趙 剛，田彥強(qiáng)，劉 爭(zhēng)，馬林軍，張小五，吳天才，程云強(qiáng)，馬永祥*，張 琨，王高皓

（1.寧夏回族自治區(qū)煤炭地質(zhì)局，寧夏銀川 750002； 2.中鋁寧夏能源集團(tuán)寧夏王洼煤業(yè)公司，寧夏固原 7565654）

0 引言

我國(guó)在20 世紀(jì)90 年代中期就成立了煤炭工業(yè)潔凈煤工程技術(shù)分析中心和國(guó)家潔凈煤技術(shù)推廣應(yīng)用領(lǐng)導(dǎo)小組，并于1997 年由國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)了《中國(guó)潔凈煤技術(shù)95 計(jì)劃和2010 年發(fā)展綱要》。進(jìn)入21世紀(jì)，潔凈煤技術(shù)愈受?chē)?guó)家重視，已成為新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向之一。在“雙碳目標(biāo)”背景下，基于我國(guó)少氣貧油相對(duì)富煤能源結(jié)構(gòu)和基本國(guó)情，煤炭清潔高效利用是實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型的必由之路和首要任務(wù)，同時(shí)也是保障我國(guó)能源安全的基石［1］。為實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”和“碳中和”的雙碳目標(biāo)［2-3］，使得煤炭資源的清潔高效利用成為國(guó)家的重要戰(zhàn)略需求，更是可以推進(jìn)煤炭清潔化利用和保障能源安全的重要途徑之一［4］。煤炭的清潔高效利用已成為當(dāng)前形勢(shì)下的必然選擇［5］。加快推動(dòng)煤炭清潔高效開(kāi)發(fā)利用至關(guān)重要，促使煤炭產(chǎn)業(yè)向綠色低碳方向發(fā)展［6-7］。

以往已有相關(guān)學(xué)者對(duì)王洼礦區(qū)構(gòu)造控煤和煤層煤組特征進(jìn)行了對(duì)比研究［8-9］，對(duì)礦區(qū)內(nèi)煤層的煤質(zhì)特征和成煤環(huán)境進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)［10-11］，但其研究范圍均局限于礦區(qū)一隅，只針對(duì)某個(gè)煤礦或勘查區(qū)范圍進(jìn)行分析研究，缺乏礦區(qū)層面對(duì)煤層的煤巖煤質(zhì)特征和工藝性能等方面的研究。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，以王洼礦區(qū)內(nèi)資源量占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的5#主采煤層為研究對(duì)象，系統(tǒng)收集整理了礦區(qū)內(nèi)5#煤層煤田勘查鉆孔以及礦井開(kāi)采后的煤質(zhì)采樣測(cè)試分析數(shù)據(jù)，對(duì)全區(qū)可采的5#煤層煤巖、煤質(zhì)等特征進(jìn)行研究，探討該礦區(qū)煤炭資源的工藝性能和綠色開(kāi)發(fā)利用方向。

1 礦區(qū)概況

王洼礦區(qū)位于寧夏南部固原市的東部彭陽(yáng)縣境內(nèi)，礦區(qū)面積約290 km2，賦存煤炭資源總量約1.9億t，王洼礦區(qū)包括銀洞溝煤礦、王洼煤礦、王洼二礦、南灣勘探區(qū)，其中已開(kāi)發(fā)利用的礦井有銀洞溝煤礦、王洼煤礦和王洼二礦。隨著寧東能源化工基地后續(xù)相關(guān)項(xiàng)目投產(chǎn)，對(duì)王洼礦區(qū)煤炭需求急劇增加［12］。

王洼礦區(qū)地處鄂爾多斯盆地的西南緣，區(qū)域上處于華北陸塊和秦祁昆造山帶這兩大構(gòu)造單元銜接處，由于這兩大構(gòu)造單元長(zhǎng)期活動(dòng)，控制了本區(qū)主要含煤地層中侏羅統(tǒng)延安組的分布特征。

王洼礦區(qū)延安組地層含煤9～13層，其中可采及局部可采煤層6 層，可采煤層平均總厚度24.20 m。可采含煤系數(shù)10.06%。王洼礦區(qū)以5#煤層厚度最大，煤層厚度較為穩(wěn)定，為全礦區(qū)可采的主要可采煤層。5#煤層礦區(qū)內(nèi)分布面積約230 km2，平均可采厚度7.7 m，屬中厚—特厚煤層。

2 煤巖特征

王洼礦區(qū)5#宏觀(guān)煤巖類(lèi)型以半暗型煤為主，暗淡型煤次之，部分半亮型煤。顯微組分含量分布情況：王洼礦區(qū)西北部銀洞溝井田和礦區(qū)中部王洼二礦及其北部王洼煤礦南部鏡質(zhì)組含量較高，礦區(qū)東部及南部鏡質(zhì)組含量交低，鏡質(zhì)組含量平均為54.6%，惰質(zhì)組含量平均為34.1%，殼質(zhì)組含量平均為1.6%，鏡質(zhì)組最大反射率為0.39%～0.69%，顯微煤巖類(lèi)型為微鏡惰煤，屬于中階煙煤（表1）。

表1 5#煤層顯微煤巖特征Table 1 Microlithographic characteristics of No.5#coal seam%

3 煤質(zhì)特征

3.1 化學(xué)特征

3.1.1 水分

煤中水分對(duì)于直接液化為不利因素，其高低對(duì)成漿性能有較重要的影響，一般認(rèn)為煤的內(nèi)水含量越高，成漿性能也就越差，影響煤氣化時(shí)的有效氣體含量［13］（表2）。

表2 5#煤層化學(xué)特征Table 2 Chemical characteristics of No.5#coal seam

5#煤層原煤空氣干燥基水分（Mad）含量為2.24%～12.41%，平均為7.03%。浮煤空氣干燥基水分含量為0.91%～11.79%，平均為7.25%，分布于6.0%～12.0%區(qū)間的見(jiàn)煤點(diǎn)占比最高（圖1）。

圖1 5#煤層水分含量直方圖Figure 1 Histogram of moisture content of No.5#coal seam

3.1.2 灰分

煤中灰分多少對(duì)煤的液化率與轉(zhuǎn)化率無(wú)明顯影響，但煤中灰分太高會(huì)給液化操作帶來(lái)諸多不便，而且灰分過(guò)高會(huì)給整個(gè)工藝系統(tǒng)帶來(lái)一系列困難［14-15］。

5#煤原煤灰分（Ad）含量為3.61%～31.95%，平均為15.03%，屬低灰煤。浮煤含量為2.29%～9.90%，平均為5.90%，屬特低灰煤，原煤經(jīng)洗選處理后灰分有明顯的降低（圖2）。

圖2 5#煤層灰分含量直方圖Figure 2 Histogram of ash content of No.5#coal seam

平面上看，全礦區(qū)絕大部分區(qū)域灰分含量為特低至低灰，低灰煤分布范圍面積占比最大，只有在礦區(qū)西北角零星達(dá)到中灰煤，這兩處極小范圍的中灰煤均分布在銀洞溝煤礦范圍內(nèi)（圖3）。

圖3 5#煤層灰分等值線(xiàn)Figure 3 Contour of ash content of No.5#coal seam

3.1.3 揮發(fā)分

煤的揮發(fā)分產(chǎn)率與液化性能表現(xiàn)出良好的線(xiàn)性關(guān)系，越年輕的煤揮發(fā)分越高、越易液化［16-17］。

浮煤揮發(fā)分（Vdaf）產(chǎn)率為31.25%～41.98%，集中分布于中高揮發(fā)分-高揮發(fā)分區(qū)間中，平均產(chǎn)率為36.34%，屬中高揮發(fā)分煤。原煤揮發(fā)分產(chǎn)率為28.4%～48.31%，其浮選后揮發(fā)分產(chǎn)率變化較小，分布區(qū)間與原煤近乎一致，揮發(fā)分指標(biāo)符合直接液化用煤。

平面上看，礦區(qū)西部王洼二礦及南部揮發(fā)分產(chǎn)率較高，向東北角后備區(qū)逐漸降低，全礦區(qū)絕大部分區(qū)域分布中高揮發(fā)分煤，只有在礦區(qū)西北部分布小范圍高揮發(fā)分煤，基本位于銀洞溝煤礦和王洼煤礦范圍內(nèi)（圖4、圖5）。

圖4 5#煤層揮發(fā)分等值線(xiàn)Figure 4 Contour of volatiles of No.5#coal seam

圖5 煤層揮發(fā)分直方圖Figure 5 Histogram of volatiles of 5#coal seam

3.1.4 硫分

5#煤原煤全硫（St，d）含量為0.21%～4.25%，平均含量為1.15%，屬中硫煤。浮煤全硫（St，d）含量為0.15%～1.66%，平均含量為0.70%，原煤硫分經(jīng)洗選處理后有明顯的降低。硫分含量分布在低硫和中硫區(qū)間的比例最大。

平面上看，礦區(qū)西部及南部含硫量較高，東北部硫含量相對(duì)較低，全礦區(qū)絕大部分范圍為中硫煤，礦區(qū)西北部銀洞溝煤礦和礦區(qū)南部南灣勘探區(qū)及后備區(qū)零星分布極小范圍的高硫煤（圖6、圖7）。

圖6 5#煤層硫分等值線(xiàn)Figure 6 Contour of sulfur content of No.5#coal seam

圖7 煤層硫分直方圖Figure 7 Histogram of sulfur content oh No.5#coal seam

3.1.5 氫碳原子比

氫碳原子比與液化性能表現(xiàn)出良好的線(xiàn)性關(guān)系，碳?xì)湓颖雀叩拿恨D(zhuǎn)換率和油產(chǎn)率高，但高到一定值后，油產(chǎn)率將隨之減?。?6-18］，氫碳原子比是是評(píng)價(jià)煤炭液化性能的關(guān)鍵指標(biāo)。

王洼礦區(qū)5#煤層原煤氫碳原子比為0.44～0.82，平均0.68，其中小于0.70占比最多。

總體上礦區(qū)內(nèi)原煤氫碳原子比呈現(xiàn)由東南向西北逐漸增大的規(guī)律，氫碳比大于0.70 的區(qū)域基本上分布在礦區(qū)西北角的銀洞溝煤礦和王洼煤礦的中北部（圖8）。

圖8 5#煤層H/C等值線(xiàn)Figure 8 H/C map of No.5#coal seam

3.2 工藝性能

3.2.1 灰熔融性

煤灰熔融性軟化/流動(dòng)溫度對(duì)碳轉(zhuǎn)化率、排渣量和氣化效率有影響，同時(shí)也是煤氣化爐工藝設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)［16-17］。

在弱還原氣氛下，王洼礦區(qū)5#煤層原煤灰軟化溫度（ST）1 108～1 318 ℃，平均為1 225 ℃，屬較低軟化溫度灰。全礦區(qū)以較低軟化溫度灰占比最大，其次為少量中等軟化溫度灰。

3.2.2 煤的黏結(jié)指數(shù)

煤的黏結(jié)指數(shù)是用于評(píng)價(jià)煤的黏結(jié)性能的指標(biāo)之一。原料煤黏結(jié)指數(shù)較高時(shí)，氣化過(guò)程中會(huì)在干餾層產(chǎn)生膠質(zhì)結(jié)焦，使得氣流在料層中分布不均，進(jìn)而導(dǎo)致氣固接觸不良，最終影響氣化產(chǎn)物質(zhì)量和產(chǎn)量，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)影響氣化工藝正常運(yùn)行［18］。

王洼礦區(qū)5#煤層煤的黏結(jié)指數(shù)均為0，煤類(lèi)為長(zhǎng)焰煤和不黏煤。

3.2.3 煤的熱穩(wěn)定性

熱穩(wěn)定性過(guò)低的煤易在氣化過(guò)程中產(chǎn)生細(xì)粒和煤末，妨礙氣流流動(dòng)而影響氣化過(guò)程的正常運(yùn)行。煤的熱穩(wěn)定性越低，帶出物越多，粗煤氣中煤粉含量高，會(huì)影響煤氣水分離、變換等后續(xù)工藝［19］。

原煤熱穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果表明，大于6 mm 殘焦（TS+6）值為49.20%～87.20%，各可采煤層平均值為70.02%，屬中高熱穩(wěn)定性煤，有利于氣化過(guò)程的正常運(yùn)行。王洼礦區(qū)從北向南熱穩(wěn)定性有逐漸增高的趨勢(shì)。

3.2.4 與二氧化碳反應(yīng)性(950℃)

煤對(duì)CO2的反應(yīng)性指標(biāo)是流化床氣化必須考慮的重要參數(shù)之一。溫度在950℃時(shí)，煤對(duì)二氧化碳的還原率為52.30%～91.44%，平均為71.85%。表明煤對(duì)二氧化碳還原率較高，煤在氣化和燃燒過(guò)程中反應(yīng)速較快，有助于減少氣化過(guò)程中耗氧量，降低能耗。

3.2.5 煤中有害元素

王洼礦區(qū)5#煤層原煤中氯含量為0.003%～0.093%，平均值為0.021%，總體屬于特低氯煤。氟含量為52～356 μg/g，平均值為126 μg/g，總體屬低氟煤。砷含量為1～27 μg/g，平均值為4 μg/g，總體屬特低砷煤，磷分含量為0.002%～0.179%，平均值為0.024%，屬特低磷煤。

4 清潔利用方向探討

4.1 王洼礦區(qū)5#煤層液化、氣化性能評(píng)價(jià)

據(jù)以往學(xué)者研究成果，煤直接液化性能與其顯微組分關(guān)系密切，加氫反應(yīng)的活性順序?yàn)闅べ|(zhì)組＞鏡質(zhì)組＞惰質(zhì)組［20］，鏡質(zhì)組和殼質(zhì)組比惰質(zhì)組容易液化，鏡質(zhì)組的轉(zhuǎn)化率和油收率均高于惰質(zhì)組，隨著惰質(zhì)組含量的增加，煤轉(zhuǎn)化率和油收率均降低［21-22］，鏡質(zhì)組含量與轉(zhuǎn)化率和液化率呈正相關(guān)，惰性組與轉(zhuǎn)化率和液化率呈負(fù)相關(guān)。

參照《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《氣化用煤技術(shù)條件》GB/T9143—2008。按照液化、氣化用煤指標(biāo)，對(duì)王洼礦區(qū)5#煤層全水分、灰分、揮發(fā)分、氫碳原子比、黏結(jié)指數(shù)、煤灰熔融性溫度等數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)歸類(lèi)劃分（表3、表4），以此來(lái)確定液化用煤和氣化用煤的分布范圍。結(jié)果顯示，王洼礦區(qū)西北部，即銀洞溝煤礦范圍及王洼煤礦的中北部煤炭資源可作為直接液化用煤，礦區(qū)東部及南部大部分范圍的煤炭資源適合氣化用煤。王洼礦區(qū)煤炭資源液化和氣化用煤分布范圍見(jiàn)圖9。

圖9 王洼礦區(qū)5#煤層直接液化和氣化用煤評(píng)價(jià)分區(qū)Figure 9 Zoning of of No.5#coal seam for direct liquefaction and gasification in Wangwa mining area

表3 5#煤層煤質(zhì)指標(biāo)與直接液化用煤評(píng)價(jià)指標(biāo)參數(shù)對(duì)比評(píng)級(jí)Table 3 Comparison and rating of No.5#coal seam by evaluation indices of direct liquefaction coal

表4 5#煤層煤質(zhì)指標(biāo)與氣化用煤評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)比評(píng)級(jí)Table 4 Comparison and rating of No.5#coal seam by evaluation indices of gasification

王洼礦區(qū)5#煤層為含油煤，煤類(lèi)為不黏煤，不適合煉焦?？勺鳛橹苯右夯烷g接液化用煤，直接液化用煤綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)達(dá)到二級(jí)。滿(mǎn)足常壓流化床、干煤粉氣流床、固定床和水煤漿氣流床等氣化工藝的基本煤質(zhì)要求，其中，水煤漿氣流床和干煤粉氣流床可達(dá)到一級(jí)指標(biāo)要求。

4.2 王洼礦區(qū)5#煤層清潔利用等級(jí)評(píng)價(jià)

根據(jù)唐書(shū)恒等煤炭清潔利用潛勢(shì)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，通過(guò)灰分、全硫、氟、氯、砷等指標(biāo)的煤質(zhì)測(cè)試分析數(shù)據(jù)對(duì)5#煤層的清潔利用等級(jí)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)［23］。若評(píng)價(jià)指標(biāo)潔凈等級(jí)不一致時(shí)，以潔凈等級(jí)差者為準(zhǔn)。5#煤層原煤綜合評(píng)價(jià)潔凈等級(jí)為Ⅲ級(jí)，屬較好潔凈煤。浮煤綜合評(píng)價(jià)潔凈等級(jí)為Ⅱ級(jí)，屬好潔凈煤（表5）。

表5 5#煤層煤質(zhì)潔凈等級(jí)劃分Table 5 Classification of clean grade of No.5#coal seam

5 結(jié)論

1）王洼礦區(qū)5#煤層鏡質(zhì)組含量平均為54.6%，惰質(zhì)組含量平均為34.1%，殼質(zhì)組平均含量為1.6%，氫碳原子比平均0.68，鏡質(zhì)組最大反射率為0.39%～0.69%，屬于中階煙煤。具有特低-低灰、低硫-中硫、低有害元素、無(wú)黏結(jié)性、相對(duì)較低水分、低焦油產(chǎn)率、較高二氧化碳反應(yīng)性、中等可磨性、較低流動(dòng)溫度灰等特征。

2）王洼礦區(qū)西北部（銀洞溝煤礦和王洼煤礦北部）5#煤層具有直接液化用煤潛力，礦區(qū)東部（后備區(qū)）和南部（王洼煤礦以南）煤可用于氣化用煤及以氣化為基礎(chǔ)的間接液化用煤，首選干煤粉氣流床和水煤漿氣流床氣化工藝。

3）王洼礦區(qū)5#煤層原煤潔凈等級(jí)綜合評(píng)價(jià)為Ⅲ級(jí)，屬較好潔凈煤；浮煤潔凈等級(jí)綜合評(píng)價(jià)為Ⅱ級(jí)，屬好潔凈煤。清潔高效利用途徑主要為直接液化、優(yōu)質(zhì)清潔動(dòng)力用煤、氣化用煤、以及氣化為基礎(chǔ)的間接液化制油、制甲醇、制烯烴等。