宁东煤田侏罗纪煤岩煤质特征及清洁高效利用_杜芳鹏.pdf

第 48 卷 第 2 期 煤田地质与勘探 Vol. 48 No.2 2020 年 4 月 COAL GEOLOGY 2. Shaanxi Provincial Key Laboratory of Geological Support for Coal Green Exploitation, Xi’an 710054, China; 3. Aerophoto Grammetry clean coal petrography; coal quality; Jurassic coal 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 ChaoXing 72 煤田地质与勘探 第 48 卷 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 图 1 宁东煤田区域位置及延安组地层柱状 Fig.1 Location of Ningdong coalfield and the stratigraphic histogram of Yan’an ation 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。 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 9.511.7，为特低灰–低 ChaoXing 第 2 期 杜芳鹏等 宁东煤田侏罗纪煤岩煤质特征及清洁高效利用 73 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] Table 1 Statistics of average macerals in Jurassic coals from Ningdong coalfield 煤岩显微组分和矿物体积分数 φ/ 煤 田 煤层号 镜质组 惰质组 壳质组 矿物 镜质体最大反 射率 Rmax/ 测试点数 2 34.31 55.73 1.74 8.22 0.52 56 3 38.55 53.59 1.86 5.84 0.55 65 4 37.73 54.57 1.85 5.85 0.56 74 6 39.73 52.07 1.65 6.60 0.56 39 10 44.08 47.73 1.91 6.25 0.56 39 12 48.01 43.66 1.73 6.52 0.57 40 15 42.62 46.87 2.47 8.04 0.57 17 16 38.87 51.02 1.96 7.14 0.55 22 17 37.24 56.37 1.41 4.97 0.57 26 宁东煤田 18 35.75 55.48 1.51 7.30 0.57 81 东胜煤田 57.6 35.7 0.8 5.7 0.55 陕北侏罗纪煤田 54.6 40.7 1.8 3.2 0.59 黄陇侏罗纪煤田 60.7 27.4 2.6 9.7 0.66 宁南煤田 61.6 29.7 0.6 8.1 0.62 陇东煤田 58.6 34.7 3.1 6.8 0.63 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 Fig.2 Microscope macerals from Jurassic coal of Ningdong coalfield ChaoXing 74 煤田地质与勘探 第 48 卷 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 0.580.82， 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。 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 Rmax平均 值介于 0.520.57，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 30.433.7， 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 0.600.75图 3c， 各矿区 H/C 值平均值介于 0.560.67。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α，950C 温 图 3 宁东煤田延安组煤质指标频率直方图 Fig.3 Frequency histogram of quality inds of Jurassic coal in Ningdong coalfield ChaoXing 第 2 期 杜芳鹏等 宁东煤田侏罗纪煤岩煤质特征及清洁高效利用 75 度下主要分布在 6090图 3j，平均 69；哈氏可磨 指数HGI主要分布在 5080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。 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Qgr,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；1.53.0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Tar,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。 ChaoXing 76 煤田地质与勘探 第 48 卷 图 4 宁东煤田鸳鸯湖矿区各煤层煤质指标及化工用途 Fig.4 Coal quality and their chemical usage of Jurassic coals from Yuanyanghu mining area, Ningdong coalfield 请听作者语音介绍创新技术成果 等信息，欢迎与作者进行交流 参考文献References OSID 码 [1] 王双明，段中会，马丽，等. 西部煤炭绿色开发地质保障技术 研究现状与发展趋势[J]. 煤炭科学技术，2019，4721–6. WANG Shuangming，DUAN Zhonghui，MA Li，et al. Research status and future trends of geological assurance technology for coal green development in western China[J]. Coal Science and Technology，2019，4721–6. [2] 曹代勇， 魏迎春， 宁树正. 绿色煤炭基础地质工作框架刍议[J]. 煤田地质与勘探，2018，4631–5． CAO Daiyong， WEI Yingchun， NING Shuzheng. The framework of basic geological works for green coal[J]. Coal Geology Ex- ploration，2018，4631–5． [3] 吴立新. 煤炭清洁发展是解决我国能源问题的重要途径[J]. 煤炭经济研究，2017，37121. WU Lixin. Clean development of coalAn important way to solve the energy problem in China[J]. Coal Economic Research， 2017，37121. [4] 程蕾. 新时代中国能源安全分析及政策建议[J]. 中国能源， 2018，40210–15． CHENG Lei. Analysis of China’s energy security and policy sugges- tions in the new era[J]. Energy of China，2018，40210–15. [5] 李小炯. 我国煤炭资源清洁高效利用现状及对策建议[J]. 煤 炭经济研究，2019，39171–75． LI Xiaojiong. Status and countermeasures of clean and efficient utilization of coal resources in China[J]. Coal Economic Re- search，2019，39171–75. [6] DAI Shifeng，FINKLEMAN R B. Coal as a promising source of critical elementsProgress and future prospects[J]. International Journal of Coal Geology，2017，61–36. [7] 孙玉壮，赵存良，李彦恒，等. 煤中某些伴生金属元素的综合 利用指标探讨[J]. 煤炭学报，2014，394744–748. SUN Yuzhuang，ZHAO Cunliang，LI Yanheng，et al. Minimum mining grade of the selected trace elements in Chinese coal[J]. Journal of China Coal Society，2014，394744–748. [8] 吴春来. 煤炭液化在中国的发展前景[J]. 地学前缘，2005， 123309–313. WU Chunlai. Development perspective of coal liquefaction in China[J]. Earth Science Frontiers，2005，123309–313. [9] 杜芳鹏，李聪聪，乔军伟，等. 陕北府谷矿区煤炭资源清洁利 用潜势及方式探讨[J]. 煤田地质与勘探，2018，46311–14. DU Fangpeng， LI Congcong， QIAO Junwei， et al. Discussion on the potential and way of clean utilization of coal resources in Fugu mining area ， northern Shaanxi[J]. Coal Geology Exploration，2018，46311–14. [10] 乔军伟，宁树正，秦云虎，等. 特殊用煤研究进展及工作 前景[J]. 煤田地质与勘探，2019，47149–55． QIAO Junwei， NING Shuzheng， QIN Yunhu， et al. The research progress and work prospect of special purpose coal[J]. Coal Ge- ology Exploration，2019，47149–55. [11] 孙晔伟，唐跃刚，李正越，等. 中国特高挥发分特高油产率煤 的分布及其特征[J]. 煤田地质与勘探，2017，4556–12． SUN Yewei， TANG Yuegang， LI Zhengyue， et al. Occurrence of super high volatile and tar yield coal in China[J]. Coal Geology Exploration，2017，4556–12． [12] 冯希文，孙军强，郭天辉，等. 宁夏回族自治区宁东煤田鸳鸯 湖矿区石槽村井田煤炭勘探报告[R]. 银川神华宁夏煤业集 团有限责任公司 2011. FENG Xiwen，SUN Junqiang，GUO Tianhui，et al. Coal ex- ploration report of Shicaocun mine in Yuanyanghu mining area， ChaoXing 第 2 期 杜芳鹏等 宁东煤田侏罗纪煤岩煤质特征及清洁高效利用 77 Ningdong coalfield ， Ningxia Hui Autonomous Region[R]. Yinchuan Shenhua Ningxia Coal Industry Group Co. Ltd.， 2011. [13] 徐明珍，王文卿，梁永平，等. 宁夏回族自治区宁东煤田鸳鸯 湖矿区红柳井田煤炭勘探报告[R]. 银川神华宁夏煤业集团 有限责任公司，2011. XU Mingzhen，WANG Wenqing，LIANG Yongping，et al. Coal exploration report of Hongliu mine in Yuanyanghu mining area，Ningdong coalfield，Ningxia Hui Autonomous Region[R]. YinchuanShenhua Ningxia Coal Industry Group Co. Ltd.，2011. [14] 陆学文，王贝，王建华，等. 宁夏回族自治区宁东煤田鸳鸯湖 矿区麦垛山井田煤炭勘探报告[R]. 银川神华宁夏煤业集团 有限责任公司，2011. LU Xuewen，WANG Bei，WANG Jianhua，et al. Coal ex- ploration report of Maiduoshan mine in Yuanyanghu mining area，Ningdong coalfield，Ningxia Hui Autonomous Re- gion[R]. Yinchuan Shenhua Ningxia Coal Industry Group Co. Ltd.，2011. [15] 郭天鹏，张辉，火有德，等. 宁夏回族自治区宁东煤田金家渠 井田煤炭勘探报告[R]. 银川宁夏煤炭勘察工程公司，2010. GUO Tianpeng，ZHANG Hui，HUO Youde，et al. Coal ex- ploration report of Jinjiaqu mine in Ningdong coalfield，Ningxia Hui Autonomous Region[R]. YinchuanNingxia Coal Explora- tion Engineering Co. Ltd.，2011. [16] 王建华，郭天辉，张鹏，等. 宁夏回族自治区宁东煤田积家井 矿区银星二号井田煤炭勘探报告[R]. 银川宁夏煤炭勘察工 程公司，2010. WANG Jianhua，GUO Tianhui，ZHANG Peng，et al. Coal exploration report of Yinxing No.2 mine in Jijiajing mining area， Ningdong coalfield ， Ningxia Hui Autonomous Region[R]. Yinchuan Ningxia Coal Exploration Engineering Co. Ltd.， 2011. [17] 王建华，郭天辉，张鹏，等. 宁夏回族自治区宁东煤田积家井 矿区月儿湾井田煤炭勘探报告[R]. 银川宁夏煤炭勘察工程 公司，2012. WANG Jianhua，GUO Tianhui，ZHANG Peng，et al. Coal exploration report of Yueerwan mine in Jijiajing mining area， Ningdong coalfield ， Ningxia Hui Autonomous Region[R]. Yinchuan Ningxia Coal Exploration Engineering Co. Ltd.， 2012. [18] 杜芳鹏. 鄂尔多斯盆地延安组煤岩学及煤元素地球化学特 征[D]. 西安西北大学，2019. DU Fangpeng. Petrological and element geochemical character- istics of the Yan’an coals in Ordos basin[D]. Xi’anNorthwest University，2019. [19] 唐书恒，秦勇，姜尧发，等. 中国洁净煤地质研究[M]. 北京 地质出版社，2006. TANG Shuheng，QIN Yong，JIANG Yaofa，et al. Research of geology of clean coal in China[M]. BeijingGeological Pub- lishing House，2006. [20] DU Fangpeng，NING Shuzheng，LIU Chiyang，et al. Petro- graphical and geochemical characterization of the inertinite-rich coal from the Ningdong Coalfield，Northwest Ordos Basin， China[J]. Arabian Journal of Geosciences，2019，12236. [21] 陈鹏. 中国煤炭性质、分类和利用[M]. 北京化学工业出版 社，2007. CHEN Peng. Properties，classification and utilization of coal in China[M]. BeijingChemical Industry Press，2007. [22] 韩克明. 神华煤显微组分加氢液化性能研究[D]. 大连大连 理工大学，2014. HAN Keming. Direct liquefaction behaviors of Shenhua coal and its macerals[D]. Dalian Dalian University of Technology， 2014. [23] 刘大永. 中国典型含煤盆地镜质组结构特征及生烃、 同位素动 力学研究[D]. 广州中国科学院广州地球化学研究所，2004. LIU Dayong. Vitrinites in typical coal-bearing basins of China The molecular characterization and their kinetic studies on the hydrocarbon generation and carbon isotope fractionation[D]. GuangzhouGuangzhou Institute of Geochemistry，Chinese Academy of Sciences，2004. [24] 赵仕华， 宋宜诺， 郑衡. 神华煤液化蒸馏残渣加氢液化动力学 研究[J]. 化工文摘，2009326–28. ZHAO Shihua，SONG Yinuo，ZHENG Heng. Study on the hydrogenation kinetics of shenhua coal liquefaction distillation residue[J]. China Chemicals，2009326–28. [25] 王生维. 液化煤的煤岩学研究进展及液化煤资源的评价和预 测[J]. 地质科技情报，1986，53140–148. WANG Shengwei. Advance of coal pertrology and the resources assessment for the liquefaction coal[J]. Geological Science and Technology Ination，1986，53140–148 [26] 戴和武，马治邦. 适合直接液化的烟煤特性研究[J]. 煤炭学 报，1988，13280–87. DAI Hewu，MA Zhibang. Study on characteristics of bituminous coal suitable for direct liquefaction[J]. Journal of China Coal So- ciety，1988，13280–87. [27] 秦云虎，王彦君，胡荣华，等. 直接液化用煤指标体系分级探 讨及应用评价，2017，2997–10. QIN Yunhu，WANG Yanjun，HU Ronghua，et al. Discussion on index system classification of coal for direct liquefaction and ap- plication assessment[J]. Coal Geology of China， 2017， 299 7–10. [28] 中国宁夏宁东能源化工基地管理委员会基地简介[EB/OL]. 2019-11-19[2020-02-11]. wroot/2014zgnxndnyhgjd/jdgk/jdjj/index.shtml. Brief introduction of Ningxia Ningdong Energy and Chemical Base Management Committee Base[EB/OL]. 2019-11-19 [2020-02-11]. zgnxndnyhgjd/jdgk/jdjj/index.shtml 责任编辑 范章群 ChaoXing