新疆五彩灣礦區(qū)西山窯組B1煤層煤質(zhì)特征及清潔利用方向

李聰聰

(中國煤炭地質(zhì)總局航測遙感局，西安 710199)

0 引言

根據(jù)《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動計劃(2014—2020年)》要求，到2020年，我國一次能源消費總量將控制在48億t標準煤左右，煤炭消費總量控制在42億t左右，煤炭消費仍然占能源消費比重的60%以上。在未來很長一段時期內(nèi)，煤炭作為我國的主體能源具有無法替代的地位[1]，但煤炭利用方式粗放、污染重的問題沒有得到根本解決。隨著生態(tài)文明建設對能源發(fā)展的新要求，煤炭資源清潔利用成為當前我國煤地質(zhì)研究的主要方向。我國現(xiàn)行的煤化工體系下，不同的工藝對煤炭的煤質(zhì)有具體的要求，系統(tǒng)對煤巖煤質(zhì)進行分析評價，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)作為我國新疆大型煤炭基地的重要礦區(qū)之一，為了合理開發(fā)利用礦區(qū)煤炭資源，促進區(qū)域經(jīng)濟和社會發(fā)展，規(guī)劃定位以大型煤礦建設、發(fā)展煤電及煤化工示范項目為主。前人對五彩灣礦區(qū)所處準東煤田的研究較多，涉及五彩灣礦區(qū)的聚煤規(guī)律[2]、煤地球化學[3]、煤質(zhì)特征及工藝性能[4-6]、煤相[7-10]等方面，但暫未對整個礦區(qū)煤炭資源潔凈等級及煤化工清潔利用特征進行分析，系統(tǒng)分析五彩灣礦區(qū)內(nèi)B1煤層的煤質(zhì)特征，并對其煤炭潔凈等級和氣化、液化特征進行分析，對促進五彩灣礦區(qū)煤炭資源的清潔高效利用具有指導意義。

1 礦區(qū)概況

準東煤田五彩灣礦區(qū)位于新疆準噶爾盆地，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9.35～36.39km，南北寬10.59～38.75km，面積901km2，資源儲量308億t。礦區(qū)B1煤層開發(fā)劃分6個礦(井)田和1個勘查區(qū)。

五彩灣礦區(qū)構(gòu)造單元屬準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告為基礎，共收集6個井田和1個勘查區(qū)累計508個鉆孔的煤質(zhì)化驗數(shù)據(jù)，并對重點的露天煤層剖面進行了采樣測試，共采集測試煤樣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)，并針對煤炭氣化、液化性能對熱穩(wěn)定性、煤對CO2反應性等煤質(zhì)指標進行了補充測試。

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)域為中灰煤(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)北部一號露天井田北部、二號與三號露天井田交接部分、五號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》，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)量分數(shù)0.10%～2.32%，平均值為0.64%，浮煤全硫質(zhì)量分數(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)域為中硫煤和中高硫煤；B1煤層浮煤絕大部分為特低硫煤，部分區(qū)域為低硫煤，僅北部和東南部極少數(shù)區(qū)域達中硫煤或中高硫煤。

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)北段及五彩灣一號井井田東段，其余區(qū)域五彩灣一號露天井田、二號露天井田、三號露天井田、四號露天井田、五號露天井田及一號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。即五彩灣一號露天井田、二號露天井田、三號露天井田、五號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露天井田、一號井井田及五彩灣勘查區(qū)中段、南段氫碳原子比值相對偏低，基本上為0.40～0.55，僅在一號井井田西南部有小范圍區(qū)域氫碳原子比值超過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，同時也是煤炭氣化爐工藝設計重要指標。根據(jù)對B1煤層煤質(zhì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，結(jié)合本次系統(tǒng)的采樣分析測試數(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，按國家煤炭行業(yè)標準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%的標準，屬于含油煤。

⑧煤灰成分。B1煤層灰中主要成分的質(zhì)量分數(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，本次主要對煤層的氟、氯、砷和磷進行統(tǒng)計分析。五彩灣礦區(qū)B1煤原煤氟質(zhì)量分數(shù)為20～49μg /g，平均值為38.5μg /g，遠低于我國晚侏羅世煤中氟質(zhì)量分數(shù)的平均值189 μg/g，屬特低氟煤。煤中氯質(zhì)量分數(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)量分數(shù)為1～5μg /g，平均值為2μg /g，總體屬一級含砷煤，3號煤原煤中磷分為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

我國當前煤炭清潔利用方式主要是把作為燃料的煤炭資源通過化學工藝處理轉(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煤炭的煤質(zhì)有具體的要求。

3.1 潔凈等級劃分

煤炭清潔潛勢劃分是煤炭分級、分質(zhì)、清潔高效利用的依據(jù)之一。根據(jù)唐書恒等(2006)建立的煤炭清潔利用潛勢評價體系[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的各個指標對五彩灣礦區(qū)B1煤層的清潔利用潛勢進行評價(表1)。

表1 潔凈煤等級劃分方案及評價因子

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Ⅰ級的濃度限值，因此，本次潔凈等級劃分僅按照灰分和硫分指標。當灰分和硫分確定的潔凈等級不一致時，以綜合評價等級差者為準。綜合分析該礦區(qū)B1煤潔凈等級劃分結(jié)果見表2，原煤灰分平均值為9.09%，硫分平均值為0.64%，綜合評價潔凈等級為Ⅱ級，屬好潔凈煤。浮煤灰分平均值為5.50%，硫分平均值為0.23%，綜合評價煤層潔凈等級為Ⅱ，屬好潔凈煤。

表2 B1煤潔凈等級劃分結(jié)果

3.2 資源清潔利用方向

根據(jù)我國不同煤化工工藝的特點，結(jié)合焦化、直接液化及氣化原料煤技術(shù)要求和煤化工過程中對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行評價，并且根據(jù)我國的煤化工用煤技術(shù)導則，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，不同的氣化類型對煤質(zhì)的要求各異。

參照對比《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，通過對其B1煤全水分、灰分、全硫、軟化溫度、流動溫度等指標分析發(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)指標與氣化用煤指標對照表

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、一級含砷不黏煤為主，含小范圍的長焰煤。參照煤炭清潔利用潛勢評價體系，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均為Ⅱ級，屬好潔凈煤。

②依據(jù)按照氣化、液化特殊用煤評價指標體系，對五彩灣礦區(qū)西山窯組B1煤層的氣化、液化特征進行了詳細劃分，整個礦區(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。