宁夏特种煤资源煤质特征综合评价研究

刘成龙，周凤英，张 艳，闫 强

(1.中国地质科学院矿产资源研究所，北京 100037；2.中国地质科学院全球矿产资源战略研究中心，北京 100037；3.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京 100083；4.国土资源部成矿作用与资源评价重点实验室，北京 100037)

宁夏特种煤资源煤质特征综合评价研究

刘成龙1，2，3，周凤英1，2，4，张 艳1，2，4，闫 强1，2，4

(1.中国地质科学院矿产资源研究所，北京 100037；2.中国地质科学院全球矿产资源战略研究中心，北京 100037；3.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京 100083；4.国土资源部成矿作用与资源评价重点实验室，北京 100037)

根据不同煤质的综合利用是未来煤炭开发需重点考虑的问题，也是去产能现状下煤炭的唯一出路，宁夏特种煤煤质特征评价研究不够。本文通过对宁夏9个煤矿14块样品的煤质分析实验，评价了宁夏特种煤资源煤质和分布特征。宁夏适合气化用煤主要分布在宁东地区，煤与CO2反应性好的煤矿包括清水营、枣泉、王洼1井、金凤和羊场湾。金凤煤矿12号煤对比直接液化煤质要求匹配度0.81，匹配度最高，宁夏适合直接液化的特种煤资源主要分布在马家滩矿区。石炭井矿区大丰2号煤中含有伴生有益高元素，其中钪Sc、镓Ga、钍Th元素含量高于中美煤中元素含量平均值。宁夏部分煤中有害元素富集，其中王洼1井5号煤属高磷煤，金凤煤、任家庄3号煤中铅和氟含量富集。相较于全国其他地区，白芨沟和大丰矿煤具有低含水、低灰低硫、高发热量及落下强度高的煤质特征，是一种国际公认的稀缺而珍贵的煤炭资源，俗称“黑金”，属稀缺煤类。

特种煤；气化用煤；直接液化；有益元素；有害元素；稀缺煤

根据不同煤质的综合利用是未来煤炭开发需重点考虑的问题，也是去产能现状下煤炭的唯一出路[1-2]。具有特殊煤质和特殊用途煤称为特种煤，根据煤炭清洁利用方式和对环境的影响，中国煤炭地质总局认为特种煤又分为优质煤化工用煤、特殊高元素煤和稀缺煤。其中，煤化工用煤包括气化用煤、液化用煤和焦化用煤[3]；特殊高元素煤包括有益元素和有害元素，如含有有益元素有锗、镓、锂、铜、钍、铀和稀土元素等，有害元素有硒、磷、汞、砷、氯、氟、铅等[4]。随着国内环境恶化压力的增大，煤炭清洁利用越来越受到重视，前环保部部长现北京市长陈吉宁就明确指出，控制空气污染，“十三五”将大力推进清洁煤炭的使用[1]。从而对煤炭的分质利用要求随之提高，特种煤的综合评价的需求也势在必行。

宁夏回族自治区是中国重要的含煤大省，截至2015年底，宁夏煤炭查明资源储量328.03亿t，其中探明资源量290.66亿t，居全国第六位[5]。全区含煤面积17 000 km2，煤矿122个。主要聚煤期有晚石炭世、早二叠世和中侏罗世，主要含煤矿区有石炭井矿区、灵武矿区、马家滩矿区和王洼产煤区[6]。本文前人研究的基础上，加上本次在宁夏四大重点矿区煤样煤岩煤质实验，得出了宁夏煤炭资源中特种煤煤质及分布特征，力争为宁夏特种煤的综合开发利用提供参考。

1 样品的采集与测试

本次研究共采集煤样品14块，来自于四大矿区9个煤矿(图1)，样品覆盖宁夏主要含煤地区，具体样品信息见表1。采样方法严格参照《煤层煤样采取方法》(GB/T 482-2008)、《煤炭资源勘探煤样采取规程》((87)煤地字第 656号)和《煤炭资源勘查煤质评价规范》(MT/T1090-2008)。在江苏地质矿产设计研究院完成包括煤岩学、工业分析、元素分析、工艺分析等煤质实验，具体实验项目包括水分、灰分、挥发分、发热量、全硫、元素分析、氢碳原子比、哈氏可磨性指数、煤岩显微组分、煤镜质体反射率、灰熔融性、煤对CO2反应性、热稳定性、落下强度、灰成分、锗、镓、铀、锂、铌、稀土元素、钒、铜。

2 宁夏煤化工用煤煤质及分布特征

煤化工产业目前是我国煤炭清洁利用的主要方式之一，现代煤化工过程采用的技术是在密闭的系统中，将煤炭气化，生成的粗合成气后再经过脱硫、脱碳等净化措施，得到纯净的合成气用于合成天然气、油品、甲醇、烃类等过程。煤化工过程输入的是煤、氧气、水，输出的是产品和纯净的二氧化碳，原料煤中的硫、汞等污染物都在工艺过程中得到了转化回收，硫回收率达到99.8%以上，没有NOX排放，循环水排污水、工艺废水等深度处理后回用，最终实现污水近零排放。煤化工实现了煤炭中的污染物处理和集中利用，具有明显的环保优势，和直接燃煤相比，SO2排放可下降99.8%，粉尘排放可下降99.9%，和燃煤发电(带脱硫脱硝，脱硫效率约90%)相比，SO2排放可进一步降低80%，NOx可降低75%。近年来以煤制油、煤制天然气、煤制烯烃、煤制乙二醇、煤制芳烃为代表的新型煤化工发展势头迅猛，正处在大规模建设阶段，产能扩张迅速。据统计中国投产、在拟建煤化工项目共168项，其中投产54项，在家44项，拟建70项。不同煤化工工艺原煤煤质要求不同，选取不当会导致煤质生产事故，如气化炉内壁腐蚀、渣口堵渣、合成器冷却器入口堵灰、水煤浆浓度偏低、灰熔点不稳定等。因此，查明宁夏煤化工用煤的煤质及分布特征，可为宁夏煤化工产业的发展与布局提供重要的依据。

图1 宁夏煤炭资源分布及采样位置

矿区样品名称层位石炭井大丰2上、大丰2杆1、大丰2中、大丰2杆2、大丰2底、白芨沟2号侏罗系延安组灵武枣泉2号、灵新、清水营2号、任家庄3号、羊场湾2号侏罗系延安组马家滩金凤12号、金凤18号侏罗系延安组王洼王洼1井5号侏罗系延安组

2.1 宁夏气化用煤煤质及分布特征

煤气化是以煤为原料，以氧气、水蒸气或氢气等作气化剂，在高温条件下通过化学反应将煤中的可燃部分转化为气体燃料或下游原料的过程。煤气化 效率的高低，决定了采用煤制气工艺效率的高低，通常用煤与CO2的反应性实验得出。即煤与CO2反应过程中，CO2还原率越大，说明煤气化效果越好[7-8]。图2展示煤与二氧化碳的反应性曲线(图2)。从图2中可以看出，宁夏的灵武矿区煤气化效果最好，其次是王洼矿区和马家滩矿区，石炭井矿区煤气化效果差。950 ℃温度下，CO2还原率超过50%的有清水营煤、枣泉煤、王洼1井煤、金凤

煤和羊场湾煤，其中清水营煤75.6%最高；大丰煤、白芨沟煤和任家庄煤CO2还原率均未超过50%，。对比分析图3显示高CO2还原率煤具有以下煤质特征：水分含量4%～10%；氧含量12%～20%；挥发分30%～40%；低位发热量20～26 kJ/kg；哈氏可磨性指数大于90；氢碳原子比0.6～0.8；硫化铁硫0.1%～0.5%；酸性矿物含量大于40%，碱性矿物含量小于40%。

总之，适合气化用煤的煤矿包括清水营、枣泉、王洼1井、金凤和羊场湾，主要分布在宁夏宁东地区。

图2 煤与CO2反应曲线

图3 煤CO2还原率与煤质相关关系

2.2 液化特征

煤直接液化是将煤在氢气和催化剂作用下通过加氢裂化转变为液体燃料的过程[9]。目前，国内直接液化工艺只有神华直接液化技术，是由神华集团研制的煤炭直接液化工艺，一般要求原煤灰分<10%，氢含量>5.2%，硫分<1，氢碳原子比≥0.77，镜质组反射率<0.85%，挥发分>35%，惰质组分含量<10%。为了定量化各煤矿煤是否满足直接液化要求，引入匹配度的概念，匹配度是指各煤质参数满足直接液化要求的程度，最大值为1。匹配度等于各煤质参数匹配度的平均值，如灰分含量要求<10%，满足要求的匹配度为1，不满足要求的匹配度等于10%除以灰分含量。氢含量要求>5.2%，满足要求匹配度为1，不满足要求匹配度等于氢含量除以5.2%。根据直接液化煤质要求，分析各煤样的匹配度(表2)，得出以下结论。

1)马家滩矿区金凤煤矿12号煤直接液化匹配度0.81，匹配度最高，煤中灰分含量34.44%，液化配煤需做洗煤去灰处理，可将灰分含量降低到15%以内。金凤矿18号煤直接液化匹配度0.79，煤中惰质组分含量过高，不易处理，18号煤不适合作为直接液化用。

2)灵武矿区和王洼产煤区煤样直接液化匹配度0.77～0.8，惰质组分含量过高，分布为31.3%～77.7%，平均51.2%，不适合作为液化用煤。

3)石炭井矿区煤样直接液化匹配度0.59～0.64，大丰矿和白芨沟矿煤中氢含量平均3.3%，氢碳原子比平均0.43%，挥发分平均10.58%，均低于直接液化用煤煤质要求，镜质体反射率平均2.5%，成熟度过高，不适合作液化用煤。

因此可见，宁夏适合直接液化的特种煤资源主要分布于马家滩矿区。

表2 直接液化煤质要求及宁夏区煤样煤质数据

3 煤中伴生高元素含量特征

动力煤燃烧使用，是我国煤炭资源目前最主要的利用方式之一。而高有益元素煤，若直接燃烧，其中的有益元素未回收，则是一种资源的浪费；而高有害元素煤，如高硫煤，若直接燃烧而未采用有效措施控制，将导致酸雨的形成，带来严重的环境污染。因此，查明特殊的高元素煤的分布，将为宁夏煤炭资源合理、高效清洁利用，提供重要的依据。

煤中伴生元素主要包括锂Li、钪Sc、铜Cu、镓Ga、钇Y、铌Nb、镧La、铈Ce、镨Pr、钕Nd、钐Sm、铕Eu、钆Gd、铽Tb、镝Dy、钬Ho、饵Er、铥Tm、镱Yb、镥Lu、钍Th、铀U。中国煤中元素含量平均值是按照第三次煤田地质预测资料，以各全国各矿区保有储量为依据，引入“储量权值”概念的方法进行的统计，各元素含量值由代世峰等统计(表3)[10]。对比宁夏煤与中国煤以及美国煤中伴生元素含量平均值，发现以下异常。

1)钪Sc。Sc属稀土元素，钪常用来制特种玻璃、轻质耐高温合金。在大丰露天矿2号煤层中Sc含量6.98～8.1μg/g，是中国煤和美国煤中Sc含量平均值的两倍。

2)镓Ga。Ga常用于半导体生产，温度计，激光二极管，也可用作癌的定位。在大丰矿2号煤中Ga含量平均14.5μg/g，超过中国煤和美国煤中Ga含量平均值，但没有达到工业开采品位30μg/g。煤中Ga一般与黏土矿物或铝的氢氧化物矿物有关，主要是因为Al和Ga的地球化学性质相似，Ga可以和Al形成类质同像。

3)钍Th。大丰矿2号煤中Th含量7～10.08μg/g，超过中国煤和美国煤中Th含量平均值。钍是一种放射性金属元素，带钢灰色光泽，质地柔软，化学性质较活泼。钍经过中子轰击，可得铀-233，因此它是潜在的核燃料。钍广泛分布在地壳中，是一种前景十分可观的能源材料。

表3 宁夏煤中伴生元素含量与中国煤平均值以及美国煤平均值的对比

数据来源：中国煤中微量元素的含量是按照第三次煤田地质预测资料，以全国各矿区保有储量为依据，引入“储量权值”概念的方法进行统计，表中锂Li、钪Sc、镓Ga、钇Y、铌Nb、镧La、铈Ce、镨Pr、钕Nd、钐Sm、铕Eu、钆Gd、铽Tb、镝Dy、钬Ho、饵Er、铥Tm、镱Yb、镥Lu由代世峰统计，铜Cu、钍Th、铀U由任德贻统计[10]。

煤中有害元素有磷、硫、铅、氯、氟、砷、汞、硒，宁夏主要矿区煤中有害元素含量见表4。煤中磷在炼焦时，随着矿物质转入焦炭，在冶炼时易使生铁产生冷脆性，燃烧时污染空气，王洼1井5号煤磷含量0.14%，超过中国煤和美国煤中磷含量平均值，根据国家标准煤中磷含量的分析，王洼1井5号属高磷煤。煤中含硫，若直接燃烧，易生成的二氧化硫腐蚀设备，污染空气，危害人体健康；当作为焦炭用于炼铁时使铁产生热脆性，严重影响生铁质量。本次研究的宁夏煤中硫含量0.08%～1.39%，属中低硫煤。煤中铅通常是通过燃烧进入大气土壤和水中，从而影响环境，铅含量金凤煤19 μg/g、任家庄3号煤29 μg/g以及大丰2号夹矸中42 μg/g，超过中美煤中铅含量平均值，相对富集。煤中氟是有毒物质，人体蓄存过量致氟中毒后的主要症状为牙齿变黄、变黑、腿呈X型或O型、躬腰驼背或者手臂只能弯不能伸等，中毒轻者造成氟斑牙，重者出现氟骨症，甚至完全丧失劳动和生活自理能力，金凤12号煤氟含量206 μg/g，大丰2号夹矸中氟含量299 μg/g，远超过中美煤中氟含量平均值，属高氟煤。其他有害元素富集不明显。

表4 煤中有害元素含量表

数据来源：文献[10]。

4 稀缺煤煤质特征

分析石炭井矿区大丰2号煤和白芨沟煤煤质特征，发现煤岩显微组分中镜质组含量平均75%，以基质镜质体为主，胶结惰质组和黏土等，少量结构镜质体2，胞腔变形；惰质组平均22%，以半丝质体为主，其次碎屑惰质体，少量粗粒体和氧化丝质体；矿物主要为黏土，充填裂隙或胞腔，碳酸盐在菱铁矿中，结核状；未发现壳质组分。工业分析中水分、灰分、挥发分含量低，固定碳含量高，平均含水1.37%，灰分8.09%，挥发分10.6%，固定碳82.2%。发热量高，平均低位发热量31.1 kJ/kg。硫含量平均0.11%，属特低硫煤，碳含量高达91%。煤灰成分中SiO227.15%、Al2O313.27%、Fe2O317.17%、CaO 3.86%，K2O 0.4%、Na2O 1.66%、MgO 9.43%、SO34.23%、TiO20.85%、MnO20.24%、P2O50.1%，碱性矿物含量大于酸性矿物含量。煤工艺性质中，煤落下强度96.9%，落下强度高；哈氏可磨性指数54.3，可磨指数低；热稳定性高，TS6平均93.75%。相较于全国其他地区，白芨沟和大丰矿煤具有低含水、低灰低硫、高发热量及落下强度高的煤质特征，是一种国际公认的稀缺而珍贵的煤炭资源，俗称“黑金”，属稀缺煤类。

5 结 论

本文对通过对宁夏重要矿区煤样的煤质特征分析，得出以下结论。

1)宁夏区特种煤种类丰富，气化用煤、液化用煤和稀缺煤均有分布，其中可气化用煤主要分布在宁东地区；可直接液化煤炭资源少，马家滩矿区金凤煤矿煤基本满足直接液化要求，且同时可用作气化用煤利用，应将金凤煤矿列为煤化工用煤重点研究矿区。

2)大丰2号煤具有低含水、低灰低硫、高发热量及落下强度高的煤质特征，属稀缺煤。且煤中钪Sc、镓Ga、钍Th元素含量异常超过中国煤和美国煤中钪Sc、镓Ga、钍Th元素含量平均值，具备高元素煤开采的潜在价值，应保护性开采

3)宁夏部分煤中有害元素富集，如王洼1井5号高磷煤、金凤任家庄3号高铅煤以及金凤12号高氟煤。在煤炭开发利用过程中应注意有害元素的前期洗选和后期排放回收。

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Study on comprehensive evaluation of coal quality characteristics of special coal resources in Ningxia

LIU Chenglong1，2，3，ZHOU Fengying1，2，4，ZHANG Yan1，2，4，YAN Qiang1，2，4

(1.Institute of mineral resources，Chinese Academy of Geological Sciences，Beijing 100037，China；2.Research Center for Strategy of Global Mineral Resources，Chinese Academy of Geological Sciences，Beijing 100037，China；3.Earth Science and Surveying Engineering，China University of Mining and Technology(Beijing)，Beijing 100083，China；4.MLR Key Laboratory of Metallogeny and Mineral Assessment，Beijing 100037，China)

Comprehensive utilization with different coal quality is considered to be the key issue of the future coal development，and it is coal’s only way out under the status of reducing coal production.Study of the evaluation of special coal quality in Ningxia is not enough.In this paper，the quality and distribution characteristics of special coal resources in Ningxia were evaluated by coal quality analysis of 14 samples of 9 coal mines in Ningxia.Good reactivity of coal and CO2includes Qingshuiying/Zaoquan/Wangwa 1#/Jingfeng and Yangchangwan.Coal resources suitable for gasification in Ningxia are mainly distributed in Ningdong area.According to coal quality request of direct liquefaction，the matching degree of Jinfeng coal mine is the highest，0.81.Special coal resources suitable for direct liquefaction in Ningxia are mainly distributed in Majiagou mining area.Dafeng 2# coal in Shitanjing mining area contains associated beneficial elements.The content of Sc，Ga and Th in Dafeng is higher than the average content in China and United States.Part of the coal in Ningxia has harmful elements.Wangwa1 5# is high-phosphorus，lead and fluoride content enrichment in Jinfeng and Renjiazhuang 3#.Compared with other parts of China Baijigou and Dafeng coal has low water content，low ash and low sulfur，high calorific value and high strength of falling strength.It is an internationally recognized scarce and precious coal resource.

special coal；gasification coal；direct liquefaction；beneficial element；harmful elements；scarcity coal

2017-03-26 责任编辑：宋菲

地质矿产调查评价项目“全国特种煤资源综合评价与信息系统建设”资助(编号：DD20160189)；地质矿产调查评价项目“能源安全综合研究与动态跟踪评价”资助(编号：DD20160084)

刘成龙(1988-)，男，博士研究生，主要从事煤岩及煤层气开发方面的研究工作，E-mail：iamliuchl@qq.com。

TQ536

A

1004-4051(2017)07-0061-07