王洼礦區(qū)12煤層煤質(zhì)特征及中低溫?zé)峤庥妹涸u價

王 貝，王高皓，馬永祥，余飛龍

寧夏回族自治區(qū)煤炭地質(zhì)局，寧夏銀川 750002)

富煤貧油少氣是我國的資源稟賦現(xiàn)狀，決定了煤炭在能源體系中的主體作用[1]，煤炭的主體地位短期內(nèi)無法動搖，但并不能高枕無憂，煤炭的未來必須走出一條清潔高效利用的新路。煤炭本質(zhì)上是高碳能源，實現(xiàn)低碳化利用需要變革性技術(shù)創(chuàng)新[2]。我國石油、天然氣的進口依存度分別超過70%和40%。2022年一季度天然氣進口金額同比增加68.7%。采用中低溫?zé)峤鈴拿褐刑崛∮蜌夂突瘜W(xué)品，可大幅提高煤炭清潔利用水平，可緩解我國油氣供應(yīng)不足有力改善大氣質(zhì)量[3]，科學(xué)謀劃煤炭能源清潔高效利用，可為“碳達峰、碳中和”目標(biāo)的實現(xiàn)創(chuàng)造重要先決條件[4]。

通過中低溫?zé)峤饧夹g(shù)獲取的產(chǎn)品部分替代我國石油和天然氣的消費，促進石化行業(yè)原料多元化，是煤炭高值化清潔利用的主要發(fā)展方向之一[5]。隨著國家對政策方面對低階煤分級轉(zhuǎn)化的重視，近幾年，部分企業(yè)及研究機構(gòu)對低階煤熱解技術(shù)研究有了顯著的成果，如神華集團模塊化熱解技術(shù)[6]，神霧集團旋轉(zhuǎn)床和下行床熱解技術(shù)[7-8]，龍成集團內(nèi)部煙氣管式回轉(zhuǎn)熱解技術(shù)等各種新型工藝技術(shù)[9]。通過中低溫?zé)峤饧夹g(shù)讓煤經(jīng)過物理化學(xué)變化生成焦油、半焦、熱解氣三種相態(tài)產(chǎn)物，其中焦油經(jīng)濟價值極高。

寧東能源化工基地被國務(wù)院批準(zhǔn)為國家級重點開發(fā)區(qū)，其產(chǎn)品精細化程度已初見成效。2019年寧夏凈調(diào)入煤炭6227萬t，主要是寧東能源化工基地煤炭缺口較大，隨著寧東能源化工基地后續(xù)相關(guān)項目投產(chǎn)，其煤炭需求急劇增加[10]。王洼礦區(qū)煤炭資源豐富，累計查明煤炭資源量為1.9×109t[11]，2022年，王洼煤礦的改擴建將整個礦區(qū)產(chǎn)能提升到1.5×107t，遠大于固原市的煤炭需求總量，王洼礦區(qū)后續(xù)產(chǎn)煤除去固原市用煤所需，可向?qū)帠|能源化工基地供煤1.1×107t。本文通過梳理王洼礦區(qū)以往159個鉆孔的煤質(zhì)數(shù)據(jù)，分析其相應(yīng)指標(biāo)數(shù)據(jù)，劃分其質(zhì)量等級，圈定王洼礦區(qū)中低溫?zé)峤庥妹悍秶?，可以實現(xiàn)王洼礦區(qū)12煤層分質(zhì)分級利用，提高煤炭資源利用率和經(jīng)濟價值,為王洼礦區(qū)煤炭高效清潔利用指明方向。

1 煤層賦存特征

王洼礦區(qū)地處鄂爾多斯盆地西南緣[12]，北距寧東能源化工基地192km，交通較為便利，礦區(qū)現(xiàn)有煤礦3處，分別為銀洞溝煤礦、王洼煤礦、王洼二礦。含煤地層為中侏羅統(tǒng)延安組(J2y)，12煤層位于含煤地層的下部第一段(J2y1)，為第1個中旋迴(I)。整個I沉積過程中，礦區(qū)所處范圍為沖積、填平的準(zhǔn)平原化過程，在侏羅紀后期，由于礦區(qū)外西側(cè)青龍山-平?jīng)龃髷嗔殉掷m(xù)活動，礦區(qū)西側(cè)整體抬升，造成煤系抬升剝蝕，而礦區(qū)南側(cè)以及東側(cè)沉積邊界得到了保留。12煤層在礦區(qū)內(nèi)分布面積40.80km2，可采面積39.08km2，見煤鉆孔80個，可采見煤點79個，礦區(qū)南部至東部受古隆起影響沉積缺失，在銀洞溝勘查區(qū)、F2勘查區(qū)北部、草廟勘查區(qū)北部、一礦北部勘查區(qū)大部區(qū)域都有分布，是王洼礦區(qū)主要可采煤層。12煤層厚度0～13.67m，平均9.30m，可采厚度4.46～10.22m，平均8.15m，12煤層厚度較穩(wěn)定，屬中厚—特厚煤層。厚度變化總體呈北厚南薄趨勢(圖1)。

2 煤質(zhì)特征

2.1 宏觀煤巖特征

王洼礦區(qū)12煤層顏色為黑色，油脂、瀝青光澤，條帶狀、線理狀，少數(shù)為均一狀結(jié)構(gòu)，層狀、塊狀構(gòu)造，半堅硬，層面及裂隙中常被方解石薄膜充填(圖2)。12煤層煤層真密度分別平均為1.46～1.65g/cm3，視密度分別平均為1.30～1.44g/cm3。煤的宏觀煤巖成分以暗煤為主，亮煤次之，夾鏡煤條帶和絲炭薄層。宏觀煤巖類型為半暗煤和半亮煤。

2.2 顯微煤巖特征

煤的有機顯微組分分為鏡質(zhì)組、惰質(zhì)組和殼質(zhì)組，不同顯微組分由于揮發(fā)分含量及結(jié)構(gòu)的差異呈現(xiàn)出不同的熱解特性[13]。12煤層顯微組分中，有機質(zhì)為93.1%，無機質(zhì)為6.9%。其中鏡質(zhì)組占有機組分的65%，惰質(zhì)組占31%，殼質(zhì)組占4%。無機組分以黏土類為主，少量石英和黃鐵礦等。鏡質(zhì)組主要為均質(zhì)及基質(zhì)體，惰質(zhì)組以絲質(zhì)體及其碎屑為主，偶見微粒和粗粒體。殼質(zhì)組為小孢子。黏土礦物呈塊狀，石英為棱角狀，黃鐵礦呈塊狀和脈狀裂隙充填。煤中鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組之和占有機組分的98%左右，顯微煤巖類型為微鏡惰煤。

圖1 12#煤層厚度等值線Figure 1 Thickness contour of No.12 coal seam

圖2 12煤層宏觀煤炭特征Figure 2 Macroscopic coal characteristics of No.12 coal seam

2.3 煤質(zhì)特征

GB/T 25210—2021《商品煤質(zhì)量 中低溫?zé)峤庥妹骸酚?022年7月實施，該標(biāo)準(zhǔn)代替了《蘭炭用煤條件》(GB/T 25210—2021),新標(biāo)準(zhǔn)中主要按焦油產(chǎn)率和灰分指標(biāo)進行質(zhì)量等級劃分，故煤質(zhì)特征只針對相應(yīng)指標(biāo)進行評述。

2.3.1 焦油產(chǎn)率(Tard)

煤焦油產(chǎn)率是煤熱解工藝中備受關(guān)注的一項重要指標(biāo)，煤焦油是低溫煤熱解的重要目標(biāo)產(chǎn)物[14]，王洼礦區(qū)12煤層原煤焦油產(chǎn)率指數(shù)為3.39%～10.5%，平均為5.42%，浮煤焦油產(chǎn)率指數(shù)為4.84%～11.03%，平均為7.13%，依據(jù)《煤中焦油含量分級》(MT/T 1179—2019)判別，12煤層原煤焦油含量分級為低油產(chǎn)率—中油產(chǎn)率煤，在平面分布上，焦油含量由中部向四周逐漸降低。低油產(chǎn)率煤主要分布在銀洞溝勘查區(qū)以及一礦北部勘查區(qū)東側(cè)，中油產(chǎn)率煤分布在F2勘查區(qū)以及草廟勘查區(qū)北部(圖3)。

圖3 12煤層焦油產(chǎn)率等值線圖 Figure 3 Tar yield contour of No.12 coal seam

2.3.2 灰分(Ad)

王洼礦區(qū)12煤層原煤灰分產(chǎn)率(Ad)為11.3%～34.03%，平均值為18.11%；浮煤灰分產(chǎn)率(Ad)為4.62%～10.91%，平均值為7.03%，總體灰分范圍分布在25%以下，礦區(qū)北部銀洞溝勘查區(qū)主要分布為低灰煤，總體來說灰分具有由西北部向東南部增大的趨勢(圖4)。12煤層含有多層夾矸，一般厚度為0.10～0.30m，巖性以泥巖和炭質(zhì)泥巖為主、粉砂巖次之。夾矸灰分產(chǎn)率為69.11%～88.06%，采煤時若夾矸混入煤中，使各可采煤層原煤灰分產(chǎn)率增高8.50%～16.05%，對煤的質(zhì)量有較大影響，經(jīng)過洗選后，浮煤大部分為特低灰煤?？傮w來看，礦區(qū)12煤層灰分能滿足中低溫?zé)峤庥妹褐笜?biāo)要求。

2.3.3 全硫(St,d)

王洼礦區(qū)12煤層原煤全硫含量(St,d)為0.13%～2.43%，平均值為0.77%；浮煤全硫含量(St,d)為0.12%～1.19%，平均值為0.46%，按照《煤炭質(zhì)量分級 第2部分：硫分》(GB/T 15224.2—2010)判別，12煤層原煤為特低硫-中硫煤，平面分布上，礦區(qū)西側(cè)與中部分布有中硫煤，向四周硫分開始降低，經(jīng)過洗選后，浮煤大部分為特低硫煤。12煤層原煤各種形態(tài)硫以硫化鐵硫(Sp,d)為主，平均為0.56%～0.88%；有機硫(So,d)次之，平均為0.15%～0.52%；少量硫酸鹽硫(Ss,d)，平均為0.01%～0.02%。浮煤各種形態(tài)硫以有機硫為主，平均為0.28%～0.71%；硫化鐵硫次之，平均為0.07%～0.12%；少量硫酸鹽硫，平均為0.01%～0.02%。煤的熱解過程中不論是無機硫還是有機硫，都會隨著熱解過程發(fā)生遷移[15]，硫的含量越低，熱解過程中釋放出污染物也就越低。

圖4 12煤層灰分等值線圖Figure 4 Ash contour of No.12 coal seam

2.3.4 煤中有害元素

煤中的有害元素是煤化工用煤評價的重要指標(biāo)，是潔凈煤地質(zhì)研究的重要內(nèi)容[16]。王洼礦區(qū)12煤層原煤中磷(Pd)的含量為0.003%～0.16%，平均含量為0.04%，浮煤中磷(Pd)的含量為0.003%～0.136%，平均含量為0.048%，絕大部分為低磷分煤-中磷分煤；12煤層原煤中氯(CLd)含量為0.004%～0.090%，平均含量為0.021%，浮煤中氯(CLd)含量為0.003%～0.056%，平均含量為0.035%，絕大部分為特低氯煤，少量零星分布中氯煤；12煤層原煤中砷(Asd)含量為1～39μg/g，平均值為4.49μg/g，浮煤中砷(Asd)含量為1～14μg/g，平均值為2.54μg/g，為絕大部分為一級含砷煤，零星分布二級含砷煤；原煤汞(Hgd)含量為0.100～0.31μg/g，平均值為0.140μg/g，為低汞煤。

2.4 煤類

12煤層浮煤干燥無灰基揮發(fā)分(Vdaf)產(chǎn)率為31.96%～40.53%，平均為36.38；黏結(jié)指數(shù)(GR.I)為0，根據(jù)中國煤炭分類國家標(biāo)準(zhǔn)，12煤層煤類為不黏煤(BN)和長焰煤(CY)。

王洼礦區(qū)12煤層煤質(zhì)指標(biāo)與中低溫?zé)峤庥妹涸u價指標(biāo)見表1。

表1 12煤層煤質(zhì)指標(biāo)與中低溫?zé)峤庥妹涸u價指標(biāo)

3 中低溫?zé)峤庥妹涸u價

3.1 煤的潔凈等級劃分

王洼礦區(qū)12煤層鏡質(zhì)體反射率大于0.65，不適宜做直接液化用煤，根據(jù)固定床氣化用煤的其他指標(biāo)要求，所劃分的范圍太小，不利于礦區(qū)后期規(guī)劃開采，其他指標(biāo)滿足中低溫?zé)峤庥妹旱闹笜?biāo)要求。依據(jù)煤炭清潔利用潛勢評價體系判定[17-20]，綜合12煤層灰分、全硫、砷、氯、氟等數(shù)據(jù)統(tǒng)計以及測試分析數(shù)據(jù)，對12煤層的潔凈等級進行劃分對比，若某一指標(biāo)評價等級不一致，以最差等級為準(zhǔn)，12煤層原煤綜合評價潔凈等級為Ⅲ級，浮煤綜合評價潔凈等級為Ⅱ級(表2)。

表2 12煤層煤質(zhì)潔凈等級劃分

3.2 評價分區(qū)及資源量評估

按照《商品煤質(zhì)量 中低溫?zé)峤庥妹骸?GB/T 25210—2021)中用煤煤質(zhì)指標(biāo)要求，通過對礦區(qū)12煤層焦油產(chǎn)率(Tard)、灰分(Ad)、有害元素等指標(biāo)綜合分析發(fā)現(xiàn)，礦區(qū)12煤層中低溫?zé)峤庥妹嘿|(zhì)量等級可劃分為二級和三級，銀洞溝煤礦在后續(xù)煤炭開發(fā)中以及王洼煤礦在改擴建后可將一礦北部勘查區(qū)煤炭資源按照中低溫?zé)峤庥妹哼M行質(zhì)量分級，評價分區(qū)見圖5。

根據(jù)12煤層清潔利用分區(qū)指標(biāo)要求，采用塊段面積分割法，利用各指標(biāo)界線分割原資源量估算圖上塊段資源量，經(jīng)過資源量估算：中低溫?zé)峤庥妹?.52億t，其中二級中低溫?zé)峤庥妹?.75億t，三級中低溫?zé)峤庥妹?.77億t。銀洞溝勘查區(qū)西北側(cè)可做三級中低溫?zé)峤庥妹?，其余可做二級中低溫?zé)峤庥妹?；一礦北部勘查區(qū)北部、F2勘查區(qū)北部、草廟勘查區(qū)西北部、銀洞溝勘查區(qū)東南部全部可做二級中低溫?zé)峤庥妹?，一礦北部勘查區(qū)南部可做三級中低溫?zé)峤庥妹?，由于全?St,d)指標(biāo)要求小于等于1%，且草廟勘查區(qū)鉆孔控制程度較低，故在12煤層分布范圍內(nèi)東側(cè)沒有中低溫?zé)峤庥妹悍謪^(qū)。按照王洼礦區(qū)原煤焦油產(chǎn)率測試結(jié)果，12煤層二級焦油產(chǎn)率(Tard)平均值為8.28%，三級焦油產(chǎn)率(Tard)平均值為4.54%，經(jīng)過換算，王洼礦區(qū)12煤層可產(chǎn)焦油共計1.799×107t，其中二級中低溫?zé)峤庥妹寒a(chǎn)1.449×107t，三級中低溫?zé)峤庥妹寒a(chǎn)0.35×107t。

圖5 12煤層煤炭資源中低溫?zé)峤庥妹涸u價Figure 5 Evaluation of coal for low-temperature pyrolysis in coal resources of No.12 coal seam

4 結(jié)論

1)王洼礦區(qū)12煤主要以不黏煤和長焰煤為主，是較好的中低溫?zé)峤庥妹涸希鶕?jù)中低溫?zé)峤獾挠妹好嘿|(zhì)技術(shù)指標(biāo)評價體系，將12煤層質(zhì)量等級分為二級、三級，經(jīng)過中低溫?zé)峤饧夹g(shù)可形成三種相態(tài)產(chǎn)物，其焦油經(jīng)濟價值最高，工業(yè)產(chǎn)品可供寧東能源化工基地煤化工所需，由于王洼礦區(qū)與寧東能源化工基地距離較短且交通便利，可滿足其市場需求。

2)根據(jù)煤炭清潔利用潛勢評價體系，對王洼礦區(qū)12煤層的潔凈等級進行了評價，其原煤潔凈等級為Ⅲ級，屬較好潔凈煤；浮煤潔凈等級為Ⅱ級，屬好潔凈煤。

3)根據(jù)中低溫?zé)峤獾挠妹好嘿|(zhì)技術(shù)指標(biāo)評價體系，圈定王洼礦區(qū)12煤層中低溫?zé)峤庥妹悍秶?，為礦區(qū)煤炭高效清潔利用指明方向，經(jīng)過資源量估算，中低溫?zé)峤庥妹?.52億t，其中可劃分出二級中低溫?zé)峤庥妹?.75億t，三級中低溫?zé)峤庥妹?.77億t，經(jīng)過換算，王洼礦區(qū)12#煤層可產(chǎn)焦油共計1.799×107t。