分級 第2部分：氯》(GB/T 20475.2-2006)分級標(biāo)準(zhǔn)，各煤層均屬特低氯煤。

(2)氟。各可采煤層原煤氟含量(Fd)均值為35.6～168.0 μg/g，浮煤氟含量均值為32.1～132.0 μg/g，按照《煤中有害元素含量分級 第5部分：氟》(GB/T 20475.5-2020)分級標(biāo)準(zhǔn)，各煤層均屬特低氟-低氟煤，其中5-2號煤層為低氟煤，其他煤層均屬特低氟煤。

(3)砷。各可采煤層原煤砷含量(Asd)均值為1～2 μg/g，浮煤砷含量均值為0～1 μg/g，按照《煤中有害元素含量分級 第3部分：砷》(GB/T 20475.3-2012)分級標(biāo)準(zhǔn)，各煤層均屬特低砷煤。

3 廟哈孤礦區(qū)煤類與潔凈等級劃分

3.1 煤類

根據(jù)《中國煤炭分類》(GB/T 5751-2009)標(biāo)準(zhǔn)，煤類以表征煤化程度的浮煤干燥無灰基揮發(fā)分產(chǎn)率(Vdaf)和黏結(jié)性指數(shù)(GR.I.)以及輔助分類指標(biāo)透光率(PM)確定。廟哈孤礦區(qū)各可采煤層黏結(jié)指數(shù)均為0，透光率均大于50%，因此煤類主要依據(jù)干燥無灰基揮發(fā)分來劃分，除3-1號煤層浮煤揮發(fā)分產(chǎn)率大于37%、為長焰煤41號(CY41)外，其他2-2、4-2、5-1、5-2號煤均為不黏煤31號(BN31)。

3.2 潔凈等級劃分

煤炭潔凈等級劃分是煤炭質(zhì)量評價(jià)的基礎(chǔ)，也是煤炭綠色、清潔、高效利用的依據(jù)之一。根據(jù)唐書恒等[11]研究人員提出的潔凈煤潛力評價(jià)方法，結(jié)合廟哈孤礦區(qū)可采煤層的煤質(zhì)特征及煤炭清潔利用的相關(guān)指標(biāo)，選取灰分(Ad)、硫分(St,d)、砷含量(Asd)、氯含量(Cld)及氟含量(Fd)5個(gè)評價(jià)因子進(jìn)行潔凈等級劃分，潔凈等級劃分方案及評價(jià)因子見表2。

表2 潔凈等級劃分方案及評價(jià)因子

當(dāng)各指標(biāo)的潔凈等級不一致時(shí)，采取“就低不就高”的原則，以評級等級差者為準(zhǔn)，廟哈孤礦區(qū)潔凈煤潛力見表3。

表3 廟哈孤礦區(qū)潔凈煤潛力

由表3可以看出，廟哈孤礦區(qū)各煤層原煤硫分、氯、砷含量均較低，潔凈等級均達(dá)到Ⅰ級，灰分產(chǎn)率均值為6.35%～9.97%，按照潔凈等級劃分均屬Ⅱ級。2-2、3-1、4-2、5-1、5-2號煤層氟含量分別為35.60 μg/g、87.33 μg/g、73.67 μg/g、44.33 μg/g、168.00 μg/g，氟含量變化較大，按照潔凈等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，2-2、3-1、4-2、5-1號煤層綜合評價(jià)潔凈等級為Ⅱ級，屬好潔凈煤。5-2號煤層由于氟含量較高，綜合評價(jià)潔凈等級為Ⅴ級，屬較差潔凈煤。

經(jīng)選煤處理后，浮煤各指標(biāo)含量均有不同程度的降低，其中灰分產(chǎn)率小于5%，潔凈等級上升為Ⅰ級。浮煤中的氟含量也有不同程度的下降，其中2-2、3-1、4-2、5-1、5-2號煤層氟含量分別為32.10 μg/g、60.25 μg/g、70.43 μg/g、36.74 μg/g、132.00 μg/g，按照潔凈等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，2-2、3-1、4-2、5-1號煤層浮煤綜合評價(jià)潔凈等級上升為Ⅰ級，屬特好潔凈煤。5-2號煤層浮煤綜合評價(jià)潔凈等級上升為Ⅲ級，屬較好潔凈煤。經(jīng)過選煤處理后，煤的潔凈程度明顯變好。

較好潔凈煤直接利用對環(huán)境污染較小，而較差潔凈煤直接利用則對周邊環(huán)境污染較嚴(yán)重[12]。研究區(qū)中5-2號煤層氟含量偏高，煤燃燒產(chǎn)生的氟化物排入大氣后會對環(huán)境造成嚴(yán)重的污染和破壞，因此，可以先通過選煤處理脫氟后再有效利用，從而提高煤炭清潔程度，降低對環(huán)境的污染。

4 廟哈孤礦區(qū)煤炭清潔利用方向

4.1 優(yōu)質(zhì)動(dòng)力用煤

廟哈孤礦區(qū)可采煤層總體具有低灰、低硫、低有害元素的特點(diǎn)，整體清潔度較好且發(fā)熱量較高，平均高位發(fā)熱量為27.99～30.36 MJ/kg，屬高發(fā)熱量煤，高清潔度和高發(fā)熱量決定了其為優(yōu)質(zhì)動(dòng)力用煤。實(shí)際上該區(qū)已開采的煤炭資源，主要作為動(dòng)力煤使用。其中氟含量較高的煤層及地區(qū)需引起注意，脫氟處理是其清潔利用的必要保障。

4.2 低溫干餾用煤

富油煤資源的利用是低階煤清潔利用的重要組成部分。根據(jù)《礦產(chǎn)資源工業(yè)要求手冊(2014修訂版)》焦油產(chǎn)率(Tar,d)劃分標(biāo)準(zhǔn)[13]，即Tar,d≤7%，為含油煤；Tar,d為7%～12%，為富油煤；Tar,d>12%，為高油煤。根據(jù)研究區(qū)低溫干餾數(shù)據(jù)分析表明，可采煤層原煤的焦油產(chǎn)率普遍大于7%，均值為8.99%～10.57%，各煤層均為富油煤，總體焦油產(chǎn)率較高，具有較大的低溫干餾制油潛力。

4.3 氣化液化用煤

用作動(dòng)力用煤并減少其中有害成分的排放，是煤炭清潔利用的重要方式，而將其轉(zhuǎn)化成清潔產(chǎn)品來替代直接燃燒，則是另一種有效的清潔利用方式[14-15]。煤制油是以煤炭為原料，通過化工手段生產(chǎn)油品，是煤炭清潔利用的重要途徑之一，主要分為煤直接液化和煤間接液化。

對比直接液化用煤的煤質(zhì)技術(shù)要求，廟哈孤礦區(qū)煤具有較高的惰質(zhì)組含量，屬典型的富惰質(zhì)組煤，揮發(fā)分產(chǎn)率大部分小于37%，甚至35%，氫碳原子比也小于0.70，因此廟哈孤礦區(qū)煤并不適合作為直接液化用煤。

煤間接液化主要建立在“氣化”的基礎(chǔ)上，應(yīng)當(dāng)納入氣化用煤范疇[3,15]。煤的氣化工藝較多，主要包括常壓固定床、流化床、水煤漿氣流床、干煤粉氣流床氣化等，不同氣化工藝對煤質(zhì)的要求不同。對比《常壓固定床氣化用煤技術(shù)條件》(GB/T 9143-2008)、《流化床氣化用原料煤技術(shù)條件》(GB/T 29721-2013)、《氣流床氣化用原料煤技術(shù)條件》(GB/T 29722-2013)等技術(shù)條件的要求，廟哈孤礦區(qū)煤的變質(zhì)程度低，鏡質(zhì)組最大反射率均值為0.49%～0.57%，具有較強(qiáng)的反應(yīng)生氣能力，此外還具有特低灰、無黏結(jié)性、較低灰熔融性、較高熱穩(wěn)定性及CO2反應(yīng)良好等特點(diǎn)，使其可以成為優(yōu)質(zhì)氣化原料用煤，并符合常壓固定床氣化用煤、水煤漿氣流床和干煤粉氣流床氣化用煤的煤質(zhì)要求，部分符合流化床氣化用煤的煤質(zhì)要求。

5 結(jié)論

通過對廟哈孤礦區(qū)可采煤層煤巖和煤質(zhì)特征進(jìn)行分析后得出，該礦區(qū)各煤層主要為低水分、特低灰分、中高-高揮發(fā)分、特低硫、高發(fā)熱量、較低灰融點(diǎn)、無黏結(jié)性、較難磨、中-中高熱穩(wěn)定性的富油煤，并參照煤炭清潔利用潛力評價(jià)體系，對各煤層的潔凈等級進(jìn)行了劃分，除5-2號煤層氟含量相對較高、潔凈等級相對較差外，其他各煤層潔凈等級均較好。

作為大煤田邊緣的煤炭資源，廟哈孤礦區(qū)煤質(zhì)優(yōu)良、清潔程度高，但其為低階的富惰質(zhì)組煤，不適合作為直接液化用煤，建議其清潔利用方式主要為優(yōu)質(zhì)的動(dòng)力用煤、氣化或煤間接液化用煤。同時(shí)其又為焦油產(chǎn)率較高的富油煤，可以優(yōu)先選擇低溫干餾制油的方式加以分級提質(zhì)利用，從而優(yōu)化該區(qū)煤炭資源的開發(fā)利用方式，實(shí)現(xiàn)煤炭資源綠色、清潔、高效利用。