宁东煤田侏罗纪煤岩煤质特征及清洁高效利用

杜芳鹏，雒 铮，乔军伟，赵晓辰，谭富荣，李聪聪，范 琪

宁东煤田侏罗纪煤岩煤质特征及清洁高效利用

杜芳鹏1,2，雒 铮3，乔军伟1,2，赵晓辰1,2，谭富荣3，李聪聪3，范 琪3

(1. 西安科技大学 地质与环境学院，陕西 西安 710054；2. 陕西省煤炭绿色开发地质保障重点实验室，陕西 西安 710054；3. 中国煤炭地质总局航测遥感局，陕西 西安 710199)

宁东煤田侏罗纪煤炭资源量巨大，是当前宁夏回族自治区煤炭资源开发利用的主体。为保障煤炭资源的清洁高效利用，以煤田大量勘查资料为主要依据，分析了宁东煤田侏罗纪煤的煤岩、煤质特征。结果显示：宁东煤田侏罗纪煤具有特低–低灰、特低–低硫、低磷、低砷、低氟、高发热量的特征，这些特征表明其为高清洁度动力用煤；同时还具有中高挥发分、较高氢碳原子比、焦油产率较低(普遍＜7%)及富惰质组等特征表明不适于直接液化用或提取煤焦油。无黏结性、较低水分产率、较高的与二氧化碳反应性(950℃)、煤灰熔融温度，表明其适于气化，且以水煤浆气流床和干煤粉气流床为宜。综合认为研究区煤炭资源的清洁高效利用方式为动力用煤，气化用煤及以气化为基础的间接液化用煤。

宁东煤田；煤炭清洁高效利用；煤岩；煤质；侏罗纪煤

我国当前处于“煤炭革命”时期[1]，煤炭绿色概念逐渐形成[2]，煤炭的清洁高效利用，已成为当前形势下的必然选择[3-4]。提高清洁高效利用的举措中，相关政策的制定、管理及相应设备的改良是重要措施[5]，而根据煤炭资源自生的特性，优化利用方式，提高资源利用率，增加产品附加值则是另一重要举措。因此，煤炭清洁高效利用除了提高动力用煤的清洁度外，还应包括煤中富集有益元素的回收[6-7]，液化[8-9]、炼焦、气化[10]，富油煤中煤焦油的提取[11]等一系列方式。煤岩、煤质是煤炭资源的基本特征，也是分析、评价其清洁潜势及利用途径的关键依据；同时，煤炭地质勘探过程中，积累了丰富、全面的相关数据可供分析。宁东煤田位于宁夏回族自治区东部，煤炭资源储量巨大，是宁夏回族自治区现今及未来煤炭资源开发利用的绝对主体；基于前人的研究基础，笔者从清洁高效利用的角度出发，全面梳理，重新认识研究区煤炭资源的煤岩、煤质特征，以期综合分析其清洁利用方向。

1 地质背景

宁东煤田位于鄂尔多斯盆地西缘逆冲带(图1a)，区内断裂较发育，局部地层倾角较大，煤层埋深变化较大。研究区内分布3套含煤地层，分别为上石炭统—下二叠统太原组、下二叠统山西组和侏罗系延安组。延安组为一套陆相河流–三角洲相沉积，厚度达300余米，岩性主要为砂岩、粉砂岩、泥岩及煤层(图1b)。根据岩性组合，延安组由下至上划分为5个岩性段，发育煤层(煤线)近20层，其中主要可采煤层由上至下依次为2、4、6、10、16和18号煤层，这些煤层主要发育在各沉积旋回顶部。

图1 宁东煤田区域位置及延安组地层柱状

宁东煤田以侏罗系延安组为含煤地层的矿区包括鸳鸯湖矿区、灵武矿区、马家滩矿区、积家井矿区和萌城矿区，其中，鸳鸯湖矿区和灵武矿区目前开发程度较高，其余矿区开发程度仍较低。

2 煤岩特征

宁东煤田各煤层宏观煤岩类型主要为半暗—半亮型，部分煤层为暗淡型，少量为光亮型。富惰质组是宁东煤田延安组各煤层显微煤岩组分最鲜明的特征，惰质组体积分数平均值达到51.8%(含矿物基)，是典型的“富惰质组煤”；镜质组体积分数明显低于惰质组，占39.7%，壳质组和矿物含量较低，平均分别为1.8%和6.7%。

垂向上，各煤层显微组分的平均含量具有一定变化，尤其是镜质组和惰质组，根据其在垂向上的变化规律，大致可划分为18煤—15煤、15煤—4煤以及4煤—2煤等3个沉积旋回，在每个旋回中，镜质组含量先升高再降低，惰质组含量相应地先减少后增大。总体上，宁东煤田各煤层显微组分表现为延安组上部和下部煤层惰质组含量高，中部煤层惰质组含量相对较低的特征(表1)。

2、4、6、18煤的亚显微组分鉴定结果显示，宁东煤田侏罗纪煤中镜质组包括基质镜质体(图2g)、均质镜质体(图2i)、结构镜质体(图2h)和少量团块镜质体，其中基质镜质体含量最高，胶结了惰质组、壳质组和矿物；结构镜质体多表现出胞腔变形，近乎闭合的特征。惰质组包括火焚丝质体(图2a)、氧化丝质体(图2b，图2c)、半丝质体(图2e)、粗粒体(图2d)、微粒体、碎屑惰质体等，其中半丝质体含量最高，氧化丝质体和碎屑惰质体含量次之。壳质组主要为小孢子体(图2j，图2l)、角质体(图2j)和树脂体(图2k)。

3 煤质特征

鄂尔多斯盆地侏罗纪煤普遍具有低灰、低硫的特征，宁东煤田也不例外。煤田内各煤层原煤灰分质量分数普遍低于16.0%，各矿区原煤灰分质量分数平均值介于9.5%~11.7%，为特低灰–低灰煤(图3a)；全硫质量分数普遍低于1.0%，各矿区全硫质量分数平均值介于0.58%~0.82%，主要为特低硫–低硫煤(图3d)。平面上，局部区域存在中灰、中–高硫煤区域，如2煤在鸳鸯湖矿区北部部分区域灰分质量分数超过16.0%，全硫普遍超过1.5%，零星区域甚至达到3.0%；3煤在积家井矿区中部同样存在中灰、中硫煤的区域。形态硫分析数据显示，低硫煤中有机硫和硫化铁硫为主要组成，而中、高硫煤中硫化铁硫占主体。

表1 宁东煤田侏罗系各煤层及其他煤田显微煤岩组分平均值统计[11-17]

图2 宁东煤田侏罗纪煤煤岩显微组分(图3j为蓝色荧光照射下拍摄，其他均为油浸反射光)

挥发分产率和氢含量受煤热演化程度影响较大，宁东煤田侏罗纪煤镜质体最大反射率max平均值介于0.52%~0.57%，为低变质烟煤。宁东煤田各矿区延安组煤层的浮煤挥发分产率平均值介于30.4%~33.7%，为中高挥发分煤(图3b)，平面分布稳定；就延安组所处的变质阶段而言，其挥发分产率偏低。与之相呼应，煤中氢含量同样偏低，各煤层原煤氢碳原子比(H/C)主要分布在0.60~0.75(图3c)，各矿区H/C值平均值介于0.56~0.67。显然，这与侏罗纪煤富惰质组的显微煤岩特征一致[18]。

此外，宁东煤田侏罗纪煤黏结指数为0，无黏结性；具有较高的对二氧化碳反应性()，950°C温度下主要分布在60~90(图3j)，平均69；哈氏可磨指数(HGI)主要分布在50~80(图3k)，平均68.3；煤灰熔融性较高，软化温度(ST)平均值为1 202℃，流动温度(FD)平均值为1 224℃(图3l)。

图3 宁东煤田延安组煤质指标频率直方图

4 清洁利用方向探讨

首先，宁东煤田侏罗纪煤是优质的动力用煤，除具有低灰、低硫等优点外，还具有低有害元素的特征。宁东煤田延安组煤中砷(As)含量普遍低于4 μg/g(图3f)，为一级含砷煤；磷(P)质量分数绝大部分小于0.05%(图3e)，为特低磷–低磷煤；氟含量变化较大，主要为特低–低氟煤(图3g)。根据唐书恒等[19](2006)洁净煤潜势的评价方法，研究区煤可达高清洁潜势的动力用煤指标要求，这是宁东煤田与同处鄂尔多斯盆地的陕北侏罗纪煤田、东胜煤田等普遍具有的优良特性，也是其作为“优质煤”的主要依据，明显区别于华北石炭–二叠纪煤、华南二叠纪煤以及东北地区白垩纪煤。此外，宁东煤田侏罗纪煤为高发热量煤(图3h)，平均高位发热量(gr,d)达27.61 MJ/kg。高清洁潜势与高发热量双重特性确定其为优质的清洁动力用煤，因此，作为动力用煤是重要的利用途径。针对全硫含量超过3.0%的区域不予开采；1.5%~3.0%的区域，煤炭开采后通过洗选去除硫化铁硫后进行开采利用。

煤中有益金属元素的回收利用是其高效利用的方式之一，这方面工作也是当前煤炭地质工作的热点之一[7-8]。2煤、4煤、6煤和18煤中微量元素分析结果表明，宁东煤田侏罗系煤中微量元素的富集程度普遍为亏损或正常，未发现有益金属元素富集[20]。因此，宁东煤田侏罗纪煤基本不具回收稀有金属资源的前景。

富油煤的研究和利用逐渐成为低阶煤清洁利用的重要方向之一，所关注重点是煤焦油的产率[9]。低温干馏实验数据分析显示，宁东煤田侏罗纪煤的焦油产率(ar,d)普遍低于7%(图3i)；根据《矿产资源工业要求手册(2014修订版)》煤炭焦油产率分级，宁东煤田侏罗纪煤达不到富油煤指标，为含油煤，因此，宁东煤田煤焦油提取的前景小。同时，宁东煤田侏罗纪煤的煤类为不黏煤，热演化程度较低，也不适合炼焦。

“煤制油”是以煤为化工原料炼制油品，是煤炭资源清洁化利用的途径之一，分为直接液化和间接液化两种技术方式。煤的直接液化是指将煤研磨后混合于溶剂中，在加温、加压、加氢(或不加)、加催化剂的情况下，使部分煤分子发生裂解，形成溶于溶剂的液态产品；煤的间接液化是基于煤的气化，然后再形成液态烃类产品[21-22]。直接液化要求原料煤具有较高的化学活性，而相同变质程度下煤岩组分的活性“壳质组＞镜质组＞惰质组”[23]，因此，直接液化用煤要求原料煤具有低惰质组含量，高挥发分产率和氢含量。基于这一共识，不同学者给出了相似的适于直接液化的煤岩煤质指标[24-27]，然而，宁东煤田侏罗纪煤是典型的富惰质组煤，氢碳原子比普遍低于0.7，挥发分产率普遍低于35%，不是理想的直接液化用煤。

煤的间接液化建立在“气化”的基础上，此外，煤制甲醇、煤制烯烃等均以煤的气化为基础。煤的气化工艺较多，包括常压固定床、流化床、水煤浆气流床、干煤粉气流床等。不同工艺流程对煤质的要求也不同，根据乔军伟等[10]提出的平均指标，对照相应煤质数据，宁东煤田侏罗纪煤满足常压固定床、流化床、水煤浆气流床和干煤粉气流床等气化工艺的基本煤质要求，其中，部分煤层水煤浆气流床和干煤粉气流床可达到一级指标要求(图4)。

综上所述，基于煤岩、煤质资料分析结果表明，宁东煤田侏罗纪煤的主要利用途径为动力用煤、气化用煤及以气化为基础的间接液化用煤。事实上，宁东煤田侏罗纪煤炭资源现今利用方式及规划与这一分析结果相当契合。宁东能源化工基地以宁东煤田煤炭资源为主要依托，发展成为集煤炭生产、火电、煤化工为一体的大型基地，“截至2017年底，煤炭产能达到9 140万t、火电装机容量1 325万kW、外送电规模1 200万kW、煤化工产能2 225万t，是全国最大的煤制油和煤基烯烃生产加工基地”[28]。侏罗纪煤炭资源是其最主要的煤炭产能、火力发电动力用煤及煤制油(间接液化)、煤基烯烃原料用煤。

5 结论

a. 宁东煤田侏罗纪煤为特低–低灰、特低–低硫、低磷、低有害元素、高发热量的富惰质组低阶烟煤。同时还具有无黏结性、低有益金属元素、相对较低水分和焦油产率、与二氧化碳较高反应性、可磨性和灰熔融温度等特征。

b. 煤质特征决定宁东煤田侏罗纪煤不适宜提取煤焦油、直接液化及回收有益金属元素，煤炭清洁高效利用途径主要为优质的清洁动力用煤、气化用煤，及以气化为基础的间接液化制油、制甲醇、制烯烃等。气化工艺建议采用为水煤浆气流床或干煤粉气流床。

图4 宁东煤田鸳鸯湖矿区各煤层煤质指标及化工用途

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Petrographic, quality characteristics and clean & efficient use of Jurassic coal in Ningdong coalfield

DU Fangpeng1,2, LUO Zheng3, QIAO Junwei1,2, ZHAO Xiaochen1,2, TAN Furong3, LI Congcong3, FAN Qi3

(1. College of Geology and Environment, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an 710054, China; 2. Shaanxi Provincial Key Laboratory of Geological Support for Coal Green Exploitation, Xi’an 710054, China; 3. Aerophoto Grammetry & Remote Sensing Bureau, China National Administration of Coal Geology, Xi’an 710199, China)

Jurassic coal resources in Ningdong coalfield are huge, also play important role in coal resource development and utilization in Ningxia. For the purpose of clean and efficient use of Jurassic coal in Ningdong coalfield, coal quality and petrographic characteristics were analyzed based on coalfield exploration data. The results show that Jurassic coal in Ningdong coalfield is characterized by very low to low ash, very low to low sulfur content, low phosphorus, low arsenic, low fluorine and high heating value, these characters indicate that Jurassic coal is clean power coal. Besides that, it has medium to high volatile, higher H/C, lower tar yield and abundant inertinite, these characters determined that the coal is neither suitable for direct liquidation nor for extraction of coal tar. The others characteristics like no caking, lower moisture, relatively higher(950℃) and ash melting temperature indicate its suitability for gasification mainly through entrained-flow bed of water slurry and dry feed entrained flow bed. We suggest that Jurassic coal in Ningdong coalfield should be used as power coal and gasification coal, as well as indirect liquefactions based on gasification.

Ningdong coalfield; clean & efficient use of coal; coal petrography; coal quality; Jurassic coal

P62；TD984

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.02.012

1001-1986(2020)02-0071-07

2019-11-11；

2020-01-15

中国地质调查局地质调查二级项目(DD20160187)；国家自然科学基金项目(41702144)

Geological Survey Project of China Geological Survey(DD20160187)；National Natural Science Foundation of China(41702144)

杜芳鹏，1990年生，男，陕西志丹人，博士后，从事能源地质研究工作. E-mail：mrdo0911@163.com

杜芳鹏，雒铮，乔军伟，等. 宁东煤田侏罗纪煤岩煤质特征及清洁高效利用[J]. 煤田地质与勘探，2020，48(2)：71–77.

DU Fangpeng，LUO Zheng，QIAO Junwei，et al.Petrographic，quality characteristics and clean & efficient use of Jurassic coal in Ningdong coalfield[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(2)：71–77.

(责任编辑 范章群)