达拉布特矿主采煤层煤质特征及气化适应性分析

赵 奇

(1.煤炭科学技术研究院有限公司 煤化工分院，北京 100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013)

0 前 言

煤质分析主要包括煤的组成分析、煤的工艺性质分析和煤的物理性质分析，煤质特征研究是预测煤炭质量和评价煤炭利用途径的基础性研究[1-7]。我国已发布煤质评价方面的国家标准和煤炭行业标准20余项，对我国煤炭资源科学评价和合理利用发挥了重要的指导作用。根据煤炭资源煤质的特点和差异性，采取因地制宜、分质综合利用等措施符合我国目前煤炭清洁利用的政策。

现代煤化工产业的发展是高效利用我国煤炭资源的途径之一，准确把握煤化工项目用煤煤质对生产正常运行及经济效益具有重要影响[8-10]。新疆地区赋存丰富的煤炭资源，和什托洛盖煤田位于新疆准噶尔盆地西北缘，其为新疆和丰工业园区煤化工项目用煤基地[11]。达拉布特一号矿位于和什托洛盖煤田白杨河矿区内，以下研究达拉布特一号矿主采煤层煤质特征，包括灰分、硫分、挥发分、黏结指数、发热量、微量元素、煤灰成分及煤灰熔融温度等煤质指标，并分析其气化适应性，以期研究结果可为实现煤炭资源就地转化利用提供参考。

1 达拉布特一号矿地质概况

达拉布特一号矿位于新疆准噶尔盆地西北缘、克拉玛依市北90 km处，行政区划属和布克赛尔蒙古族自治县管辖。井田东西长12.15 km～12.37 km，南北宽12.34 km～16.16 km，面积172.25 km2。井田内地层整体北倾，地层整体为单斜构造、向北倾斜，地层倾角很缓。井田内断裂构造不发育，煤系地层无岩浆岩发育，属简单构造。

井田内主要含煤地层包括侏罗系中统西山窑组和下统八道湾组，2个煤组共含可采煤层7层，可采煤层的平均总厚度为19.56 m。井田内总资源量2 090.21 Mt，其中先期开采地段的总资源量747.25 Mt，主采煤层为B13煤层和B14煤层。

2 煤质特征

以达拉布特一号矿地质勘探钻孔煤样的煤质化验数据为基础，分析B13煤层和B14煤层煤样的灰分、硫分、挥发分、黏结指数、发热量、微量元素、煤灰成分及煤灰熔融温度等主要煤质指标。

2.1 煤类判别

达拉布特一号矿主采煤层煤镜质体平均最大反射率值在0.33%～0.48%，干燥无灰基挥发分产率在35%～41%，透光率约为60%，黏结指数G小于5。依据国标GB/T 5751《中国煤炭分类》的规定[12]，确定主采煤层煤炭以长焰煤(CY41)为主，局部位置有分布不均的不黏煤(BN31)。

2.2 灰分

达拉布特一号矿B13煤层原煤灰分(Ad)为5.96%～35.22%，平均12.83%；浮煤灰分(Ad)为3.35%～12.31%，平均8.18%。B14煤层原煤灰分(Ad)为7.26%～28.14%，平均13.31%；其浮煤灰分(Ad)为5.38%～14.05%，平均8.53%。B13煤层和B14煤层主要为低灰煤，灰分含量有一定波动，洗选后大部分煤样的灰分小于10%。B13煤层和B14煤层的灰分分布等值线图分别如图1、图2所示。

图1 B13煤层灰分(Ad)分布等值线图

图2 B14煤层灰分(Ad)分布等值线图

B13煤层灰分(Ad)总体主要集中分布在5.0%～20.0%，其所占的百分比为89%，且以10.0%～15.0%的样品最多。该煤层灰分在水平方向上呈现西北和东北方向较高(有些甚至高于20.0%)、中部和南部方向较低、大部分低于10%。

B14煤层灰分(Ad)总体主要集中分布在8.0%～18.0%，所占的百分比为84%，且以8.0%～13.0%的样品最多。该煤层灰分在水平方向上呈现东北和西南方向的较小区域内较高(大多高于15.0%)、其余方向较低、大部分低于15%。

2.3 硫分

达拉布特一号矿B13煤层原煤硫分(St,d)为0.15%～1.29%，平均0.46%；浮煤硫分(St,d)为0.11%～0.67%，平均0.26%。B14煤层原煤硫分(St,d)为0.17%～1.42%，平均0.44%；浮煤硫分(St,d)为0.08%～0.65%，平均0.26%。B13煤层和B14煤层主要为特低硫煤，硫分含量有一定波动，洗选后煤样硫分大都有所降低。B13煤层和B14煤层硫分的分布等值线图分别如图3、图4所示。

图3 B13煤层硫分(St,d)分布等值线图

图4 B14煤层硫分(St,d)分布等值线图

B13煤层硫分(St,d)主要集中分布在0.1%～0.5%，所占的百分比为71%。该煤层硫分水平整体较低，大多低于0.45%；在水平方向上呈现中间区域较低，而周边区域相对略高，有部分高于0.6%。

B14煤层硫分(St,d)主要集中分布在0.2%～0.6%，所占的百分比为87%。该煤层硫分水平整体较低，大多低于0.6%；在水平方向上呈现西南区域略高，而其余区域均相对较低的特征。

2.4 发热量

达拉布特一号矿B13煤层原煤发热量(Qgr,d)为18.14 MJ/kg～27.33 MJ/kg，平均24.91 MJ/kg；B14煤层原煤发热量(Qgr,d)为19.03 MJ/kg～26.61 MJ/kg，平均24.59 MJ/kg。B13煤层和B14煤层主要为中高发热量煤，由达拉布特一矿主采煤层灰分(Ad)与干燥基高位发热量(Qgr,d)的数据拟合，可得出B13煤层Qgr,d与Ad关系式:Qgr,d=28.94-0.310Ad；B14煤层Qgr,d与Ad关系式为:Qgr,d=29.32-0.349Ad。Qgr,d与Ad的关系图分别如图5、图6所示。B13煤层和B14煤层Qgr,d与Ad之间为一元线性关系，相关系数R分别为0.961和0.932，线性相关性较好，可通过拟合得出的Qgr,d与Ad关系式由Ad较准确地预测Qgr,d。

图5 B13煤层Qgr,d与Ad间拟合关系图

图6 B14煤层Qgr,d与Ad间拟合关系图

2.5 微量元素

达拉布特一号矿B13煤层原煤磷含量(Pd)为0.000%～0.030%，平均0.010%；B14煤层原煤的磷含量(Pd)为0.001%～0.087%，平均0.019%。B13煤层特低磷煤占比为48.0%，低磷煤占比为52.0%。B14煤层特低磷煤占比为40.9%，低磷煤占比为41.5%，在先期开采区西北部区域出现中磷煤分布的点。

B13煤层原煤氟含量(Fd)为10 μg/g～187 μg/g，平均41 μg/g；B14煤层原煤氟含量(Fd)为14 μg/g～132 μg/g，平均43 μg/g。B13煤层特低氟煤占比为76.3%，低氟煤占比为5.1%，在先期开采区东北部区域有少量中氟煤分布的点。B14煤层特低氟煤占比为84.9%，低氟煤占比为13.2%，在先期开采区西南部区域有个别中氟煤分布的点。

B13煤层原煤氯含量(Cld)为0.000%～0.100%，平均0.020%；B14煤层原煤氯含量(Cld)为0.000%～0.078%，平均0.020%。B13煤层特低氯煤占比为89.4%，低氯煤占比为10.6%。B14煤层特低氯煤占比为95.5%，低氯煤占比为4.5%。2个煤层的氯含量(Cld)在空间分布上总体均较低。

2.6 煤灰成分及煤灰熔融特性

2.6.1煤灰成分

达拉布特一号矿主采煤层煤灰成分以SiO2为主，其次为CaO和Al2O3，煤灰成分含量波动较大。B13煤层煤灰的SiO2含量为15.66%～55.18%，平均33.72%；Al2O3含量为6.92%～28.40%，平均16.67%；CaO含量为5.32%～42.69%，平均20.55%。B14煤层煤灰的SiO2含量为10.56%～52.43%，平均33.94%；Al2O3含量为6.43%～31.01%，平均18.71%；CaO含量为10.23%～38.16%，平均为20.80%。

为了进一步分析煤灰成分，绘制达拉布特一号矿主采煤层的主要煤灰成分分布直方图如图7～图12所示。

图7 B13煤层SiO2统计直方图

图8 B13煤层Al2O3统计直方图

图9 B13煤层CaO统计直方图

图10 B14煤层SiO2统计直方图

图11 B14煤层Al2O3统计直方图

图12 B14煤层CaO统计直方图

B13煤层煤灰组成中二氧化硅(SiO2)含量主要分布在15.00%～40.00%，所占百分比约为80%。三氧化二铝(Al2O3)含量在10.00%～25.00%间有集中的趋势，该区间Al2O3含量占比约81%。氧化钙含量分布在10.00%～30.00%间有集中的趋势，该区间氧化钙含量约为78%。

B14煤层煤灰主要成分分布较为离散。煤灰组成中二氧化硅含量分布在22%～40%有集中的趋势，所占百分比约为76%；Al2O3含量分布在12%～18%的占比为55%，其余含量内分布较为离散；氧化钙含量分布在10%～38%，波动最大且规律不明显。

2.6.2煤灰熔融性温度

一般来讲，石炭二叠纪煤灰中的Al2O3和SiO2较高，其煤灰熔融温度较高；早、中侏罗世煤灰中的CaO含量较高而Al2O3较低，故其煤灰熔融温度也较低。达拉布特一号矿主采煤层煤灰熔融温度分析情况见表1。由表1可知，矿区主采煤层煤灰熔融温度有一定波动，此为主采煤层灰成分的波动所造成。总之，达拉布特一矿B13及B14煤层的煤灰属于较低软化及较低流动温度灰。

表1 主采煤层的煤灰熔融性温度波动情况℃

3 气化适应性分析

(1)固定床气化用煤煤质要求。固定床气化技术使用的原料煤可采用褐煤、长焰煤、贫煤和无烟煤，但根据应用状况，对入炉煤主要煤质一般要求为:灰分(Ad)在20%以下，灰熔融温度ST大于1 250 ℃，黏结指数小于10，热稳定性TS+6大于60%。

(2)流化床气化用煤煤质要求。流化床气化工艺最适宜的煤种为褐煤和低阶烟煤，对入炉煤主要煤质的一般要求为:入炉煤粒度控制小于10 mm，入炉煤水分要求小于10.0%，灰分适应性较宽(至30%)，煤灰熔融性温度ST大于1 250 ℃。

(3)气流床气化用煤煤质要求。按进料方式的不同，气流床气化又分为干煤粉气流床气化工艺和水煤浆气流床气化工艺。干煤粉气化可气化无烟煤、烟煤、褐煤等各种煤，原料适应性较宽；水煤浆气化可气化改性褐煤和烟煤。干粉气流床气化工艺对入炉煤质的一般要求为:原料煤的FT要低于1 450 ℃，烟煤全水低于4%，褐煤全水低于8%，灰分含量控制在20%以下，煤的哈氏可磨性指数在60以上。水煤浆气流床气化工艺对入炉煤质一般要求为:灰熔融温度FT低于1 300 ℃，煤中的灰分低于20%，水煤浆浓度大于60%，煤的哈氏可磨性指数在60以上。

(4)达拉布特一矿煤炭气化适应性分析。达拉布特一矿煤炭原煤全水分在30%左右，灰分约13%，通过浮选后灰分可控制到10%以下；该煤炭灰分及硫分均较低，此可作为气化用煤的优势，微量元素含量较低则有利于气化净化及废水的处理。煤灰熔融温度是气化用煤的重要指标之一，该煤炭灰熔融温度ST约在1 240 ℃，对于固态排渣的鲁奇气化工艺煤灰熔融性温度略低，可通过调节汽氧比等参数以降低气化温度实现应用；煤灰软化温度可满足气流床液态排渣的要求。该煤炭以无黏结性的长焰煤为主，煤对二氧化碳反应性在1 100 ℃时即可达到100%，热稳定性TS+6在65%左右，哈氏可磨性指数在80左右。从煤质特性的角度分析考虑，该煤炭适用于气化用煤，选择气化工艺时，需采取一定措施解决全水分高的问题，从而提高气化过程的能效以及降低气化废水处理量。

4 结 论

新疆达拉布特一号矿主采B13煤层和B14煤层煤炭以长焰煤为主，局部位置有分布不均的不黏煤，主要煤质特征为低灰、特低硫、中高发热量、低磷、特低氟、特低氯煤;主采煤层煤灰成分以SiO2为主，其次为CaO和Al2O3，煤灰成分含量波动较大，煤灰熔融性属于较低软化温度灰以及较低流动温度灰，适合作为气化用煤炭资源。