達(dá)拉布特礦主采煤層煤質(zhì)特征及氣化適應(yīng)性分析

趙 奇

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 煤化工分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013)

0 前 言

煤質(zhì)分析主要包括煤的組成分析、煤的工藝性質(zhì)分析和煤的物理性質(zhì)分析，煤質(zhì)特征研究是預(yù)測(cè)煤炭質(zhì)量和評(píng)價(jià)煤炭利用途徑的基礎(chǔ)性研究[1-7]。我國已發(fā)布煤質(zhì)評(píng)價(jià)方面的國家標(biāo)準(zhǔn)和煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)20余項(xiàng)，對(duì)我國煤炭資源科學(xué)評(píng)價(jià)和合理利用發(fā)揮了重要的指導(dǎo)作用。根據(jù)煤炭資源煤質(zhì)的特點(diǎn)和差異性，采取因地制宜、分質(zhì)綜合利用等措施符合我國目前煤炭清潔利用的政策。

現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展是高效利用我國煤炭資源的途徑之一，準(zhǔn)確把握煤化工項(xiàng)目用煤煤質(zhì)對(duì)生產(chǎn)正常運(yùn)行及經(jīng)濟(jì)效益具有重要影響[8-10]。新疆地區(qū)賦存豐富的煤炭資源，和什托洛蓋煤田位于新疆準(zhǔn)噶爾盆地西北緣，其為新疆和豐工業(yè)園區(qū)煤化工項(xiàng)目用煤基地[11]。達(dá)拉布特一號(hào)礦位于和什托洛蓋煤田白楊河礦區(qū)內(nèi)，以下研究達(dá)拉布特一號(hào)礦主采煤層煤質(zhì)特征，包括灰分、硫分、揮發(fā)分、黏結(jié)指數(shù)、發(fā)熱量、微量元素、煤灰成分及煤灰熔融溫度等煤質(zhì)指標(biāo)，并分析其氣化適應(yīng)性，以期研究結(jié)果可為實(shí)現(xiàn)煤炭資源就地轉(zhuǎn)化利用提供參考。

1 達(dá)拉布特一號(hào)礦地質(zhì)概況

達(dá)拉布特一號(hào)礦位于新疆準(zhǔn)噶爾盆地西北緣、克拉瑪依市北90 km處，行政區(qū)劃屬和布克賽爾蒙古族自治縣管轄。井田東西長12.15 km～12.37 km，南北寬12.34 km～16.16 km，面積172.25 km2。井田內(nèi)地層整體北傾，地層整體為單斜構(gòu)造、向北傾斜，地層傾角很緩。井田內(nèi)斷裂構(gòu)造不發(fā)育，煤系地層無巖漿巖發(fā)育，屬簡單構(gòu)造。

井田內(nèi)主要含煤地層包括侏羅系中統(tǒng)西山窯組和下統(tǒng)八道灣組，2個(gè)煤組共含可采煤層7層，可采煤層的平均總厚度為19.56 m。井田內(nèi)總資源量2 090.21 Mt，其中先期開采地段的總資源量747.25 Mt，主采煤層為B13煤層和B14煤層。

2 煤質(zhì)特征

以達(dá)拉布特一號(hào)礦地質(zhì)勘探鉆孔煤樣的煤質(zhì)化驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析B13煤層和B14煤層煤樣的灰分、硫分、揮發(fā)分、黏結(jié)指數(shù)、發(fā)熱量、微量元素、煤灰成分及煤灰熔融溫度等主要煤質(zhì)指標(biāo)。

2.1 煤類判別

達(dá)拉布特一號(hào)礦主采煤層煤鏡質(zhì)體平均最大反射率值在0.33%～0.48%，干燥無灰基揮發(fā)分產(chǎn)率在35%～41%，透光率約為60%，黏結(jié)指數(shù)G小于5。依據(jù)國標(biāo)GB/T 5751《中國煤炭分類》的規(guī)定[12]，確定主采煤層煤炭以長焰煤(CY41)為主，局部位置有分布不均的不黏煤(BN31)。

2.2 灰分

達(dá)拉布特一號(hào)礦B13煤層原煤灰分(Ad)為5.96%～35.22%，平均12.83%；浮煤灰分(Ad)為3.35%～12.31%，平均8.18%。B14煤層原煤灰分(Ad)為7.26%～28.14%，平均13.31%；其浮煤灰分(Ad)為5.38%～14.05%，平均8.53%。B13煤層和B14煤層主要為低灰煤，灰分含量有一定波動(dòng)，洗選后大部分煤樣的灰分小于10%。B13煤層和B14煤層的灰分分布等值線圖分別如圖1、圖2所示。

圖1 B13煤層灰分(Ad)分布等值線圖

圖2 B14煤層灰分(Ad)分布等值線圖

B13煤層灰分(Ad)總體主要集中分布在5.0%～20.0%，其所占的百分比為89%，且以10.0%～15.0%的樣品最多。該煤層灰分在水平方向上呈現(xiàn)西北和東北方向較高(有些甚至高于20.0%)、中部和南部方向較低、大部分低于10%。

B14煤層灰分(Ad)總體主要集中分布在8.0%～18.0%，所占的百分比為84%，且以8.0%～13.0%的樣品最多。該煤層灰分在水平方向上呈現(xiàn)東北和西南方向的較小區(qū)域內(nèi)較高(大多高于15.0%)、其余方向較低、大部分低于15%。

2.3 硫分

達(dá)拉布特一號(hào)礦B13煤層原煤硫分(St,d)為0.15%～1.29%，平均0.46%；浮煤硫分(St,d)為0.11%～0.67%，平均0.26%。B14煤層原煤硫分(St,d)為0.17%～1.42%，平均0.44%；浮煤硫分(St,d)為0.08%～0.65%，平均0.26%。B13煤層和B14煤層主要為特低硫煤，硫分含量有一定波動(dòng)，洗選后煤樣硫分大都有所降低。B13煤層和B14煤層硫分的分布等值線圖分別如圖3、圖4所示。

圖3 B13煤層硫分(St,d)分布等值線圖

圖4 B14煤層硫分(St,d)分布等值線圖

B13煤層硫分(St,d)主要集中分布在0.1%～0.5%，所占的百分比為71%。該煤層硫分水平整體較低，大多低于0.45%；在水平方向上呈現(xiàn)中間區(qū)域較低，而周邊區(qū)域相對(duì)略高，有部分高于0.6%。

B14煤層硫分(St,d)主要集中分布在0.2%～0.6%，所占的百分比為87%。該煤層硫分水平整體較低，大多低于0.6%；在水平方向上呈現(xiàn)西南區(qū)域略高，而其余區(qū)域均相對(duì)較低的特征。

2.4 發(fā)熱量

達(dá)拉布特一號(hào)礦B13煤層原煤發(fā)熱量(Qgr,d)為18.14 MJ/kg～27.33 MJ/kg，平均24.91 MJ/kg；B14煤層原煤發(fā)熱量(Qgr,d)為19.03 MJ/kg～26.61 MJ/kg，平均24.59 MJ/kg。B13煤層和B14煤層主要為中高發(fā)熱量煤，由達(dá)拉布特一礦主采煤層灰分(Ad)與干燥基高位發(fā)熱量(Qgr,d)的數(shù)據(jù)擬合，可得出B13煤層Qgr,d與Ad關(guān)系式:Qgr,d=28.94-0.310Ad；B14煤層Qgr,d與Ad關(guān)系式為:Qgr,d=29.32-0.349Ad。Qgr,d與Ad的關(guān)系圖分別如圖5、圖6所示。B13煤層和B14煤層Qgr,d與Ad之間為一元線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R分別為0.961和0.932，線性相關(guān)性較好，可通過擬合得出的Qgr,d與Ad關(guān)系式由Ad較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)Qgr,d。

圖5 B13煤層Qgr,d與Ad間擬合關(guān)系圖

圖6 B14煤層Qgr,d與Ad間擬合關(guān)系圖

2.5 微量元素

達(dá)拉布特一號(hào)礦B13煤層原煤磷含量(Pd)為0.000%～0.030%，平均0.010%；B14煤層原煤的磷含量(Pd)為0.001%～0.087%，平均0.019%。B13煤層特低磷煤占比為48.0%，低磷煤占比為52.0%。B14煤層特低磷煤占比為40.9%，低磷煤占比為41.5%，在先期開采區(qū)西北部區(qū)域出現(xiàn)中磷煤分布的點(diǎn)。

B13煤層原煤氟含量(Fd)為10 μg/g～187 μg/g，平均41 μg/g；B14煤層原煤氟含量(Fd)為14 μg/g～132 μg/g，平均43 μg/g。B13煤層特低氟煤占比為76.3%，低氟煤占比為5.1%，在先期開采區(qū)東北部區(qū)域有少量中氟煤分布的點(diǎn)。B14煤層特低氟煤占比為84.9%，低氟煤占比為13.2%，在先期開采區(qū)西南部區(qū)域有個(gè)別中氟煤分布的點(diǎn)。

B13煤層原煤氯含量(Cld)為0.000%～0.100%，平均0.020%；B14煤層原煤氯含量(Cld)為0.000%～0.078%，平均0.020%。B13煤層特低氯煤占比為89.4%，低氯煤占比為10.6%。B14煤層特低氯煤占比為95.5%，低氯煤占比為4.5%。2個(gè)煤層的氯含量(Cld)在空間分布上總體均較低。

2.6 煤灰成分及煤灰熔融特性

2.6.1煤灰成分

達(dá)拉布特一號(hào)礦主采煤層煤灰成分以SiO2為主，其次為CaO和Al2O3，煤灰成分含量波動(dòng)較大。B13煤層煤灰的SiO2含量為15.66%～55.18%，平均33.72%；Al2O3含量為6.92%～28.40%，平均16.67%；CaO含量為5.32%～42.69%，平均20.55%。B14煤層煤灰的SiO2含量為10.56%～52.43%，平均33.94%；Al2O3含量為6.43%～31.01%，平均18.71%；CaO含量為10.23%～38.16%，平均為20.80%。

為了進(jìn)一步分析煤灰成分，繪制達(dá)拉布特一號(hào)礦主采煤層的主要煤灰成分分布直方圖如圖7～圖12所示。

圖7 B13煤層SiO2統(tǒng)計(jì)直方圖

圖8 B13煤層Al2O3統(tǒng)計(jì)直方圖

圖9 B13煤層CaO統(tǒng)計(jì)直方圖

圖10 B14煤層SiO2統(tǒng)計(jì)直方圖

圖11 B14煤層Al2O3統(tǒng)計(jì)直方圖

圖12 B14煤層CaO統(tǒng)計(jì)直方圖

B13煤層煤灰組成中二氧化硅(SiO2)含量主要分布在15.00%～40.00%，所占百分比約為80%。三氧化二鋁(Al2O3)含量在10.00%～25.00%間有集中的趨勢(shì)，該區(qū)間Al2O3含量占比約81%。氧化鈣含量分布在10.00%～30.00%間有集中的趨勢(shì)，該區(qū)間氧化鈣含量約為78%。

B14煤層煤灰主要成分分布較為離散。煤灰組成中二氧化硅含量分布在22%～40%有集中的趨勢(shì)，所占百分比約為76%；Al2O3含量分布在12%～18%的占比為55%，其余含量內(nèi)分布較為離散；氧化鈣含量分布在10%～38%，波動(dòng)最大且規(guī)律不明顯。

2.6.2煤灰熔融性溫度

一般來講，石炭二疊紀(jì)煤灰中的Al2O3和SiO2較高，其煤灰熔融溫度較高；早、中侏羅世煤灰中的CaO含量較高而Al2O3較低，故其煤灰熔融溫度也較低。達(dá)拉布特一號(hào)礦主采煤層煤灰熔融溫度分析情況見表1。由表1可知，礦區(qū)主采煤層煤灰熔融溫度有一定波動(dòng)，此為主采煤層灰成分的波動(dòng)所造成。總之，達(dá)拉布特一礦B13及B14煤層的煤灰屬于較低軟化及較低流動(dòng)溫度灰。

表1 主采煤層的煤灰熔融性溫度波動(dòng)情況℃

3 氣化適應(yīng)性分析

(1)固定床氣化用煤煤質(zhì)要求。固定床氣化技術(shù)使用的原料煤可采用褐煤、長焰煤、貧煤和無煙煤，但根據(jù)應(yīng)用狀況，對(duì)入爐煤主要煤質(zhì)一般要求為:灰分(Ad)在20%以下，灰熔融溫度ST大于1 250 ℃，黏結(jié)指數(shù)小于10，熱穩(wěn)定性TS+6大于60%。

(2)流化床氣化用煤煤質(zhì)要求。流化床氣化工藝最適宜的煤種為褐煤和低階煙煤，對(duì)入爐煤主要煤質(zhì)的一般要求為:入爐煤粒度控制小于10 mm，入爐煤水分要求小于10.0%，灰分適應(yīng)性較寬(至30%)，煤灰熔融性溫度ST大于1 250 ℃。

(3)氣流床氣化用煤煤質(zhì)要求。按進(jìn)料方式的不同，氣流床氣化又分為干煤粉氣流床氣化工藝和水煤漿氣流床氣化工藝。干煤粉氣化可氣化無煙煤、煙煤、褐煤等各種煤，原料適應(yīng)性較寬；水煤漿氣化可氣化改性褐煤和煙煤。干粉氣流床氣化工藝對(duì)入爐煤質(zhì)的一般要求為:原料煤的FT要低于1 450 ℃，煙煤全水低于4%，褐煤全水低于8%，灰分含量控制在20%以下，煤的哈氏可磨性指數(shù)在60以上。水煤漿氣流床氣化工藝對(duì)入爐煤質(zhì)一般要求為:灰熔融溫度FT低于1 300 ℃，煤中的灰分低于20%，水煤漿濃度大于60%，煤的哈氏可磨性指數(shù)在60以上。

(4)達(dá)拉布特一礦煤炭氣化適應(yīng)性分析。達(dá)拉布特一礦煤炭原煤全水分在30%左右，灰分約13%，通過浮選后灰分可控制到10%以下；該煤炭灰分及硫分均較低，此可作為氣化用煤的優(yōu)勢(shì)，微量元素含量較低則有利于氣化凈化及廢水的處理。煤灰熔融溫度是氣化用煤的重要指標(biāo)之一，該煤炭灰熔融溫度ST約在1 240 ℃，對(duì)于固態(tài)排渣的魯奇氣化工藝煤灰熔融性溫度略低，可通過調(diào)節(jié)汽氧比等參數(shù)以降低氣化溫度實(shí)現(xiàn)應(yīng)用；煤灰軟化溫度可滿足氣流床液態(tài)排渣的要求。該煤炭以無黏結(jié)性的長焰煤為主，煤對(duì)二氧化碳反應(yīng)性在1 100 ℃時(shí)即可達(dá)到100%，熱穩(wěn)定性TS+6在65%左右，哈氏可磨性指數(shù)在80左右。從煤質(zhì)特性的角度分析考慮，該煤炭適用于氣化用煤，選擇氣化工藝時(shí)，需采取一定措施解決全水分高的問題，從而提高氣化過程的能效以及降低氣化廢水處理量。

4 結(jié) 論

新疆達(dá)拉布特一號(hào)礦主采B13煤層和B14煤層煤炭以長焰煤為主，局部位置有分布不均的不黏煤，主要煤質(zhì)特征為低灰、特低硫、中高發(fā)熱量、低磷、特低氟、特低氯煤;主采煤層煤灰成分以SiO2為主，其次為CaO和Al2O3，煤灰成分含量波動(dòng)較大，煤灰熔融性屬于較低軟化溫度灰以及較低流動(dòng)溫度灰，適合作為氣化用煤炭資源。