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黄陇侏罗纪煤田彬长矿区4号煤层气化、液化特征研究

2017-12-07李聪聪杜芳鹏乔军伟魏云迅

中国煤炭地质 2017年11期
关键词:井田煤质煤岩

李聪聪,杜芳鹏,乔军伟,魏云迅

(1.中国煤炭地质总局航测遥感局,西安 710199;2. 陕西省地理空间信息工程技术研究中心,西安 710199; 3.中国矿业大学,江苏 徐州 221006)

黄陇侏罗纪煤田彬长矿区4号煤层气化、液化特征研究

李聪聪1,2,杜芳鹏1,2,乔军伟1,3,魏云迅1,2

(1.中国煤炭地质总局航测遥感局,西安 710199;2. 陕西省地理空间信息工程技术研究中心,西安 710199; 3.中国矿业大学,江苏 徐州 221006)

为了实现彬长矿区优质煤炭资源的清洁高效利用,在对以往勘查钻孔的煤质化验资料统计分析和系统采样测试的基础上,对矿区主采煤层4号煤的煤岩、煤质特征进行详细分析,并编制了主要煤质指标的等值线分布图,论述了硫分、灰分、挥发分、氢碳原子比的分布规律,并参照气化、液化用煤的煤质评价指标体系对4号煤的气化、液化特征进行划分,划分结果显示:彬长矿区4号煤层原煤以适合常压固定床气化为主,部分适合流化床气化,对该矿区煤炭资源的洁净高效利用具有指导意义。

4号煤层;煤质特征;气化、液化;彬长矿区

0 引言

煤炭是我国的主体能源和重要工业原料,近年来,煤炭工业取得了长足发展,但煤炭利用方式粗放、污染重的问题仍存在。推进煤炭优质化分选与提质加工,提高煤炭产品质量,构建清洁、高效、低碳、安全、可持续的现代煤炭清洁利用体系是未来煤炭产业发展的重要途径[1-3]。煤炭液化、气化是煤炭清洁高效利用的重要措施,而煤岩、煤质特征是研究气化、液化用煤指标的主要依据[4-6]。彬长矿区作为黄陇基地的主力矿区,是陕西省规划建设的重要原煤生产基地和煤化工基地[7]。前人研究表明彬长矿区煤炭可用于气化、液化、高炉喷吹用煤、水煤浆及动力用煤[8-9]。前人对彬长矿区煤岩煤质特征的分析主要以个别煤矿的统计分析为主,暂未对整个矿区内影响煤层气化、液化的主要煤质指标进行整体系统划分,尤其是未对矿区内4号主采煤层的气化、液化特征进行专门分析研究,系统分析矿区内主要煤层的煤岩、煤质特征,对矿区内煤炭资源分质分级和清洁高效利用具有指导意义。

1 矿区概况

彬长矿区处于黄陇侏罗纪煤田中部,位于陕西省咸阳市北部县、长武、旬邑境内,矿区东西长46km,南北宽36.5km,面积为978km2,资源/储量89.8亿t,设计生产建设规模5 740万t/a。矿区划分为13个井田。

彬长矿区位于鄂尔多斯盆地西南部的渭北挠褶带北缘庙彬凹陷区,总体形态为一NW向缓倾的单斜构造,地层倾角3°~9°,断裂构造较不发育,矿区整体构造简单。本区的含煤地层为侏罗系中统延安组。自下而上发育4号、4上、4上-1、4上-2、3号、2号及1号煤层,其中延安组下部的4号煤层赋存稳定,且多为中厚-特厚煤层,为矿区内主采煤层。

2 煤岩煤质特征

本次研究以彬长矿区以往勘查的623个钻孔的煤质化验数据为基础,结合井下重点煤层垂向剖面样品的采集,对4号煤层进行煤岩显微组分鉴定、工业分析、全硫、灰成分分析、煤灰熔融性、哈氏可磨指数、黏结指数、热稳定性、微量元素等煤岩、煤质测试分析。

2.1 煤岩特征

煤岩学就是从岩石学的观点和方法来研究煤的组成、成分、类型、性质等,主要研究领域是煤的显微镜学,煤的煤岩学特征包括宏观煤岩特征和显微煤岩特征。

4煤层宏观煤岩类型以暗淡、半暗型煤为主,夹半亮型煤。4煤层显微煤岩中有机质显微组分含量较高,平均值92.90%,其中镜质组及半镜质组含量相对较低,平均值为25.3%。惰质组含量平均值66.00%。壳质组含量较少,平均值3.00%,无机组分含量平均为7.30%,以黏土类和碳酸盐类为主,硫化物类含量较少。4号煤层煤岩显微组分有机质含量高,达90%以上,其中以惰质组分为主,次为镜质组,壳质组含量低;无机组分含量较低,以黏土、碳酸盐岩和氧化物为主。其镜质组反射率为0.65~0.71,平均为0.67,属于Ⅱ煤化阶段烟煤。

2.2 煤质特征

2.2.1 水分(Mad)

彬长矿区4号煤层原煤水分含量为1.43%~8.41%,平均4.53%;浮煤水分含量为1.19%~8.20%,平均3.70%。

表1 彬长矿区4号煤层显微组分定量分析

2.2.2 灰分(Ad)

彬长矿区4号煤层原煤灰分产率(Ad)为3.69%~36.44%,平均13.52%,浮煤灰分(Ad)灰分产率为3.18%~33.3%,平均7.90%。

彬长矿区4号煤层主要为低灰煤,其次为特低灰煤,少量中灰煤和中高灰煤,洗选后,大部分灰分产率小于10%,以特低灰煤为主,其次低灰煤,近极少数为中灰煤(图1)。平面上,全区原煤灰分以低灰煤占大面积,仅矿区西南部杨家坪井田、大佛寺井田西部部分区域和矿区东部文家坡井田零星区域灰分达到中灰,最高出现在文家坡井田东部、达到中灰煤;总体上,原煤灰分展布特征表现为由矿区中部孟村-小庄井田向矿区外围灰分产率增大, 由特低灰煤渐变至低灰煤、中灰煤(图2)。浮煤灰分产率与原煤灰分产率具有高度正相关性,因而其总体分布规律与原煤相近,但灰分产率总体下降明显。

2.2.3 挥发分(Vdaf)

4号煤层原煤挥发分(Vdaf)产率为18.50%~41.04%, 平均32.58%; 浮煤挥发分 (Vdaf) 产率为23.99%~37.82%,平均31.96%。

图1 4号煤层灰分、挥发分产率分布频数直方图Figure 1 Histogram of coal No.4 ash content, volatile matter yield distribution frequency

图2 4号煤层原煤灰分等值线图Figure 2 Isogram of coal No.4 raw coal ash content

彬长矿区4号煤层原煤挥发分集中在28.0%~37.0%之间,为中高挥发分煤,仅极少量为高挥发分煤或中等挥发分煤;浮选后挥发分产率变化较小,分布范围与原煤近一致(图1)。平面上,矿区内大部分区域原煤的挥发分产率在30%~32%之间,变化不大,仅东部文家坡井田和西南部杨家坪井田部分区域低于30%,矿区北部雅店、高家堡和西部杨家坪井田部分区域高于33%,最高值出现在矿区西部高家堡与杨家坪井田界线处,为高挥发分煤。总体上,彬长矿区4号煤层原煤挥发分变化不大,但呈现处由北西向南东变小的趋势(图3)。

图3 4号煤层挥发分等值线图Figure 3 Isogram of coal No.4 volatile matter yield

2.2.4 氢碳原子比

彬长矿区4号煤层原煤氢碳原子比为0.52~0.80,主要分布在0.6~0.7之间,平均值为0.67;浮煤氢碳原子比为0.39~0.75,平均值为0.67;总体上以0.65~0.70为中心正态分布(图4)。平面上,矿区内绝大部分区域氢碳原子比为0.60~0.70之间,仅矿区西部杨家坪井田、高家堡井田、孟村井田界线处以及矿区南端蒋家河井田相对较高;总体上,H/C由南向北有所增大,然而局部亦有特别情况(图5)。

图4 4号煤层H/C分布直方图Figure 4 Histogram of coal No.4 H/C distribution

2.2.5 硫分

4号煤层原煤全硫(St.d)含量为0.08%~3.61%,平均0.77%,浮煤全硫含量为0.50%~2.49%,平均0.50%。属特低硫煤-低硫煤,少部分为中硫煤,极少部分为中高硫煤;洗选后,浮煤绝大部分为特低硫煤,部分为低硫煤,而极少数为中硫煤或中高硫煤(图6)。平面上,大部分区域硫分小于1.00%,在矿区东部的文家坡井田、小庄井田、官牌井田较大区域大于1%,甚至大于2%,达到中硫煤,矿区南北下沟井田、西部高家堡井田、杨家坪井田亦有部分区域大于1%,总体上,由北向南,中硫煤区间隔性出现(图7)。

图5 4号煤层H/C等值线图Figure 5 Isogram of coal No.4 H/C

图6 4号煤层硫含量分布直方图Figure 6 Histogram of coal No.4 sulfur content

图7 4号煤层硫分等值线图Figure 7 Isogram of coal No.4 sulfur content

2.2.6 煤灰熔融性

煤灰熔融性是影响煤炭气化的重要因素之一,同时也是煤炭气化炉工艺设计重要指标。根据彬长矿区煤质数据统计,4号煤的煤灰熔融性(ST)范围为1 108~>1 500 ℃,平均为1 268 ℃(N=216)。参考煤灰熔融温度范围:易熔灰分(ST<1 160 ℃);中熔灰分(ST为1 160~>1 350 ℃);难熔灰分(ST为1 350~>1 500 ℃);可确定彬长矿区煤灰以中熔煤占绝大多数(84.7%)、少量易熔灰和难熔灰(图8)。

图8 4号煤灰熔融性分布直方图(ST)Figure 8 Histogram of coal No.4 ash fusibility distribution (ST)

2.2.7 煤的黏结指数(GR.I)

4号煤的黏结指数为0~14.9,平均为0.67,绝大多数为0,因此判断其为无黏结或微黏结性煤。

2.2.8 煤的热稳定性(TS+6)

4号煤的热稳定性为55.7%~99.4%,平均81.99%。按照煤灰热稳定性分级(MT/T560-2008),属于高热稳定性煤。

2.2.9 煤灰成分

彬长矿区 4号煤灰中主要成分质量分数如下:SiO2为15.58%~69.49%,平均44.88%(N=167);Al2O3为5.85%~33.85%,平均17.18%;Fe2O3为1.95%~23.44%,平均8.04%;CaO为0.24%~48.00%,平均16.43%;MgO为0.27%~17.58%,平均2.71%。SO3为0.18%~16.62%,平均6.46%。总体上以硅铝酸盐氧化物为主,碱性氧化物次之。

3 气化、液化类型划分

我国GB/T 23251-2009煤化工用煤技术导则中对煤制油用煤优化配置和合理规划提出了要求,明确经洗选后作为炼焦用的主要炼焦煤类不应作为煤炭气化、煤炭液化用煤,评价顺序为焦化、液化及气化,经洗选后作为炼焦用的1/3焦煤、肥煤、焦煤、瘦煤等主要炼焦煤类应进行合理规划和保护性开发利用。因此,评价时应优先考虑煤类是否适合炼焦用煤,再考虑液化用煤,最后考虑是否可以气化。

按照气化、液化特殊用煤评价指标体系,首先确定煤类,彬长矿区4号煤层以不黏煤为主,少量为弱黏煤,属于适合直接液化的煤类,但是进一步对比《直接液化用原料煤技术条件》(GB/T 23810-2009)中煤质技术要求和本次研究确定的煤炭直接液化的煤质指标体系,发现4号煤层挥发分18.50%~41.04%,平均为32.58%,整体小于35%,镜质组最大反射率0.65~0.71,平均为0.67,整体大于0.65,氢碳原子比0.39~0.75,平均为0.67,绝大部分小于0.70,氢碳原子比是评价煤炭直接液化性能的重要指标[10-11],不符合直接液化用煤的分级指标,属不宜直接液化用煤(表2)。

表2 4号煤层直接液化特征对比

彬长矿区4号煤层属不宜直接液化用煤,考虑其作为气化用煤,本次研究对比《流化床气化用原料煤技术条件》GB/T 29721-2013、《常压固定床气化用煤技术条件》GB/T 9143-2008、《气流床气化用原料煤技术条件》GB/T 29722-2013中三种不同工艺煤质技术要求,提出适合重点矿区煤炭气化的煤质指标体系,经详细对比分析发现,彬长矿区4号煤层大部适合常压固定床气化,部分适合流化床气化(表3)。

彬长矿区共划分为13个井田,除杨家坪和高家堡未建井开采外,其余都已建井或正在开采,按照气化用煤指标对煤质参数的要求,通过对整个矿区内4号煤层全水分、灰分、全硫、煤灰熔融性、对CO2反应性、黏结指数、热稳定性的分析,对4号煤层的气化用煤分布进行了划分,4号煤层煤炭资源以常压固定床气化为主,占整个矿区4号煤炭资源分布面积的89.97%。少部分适合流化床气化占整个4号煤资源分布面积的10.03%(图9)。

表3 4号煤层气化特征对比

图9 4号煤层气化用煤资源分布图Figure 9 Distribution map of coal No.4 resources for gasification

依据彬长矿区内各井田资源量初步统计,截至2015年底,适合常压固定床气化用煤保有资源量为779 074.44万t,适合流化床气化用煤保有资源量为86 860.66万t。

4 结论

①通过对彬长矿区以往煤质测试资料的分析,对4号煤层的主要气化、液化煤质指标的变化规律进行了统计分析,该煤层以、低中灰、中高挥发分、特低-低硫、高热稳定性煤不黏煤为主,含小范围的弱黏煤。

②依据按照气化、液化特殊用煤评价指标体系,对彬长矿区4号煤层的气化、液化特征进行了详细划分,整个矿区内4号煤层不适合直接液化用煤,以适合常压固定床气化为主,占4号煤层资源分布面积的89.97%。少部分适合流化床气化,占整个4号煤资源分布面积的10.03%。气化、液化类型的划分为该矿区煤炭资源的分质分级和洁净高效利用提供了方向。

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StudyonCoalNo.4GasificationandLiquefactionCharacteristicsinBinchangMiningArea,HuanglongJurassicCoalfield

Li Congcong1,2, Du Fangpeng1,2, Qiao Junwei1,3and Wei Yunxun1,2

(1.Aerial Photogrammetry and Remote Sensing Bureau, CNACG, Xi’an, 710199; 2.Shaanxi Provincial Geospatial Information Engineering Technological Research Center, Xi’an, 710199; 3.China University of Mining and Technology, Xuzhou, Jiangsu 210006)

To realize clean and high efficiency utilization of high quality coal resources from the Binchang mining area, based on previous exploratory borehole coal quality tested data statistical analysis and systematic sample tests, carried out detailed analysis for mining area main mineable coal No.4 coal petrological and coal quality features. Then compiled main coal quality indicator isograms, discussed distribution pattern of sulfur, ash, volatile matter and hydrogen to carbon atomic ratio. Referred to coal for gasification and liquefaction quality assessment system carried out partitioning for gasification and liquefaction characteristics of coal No.4. The result has shown that the raw coal of coal No.4 is mainly propitious to constant pressure fixed bed gasification, part propitious to fluidized bed gasification. The study has guiding significance in mining area coal resource clean and high efficiency utilization.

coal No.4; coal quality characteristics; gasification; liquefaction; Binchang mining area

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.11.04

1674-1803(2017)11-0017-07

A

中国地质调查局资源调查项目(DD20160187)资助。

李聪聪(1984—),男,山西临汾人,高级工程师,硕士,从事遥感地质、能源地质工作。

2017-08-08

宋博辇

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