东胜矿区水煤浆气流床气化用煤评价指标体系及资源分级

张 静 秦云虎 王双美 何建国 朱士飞 霍 超 马 荣

(1.江苏地质矿产设计研究院，江苏省徐州市，221006；2.中国煤炭地质总局勘查研究总院，北京市丰台区，100039)

“十三五”时期，国家将煤炭清洁高效开发利用作为能源转型发展的立足点和首要任务，为煤炭行业转变发展方式、实现清洁高效发展创造了有利条件。“特殊用煤评价指标体系研究”是中国煤炭地质总局承担的二级项目“特殊用煤资源潜力调査评价”中的主要内容，主要用于评价我国现有煤炭资源中用于炼焦、直接液化以及气化这3种不同工业用途的优质煤炭资源，从源头对煤炭进行煤质指标评价，确定其利用方向，为煤炭分级分质提供依据，具有重要意义。

1 水煤浆气流床气化用煤评价指标体系的建立

水煤浆气化技术是目前最为成熟的气流床气化技术，水煤浆气流床气化用煤通常选用气化反应活性较高的年轻烟煤，烟煤中最适宜的是长焰煤和气煤等。不同的煤类有不同的工业用途，在选择不同的加工工艺和加工方法时，可合理安排煤炭产品的等级和品种。依托“特殊用煤资源潜力调査评价”项目，实地调研了气化企业神华神木化工有限公司、兖州煤业榆林能化有限公司甲醇厂、内蒙古中煤远兴能源化工有限公司，依据国家相关标准，收集资料和采样测试数据，分析研究水分、灰分、硫分、哈氏可磨性指数、成浆浓度以及煤灰熔融性6项煤质指标对水煤浆气流床气化用煤的影响，确定影响水煤浆气流床气化用煤的主要煤质指标，建立水煤浆气流床气化用煤评价指标体系。水煤浆气流床气化用煤评价指标体系的制定主要是针对各勘查阶段的煤炭资源和原煤，适用于煤炭资源的评价。

在东胜矿区以往勘查钻孔的煤质化验资料的基础上，结合采样测试分析的水分、灰分、硫分、哈氏可磨性指数、煤灰熔融性等煤质指标数据，依据建立的水煤浆气流床气化用煤评价指标体系对东胜矿区进行资源量分级。

1.1 煤质指标对水煤浆气流床气化的影响

1.1.1 水分指标(Mad)

控制煤中水分含量，主要是为了保证正常气化过程以及获得较好的气化效率。一般变质程度较深、内在水份含量较低的年轻烟煤较易制出高浓度的水煤浆，而褐煤等年轻煤，内在水分高、成浆性不好，水煤浆浓度只能做到30%～40%，冷煤气效率将低于30%，经济效益较差，不适用作为水煤浆加压气化的原料。有专家研究发现气化用煤内水宜≤8%，还有专家分析认为原料煤内在水分应控制在8%以内，总水含量越低越好。

本次实地调研的3家企业采用原煤作为水煤浆气化原料煤，煤质内水均低于4%，制浆浓度均在60%以上，内水含量和成浆浓度见表1。

表1 内水含量和成浆浓度 %

经综合分析后将本次调研水分指标确定为≤10%。

1.1.2 灰分指标(Ad)

水煤浆气流床煤中灰分越低越好，原煤中灰分含量的增加，不仅直接影响气化效率，还增大气化炉渣口结渣几率，增加气化系统的氧耗、煤耗、能耗和生产成本，同时也会加剧管道、设备和耐火砖的磨损，对气化系统长周期稳定运行不利。有些专家认为水煤浆气化炉原料煤灰分(Ad)最高不要超过20%，最好在15%以下，灰分越高，气化炉比氧耗、比煤耗越高，冷煤气效率越低。

本次调研的3家气化企业灰分含量为特低～低灰煤，煤气化企业煤质灰分指标见表2。

表2 煤气化企业煤质灰分指标 %

本次将灰分指标确定为两级，一级指标为≤10%(特低灰煤)，二级指标为10%～25%(中灰煤)。

1.1.3 硫分指标(St,d)

水煤浆气化过程中硫可通过脱硫工艺制硫磺，气化工艺对硫分要求较低，因此本次硫分不作为评价指标。

1.1.4 哈氏可磨性指数(HGI)

煤的可磨性直接影响磨机的选择和工况条件的确定，既影响水煤浆的产量和质量，又影响磨机的消耗。有些专家认为气化用煤哈氏可磨指数一般要求大于60。本次实地调研的两家采用原煤作为水煤浆气化原料煤可磨性指数均50以上，成浆浓度都在60%～62%。

经综合分析，本次将哈氏可磨性指数>60定为一级指标，50～60定为二级指标。

1.1.5 成浆浓度(C)

成浆浓度是水煤浆气流床气化工艺重要指标参数，在气化过程中起着至关重要的作用。理论上水煤浆浓度越高越好，但兼顾水煤浆的流动性及稳定性，适宜的水煤浆质量分数通常为在60%以上。

本次认为成浆浓度可通过内水和哈氏可磨性指数进行表征，因此成浆浓度不作为评价指标。

1.1.6 煤灰熔融性流动温度(FT)

煤灰熔融性是气化用煤的重要质量指标，是判断气化用煤炉内气化过程中是否容易结渣的一项重要指标，也是煤类选择的重要依据。

本次调研的神华神木化工有限公司和兖矿神木甲醇厂均采用原煤作为气化用原料煤，神华公司采用锦界煤矿煤灰熔点较高，平均在1300℃左右，超过神华神木化工有限公司气化炉1350℃的临界运行温度，为保证气化炉正常运行，不得不降低气化运行温度，以免管道结渣，造成停产。

经综合分析，本次将水煤浆灰熔融流动温度指标确定为≤1350℃。

1.2 水煤浆气流床气化用煤评价指标体系

综上分析，对于水煤浆气化而言，水煤浆气化过程中硫可通过脱硫工艺制成硫磺，气化工艺对硫分要求较低；成浆浓度可通过内水和哈氏可磨性指数进行表征，因此本次硫分和成浆浓度不作为评价指标。水煤浆气流床气化用煤评价指标主要考虑煤灰熔融性流动温度、水分、哈氏可磨性指数、灰分4项煤质指标。二级指标是适合水煤浆气流床气化用煤的入门指标，一级指标是优质水煤浆气流床气化用煤指标。水煤浆气流床气化用煤评价指标体系及分级见表3。

表3 水煤浆气流床气化用煤评价指标体系

2 矿区概况

2.1 矿区地质背景

东胜矿区大地构造分区属于华北地区鄂尔多斯市向斜东胜隆起区，隶属于鄂尔多斯中新生代盆地北部伊盟隆起区及其与伊陕斜坡、天环坳陷的过渡区，具体位置处于东胜隆起区中东部。东胜矿区主要含煤地层为侏罗系中下统延安组，全区主要可采煤层为2-2中煤层。

2.2 矿区煤质特征

研究过程中，收集了东胜矿区温家塔煤矿、李家塔煤矿、武家塔煤矿、转龙湾煤矿和淖尔壕煤矿等14个主要井田的钻孔煤质资料和勘探地质报告。现场采集了乌兰木伦煤矿、布尔台煤矿、霍洛湾煤矿、补连塔煤矿、上湾煤矿、柳塔煤矿、寸草塔一矿、寸草塔二矿和湾图沟煤矿这9个井田样品共计60件，对所采样品的水分、全硫、灰成分、煤灰熔融性以及哈氏可磨性指数等煤质指标进行测试分析。东胜矿区各井田2-2中煤层原煤主要煤质指标统计见表4。

2.2.1 水分(Mad)

东胜矿区原煤水分含量变化在3.98%～10.62%之间，平均为7.36%，水分含量较低。其中乌兰木伦煤矿和温家塔煤矿水分含量较其它井田偏高，平均含量为9.60%和9.52%；上湾煤矿水分含量则偏低，平均含量为4.93%。

表4 东胜矿区各井田2-2中煤层原煤主要煤质指标统计

注：a为平均值

2.2.2 灰分(Ad)

东胜矿区原煤灰分变化在3.60%～26.243%之间，平均为9.14%，大部分为特低灰-低灰煤。其中补连塔煤矿和柳塔煤矿灰分含量平均值大于10%，分别为10.16%和12.75%；寸草塔一矿的原煤灰分含量最高，灰分变化范围为21.95%～30.93%，平均值达到26.24%，为中高灰煤；布尔台煤矿和湾图沟煤矿的灰分含量较低，其平均值分别为3.60%和4.96%。

2.2.3 硫分(St,d)

胜矿区原煤硫分变化在0.08%～1.32%之间，平均为0.42%，大部分为特低硫煤-低硫煤。其中寸草塔二矿的原煤硫分含量最低，硫分变化范围为0.08%～0.14%，平均值达到0.12%，属于特低硫煤。

2.2.4 挥发分(Vdaf)

东胜矿区原煤挥发分变化在29.55%～46.14%之间，平均为35.11%。大部分大于20～37，黏结指数(GRI)测试数据为0，依据中国煤炭分类标准(GB5751-2009)，东胜矿区煤类确定为以不粘煤为主，有零星分布的长焰煤。

2.2.5 哈氏可磨性指数(HGI)

东胜矿区原煤哈氏可磨指数范围为57～128，绝大多数在60～128之间，属中等可磨性～极易磨煤。对于气流床来说，本矿区煤的可磨性好，易制成高浓度的水煤浆。

2.2.6 煤灰熔融性流动温度(FT)

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。根据东胜矿区煤质数据统计，煤灰熔融性流动温度在1120℃～1480℃之间，绝大多数的数据小于等于1350℃，适用于水煤浆气流床气化用煤。

3 资源量分级

根据东胜矿区2-2中煤层煤质数据分析结果，结合水煤浆气流床气化用煤评价指标体系，东胜矿区2-2中煤层大部分煤质数据达到水煤浆气流床气化用煤煤质指标的要求。依据水煤浆气流床气化用煤评价指标体系，对东胜矿区2-2中煤层的煤炭资源量进行分级，见表5和图1。

寸草塔一矿的灰分含量大于25%，不在水煤浆气流床气化用煤评价指标体系中的灰分范围内，不划入水煤浆气流床气化用煤，资源量0.47亿t；柳塔井田和补连塔井田灰分含量大于10%，符合二级指标的煤质要求，划分为水煤浆气流床二级气化用煤，资源量3.85亿t；其它11个井田的各项煤质指标符合水煤浆气流床气化用煤评价指标体系的一级指标，划分为水煤浆气流床气化用煤的一级指标，资源量10.61亿t。

图1 东胜矿区2-2中煤层特殊用煤资源评价

表5 东胜矿区2-2中煤层特殊用煤资源量分级

4 结论

(1)通过分析水分、灰分、硫分、哈氏可磨性指数、成浆浓度以及煤灰熔融性6项煤质指标对水煤浆气流床气化用煤的影响，确定影响水煤浆气流床气化用煤的主要煤质指标为煤灰熔融性流动温度、水分、哈氏可磨性指数和灰分，并对各指标进行了分级，建立水煤浆气流床气化用煤评价指标体系。

(2)东胜矿区2-2中煤层水分含量较低；寸草塔一矿的灰分含量大于25%，灰分较高；硫分普遍较低；煤类确定为以不粘煤为主，有零星分布的长焰煤；哈氏可磨性指数绝大多数在60～128之间，属中等可磨性-极易磨煤；煤灰熔融性流动温度在1120℃～1480℃之间，绝大部分的煤灰熔融性流动温度小于等于1350℃。

(3)东胜矿区2-2中煤层根据水煤浆气流床气化用煤评价指标体系划分为3种类型：寸草塔一矿不符合水煤浆气流床气化用煤评价指标体系条件，不适宜作为水煤浆气流床气化用煤；柳塔井田和补连塔可作为水煤浆气流床二级气化用煤；其它11个井田适宜作为水煤浆气流床一级气化用煤。

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