陕北府谷矿区煤炭资源清洁利用潜势及方式探讨_杜芳鹏.pdf

第 46 卷 第 3 期 煤田地质与勘探 Vol. 46 No.3 2018 年 6 月 COAL GEOLOGY 2. State Key Laboratory for Continental Dynamics/Department of Geology, Northwest University, Xi’an 710069, China; 3. School of Resources and Earth Sciences, China University of Mining clean utilization; coal maceral and quality; harmful elements; direct liquefaction 在能源结构和环保形式双重压力下，煤炭的清洁 高效利用已然成了当前煤炭工业发展的重中之重[1-3]。 陕北府谷矿区是国家规划矿区之一， 煤炭资源丰富， 目前矿区内所生产煤炭主要作为动力用煤供给周边 配套的热电厂，但由于其原煤灰分产率较高、发热 量并不突出，作为直接燃料，其利用价值难以最大 化且可能造成不容忽视的环境污染。随着煤化工产 业技术的逐渐成熟与政策引导，近年来我国煤炭的 ChaoXing 12 煤田地质与勘探 第 46 卷 液化、气化利用等得到了长足发展[4-6]，已然成为低 阶烟煤清洁高效利用的重要选择。鉴于府谷矿区煤 炭目前利用方式相对粗放，对其煤岩、煤质进行以 煤化工利用为目的分析探讨，以期为研究区煤炭资 源清洁、高效利用奠定基础。 1 地质概况 陕北府谷矿区位于鄂尔多斯盆地东缘北段，陕 北斜坡与晋西挠褶带结合部位。矿区内构造相对简 单，地层展布近水平。含煤地层为石炭–二叠系太原 组和山西组，共含可采煤层 11 层，其中 1 至 4 煤为 山西组煤层，5 至 11 煤为太原组煤层，不同井田内 各煤层发育状况有所差别，但全矿区主要可采煤层 有 2 煤、4 煤、8 煤和 9 煤。矿区面积超过 260 km2， 共划分为 6 个井田，分别为沙川沟、海则庙、冯家 塔、西王寨、段寨、尧峁，其中冯家塔井田和海则 庙井田现已开采，所开采煤层为 2 煤、4 煤和 9 煤。 2 煤岩特征 府谷矿区各煤层煤的镜质体平均最大反射率为 0.590.62，属于低阶烟煤；各煤层宏观煤岩组 分以暗煤为主，亮煤次之，少量镜煤和丝炭，宏观 煤岩类型总体为半暗煤。煤岩显微组分体积分数 78.089.5，以镜质组和惰质组为主，壳质组含 量较低； 矿物体积分数 9.522.0， 以黏土类为主， 其次为碳酸盐类、硫化类矿物。有机组分特征与我 国西北地区侏罗纪煤相似，壳质组含量极低，惰质 组含量较高表 1。 表 1 府谷矿区各主采煤层显微组分和矿物定量结果 Table 1 Statistics of the coal maceral and minerals in different coalbeds of Fugu mining area 单位 显微组分体积分数 矿物体积分数 煤层号 镜质组 惰质组 壳质组 黏土类 硫化物 碳酸盐类 Rmax 2 47.1 33.3 4.9 9.3 1.4 4.0 0.59 3 43.0 33.3 5.5 15.7 0.9 2.1 0.61 4 44.0 33.1 4.4 15.1 0.9 2.8 0.59 5 56.3 26.9 4.1 11.5 0.2 1.2 0.59 6 52.8 30.0 5.2 9.6 0.8 2.1 0.61 7 47.6 37.0 4.8 7.7 0.7 2.3 0.6 8 36.8 41.1 4.5 14.6 1.2 2.1 0.61 9 40.3 35.6 3.4 17.3 0.6 2.8 0.61 10 38.0 43.8 2.5 11.6 0.9 3.2 0.62 11 37.5 33.4 7.1 17.9 3.2 1.6 0.59 3 煤质分析 ① 灰分Ad 府谷矿区原煤灰分产率为 7.18 57.49，绝大部分15.00，集中在15.00 35.00， 平均23.59N237，主要为中–中高灰煤，各煤层间差 异较小。浮选后，各煤层灰分产率均大幅下降，为 2.5233.29， 绝大部分＜10.00， 平均9.59N162。 ② 挥发分Vdaf 府谷矿区原煤挥发分产率为 33.4947.71，绝大部分大于 37.00，集中在 37.0043.00， 平均 40.13N189， 属高挥发分煤， 各主采煤层间差异较小。浮选后，挥发分产率未产生 明显变化，为 31.4846.52，平均 40.20N189。 ③ 氢碳原子比H/C 府谷矿区原煤氢碳原子 比为 0.480.93，主要集中在 0.700.80，平均 0.75 N187。浮选后，各煤层 H/C 总体略微升高，为 0.550.93，平均 0.76。 ④ 硫分St,d 府谷矿区原煤全硫质量分数0.22 4.23，绝大部分小于 1.0，平均 0.88N192； 不同煤层间全硫含量差异较大，太原组的 8 煤、9 煤的全硫含量明显高于山西组 2 煤和 4 煤。4 煤层 全硫平面分布比较稳定，除零星区域外均低于 1.0。浮选后，各煤层全硫质量分数 0.171.44， 平均 0.58。形态硫分析表明，低硫煤以有机硫为 主，而中–高硫煤则以硫化铁硫为主，易于浮选。 4 有害元素 煤中发现的元素超过 80 种，有 20 多种元素在 开采、 燃烧过程中的释放会对人体和环境产生危害， 燃煤引发的有害元素污染、中毒事件屡见不鲜[7-10]， 故而有害元素的评价是煤炭清洁利用的前提之一。 本次研究重点针对煤中氯、氟、砷元素含量及赋存 状态进行分析，对其他有害元素含量进行了分析比 较。以下各元素分级标准依据为文献[2]。 ① 氯Cl 氯元素在高温反应后形成的HCl和 Cl2会对设备造成腐蚀，对环境造成污染。府谷矿区 煤 中 氯 元 素 含 量 为 70920 ug/g ， 平 均 243.1 ug/gN136，略低于中国煤的平均值，以特低氯煤 为主，少量为低氯煤。浮选后，煤中氯元素含量明 ChaoXing 第 3 期 杜芳鹏等 陕北府谷矿区煤炭资源清洁利用潜势及方式探讨 13 显增加，表明其主要赋存在有机组分中。 ② 氟F 氟元素是煤中主要的有害元素之一，我 国黔西地区曾深受氟污染之害[9-10]。数据显示，府谷矿 区煤中氟元素含量为31672 ug/g， 绝大多数＜400 ug/g； 平均 197.2 ug/gN112，略高于中国煤的平均值，以 低氟煤和中氟煤为主。浮选后，煤中氟元素含量明显 减小，表明其主要赋存在无机矿物中。 ③ 砷As 砷作为Ⅰ类环境敏感元素， 对生态 环境和人体健康危害极大，陕南曾因为石煤中的砷 污染而引发地方病[11]。数据显示，府谷矿区煤中砷 元素含量为 09 ug/g，绝大多数小于 4 ug/g，平均 1.5 ug/gN112，以低砷煤和中砷煤为主。洗选后， 砷含量降低明显，表明无机矿物是其重要寄主。 ④ 其他有害元素 除上述几种常见的有害元素 外，煤中还含有一些对人类身体健康或对环境造成危 害的微量元素。本次工作通过 ICP-MS 对来自 2 煤、4 煤、 9 煤等 3 个主采煤层的样品进行了元素含量测试， 结果显示，来自 3 个煤层的煤岩样品各元素含量差别 较小，这些有害元素含量均低于或接近我国煤中对应 元素的平均值，未发现异常富集的有害元素。 5 清洁利用潜势及方式 5.1 煤炭清洁潜势 煤炭清洁潜势划分是煤炭分级、分质、清洁高效 利用的基础之一。根据唐书恒等[2]提出的煤炭清洁利 用潜势评价体系，综合灰分、全硫、氟、氯、砷等与 煤炭清洁利用相关的多方面要素对其清洁利用潜势进 行评价。将府谷矿区各煤层煤质数据和分级方案进行 对照发现，影响府谷矿区煤清洁利用的最大障碍在于 原煤灰分产率；全硫、氟、氯、砷等含量为特低或低， 对应地可划分为Ⅰ级和Ⅱ级洁净煤，但由于灰分含量 较高，以中–中高灰煤为主，对应洁净煤分级为Ⅲ级， 根据煤炭清洁潜势评价“就低不就高”的原则，各煤层 原煤的洁净煤等级均为Ⅲ级；浮选后，灰分产率显著 降低，全硫、氟、砷含量均不同程度降低，氯含量有 所升高，但总的洁净煤等级均升至Ⅱ级表 2。 表 2 洁净煤分级及府谷矿区洁净煤潜势 Table 2 Classification of clean coal and the potential of clean coal in Fugu mining area 单位μg/g 煤层 St,d/ Ad/ Cl F As 分级[2] ≤0.5 ≤5 ≤500 ≤100 ≤4.0 Ⅰ ＞0.51.0 ＞515 ＞5001 500 ＞100200 ＞4.08.0 Ⅱ ＞1.01.5 ＞1530 ＞1 5002 000 ＞200600 ＞8.012.0 Ⅲ ＞1.53.0 ＞3040 ＞2 0003 000 ＞6001200 ＞12.025.0 Ⅳ 划分标准 ＞3.0 ＞40 ＞3 000 ＞1 200 ＞25.0 Ⅴ 2 0.6 24 197 91 2.4 Ⅲ 4 0.6 27 266 259 0.9 Ⅲ 8 1.1 18 423 165 1.5 Ⅲ 原媒 9 1.3 23 295 192 2.6 Ⅲ 2 0. 6 9 465 37 0.5 Ⅱ 4 0.5 8 760 105 0.4 Ⅱ 8 0.7 7 813 98 0.7 Ⅱ 浮媒 9 1.0 15 826 140 0.6 Ⅱ 注表中煤层各项数据均采用算术平均值。 5.2 利用方式 府谷矿区原煤灰分产率平均达 23.59，发热量 平均为 23.83 MJ/kg，作为直接燃料，无论在洁净度 还是经济价值上均有所缺憾。由前文可知，在其利 用前进行浮选是必要且有效的清洁手段，灰分、全 硫、砷含量等均可得到相当幅度的降低，洁净等级 可由Ⅲ级升至Ⅱ级。 府谷矿区的煤作为低阶烟煤，其原煤挥发分产 率平均可达 40.13，氢碳原子比平均 0.75，浮选后 对应数值均保持稳定，甚至有所升高。这方面特性 是煤炭直接液化性能的重要指标，前人关于煤炭直 接液化的煤质指标尽管未能达成统一，但关键指标 的认识几近一致。氢含量是影响其液化性能及产率 的最为关键因素，因此，H/C 界限的划定是各评价 指标间探讨的重点。 随着年代推移， 由 0.80 到 0.75， 再到 0.70， H/C 划分界限的不断降低[4-6]。 目前， 0.75 是使用率、认可度较高的方案，也是综合油产率与 经济性划定界限。府谷矿区各煤层 H/C 均接近或大 于 0.75，其余相关指标也都能达到煤炭直接液化要 求。浮选后灰分产率可降至 10以下，达到工艺要 求。综合对比府谷矿区直接液化用煤相关的煤岩煤 质指标，基本能够达到直接液化用煤的要求表 3， 因而浮煤直接液化是府谷矿区煤炭资源清洁、高效 利用的选择之一。 ChaoXing 14 煤田地质与勘探 第 46 卷 表 3 府谷矿区主要煤层与直接液化用煤指标对照表 Table 3 Direct liquefaction indicator requirements and the key coal quality index of Fugu mining area 煤层 灰分/ 挥发分/ 硫分/ H/C 镜质组/ 惰质组/ Rmax/ 直接液化用煤 35.0 0.75 45.0 0.300.70 原煤 23.8 40.8 0.6 0.74 53.7 27.8 0.60 2 浮煤 9.1 40.0 0.6 0.77 原煤 26.7 40.2 0.6 0.77 47.8 26.0 0.61 4 浮煤 7.6 40.6 0.5 0.77 原煤 17.8 40.5 1.1 0.74 32.7 40.5 0.62 8 浮煤 7.3 40.7 0.7 0.78 原煤 23.0 39.0 1.3 0.73 44.0 35.0 0.60 9 浮煤 15.0 38.7 1.0 0.74 6 结 论 a. 府谷矿区煤中有害元素富集度低，但原煤灰 分产率较高，主要为中–中高灰煤，导致府谷矿区原 煤的洁净等级为Ⅲ级，浮选后灰分产率可降低至 10以下，洁净煤等级升至Ⅱ级。 b. 府谷矿区煤的热演化程度较低，挥发分产率 高、氢碳原子比高，其浮煤可作为直接液化用煤的 原料，直接液化成为府谷矿区煤炭资源清洁高效利 用的重要途径。 致谢江苏地质矿产设计研究院秦云虎教授级 高级工程师和闻明忠工程师给予了本文诸多指导和 建议，中国矿业大学北京曹代勇教授对本文的修 改提出了宝贵意见和建议，特致以诚挚的谢意 参考文献 [1] 王佟，张博，王庆伟，等. 中国绿色煤炭资源概念和内涵及评 价[J]. 煤田地质与勘探，2017，4511–13. 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