张建强，宁树正，黄少青，张 莉，龚汉宏，徐小涛
(中国煤炭地质总局勘查研究总院，北京市丰台区，100039)
绍根矿区是国家规划矿区之一，目前正在建设阶段，尚未进行大规模开发。已有相关学者对绍根矿区的含煤地层特征及煤层对比方法等工作进行过研究[1]，但对整个矿区内煤层的煤岩煤质特征和煤气化、煤液化性能等方面的研究较少[2]。因此，笔者在前人研究的基础上，系统研究了绍根矿区内主采煤层的煤岩和煤质特征，研究成果可为未来绍根矿区煤炭资源的清洁高效利用提供参考。
绍根矿区位于内蒙古自治区赤峰市阿鲁科尔沁旗东南部，东距通辽约100 km。矿区南北长约15.5 km，东西宽为1.3～2.4 km，面积约为86 km2。绍根矿区在区域构造上位于大兴安岭余脉南麓、松辽平原西缘，属南东、北西受断裂控制的山间断陷型盆地，总体走向为北东、倾向南东的弧形单斜构造，是在海西期裙皱带基底上发展起来的中生代断陷型盆地[3]。区内的含煤地层为白垩系下统阜新组，主要见3～5号煤层，其中5号煤层最为发育，并在全区分布；
4号煤层沿北西向逐渐变薄尖灭或被剥蚀，且区内大部分发育；
3号煤层仅局部有发育。
绍根矿区分为2个大型矿井和1个后备区，建设总规模为300万t/a，其中爱民温都矿井120万t/a，阿根塔拉矿井180万t/a。
本次研究以绍根矿区的钻孔煤质化验数据为基础，对5号煤层煤岩显微组分的煤岩特征进行了研究，并对煤的工业分析以及全硫、煤灰熔融性、哈氏可磨指数、黏结指数、热稳定性、微量元素等煤质指标进行了分析研究。
2.1 煤岩特征
根据前人的研究结果可以看出，通常在液化反应条件下，镜质组和稳定组易于活化，而惰质组难于活化，即惰质组含量越高，煤的转化率和油收率就越低[4-6]。绍根矿区主要可采煤层5号煤层宏观煤岩类型以半暗型煤为主，半亮型煤次之。显微煤岩组分中镜质组平均含量为95.43%；
惰质组平均含量为4.22%；
壳质组普遍较低，平均含量为0.35%。绍根矿区煤的镜质组最大反射率为0.47%～0.58%，属低变质阶段的褐煤，变质阶段为0-Ⅱ。
2.2 煤质特征
2.2.1 水分(Mad)
煤中水分的高低对成浆性能有较重要的影响，一般认为煤的内水含量越高，煤中的氧碳比(O/C)越高、含氧官能团和亲水官能团越多、空隙率越发达，同时成浆性能也就越差，而且制备的煤浆浓度越低，而后对煤气化时的有效气体含量、氧气消耗和高负荷运行越不利[7]。煤中水分太高还会增加气化过程中的热能消耗，降低气化反应的效率。5号煤层原煤水分含量为1.92%～19.57%，其中特低水分煤(≤6%)占比最多，原煤水分平均含量为8.2%，属于中等水分煤；
浮煤水分含量为4.14%～26.25%，其中中高水分煤(12%～20%)占比最多，浮煤水分平均含量为14.21%。5号煤层水分含量分布直方图如图1所示。
图1 5号煤层水分含量分布直方图
2.2.2 灰分(Ad)
煤中灰分含量的高低会影响油的产率，灰分过高会造成煤化工工艺管道系统堵塞和设备磨损，从而影响气化炉的安全运行[8-10]。5号煤层灰分含量分布直方图如图2所示。
图2 5号煤层灰分含量分布直方图
由图2可以看出，绍根矿区5号煤层原煤灰分产率为9.55%～38.14%，其中低灰煤(10%～20%)占比最多，原煤灰分平均含量为21.14%；
浮煤灰分产率为7.45%～14.54%，其中低灰煤(10%～20%)占比最多，浮煤灰分平均含量为10.62%。5号煤层主要为低-中灰分煤，经选煤处理后灰分有明显的降低，主要为低灰分煤，其次为特低灰分煤。5号煤层灰分含量平面分布如图3所示。
图3 5号煤层灰分含量平面分布
由图3可以看出，绍根矿区5号煤层灰分含量呈南北低、中间高的特点，在北部阿根塔矿井和南部爱民温都矿井灰分主要为低灰煤，在中部后备区主要为中灰煤。
2.2.3 挥发分(Vdaf)
煤的挥发分产率与液化性能表现出良好的线性关系，即挥发分越高越适合液化[11-14]。5号煤层挥发分含量直方图如图4所示。
图4 5号煤层挥发分含量分布直方图
由图4 可以看出，绍根矿区5号煤层挥发分产率大于35%，挥发分指标符合直接液化用煤。绍根矿区5号煤层原煤的挥发分产率为36.59%～46.95%，平均产率为43.05%，主要为高挥发分煤；
浮煤挥发分产率为34.80%～44.04%，平均产率为40.98%。5号煤层挥发分含量平面分布如图5所示。
图5 5号煤层挥发分含量平面分布
由图5可以看出，5号煤层挥发分含量基本无大的差别，仅在北部阿根塔矿井的挥发分含量略高于其他区域。
2.2.4 硫分(St，d)
硫分在煤炭液化的转化过程中具有催化作用[15-16]，液化用煤硫分含量一般应小于1%。5号煤层硫分含量分布直方图如图6所示。
图6 5号煤层硫分含量分布直方图
由图6可以看出，绍根矿区5号煤层原煤全硫含量为0.43%～3.67%，其中低硫煤(0.51%～1.00%)和中硫煤(1.01%～2.00%)占比最多，全硫含量平均为1.20%，经过选煤后全硫含量出现一定的下降，浮煤全硫含量为0.42～2.55%，其中低硫煤(0.51%～1.00%)占比最多，全硫含量平均为0.95%。5号煤层硫分含量平面如图7所示。
图7 5号煤层硫分含量平面分布
由图7可以看出，硫分含量呈南北低、中间高的特征，低硫煤主要分布在阿根塔矿井和爱民温都矿井，中硫煤主要分布在矿区中部后备区。
2.2.5 氢碳原子比(H/C)
氢碳原子比是评价煤炭液化性能的关键指标，煤中氢碳原子比与煤的液化转化率存在较好的正相关性，转化率随氢碳原子比增高而增大[17-18]。5号煤层氢碳原子比含量分布直方图如图8所示。
图8 5号煤层氢碳原子比含量分布直方图
由图8可以看出，绍根矿区5 煤层原煤氢碳原子比为0.53～0.88，其中 0.75～0.8占比最多，平均值为0.74。5号煤层氢碳原子比含量平面分布图如图9所示。
图9 5号煤层氢碳原子比含量平面分布
由图9可以看出，5号煤层氢碳原子比平面上呈南北略低、中间略高的特征。
2.2.6 煤灰熔融性(ST)
煤灰熔融性是影响煤炭气化的重要因素之一，煤灰熔融性软化/流动温度对碳转化率、排渣量和气化效率有影响，同时也是煤气化炉工艺设计的重要指标[19-20]。绍根矿区5号煤层的煤灰熔融性ST为1 098 ℃，属易熔融灰分。
2.2.7 煤的黏结指数(GR.I)
煤的黏结指数是用于评价煤的黏结性能的指标之一。原料煤黏结指数较高时，气化过程中会在干馏层产生胶质结焦，使得气流在料层中分布不均，进而导致气固接触不良，最终影响气化产物质量和产量，严重时还会影响气化工艺正常运行[21]。绍根矿区5号煤层煤的黏结指数为0～2，属无黏结或微黏结性煤。
2.2.8 煤的热稳定性(TS+6)
热稳定性过低的煤易在气化过程中产生细粒和煤末，妨碍气流流动而影响气化过程的正常运行[22]。绍根矿区5号煤层的热稳定性为52.08%～72.29%，平均61.24%，属中热稳定性(60%～70%)，总体热稳定性较好，有利于气化。
2.2.9 煤对CO2的反应性
煤对CO2的反应性指标是流化床气化必须考虑的重要参数之一[23]，以950 ℃测温时CO2的还原率(α)为标准，当α小于70%时为弱反应性。绍根矿区5号煤层煤在常压下试验温度为950 ℃时，CO2还原率(α)可达63.5%，属弱反应煤。
我国《煤化工用煤技术导则》(GB/T 23251-2009)中对煤制油用煤优化配置和合理规划提出了要求，明确经选煤处理后，作为炼焦用的主要炼焦煤类不应作为煤炭气化和煤炭液化用煤，评价顺序为焦化、液化及气化，经选煤处理后作为炼焦用的1/3焦煤、肥煤、焦煤、瘦煤等主要炼焦煤类应进行合理规划和保护性开发利用[18，24]，评价时应优先考虑煤类是否适合炼焦用煤，再考虑液化用煤，最后考虑是否可以作为气化用煤。目前，煤炭气化工艺主要包括固定床气化、流化床气化、气流床气化等技术。理论上，所有的煤炭资源都可以气化，但在当前工艺技术条件下，并非所有煤炭都能经济地气化。因此气化用煤按照气化工艺流程由复杂到简单、对煤质要求由高到低的顺序依次评价[25-26]。直接液化用煤和气化用煤评价指标体系及参数见表1。
表1 直接液化用煤和气化用煤评价指标体系及参数
通过对绍根矿区5号煤层全水分、灰分、挥发分、氢碳原子比、黏结指数、煤灰熔融性温度等指标分析发现，绍根矿区中部(后备区)的煤炭资源大部分可以作为直接液化用煤，矿区南部爱民温都矿井和北部阿根塔矿井主要可作为粉煤灰气化用煤。
绍根矿区煤炭资源气化和液化用煤分布如图10所示。
图10 绍根矿区煤炭资源气化和液化用煤分布
(1)绍根矿区各井田5号煤层煤类为褐煤。煤质具有中低灰分、高挥发分、中硫、煤灰易熔融、无黏结性、较高热稳定性、在950 ℃时CO2反应性为弱反应等特点。
(2)煤炭气化、液化用煤主要考虑的指标有：煤岩中的惰质组，煤质中灰分、挥发分、全硫、H/C、煤灰熔融性软化温度、黏结指数、热稳定性等指标。
(3)按照煤炭气化、液化特殊用煤煤质技术要求，对绍根矿区5号煤层煤的气化、液化特征进行了初步评价，矿区中部(后备区)煤具有直接液化用煤潜力，矿区北部(阿根塔矿井)煤和矿区南部(爱民温都矿井)煤以流化床气化工艺用煤为主。
煤炭清洁高效利用是能源供给革命的核心内容之一，以煤为原料制取人工油气等清洁燃料，可进一步拓宽清洁能源产品的来源渠道、合理优化原料煤产业布局，实现“专煤专用”，对提高国家能源战略安全保障能力具有十分重要的意义。
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