0 引言

富煤、贫油、少气是我国能源禀赋的基本特征，在当下大力开展煤炭清洁利用研究既可以满足工业发展的需求，也是煤炭行业高质量转型升级的重要途径[1-4]。煤炭清洁化利用是指通过各种技术手段，减少煤炭燃烧过程中的环境污染，提高能源利用效率，实现煤炭的清洁、高效利用[5-6]；煤炭清洁利用主要包括煤中高元素利用、燃烧优化技术、煤的气化以及液化等技术[7-11]。2016年，国家发改委和国家能源局联合发布的《能源技术革命创新行动计划(2016-2030年)》中明确提出，把煤炭清洁高效利用技术发展作为重点任务。

据宁夏推进能源转型新闻发布会公开数据显示，截至2021年宁夏回族自治区已探明煤炭资源量超过340亿t，位列全国第8位。近年来，宁夏回族自治区全面推进“生态立区”战略，而宁东煤田位于宁夏中东部，范围涉及银川市、吴忠市、灵武市，建有国家重要大型能源化工基地和现代煤化工产业示范区——宁东能源化工基地，十分适合煤炭清洁利用发展。目前，针对宁东煤田二叠纪煤低碳清洁利用的系统性研究较少，本文在前人研究的基础上，结合煤炭清洁利用的最新研究手段和成果，系统梳理了宁东煤田含煤地层资料，总结了宁东煤田二叠纪煤岩煤质特征，并对宁东煤田二叠纪煤炭低碳清洁利用提出建议。

1 研究区地质背景

宁东煤田属于华北陆块鄂尔多斯地块，北起内蒙古自治区边界、南至萌城与甘肃相邻，西侧分别以黄河断裂、青铜峡-固原大断裂为界；南北长104～200 km，东西宽80～105 km[12]。以宁东煤田二叠纪主要可采煤层山西组含煤地层为研究对象，主要研究范围包括红墩子矿区、横城矿区、韦州矿区和四股泉矿区。宁东煤田山西组主要可采煤层矿区分布如图1所示。

研究区断裂发育，地层西部倾角较大，东部相较平缓；主要含煤地层为上石炭统-下二叠统太原组、下二叠统山西组和中侏罗统延安组。山西组为一套陆相沉积，厚度为80～160 m，岩性主要为灰白色粗粒砂岩，灰绿色、灰黄色细粒砂岩和粉砂岩，以及灰黑色泥岩夹煤层，主要可采煤层位于山西组中下部，常见为3～5号煤层，可采煤层厚度约7 m。山西组含煤地层可划分两个岩性段：上段1～3号煤层，煤层稳定性差且厚度较小，常为不可采煤层，反映了冲积平原沉积组合的特点；下段4～5号煤层，广泛发育且分布稳定，部分煤层达到厚煤层标准，反映了上三角洲平原沉积组合的特点。宁东煤田山西组地层柱状如图2所示。

2 煤岩特征

宁东煤田二叠纪煤层宏观煤岩特征主要为半亮煤和半暗煤，次为光亮煤和暗淡煤[12]。各煤层显微组分中镜质组含量较高，体积分数为7.1%～70.7%，均值达到51.94%；惰质组含量较低，体积分数为3.1%～62.7%，均值30.54%；壳质组体积分数均值5.01%；矿物含量较高，均值达到11.96%。

宁东煤田二叠纪煤层较少，依据煤层显微组分在垂向上，大体可划分出2个沉积旋回，分别是5号～3号煤层、3号～1号煤层；各旋回中镜质组、惰质组含量先增加后减少；其中，中部煤层和下部煤层镜质组含量较高，上部煤层镜质组含量相对较低。镜质组以均质镜质体为主，次为基质镜质体和结构镜质体；惰质组为氧化丝质体、半丝质体、碎屑惰质体、粗粒体及少量微粒体；壳质组以小孢子体为主，角质体次之，含少量树脂体；矿物为黏土矿物、黄铁矿、方解石及石英等[12]。宁东煤田二叠纪各煤层显微组分均值统计见表1。

3 煤质特征

3.1 工业分析

宁东煤田山西组煤层具有含水较低、中等灰分、中高挥发分、中等固定碳的特点。宁东煤田山西组煤质工业分析如图3所示，其中纵坐标“样品占比”为各化验项目在不同数值阶段的样品数占单项测试样品总数的百分比，以下各图类同。

由图3(a)可以看出，原煤灰分Ad质量分数为10%～40%，属于中灰-中高灰煤。韦州矿区煤层整体灰分较低，平均值为21%～22.9%，属于中灰煤；红墩子矿区煤层灰分较高，平均值为26.54%～32.85%。

由图3(b)可以看出，煤层挥发分Vdaf含量相对较高，其值为24.7%～42.45%，属于中等-中高-高挥发分；各个煤层挥发分自上而下有逐渐降低的趋势。其中，韦州矿区煤层挥发分为13.85%～37.64%，与其他矿区相比变化较大。

由图3(c)可以看出，煤层固定碳含量FCad值为39.24%～71.04%，百分含量超过55%的样品占测试总数的40.29%，属于中等-中高固定碳。韦州矿区固定碳百分含量与其他矿区相比较高，红墩子矿区固定碳百分含量相对较低，且变化较大。

3.2 元素分析

宁东煤田山西组煤层具有低硫、低磷、低氟、低氯、特低砷的特点。宁东煤田山西组煤层元素分析如图4所示。

由图4(a)可以看出，各煤层具有低硫、高发热量特点。原煤全硫St，d数值主要介于0.3%～1.0%之间，属于特低硫-低硫煤；山西组煤层硫分，在横向上变化不大。

由图4(b)可以看出，磷含量主要分布在0～ 0.069%之间，均值为0.033%，属于特低-低磷煤；山西组各煤层含磷量变化不大。

由图4(c)可以看出，氟含量主要分布在83～295 μg/g之间，属于低至中氟煤；其中，接近70%的煤样氟含量低于200 μg/g，属于低氟煤范畴；山西组上部煤层含氟量高于下部煤层；红墩子矿区与其他矿区相比含氟量较高。

由图4(d)可以看出，氯含量主要分布在0.017%～0.113%之间，均值为0.05%，属于特低-低氯煤；山西组下部煤层相对低于上部煤层，呼鲁斯太矿区较其他矿区较低。

由图4(e)可以看出，砷含量主要分布在0～4.04 μg/g之间，均值为2.27 μg/g，属于特低砷煤；宁东各矿区砷含量平均为1～4 μg/g，差别不大。

由图4(f)可以看出，H/C值主要分布在0.6～0.8；其中，各煤层碳质量分数均值为78.77%，氢含量质量分数均值为5.14%。各煤层碳元素在垂向上，由上而下逐渐增高；氢元素由上而下逐渐降低；其中韦州矿区碳元素较高，均值为86.25%～90.38%，氧元素较低，平均为3.52%～6.51%。

3.3 煤的工艺性质

宁东煤田山西组煤工艺性质指标如图5所示。

由图5(a)可以看出，宁东煤田山西组煤层发热量Qgr，d较好，其值为18.69～31.8 MJ/kg，均值为26.16 MJ/kg，属于中发热量-高发热量煤；各矿区发热量变化范围不大；相较而言，韦州矿区发热量略高，红墩子矿区发热量略低。

由图5(b)可以看出，煤层对二氧化碳反应α(950 ℃)值分布在10%～60%之间，均值为24%；各矿区对二氧化碳反应差别不明显。

由图5(c)可以看出，煤层可磨性HGI主要分布在53～100之间，均值达到66。

由图5(d)可以看出，煤层煤灰软化温度ST不低于1 350 ℃，属于较高软化温度；煤灰流动温度FT不低于1 400 ℃，属于较高流动温度。

由图5(e)可以看出，煤层的焦油产率Tar，d值介于3%～12%之间[12]，变化较大，但焦油产率均值达到6.52%；宁东煤田煤层整体焦油含量不高，焦油含量分布不均[13]，各矿区之间焦油产率变化差异明显；韦州矿区焦油产率较好。

由图5(f)可以看出，煤层的黏结指数范围在10～99之间，不同编号煤层、不同矿区黏结指数差异明显。其中，韦州矿区相较其他矿区黏结指数变化较大；四股泉矿区一般为70～90[14]，属于中-强黏结煤。

4 煤炭清洁利用

本文在国家商品煤质量相关标准的基础上，结合乔伟军等 [7]、李聪聪等[8]、杜方鹏等 [15]特殊用煤评价方法，分别从动力用煤、煤中锗镓铀元素、炼焦用煤、中低温热解用煤、液化用煤、气化用煤这6方面对宁东煤田二叠纪煤清洁利用进行了系统评价。

4.1 清洁动力用煤

煤炭的能源保障、兜底作用使得火力发电在相当长的一段时间内依然是我国电力的重要组成部分。山西组煤层具有低硫、低磷、低砷、高发热量的特点，仅灰分较高，均值达到中灰水平。煤层全硫均值为1%；氯、磷的含量都基本小于0.05%；砷含量仅有2.27 μg/g；发热量均值为26.16 MJ/kg。依据《商品煤质量 发电煤粉锅炉用煤》(GB/T 7562-2018)，宁东煤田二叠纪煤是较好的发电用煤；依据《商品煤质量 民用型煤》(GB/T 34170-2017)、《商品煤质量 煤粉工业锅炉用煤》(GB/T 26126-2018)，二叠纪各煤层符合民用型煤的各项指标，而工业锅炉用煤各项指标中仅灰分指标略高，大于18%。宁东煤田二叠纪煤层动力用煤评价指标见表2。

雷亚军等[17]关于动力用煤划分标准中以发热量为动力煤评价核心指标，以灰分、硫分指标为辅助指标，由此推断宁东煤田二叠纪煤层发热量较好，发热量均值大于动力用煤Ⅰ级发热量25.12 MJ/kg的要求，属于中高发热量-高发热量煤；参考杨淑婷等[18]关于动力用煤洁净指标研究和唐书恒等 [19]洁净煤潜力评价方法中选择了As、S、F、Cl、Pb、Mn等多种元素指标可知，宁东煤炭二叠纪煤层中煤中有害微量元素较少。综上，本文选择灰分、硫分、砷含量、氯含量和氟含量作为评价指标。宁东煤田二叠纪煤层达到了中等洁净煤潜力的动力煤标准。

4.2 煤中锗镓铀元素

煤中伴生元素的综合勘查与利用是煤炭绿色勘查、清洁发展的重要方向，完善煤中有益元素研究资料具有重要意义。宁东煤田二叠纪煤具有低锗、低镓、低铀的特点，各矿区相差不大。煤层锗含量均值0.000 29%，属于低锗煤；镓、铀含量也较低。参考孙玉壮等 [20]关于煤中伴生金属元素的综合利用指标和《稀缺、特殊煤炭资源的划分与利用》[21]，宁东煤田二叠纪煤整体有益金属元素远低于可回收利用指标，锗、镓、铀不具备工业回收价值。

4.3 炼焦用煤

焦炭是钢铁产业、煤化工产业中主要的原材料，对于整个工业体系稳定发展意义重大。宁东煤田二叠纪煤类主要为烟煤和无烟煤[22]，可作为配煤炼焦用煤。一般配煤质量指标包括灰分和硫分、煤化程度和黏结性指标等，北京煤化工研究分院曾提出我国炼焦配煤最佳范围为挥发分28%～32%、黏结指数58～72。而宁东二叠纪主要煤层为气煤、肥煤、1/3焦煤、肥煤、焦煤和瘦煤，属于中灰-中高灰煤，超低硫-低硫，挥发分值介于24.7%～42.45%之间，黏结指数范围在10～99之间，因此除灰分指标外基本满足炼焦配煤要求。其中，红墩子矿区、横城矿区煤属于中-强黏结煤、灰分均值为26.15%属于中灰煤。因此，宁东煤田二叠纪煤可以考虑选煤、降灰后作为炼焦配煤使用。

4.4 中低温热解用煤

煤的中低温热解是煤在隔绝空气的环境里，加热至400～800 ℃发生复杂反应，生成煤气、焦油等多种产物的过程，是煤炭清洁高效利用的一种有效方式[23]。煤的中低温热解主要采用低变质煤类，主要为褐煤(HM)、长焰煤(CY)、不黏煤(BN)、弱黏煤(RN)等。而宁东二叠纪煤类主要包括气煤(QM)、气肥煤(QF)、1/3焦煤(1/3 JM)、肥煤(FM)、焦煤(JM)、瘦煤(SM)、贫煤(PM)和无烟煤三号(WY3)[24]，且其焦油产率均值低于12%，灰分均值大于20%，不符合《商品煤质量 中低温热解用煤》(GB/T 25210-2021)及相关要求[25]。因此，宁东煤田二叠纪煤不适合中低温热解用煤。

4.5 液化用煤

煤炭液化是宁夏煤化工重要发展方向，并自主建设了神华100万t/a煤直接液化装置[26]。宁东煤田二叠纪煤具有低水、低磷、低氯、低砷特征，可磨性指数、惰质组含量、镜质体反射率也基本符合直接液化用煤指标[27]，属于中等-中高-高挥发分煤；同时，二叠纪煤岩显微组分主要以镜质体为主，这与贺兰山煤田山西组镜质体含量情况类似，依据“壳质组>镜质组>半镜质组”，属于适合液化的煤岩组分；但因灰分过高超过12%，依据《商品煤质量 直接液化用煤》(GB/T 23810-2021)宁东煤田二叠纪煤层不适合直接液化用煤，但可考虑液化配煤的方式。此外，煤的间接液化是建立在气化基础上，这里不再单独讨论。

4.6 气化用煤

煤炭气化是煤在一定温压和催化剂条件下，部分成分逐渐转化为H2、CO、CH4等气体的过程，既实现了煤炭的清洁利用，又带来大量的天然气，能够较好地满足新形势下工业发展和人民生活的需求。宁东煤田二叠纪煤层对CO2反应性(950 ℃)均值低于60%，灰分大于10%，属于中等-中高变质程度煤，不适合固定床气化用煤；根据现行的《煤化工用煤技术导则》，结合水分、有害元素含量、煤灰熔融性、哈氏可磨性、黏结指数、热稳定性等指标[28-29]符合水煤浆气流床、干粉气流床等基本要求。因此，宁东煤田二叠纪煤可作为水煤浆、干煤粉气流床气化用煤。宁东煤田山西组各煤层煤质指标及化工用途见表3。

综上所述，宁东煤田红墩子矿区建议清洁利用方向为清洁动力用煤、炼焦配煤、干煤粉气流床煤气化用煤；横城矿区建议清洁利用方向为清洁动力用煤、炼焦配煤、干煤粉气流床煤气化用煤；韦州矿区建议清洁利用方向为清洁动力用煤、炼焦配煤、干煤粉气流床煤气化用煤、水煤浆气流床煤气化用煤；四股泉矿区建议清洁利用方向为清洁动力用煤、干煤粉气流床煤气化用煤。宁东煤田二叠纪煤层主采矿区低碳清洁利用建议见表4。

5 结论

(1)依据《中国煤层煤分类》(GB/T 17607-1998)，宁东煤田二叠纪煤层主要为中-中高灰分、中等镜质组、中阶烟煤，具有特低-低硫、特低-低磷、特低氯、特低稀散元素、高发热量等特点。煤层水分、焦油产率、二氧化碳反应性数值较低；黏结指数由无黏结-强黏结，变化幅度较大；哈氏可磨指数中等；煤灰熔融温度较高等特点，且可采煤层在现有技术条件下煤中有益金属元素锗、镓、铀暂无工业回收价值。

(2)宁东煤田二叠纪煤中1～5号煤层不适合直接炼焦用煤，不适合中低温热解、不适合直接液化用煤、不适合固定床煤气化用煤、不适合流化床煤气化用煤；3号煤层可作为干煤粉气流床煤气化用煤；4号煤层可作为水煤浆气流床煤气化用煤和干煤粉气流床煤气化用煤。

(3)对宁东煤田清洁利用方向建议为：红墩子矿区建议清洁利用方向为清洁动力用煤、炼焦配煤、干煤粉气流床煤气化用煤；横城矿区建议清洁利用方向为清洁动力用煤、炼焦配煤、干煤粉气流床煤气化用煤；韦州矿区建议清洁利用方向为清洁动力用煤、炼焦配煤、干煤粉气流床煤气化用煤、水煤浆气流床煤气化用煤；四股泉矿区建议清洁利用方向为清洁动力用煤、干煤粉气流床煤气化用煤。

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Research on the coal rock and coal quality characteristics and clean utilization of Permian coal in Ningdong coalfield

XU Rui, XIA Yan, QI Fenghua, MAO Xingjun

(Coal Geological Bureau of Ningxia Hui Autonomous Region, Yinchuan, Ningxia 750002, China)

Abstract Based on the geological exploration data of Ningdong coalfield for many years, the coal rock and coal quality characteristics of Permian coal in Ningdong coalfield were analyzed and studied. The research results show that the macroscopic coal-rock characteristics of the Permian coal seams in Ningdong Coalfield are mainly semi-bright coal and semi-dark coal, followed by bright coal and dark coal; the Permian coal in Ningdong coalfield has medium ash content, ultra-low-low sulfur, ultra-low-low phosphorus, ultra-low chlorine and high calorific value, which can be used as clean power coal; and the Permian coal has medium-medium-high volatile matter, medium-strong caking, and medium content vitrinite, which can be used as coking coal blending after coal preparation and ash reduction. In the Ningdong coalfield, it is recommended that the coal clean utilization direction of Hongdunzi mining area includes clean power coal, coking coal blending coal, and dry coal powder fluidized bed gasification coal; the direction of Hengcheng mining area includes clean power coal, coking coal blending coal, and dry coal powder fluidized bed gasification coal; the direction of Weizhou mining area includes clean power coal, coking coal blending coal, dry coal powder fluidized bed gasification coal, and coal-water slurry fluidized bed gasification coal; the direction of Siguquan mining area includes clean power coal and dry coal powder fluidized bed gasification coal.

Keywords Ningdong coalfield; Permian coal; coal rock and coal quality; clean utilization

中图分类号 TQ533；P618.11

文献标志码 A

引用格式：许睿，夏炎，祁风华，等. 宁东煤田二叠纪煤岩煤质特征及清洁利用研究[J].中国煤炭，2024，50(3)：124-132.DOI：10.19880/j.cnki.ccm.2024.03.015 XU Rui，XIA Yan，QI Fenghua，et al. Research on the coal rock and coal quality characteristics and clean utilization of Permian coal in Ningdong coalfield [J]. China Coal，2024，50(3)124-132.DOI：10.19880/j.cnki.ccm.2024.03.015

基金项目：宁夏自然科学基金重点研发计划项目(2021BEG02015)；宁夏回族自治区非常规天然气勘查开发创新团队资助项目(2022BSB03105)；宁夏回族自治区第七批青年科技人才托举工程资助

作者简介：许睿(1983-)，男，宁夏中卫人，硕士，工程师，主要从事煤炭地质勘查及地质信息化工作。E-mail：83848487@qq.com

通讯作者：夏炎(1990-)，男，宁夏中宁县人，硕士，工程师，主要从事煤田地质及煤系矿产资源综合研究工作。E-mail：253125040@qq.com

(责任编辑 王雅琴)