曹家滩煤矿2%5E%28-2%29煤层煤质特征及清洁利用评价.pdf

第 69 卷增刊 1Vol.69Supp.12023 年6 月Jun.,2023地质论评GEOLOGICALREVIEW121曹家滩煤矿 2-2煤层煤质特征及清洁利用评价董伸培1)，乔军伟1,2,3)，陈远垚1)，杜芳鹏4)1)西安科技大学 地质与环境学院，西安，710054；2)西安科技大学 煤炭绿色开采地质研究院，西安，710054；3)陕西省煤炭绿色开发地质保障重点实验室，西安，710054；4)4）延安大学 石油工程与环境工程学院，陕西延安，716000一注：本文为陕西煤业化工集团有限责任公司科学技术研究计划项目（编号：2021SMHKJ-A-J-07-02）的成果。收稿日期：2023-04-10；改回日期：2023-04-30；责任编辑：李明。DOI：10.16509/j.georeview.2023.s1.049作者简介：董伸培，男，1996 年生。硕士，资源与环境；Email：。通讯作者：乔军伟，男，1985 年生，副教授，煤炭地质；Email:。关键词：关键词：曹家滩煤矿 2-2煤层；煤岩特征；煤质特征；清洁利用我国“富煤、贫油、少气”的能源结构决定了煤炭是我国的基础能源，同时煤炭资源清洁高效利用是实现国家“双碳目标”的有效途径。通过对陕北侏罗纪煤田曹家滩煤矿 2-2煤层采集样品煤质数据的综合分析，探讨了该矿煤质特性及清洁利用途径，研究结果表明 2-2煤层属于低水分、低灰、中高高挥发分、低硫、特低硫、高发热量煤等特点，煤层中有害元素磷、氯也极少的优质煤。对 2-2煤层展开不同利用方向的分级评价。评价结果显示，曹家滩煤矿 2-2煤层可以作为动力用煤、煤制兰炭用煤、煤制焦油用煤及气化用煤的优质开采煤层，2-2煤层大部分区域为 I 级动力用煤、部分为 II 级动力用煤；大部分区域为 II 级兰炭用煤，小部分为 I、III 级兰炭用煤；大部分区域为 I 级煤制焦油用煤，小部分区域为 II 级煤制焦油用煤；气流床气化，且主要以 I 级和级气化用煤为主；固定床气化用煤主要以 II 级气化用煤为主。我国“富煤、贫油、少气”的能源结构决定了煤炭是我国的基础能源，且短期内难以被全面取代。随着国家生态文明建设的不断推进及“双碳”政策的实施，对煤炭进行清洁高效利用已成为我国煤炭工业绿色发展的必由之路（王双明等，2021）。目前，煤炭在我国能源结构中占主导地位，寻找适合煤动力、煤制兰炭、煤制焦油、气化等清洁利用的优质煤是当前煤炭工业战略发展的主要趋势（魏迎春等，2018）。首先，煤质特征参数是煤炭资源评价的主要内容，不同的灰分、挥发分及硫分直接决定了煤炭资源的用途，并影响煤炭的选别、加工及转化工艺，煤岩煤质研究是洁净煤特性研究和高效利用的基础内容，决定着煤炭利用方向和方式（隋艳，2020）。因此，在曹家滩煤矿开展煤质特征及清洁利用方向研究具有重要意义。曹家滩煤矿是陕西煤业下的重点煤炭生产单位，也是榆神矿区南部重要的大型煤矿。前人在曹家滩煤矿开展的研究对采煤方法以及对周围环境的影响研究较多（李静琴等，2017），但针对煤岩煤质特性及清洁利用方向研究尚未开展系统研究。因此，本次研究以曹家滩 2-2煤层作为研究对象，通过对煤岩煤质的特性以及工艺性能研究，进而将曹家滩 2-2煤层进行煤炭清洁利用方向的分级划分，为该区煤炭资源的综合评价和清洁利用提供科学依据。1地质背景曹家滩煤矿位于陕西省榆林市北部，行政区划隶属榆林市榆阳区金鸡滩乡和大河塔乡及神木县大保当镇管辖，井田在榆神矿区中的位置见图 1。曹家滩煤矿位于鄂尔多斯高原东北部，陕北黄土高原北部，毛乌素沙漠东南缘，为沙丘沙地和风沙滩地、黄土梁峁地貌。曹家滩井田内大部分地区被风积沙所覆盖，部分地段有第四系黄土及新近系红土出露。据钻孔揭露及地质填图资料，区内地层由老至新依次有：三叠系上统永坪组（T3y），侏罗系下统富县组（J1f），地质论评 2023 年 69 卷增刊 1122中统延安组（J2y）、直罗组（J2z）、安定组（J2a）、新近系上新统保德组（N2b）、第四系中更新统离石组（Q2l）、上更新统萨拉乌素组（Q3s）、全新统风积沙（Q4eol），2-2煤层主要为侏罗系中统延安组（J2y）。井田地层构造总体为走向 NE，倾向 NW，倾角不足 1的单斜构造，局部有宽缓的波状起伏。2-2煤层为主采煤层，平均煤层厚度为 3.72 m。2煤岩特征曹家滩煤矿 2-2煤层镜质体反射率为 0.66%，属于低煤阶烟煤。2-2煤层宏观煤岩类型以半亮煤为主，次为半暗煤。显微煤岩成分镜质组以不均匀基质及结构镜质体为主，惰质组以木质丝质体、木质半丝质体及基质体为主。镜质组含量最高为42.9%58.7%，平均值为 50.7%；惰质组含量为28.0%50.0%，平均值为 43.7%；壳质组含量最少，其含量为 0.4%3.4%，平均值为 1.3%；矿物含量为 95.1%98.9%，平均值为 97.5%，详细见（表 1）。3煤质特征对曹家滩煤矿 2-2煤层煤质工业分析，采样点2-2煤层水分介于 3.92%8.86%之间，平均为 6.63%，属于低水分煤；灰分产率介于 4.26%13.96%之间，平 均 为 8.72%，属 于 低 灰 煤；挥 发 分 产 率35.89%40.25%，平均为 38.28%，属中高高挥发分煤；全硫含量 0.33%1.04%，平均 0.55%，属于低硫、特低硫煤，以黄铁矿硫和有机硫为主；干燥基低位发热量（Qnet,d）介于 26.9230.69 MJ/Kg 之间，平均值为 28.99 MJ/Kg 间，属动力煤的高发热量煤。有害元素方面，2-2煤磷分介于 0.001%0.023%之间，平均为 0.009%，属于低磷分煤；氯含量介于0.012%0.067%之间，平均为 0.034%，属于特低氯煤。砷、氟含量极微。煤的工艺特性方面，2-2煤格金低温干馏实验（600）中焦油产率（Tar,d）介于 2.27%14.17%之间，平均值为 10.35%，属富油煤；在 950测温时，煤对二氧化碳还原率介于 19.35%57.80%之间，平均值为 35.74%，属化学反应性较差的煤。4清洁利用途径及分级特征对曹家滩煤矿 2-2煤层清洁利用的评价采用本次研究定制的陕北地区低阶煤清洁利用分级评价标准，采用单项指标依次叠加、叠加指标归属最低级的原则，即不同煤质单项指标叠加后的区域均归属各单项 I 级指标时，某一用途煤分级为 I 级；其中归属某一单项指标 II 级时，某一用途煤分级为 II级；其中归属某一单项指标 III 级时，某一用途煤分级为 III 级。4.1动力用煤依据（李静琴等，2017），发热量（Qnet,ar）、灰分（Ad）、全硫（St,d）、挥发分（Vdaf）、水分（Mt）等影响着动力用煤的煤质质量。其中，发热量作为评价动力用煤的核心指标影响着动力用煤对煤质的选择，2-2煤层发热量平均值为 28.99 MJ/Kg，反映 2-2煤层发热量普遍大于动力用煤 I 级发热量25.12 MJ/kg 的要求。2-2煤层的灰分平均值为8.72%，灰分产率平均值较低，2-2煤层灰分产率均低于灰分 I 级指标小于 20%的要求。2-2煤层硫分含量平均值为 0.55%之间，满足硫分指标小于动力用煤 I 级硫分 1%的要求。挥发分产率平均值为38.28%，2-2煤层的挥发分均大于动力用煤硫分 I 级指标 28%的要求，因此曹家滩 2-2煤层均属于动力用煤挥发分 I 级指标。由此可将动力用煤划分为 I级、II 级、III 级。评价结果如（图 1）显示 2-2煤层的大部分区域属于动力用煤 I 级，其他区域为动力用煤 II 级。4.2煤制兰炭及煤制焦油根 据 兰 炭 用 煤 的 技 术 条 件（GB/T25210-2010），兰炭用煤适用于长焰煤、不粘煤和弱粘煤。依据（李静琴等，2017），兰炭用煤要求关键指标排序为：固定碳（FCd）、挥发分（Vdaf）、灰分（Ad）、全硫（St,d）。固定碳平均值在 55.28%，满足煤制兰炭用煤固定碳 I 级指标50%60%的要求。挥发分方面，挥发分满足煤制兰炭用煤挥发分I 级指标30%40%的要求。灰分方面，灰分存在大于 10%的区域，存在部分区域煤质不能满足煤制兰炭用煤灰分 I、II 级指标要求。全硫方面，全硫存在能够满足煤制兰炭用煤煤质硫分 III 级指标小于1.0%的要求。因此，评价结果如（图 1）显示 2-2煤层的大部分区域属于煤制兰炭用煤 II 级，其他区域为煤制兰炭用煤 I、III 级。热解焦油用煤技术要求的关键指标排序为：焦油产率（Tar,d）、挥发分（Vdaf）、固定碳（FCd）、灰分（Ad）、水分（Mt）。焦油产率，曹家滩 2-2煤层平均值在 8.8%，属富油煤。挥发分，挥发分产率地质论评 2023 年 69 卷增刊 1123均大于煤制焦油挥发分 I 级指标大于 30%的要求。固定碳，固定碳平均值在 55.28%，满足煤制焦油用煤固定碳 I 级指标50%60%的要求。水分，水分介于 3.92%8.86%，平均值在 6.63%之间，满足小于煤制焦油用煤水分 I 级指标小于 8.00%的要求。灰分，灰分小于 10.00%的为 I 级指标，灰分大于10.00%的 为 I 级 指 标，灰 分 产 率 介 于4.26%13.96%，满足煤制焦油用煤灰分指标 I、II要求。因此，评价结果如（图 1）显示 2-2煤层的大部分区域属于热解焦油用煤 I 级，其他区域为热解焦油用煤 II 级。4.3气化用煤依据我国气化用煤工艺指标检测方法解析水煤浆气流床气化用煤以及干煤粉气流床气化用煤技术要求的关键指标排序为：灰分(%)、灰熔点FT()、硫分(%)、水分（%）、成浆浓度（%）及哈氏可磨指数 HGI。灰分产率介于 4.26%13.96%之间，平均为 8.72%，能够满足水煤浆气流床气化灰分小于 20%要求，亦能够满足干煤粉气流床气化灰分小于 35%的要求。煤灰软化温度大部分在1100至 1350之间，对应的煤灰熔融温度均超过了 1100，但 2-2煤层部分区域煤灰软化温度大于1350，对应的煤灰熔融温度超过了 1350，因此研究区 2-2煤层除部分区域外，均能够达到水煤浆气流床气化煤灰熔融性的要求。2-2煤层哈氏可磨性指数为 5670，能够满足水煤浆气流床气化和干煤粉气流床气化哈氏可磨指数大于 40 的要求。因此，评价结果如（图 2）显示 2-2煤层的大部分区域属于水煤浆气流床气化用煤 I、II 级，其他区域为水煤浆气流床气化用煤 III 级。2-2煤层的大部分区域属于干煤粉气流床气化用煤 II 级，其他区域为干煤粉气流床气化用煤 III 级。流化床气化用煤技术要求的关键指标排序为：灰分(%)、灰熔点 ST()、硫分(%)、粘结指数 G 水分（%）、950下，煤对 CO2反应性（%）。煤层粘结性指数（GR.I）绝大多数为 0，部分 15，少量为 6、8、12、13、14，均达到流化床气化用煤粘结指数 I 级标准小于 20 的要求。2-2煤层对 CO2反应性（950）平均值在 19.35%57.80%之间，均小于流化床气化煤对 CO2反应性60%。因此，评价结果如（图 2）显示 2-2煤层的大部分区域属于流化床气化用煤 I、II 级，其他区域为流化床气化用煤 III 级。固定床气化用煤技术要求的关键指标排序为：灰分(%)、灰熔点 ST()、硫分(%)、黏结指数 G、热稳定性 TS-6、水分（%）。2-2煤层对热稳定性 TS-6 介于 80.7%93.97%之间，满足固定床气化热稳定性 I 级（80）和 II 级（7080）的要求。因此，评价结果如（图 2）显示 2-2煤层的大部分区域属于固定床气化用煤 II 级，其他区域为固定床气化用煤 I、III 级。5结论（1）2-2煤层宏观煤岩类型以半亮煤为主，次为半暗煤。有机显微组分显微煤岩成分镜质组以不均匀基质及结构镜质体为主，惰质组以木质丝质体、木质半丝质体及基质体为主。镜质组含量介于42.9%58.7%，惰质组含量介于 28.0%50.0%，