王洼矿区5#煤层煤岩煤质特征及绿色利用方向探讨

赵 刚，田彦强，刘 争，马林军，张小五，吴天才，程云强，马永祥*，张 琨，王高皓

（1.宁夏回族自治区煤炭地质局，宁夏银川 750002； 2.中铝宁夏能源集团宁夏王洼煤业公司，宁夏固原 7565654）

0 引言

我国在20 世纪90 年代中期就成立了煤炭工业洁净煤工程技术分析中心和国家洁净煤技术推广应用领导小组，并于1997 年由国务院批准了《中国洁净煤技术95 计划和2010 年发展纲要》。进入21世纪，洁净煤技术愈受国家重视，已成为新兴战略性产业发展方向之一。在“双碳目标”背景下，基于我国少气贫油相对富煤能源结构和基本国情，煤炭清洁高效利用是实现能源转型的必由之路和首要任务，同时也是保障我国能源安全的基石［1］。为实现“碳达峰”和“碳中和”的双碳目标［2-3］，使得煤炭资源的清洁高效利用成为国家的重要战略需求，更是可以推进煤炭清洁化利用和保障能源安全的重要途径之一［4］。煤炭的清洁高效利用已成为当前形势下的必然选择［5］。加快推动煤炭清洁高效开发利用至关重要，促使煤炭产业向绿色低碳方向发展［6-7］。

以往已有相关学者对王洼矿区构造控煤和煤层煤组特征进行了对比研究［8-9］，对矿区内煤层的煤质特征和成煤环境进行了分析评价［10-11］，但其研究范围均局限于矿区一隅，只针对某个煤矿或勘查区范围进行分析研究，缺乏矿区层面对煤层的煤岩煤质特征和工艺性能等方面的研究。

本文在前人研究的基础上，以王洼矿区内资源量占绝对优势的5#主采煤层为研究对象，系统收集整理了矿区内5#煤层煤田勘查钻孔以及矿井开采后的煤质采样测试分析数据，对全区可采的5#煤层煤岩、煤质等特征进行研究，探讨该矿区煤炭资源的工艺性能和绿色开发利用方向。

1 矿区概况

王洼矿区位于宁夏南部固原市的东部彭阳县境内，矿区面积约290 km2，赋存煤炭资源总量约1.9亿t，王洼矿区包括银洞沟煤矿、王洼煤矿、王洼二矿、南湾勘探区，其中已开发利用的矿井有银洞沟煤矿、王洼煤矿和王洼二矿。随着宁东能源化工基地后续相关项目投产，对王洼矿区煤炭需求急剧增加［12］。

王洼矿区地处鄂尔多斯盆地的西南缘，区域上处于华北陆块和秦祁昆造山带这两大构造单元衔接处，由于这两大构造单元长期活动，控制了本区主要含煤地层中侏罗统延安组的分布特征。

王洼矿区延安组地层含煤9～13层，其中可采及局部可采煤层6 层，可采煤层平均总厚度24.20 m。可采含煤系数10.06%。王洼矿区以5#煤层厚度最大，煤层厚度较为稳定，为全矿区可采的主要可采煤层。5#煤层矿区内分布面积约230 km2，平均可采厚度7.7 m，属中厚—特厚煤层。

2 煤岩特征

王洼矿区5#宏观煤岩类型以半暗型煤为主，暗淡型煤次之，部分半亮型煤。显微组分含量分布情况：王洼矿区西北部银洞沟井田和矿区中部王洼二矿及其北部王洼煤矿南部镜质组含量较高，矿区东部及南部镜质组含量交低，镜质组含量平均为54.6%，惰质组含量平均为34.1%，壳质组含量平均为1.6%，镜质组最大反射率为0.39%～0.69%，显微煤岩类型为微镜惰煤，属于中阶烟煤（表1）。

表1 5#煤层显微煤岩特征Table 1 Microlithographic characteristics of No.5#coal seam%

3 煤质特征

3.1 化学特征

3.1.1 水分

煤中水分对于直接液化为不利因素，其高低对成浆性能有较重要的影响，一般认为煤的内水含量越高，成浆性能也就越差，影响煤气化时的有效气体含量［13］（表2）。

表2 5#煤层化学特征Table 2 Chemical characteristics of No.5#coal seam

5#煤层原煤空气干燥基水分（Mad）含量为2.24%～12.41%，平均为7.03%。浮煤空气干燥基水分含量为0.91%～11.79%，平均为7.25%，分布于6.0%～12.0%区间的见煤点占比最高（图1）。

图1 5#煤层水分含量直方图Figure 1 Histogram of moisture content of No.5#coal seam

3.1.2 灰分

煤中灰分多少对煤的液化率与转化率无明显影响，但煤中灰分太高会给液化操作带来诸多不便，而且灰分过高会给整个工艺系统带来一系列困难［14-15］。

5#煤原煤灰分（Ad）含量为3.61%～31.95%，平均为15.03%，属低灰煤。浮煤含量为2.29%～9.90%，平均为5.90%，属特低灰煤，原煤经洗选处理后灰分有明显的降低（图2）。

图2 5#煤层灰分含量直方图Figure 2 Histogram of ash content of No.5#coal seam

平面上看，全矿区绝大部分区域灰分含量为特低至低灰，低灰煤分布范围面积占比最大，只有在矿区西北角零星达到中灰煤，这两处极小范围的中灰煤均分布在银洞沟煤矿范围内（图3）。

图3 5#煤层灰分等值线Figure 3 Contour of ash content of No.5#coal seam

3.1.3 挥发分

煤的挥发分产率与液化性能表现出良好的线性关系，越年轻的煤挥发分越高、越易液化［16-17］。

浮煤挥发分（Vdaf）产率为31.25%～41.98%，集中分布于中高挥发分-高挥发分区间中，平均产率为36.34%，属中高挥发分煤。原煤挥发分产率为28.4%～48.31%，其浮选后挥发分产率变化较小，分布区间与原煤近乎一致，挥发分指标符合直接液化用煤。

平面上看，矿区西部王洼二矿及南部挥发分产率较高，向东北角后备区逐渐降低，全矿区绝大部分区域分布中高挥发分煤，只有在矿区西北部分布小范围高挥发分煤，基本位于银洞沟煤矿和王洼煤矿范围内（图4、图5）。

图4 5#煤层挥发分等值线Figure 4 Contour of volatiles of No.5#coal seam

图5 煤层挥发分直方图Figure 5 Histogram of volatiles of 5#coal seam

3.1.4 硫分

5#煤原煤全硫（St，d）含量为0.21%～4.25%，平均含量为1.15%，属中硫煤。浮煤全硫（St，d）含量为0.15%～1.66%，平均含量为0.70%，原煤硫分经洗选处理后有明显的降低。硫分含量分布在低硫和中硫区间的比例最大。

平面上看，矿区西部及南部含硫量较高，东北部硫含量相对较低，全矿区绝大部分范围为中硫煤，矿区西北部银洞沟煤矿和矿区南部南湾勘探区及后备区零星分布极小范围的高硫煤（图6、图7）。

图6 5#煤层硫分等值线Figure 6 Contour of sulfur content of No.5#coal seam

图7 煤层硫分直方图Figure 7 Histogram of sulfur content oh No.5#coal seam

3.1.5 氢碳原子比

氢碳原子比与液化性能表现出良好的线性关系，碳氢原子比高的煤转换率和油产率高，但高到一定值后，油产率将随之减小［16-18］，氢碳原子比是是评价煤炭液化性能的关键指标。

王洼矿区5#煤层原煤氢碳原子比为0.44～0.82，平均0.68，其中小于0.70占比最多。

总体上矿区内原煤氢碳原子比呈现由东南向西北逐渐增大的规律，氢碳比大于0.70 的区域基本上分布在矿区西北角的银洞沟煤矿和王洼煤矿的中北部（图8）。

图8 5#煤层H/C等值线Figure 8 H/C map of No.5#coal seam

3.2 工艺性能

3.2.1 灰熔融性

煤灰熔融性软化/流动温度对碳转化率、排渣量和气化效率有影响，同时也是煤气化炉工艺设计的重要指标［16-17］。

在弱还原气氛下，王洼矿区5#煤层原煤灰软化温度（ST）1 108～1 318 ℃，平均为1 225 ℃，属较低软化温度灰。全矿区以较低软化温度灰占比最大，其次为少量中等软化温度灰。

3.2.2 煤的黏结指数

煤的黏结指数是用于评价煤的黏结性能的指标之一。原料煤黏结指数较高时，气化过程中会在干馏层产生胶质结焦，使得气流在料层中分布不均，进而导致气固接触不良，最终影响气化产物质量和产量，严重时还会影响气化工艺正常运行［18］。

王洼矿区5#煤层煤的黏结指数均为0，煤类为长焰煤和不黏煤。

3.2.3 煤的热稳定性

热稳定性过低的煤易在气化过程中产生细粒和煤末，妨碍气流流动而影响气化过程的正常运行。煤的热稳定性越低，带出物越多，粗煤气中煤粉含量高，会影响煤气水分离、变换等后续工艺［19］。

原煤热稳定性测试结果表明，大于6 mm 残焦（TS+6）值为49.20%～87.20%，各可采煤层平均值为70.02%，属中高热稳定性煤，有利于气化过程的正常运行。王洼矿区从北向南热稳定性有逐渐增高的趋势。

3.2.4 与二氧化碳反应性(950℃)

煤对CO2的反应性指标是流化床气化必须考虑的重要参数之一。温度在950℃时，煤对二氧化碳的还原率为52.30%～91.44%，平均为71.85%。表明煤对二氧化碳还原率较高，煤在气化和燃烧过程中反应速较快，有助于减少气化过程中耗氧量，降低能耗。

3.2.5 煤中有害元素

王洼矿区5#煤层原煤中氯含量为0.003%～0.093%，平均值为0.021%，总体属于特低氯煤。氟含量为52～356 μg/g，平均值为126 μg/g，总体属低氟煤。砷含量为1～27 μg/g，平均值为4 μg/g，总体属特低砷煤，磷分含量为0.002%～0.179%，平均值为0.024%，属特低磷煤。

4 清洁利用方向探讨

4.1 王洼矿区5#煤层液化、气化性能评价

据以往学者研究成果，煤直接液化性能与其显微组分关系密切，加氢反应的活性顺序为壳质组＞镜质组＞惰质组［20］，镜质组和壳质组比惰质组容易液化，镜质组的转化率和油收率均高于惰质组，随着惰质组含量的增加，煤转化率和油收率均降低［21-22］，镜质组含量与转化率和液化率呈正相关，惰性组与转化率和液化率呈负相关。

参照《直接液化用原料煤技术条件》GB/T 23810—2009 中煤质技术要求和《气化用煤技术条件》GB/T9143—2008。按照液化、气化用煤指标，对王洼矿区5#煤层全水分、灰分、挥发分、氢碳原子比、黏结指数、煤灰熔融性温度等数据进行统计归类划分（表3、表4），以此来确定液化用煤和气化用煤的分布范围。结果显示，王洼矿区西北部，即银洞沟煤矿范围及王洼煤矿的中北部煤炭资源可作为直接液化用煤，矿区东部及南部大部分范围的煤炭资源适合气化用煤。王洼矿区煤炭资源液化和气化用煤分布范围见图9。

图9 王洼矿区5#煤层直接液化和气化用煤评价分区Figure 9 Zoning of of No.5#coal seam for direct liquefaction and gasification in Wangwa mining area

表3 5#煤层煤质指标与直接液化用煤评价指标参数对比评级Table 3 Comparison and rating of No.5#coal seam by evaluation indices of direct liquefaction coal

表4 5#煤层煤质指标与气化用煤评价指标对比评级Table 4 Comparison and rating of No.5#coal seam by evaluation indices of gasification

王洼矿区5#煤层为含油煤，煤类为不黏煤，不适合炼焦。可作为直接液化和间接液化用煤，直接液化用煤综合评价指标等级达到二级。满足常压流化床、干煤粉气流床、固定床和水煤浆气流床等气化工艺的基本煤质要求，其中，水煤浆气流床和干煤粉气流床可达到一级指标要求。

4.2 王洼矿区5#煤层清洁利用等级评价

根据唐书恒等煤炭清洁利用潜势评价指标体系，通过灰分、全硫、氟、氯、砷等指标的煤质测试分析数据对5#煤层的清洁利用等级进行综合评价［23］。若评价指标洁净等级不一致时，以洁净等级差者为准。5#煤层原煤综合评价洁净等级为Ⅲ级，属较好洁净煤。浮煤综合评价洁净等级为Ⅱ级，属好洁净煤（表5）。

表5 5#煤层煤质洁净等级划分Table 5 Classification of clean grade of No.5#coal seam

5 结论

1）王洼矿区5#煤层镜质组含量平均为54.6%，惰质组含量平均为34.1%，壳质组平均含量为1.6%，氢碳原子比平均0.68，镜质组最大反射率为0.39%～0.69%，属于中阶烟煤。具有特低-低灰、低硫-中硫、低有害元素、无黏结性、相对较低水分、低焦油产率、较高二氧化碳反应性、中等可磨性、较低流动温度灰等特征。

2）王洼矿区西北部（银洞沟煤矿和王洼煤矿北部）5#煤层具有直接液化用煤潜力，矿区东部（后备区）和南部（王洼煤矿以南）煤可用于气化用煤及以气化为基础的间接液化用煤，首选干煤粉气流床和水煤浆气流床气化工艺。

3）王洼矿区5#煤层原煤洁净等级综合评价为Ⅲ级，属较好洁净煤；浮煤洁净等级综合评价为Ⅱ级，属好洁净煤。清洁高效利用途径主要为直接液化、优质清洁动力用煤、气化用煤、以及气化为基础的间接液化制油、制甲醇、制烯烃等。