李聰聰

(中國(guó)煤炭地質(zhì)總局航測(cè)遙感局，西安 710199)

0 引言

根據(jù)《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃(2014—2020年)》要求，到2020年，我國(guó)一次能源消費(fèi)總量將控制在48億t標(biāo)準(zhǔn)煤左右，煤炭消費(fèi)總量控制在42億t左右，煤炭消費(fèi)仍然占能源消費(fèi)比重的60%以上。在未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)，煤炭作為我國(guó)的主體能源具有無(wú)法替代的地位[1]，但煤炭利用方式粗放、污染重的問(wèn)題沒(méi)有得到根本解決。隨著生態(tài)文明建設(shè)對(duì)能源發(fā)展的新要求，煤炭資源清潔利用成為當(dāng)前我國(guó)煤地質(zhì)研究的主要方向。我國(guó)現(xiàn)行的煤化工體系下，不同的工藝對(duì)煤炭的煤質(zhì)有具體的要求，系統(tǒng)對(duì)煤巖煤質(zhì)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，研究煤炭資源的煤質(zhì)特征可以減少環(huán)境污染、提高煤炭資源利用方式，從而為煤炭資源清潔利用提供依據(jù)。

五彩灣礦區(qū)作為我國(guó)新疆大型煤炭基地的重要礦區(qū)之一，為了合理開(kāi)發(fā)利用礦區(qū)煤炭資源，促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展，規(guī)劃定位以大型煤礦建設(shè)、發(fā)展煤電及煤化工示范項(xiàng)目為主。前人對(duì)五彩灣礦區(qū)所處準(zhǔn)東煤田的研究較多，涉及五彩灣礦區(qū)的聚煤規(guī)律[2]、煤地球化學(xué)[3]、煤質(zhì)特征及工藝性能[4-6]、煤相[7-10]等方面，但暫未對(duì)整個(gè)礦區(qū)煤炭資源潔凈等級(jí)及煤化工清潔利用特征進(jìn)行分析，系統(tǒng)分析五彩灣礦區(qū)內(nèi)B1煤層的煤質(zhì)特征，并對(duì)其煤炭潔凈等級(jí)和氣化、液化特征進(jìn)行分析，對(duì)促進(jìn)五彩灣礦區(qū)煤炭資源的清潔高效利用具有指導(dǎo)意義。

1 礦區(qū)概況

準(zhǔn)東煤田五彩灣礦區(qū)位于新疆準(zhǔn)噶爾盆地，行政區(qū)劃屬吉木薩爾縣管轄，礦區(qū)北部邊界以Am和B1煤層隱伏露頭線為界；東部以Am煤層隱伏露頭線為界；南部和西部以Am和B1煤層的沉積缺失邊界線為界。礦區(qū)東西長(zhǎng)9.35～36.39km，南北寬10.59～38.75km，面積901km2，資源儲(chǔ)量308億t。礦區(qū)B1煤層開(kāi)發(fā)劃分6個(gè)礦(井)田和1個(gè)勘查區(qū)。

五彩灣礦區(qū)構(gòu)造單元屬準(zhǔn)噶爾中新生代坳陷區(qū)之破房子凹陷，以鼻狀背斜褶皺構(gòu)造為主，背斜之核部常由二疊系、三疊系組成，兩翼由侏羅系及白堊系組成，斷裂構(gòu)造不發(fā)育(圖1)。主要含煤地層為下侏羅統(tǒng)八道灣組和中侏羅統(tǒng)西山窯組，八道灣組含煤1～2層，含煤系數(shù)7.5%，累計(jì)可采煤層厚度0.83～7.68m，為大部可采不穩(wěn)定煤層，西山窯組含煤1～3層，含煤系數(shù)44.2%，累計(jì)可采煤層厚度1.17～87.36m，為穩(wěn)定—較穩(wěn)定的全部可采煤層，目前主要可采煤層為西山窯組B1煤層。

圖1 五彩灣礦區(qū)構(gòu)造綱要圖Figure 1 Structural outline map of Wucaiwan mining area

2 煤質(zhì)特征研究

五彩灣礦區(qū)西山窯組B1煤層煤質(zhì)特征研究以該礦區(qū)內(nèi)各井田的煤炭勘探報(bào)告為基礎(chǔ)，共收集6個(gè)井田和1個(gè)勘查區(qū)累計(jì)508個(gè)鉆孔的煤質(zhì)化驗(yàn)數(shù)據(jù)，并對(duì)重點(diǎn)的露天煤層剖面進(jìn)行了采樣測(cè)試，共采集測(cè)試煤樣95件，分析整理了五彩灣礦區(qū)西山窯組B1煤層的工業(yè)分析、全硫、灰成分分析、煤灰熔融性、微量元素等數(shù)據(jù)，并針對(duì)煤炭氣化、液化性能對(duì)熱穩(wěn)定性、煤對(duì)CO2反應(yīng)性等煤質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行了補(bǔ)充測(cè)試。

①灰分(Ad)。五彩灣礦區(qū)西山窯組B1煤層原煤灰分4.24%～39.28%,平均值9.09%,浮煤灰分為3.30%～21.96%,平均值為5.50%。B1煤層原煤主要為低灰分煤，其次為低中灰煤，少量中灰煤。浮煤大部分灰分低于10%，以特低灰煤為主，其次低灰煤，僅極少數(shù)區(qū)域?yàn)橹谢颐?圖2)。

圖2 B1煤層原煤灰分等值線圖Figure 2 Isogram of coal B1 raw coal ash contents

平面上，整個(gè)礦區(qū)原煤灰分以低灰煤為主，低中灰分煤主要分布在礦區(qū)北部一號(hào)露天井田北部、二號(hào)與三號(hào)露天井田交接部分、五號(hào)露天井田南部及五彩灣西部勘查區(qū)內(nèi)，原煤灰分最高分布位置主要集中在礦區(qū)西北部五號(hào)露天井田和勘查區(qū)內(nèi)。浮煤灰分產(chǎn)率與原煤灰分產(chǎn)率具有高度正相關(guān)性，因而其總體分布規(guī)律與原煤相近，但灰分產(chǎn)率總體下降明顯。

②揮發(fā)分(Vdaf)。B1煤層原煤揮發(fā)分產(chǎn)率4.70%～66.49%，平均值為33.51%；浮煤揮發(fā)分產(chǎn)率為28.63%～55.46%,平均33.98%。按MT/T 849-2000《煤的揮發(fā)分產(chǎn)率分級(jí)》，該礦區(qū)B1煤層原煤揮發(fā)分主要分布在28.0%～37.0%，屬中高揮發(fā)分煤，高揮發(fā)分煤和中等揮發(fā)分煤含量極少；浮煤揮發(fā)分產(chǎn)率變化較小，分布范圍與原煤分布特征基本一致(圖3)。

圖3 B1煤層揮發(fā)分等值線圖Figure 3 Isogram of coal B1 volatile matter contents

③全硫(St.d)。B1煤層原煤全硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.10%～2.32%，平均值為0.64%，浮煤全硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.04%～2.60%，平均值為0.23%。B1煤層原煤主要為特低硫煤-低硫煤，少部分區(qū)域?yàn)橹辛蛎汉椭懈吡蛎海籅1煤層浮煤絕大部分為特低硫煤，部分區(qū)域?yàn)榈土蛎?，僅北部和東南部極少數(shù)區(qū)域達(dá)中硫煤或中高硫煤。

平面上，五彩灣礦區(qū)B1煤層硫分變化總體上呈現(xiàn)東部高、西部低，南北兩端高，中部相對(duì)偏低的變化規(guī)律，礦區(qū)內(nèi)大部分為全硫小于1.0%的低硫煤，大于1.0%的低中硫至中硫煤主要分布在五彩灣勘查區(qū)北段及五彩灣一號(hào)井井田東段，其余區(qū)域五彩灣一號(hào)露天井田、二號(hào)露天井田、三號(hào)露天井田、四號(hào)露天井田、五號(hào)露天井田及一號(hào)井井田中西部硫分變化較小，基本在0.40～0.80，其余區(qū)域五彩灣勘查區(qū)大部硫分小于0.40(圖4)。

圖4 B1煤層硫分等值線圖Figure 4 Isogram of coal B1 sulfur contents

④氫碳原子比(H/C)。五彩灣礦區(qū)B1煤層原煤氫碳原子比為0.40～0.65，主要分布在0.50～0.60，平均值為0.55；總體上以0.50～0.60為中心正態(tài)分布，浮煤氫碳原子比為0.39～0.75，平均值為0.56(圖5)。

圖5 B1煤層H/C分布直方圖Figure 5 Histogram of coal B1H/C ratios distribution

平面上，五彩灣礦區(qū)內(nèi)絕大部分區(qū)域氫碳原子比為0.40～0.65，整體上大致呈現(xiàn)北部高、南部低，東部高、西部低的特點(diǎn)。即五彩灣一號(hào)露天井田、二號(hào)露天井田、三號(hào)露天井田、五號(hào)露天井田及五彩灣勘查區(qū)北段氫碳原子比值偏高，基本上在0.55～0.65，五彩灣四號(hào)露天井田、一號(hào)井井田及五彩灣勘查區(qū)中段、南段氫碳原子比值相對(duì)偏低，基本上為0.40～0.55，僅在一號(hào)井井田西南部有小范圍區(qū)域氫碳原子比值超過(guò)0.55(圖6)。

圖6 五彩灣礦區(qū)B1煤層H/C等值線圖Figure 6 Isogram of Wuncaiwan mining area coal B1H/C ratios

⑤煤灰熔融性。煤灰熔融性是影響煤炭氣化的重要因素之一，同時(shí)也是煤炭氣化爐工藝設(shè)計(jì)重要指標(biāo)。根據(jù)對(duì)B1煤層煤質(zhì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，結(jié)合本次系統(tǒng)的采樣分析測(cè)試數(shù)據(jù)，B1煤的煤灰熔融性(ST)范圍為1 062～>1 400℃，平均為1 192℃(N=102)。參考煤灰熔融溫度范圍：易熔灰分(ST<1 160℃)；中熔灰分(ST為1 160～>1 350℃)；難熔灰分(ST為1 350～>1 500℃)；可確定五彩灣礦區(qū)煤灰以中熔煤為主，占比為55.56%，次為易熔煤，占比為39.39%，少量為難熔灰，占比為5.05%(圖7)。

圖7 B1煤灰熔融性(ST)分布直方圖Figure 7 Histogram of coal B1 coal ash fusibility(ST) distributions

⑥煤的黏結(jié)指數(shù)(GR.I)。B1煤的黏結(jié)指數(shù)絕大多數(shù)為0，按國(guó)家煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MT/T 596-1996 劃分，礦區(qū)內(nèi)的煤類主要為不黏結(jié)煤，煤層焦渣特征指數(shù)為1～2，為極微弱熔融黏結(jié)，因此判斷其為無(wú)黏結(jié)或微黏結(jié)性煤。

⑦煤的低溫干餾。B1煤焦油產(chǎn)率在1.04%～5.20%，平均2.85%，總體焦油產(chǎn)率低于7%的標(biāo)準(zhǔn)，屬于含油煤。

⑧煤灰成分。B1煤層灰中主要成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：SiO25.03%～14.55%,平均10.54%；Al2O32.51%～16.07%,平均10.26%；Fe2O38.99%～25.12%,平均14.27%；CaO 41.75%～64.29%,平均46.75%；MgO 1.35%～3.35%,平均2.02%；SO37.50%～15.82%，平均6.46%； MnO20.09～0.76%，平均0.25%；K2O 0.14～0.24%，平均0.19%；Na2O 0.12%～4.48%，平均3.14%；TiO2含量0.25%～0.54%，平均0.39%；總體上以硅鋁酸鹽氧化物為主，堿性氧化物次之。

⑨有害元素。煤中有害元素的研究已成為潔凈煤地質(zhì)研究的重要內(nèi)容，本次主要對(duì)煤層的氟、氯、砷和磷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。五彩灣礦區(qū)B1煤原煤氟質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20～49μg /g，平均值為38.5μg /g，遠(yuǎn)低于我國(guó)晚侏羅世煤中氟質(zhì)量分?jǐn)?shù)的平均值189 μg/g，屬特低氟煤。煤中氯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.023%～0.59%，平均值為0.090%，以特低氯和低氯煤為主。砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1～5μg /g，平均值為2μg /g，總體屬一級(jí)含砷煤，3號(hào)煤原煤中磷分為0.001%～0.060%，平均值為0.020%，屬低磷分煤。

3 煤炭資源清潔利用方向

我國(guó)當(dāng)前煤炭清潔利用方式主要是把作為燃料的煤炭資源通過(guò)化學(xué)工藝處理轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢郧鍧嵗玫挠蜌饽茉椿蛘咂渌N類產(chǎn)品。主要的煤化工工藝有煤炭的焦化、直接液化和氣化，不同的煤化工工藝對(duì)煤炭的煤質(zhì)有具體的要求。

3.1 潔凈等級(jí)劃分

煤炭清潔潛勢(shì)劃分是煤炭分級(jí)、分質(zhì)、清潔高效利用的依據(jù)之一。根據(jù)唐書(shū)恒等(2006)建立的煤炭清潔利用潛勢(shì)評(píng)價(jià)體系[11]，綜合煤層全硫、灰分、有害元素(砷、氯、氟)等與煤炭清潔利用相關(guān)的各個(gè)指標(biāo)對(duì)五彩灣礦區(qū)B1煤層的清潔利用潛勢(shì)進(jìn)行評(píng)價(jià)(表1)。

表1 潔凈煤等級(jí)劃分方案及評(píng)價(jià)因子

由于五彩灣礦區(qū)B1煤層煤中有害元素濃度小于潔凈等級(jí)Ⅰ級(jí)的濃度限值，因此，本次潔凈等級(jí)劃分僅按照灰分和硫分指標(biāo)。當(dāng)灰分和硫分確定的潔凈等級(jí)不一致時(shí)，以綜合評(píng)價(jià)等級(jí)差者為準(zhǔn)。綜合分析該礦區(qū)B1煤潔凈等級(jí)劃分結(jié)果見(jiàn)表2，原煤灰分平均值為9.09%，硫分平均值為0.64%，綜合評(píng)價(jià)潔凈等級(jí)為Ⅱ級(jí)，屬好潔凈煤。浮煤灰分平均值為5.50%，硫分平均值為0.23%，綜合評(píng)價(jià)煤層潔凈等級(jí)為Ⅱ，屬好潔凈煤。

表2 B1煤潔凈等級(jí)劃分結(jié)果

3.2 資源清潔利用方向

根據(jù)我國(guó)不同煤化工工藝的特點(diǎn)，結(jié)合焦化、直接液化及氣化原料煤技術(shù)要求和煤化工過(guò)程中對(duì)煤的工藝性能的要求，按照焦化-液化-氣化的順序?qū)γ禾抠Y源的化工用途方向進(jìn)行評(píng)價(jià)，并且根據(jù)我國(guó)的煤化工用煤技術(shù)導(dǎo)則，氣化又按照工藝和氣化爐型的不同劃分為常壓固定床氣化、流化床氣化和氣流床氣化，不同的氣化類型對(duì)煤質(zhì)的要求各異。

參照對(duì)比《常壓固定床氣化用煤技術(shù)條件》GB/T 9143-2008、《氣流床氣化用原料煤技術(shù)條件》GB/T 29722-2013、《流化床氣化用原料煤技術(shù)條件》GB/T 29721-2013等要求，通過(guò)對(duì)其B1煤全水分、灰分、全硫、軟化溫度、流動(dòng)溫度等指標(biāo)分析發(fā)現(xiàn)(表3)，五彩灣礦區(qū)B1煤層全部為氣化用煤，氣化用煤類型主要為水煤漿氣流床氣化用煤和流化床氣化用煤。

表3 B1主要煤質(zhì)指標(biāo)與氣化用煤指標(biāo)對(duì)照表

4 結(jié)論

①五彩灣礦區(qū)西山窯組B1煤層以低灰、中高揮發(fā)分、特低硫-低硫、特低氟煤、特低-低氯煤、低磷分煤、一級(jí)含砷不黏煤為主，含小范圍的長(zhǎng)焰煤。參照煤炭清潔利用潛勢(shì)評(píng)價(jià)體系，B1煤層煤中有害元素富集度低，原煤以低灰、特低硫煤為主，原煤與浮煤潔凈等級(jí)均為Ⅱ級(jí)，屬好潔凈煤。

②依據(jù)按照氣化、液化特殊用煤評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，對(duì)五彩灣礦區(qū)西山窯組B1煤層的氣化、液化特征進(jìn)行了詳細(xì)劃分，整個(gè)礦區(qū)內(nèi)B1煤層不適合直接液化用煤，可作為氣化用煤的原料，以適合水煤漿氣流床氣化和流化床氣化為主，可考慮作為該區(qū)煤炭資源清潔高效利用的主要方向。