何建國， 秦云虎， 馬 榮， 朱士飛

(1.江蘇地質(zhì)礦產(chǎn)設(shè)計研究院(中國煤炭地質(zhì)總局檢測中心)，江蘇徐州 221006；2.中國煤炭地質(zhì)總局煤系礦產(chǎn)資源重點實驗室，江蘇徐州 221006；3.中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇徐州 221006)

0 引言

“富煤、貧油、少氣”是我國能源結(jié)構(gòu)特點，從現(xiàn)有能源消耗來看，煤炭仍將是我國能源消費的主體，黨的十八大以來，隨著生態(tài)文明建設(shè)的不斷推進以及碳達峰和碳中和等政策的實施，煤制油氣、煤成油等煤炭綠色、清潔、高效利用不僅能改善我國“貧油、少氣”能源結(jié)構(gòu)，緩解煤炭燃燒帶來的環(huán)境壓力重要措施，更是實現(xiàn)我國2060年碳中和的重要保障[1-3]。新疆煤炭資源豐富，位于東疆的大南湖煤礦區(qū)是重要的煤炭資源基地，通過對大南湖煤的煤巖特征，煤質(zhì)的化學(xué)特征、工藝性能、有害元素等方面的系統(tǒng)研究，為該區(qū)煤炭資源的清潔、高效利用提供了科學(xué)依據(jù)[4-5]。

1 礦區(qū)概況

大南湖礦區(qū)位于新疆哈密市南部，礦區(qū)內(nèi)現(xiàn)有一號礦井、二號露天礦井和大南湖三號礦和1個勘查區(qū)，礦區(qū)位于一級構(gòu)造單元了墩隆起中的二級構(gòu)造單元大南湖淺凹陷[6](圖1)。大南湖礦區(qū)西山窯組(J2x)含煤50層， 其中以25煤層為全區(qū)可采煤層。

圖1 大南湖礦區(qū)位置及區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造Figure 1 Da’nanhu mining area position and regional tectonics

本次研究以25煤層為研究對象，采集大南湖礦區(qū)2號露天礦25煤層31件樣品進行煤巖煤質(zhì)分析分析，評價其潔凈利用方向。

2 煤巖特征

2.1 宏觀煤炭特征

大南湖礦區(qū)25煤層顏色均呈黑-褐黑色，煤質(zhì)較硬，不易破碎，呈層狀-塊狀構(gòu)造，條帶狀結(jié)構(gòu)。煤層光澤暗淡，多呈弱瀝青光澤。用地質(zhì)錘敲開樣品，見有參差狀、貝殼狀斷口，節(jié)理較發(fā)育，裂隙及節(jié)理發(fā)育，煤心輕污染手。煤層見方解石薄膜和黃鐵礦。宏觀煤巖類型以暗淡型、半暗型煤為主。

2.2 顯微煤巖特征

1)鏡質(zhì)組特征。鏡質(zhì)組以基質(zhì)鏡質(zhì)體為主(膠結(jié)絲質(zhì)體碎片和殼質(zhì)組)(圖2a)；其次是結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體，胞腔變形，中空(圖2b)；少數(shù)均質(zhì)鏡質(zhì)體(圖2c)、團塊鏡質(zhì)體(圖2d)。礦區(qū)內(nèi)25煤鏡質(zhì)組含量為22.37%～81.30%，平均含量53.08%。

2)惰質(zhì)組特征。惰質(zhì)組以半絲質(zhì)體為主(圖3a、b)；其次是氧化絲質(zhì)體(圖3d)和碎屑惰質(zhì)體(被基質(zhì)鏡質(zhì)體膠結(jié))(圖3c)，偶見粗粒體(圖3e)及微粒體(呈團狀、條狀)(圖3f)。礦區(qū)內(nèi)25煤惰質(zhì)組含量為15.70%～77.63%，平均含量44.76%。

3)殼質(zhì)組特征。殼質(zhì)組組分以小孢子體為主(圖4a)，其次是角質(zhì)體(圖4b)，少數(shù)樹脂體(圖4d、e、f)、木栓質(zhì)體(圖4e)，圖3c為角質(zhì)體熒光照片，圖3f為樹脂體熒光照片。礦區(qū)內(nèi)25煤殼質(zhì)組含量為0.30%～7.30%，平均含量3.37%。

圖2 鏡質(zhì)組顯微組分特征Figure 2 Vitrinite maceral features

圖3 惰質(zhì)組顯微亞組分特征Figure 3 Inertinite submaceral features

圖4 殼質(zhì)組顯微亞組分特征Figure 4 Exinite submaceral features

4)礦物組分特征。25煤層無機組分主要為黏土礦物(圖5a)，呈團狀，或充填絲質(zhì)體胞腔(圖5a，5b)，次為硫化物類和氧化硅類礦物，偶見碳酸鹽類礦物。硫化物類主要為黃鐵礦(圖5c)，多見充填狀，少數(shù)粒狀、團塊狀；氧化硅礦物為石英，呈棱角狀顆粒(圖5d中間)，碳酸鹽類礦物以方解石為主，呈充填裂隙狀(圖5d右上部)。

5)鏡質(zhì)體反射率特征。大南湖礦區(qū)25煤層鏡質(zhì)體反射率為0.21%～0.43%，平均為0.33%，屬于0變質(zhì)階段，即低變質(zhì)階段煙煤。

圖5 礦物組分特征Figure 5 Mineral component features

3 煤質(zhì)特征

本次在收集了大南湖礦區(qū)3個礦區(qū)，1個勘查區(qū)的鉆孔煤質(zhì)資料和勘探地質(zhì)報告基礎(chǔ)上，結(jié)合采樣測試數(shù)據(jù)分析25煤層化學(xué)特征、工藝性能和有害元素。

3.1 化學(xué)特征

3.1.1 工業(yè)分析

1)水分(Mad)。大南湖礦區(qū)25煤層原煤水分含量為3.50%～21.37%，平均11.38%；浮煤水分含量為3.50%～20.66%，平均9.63%。

2)灰分(Ad)。大南湖礦區(qū)25煤層原煤灰分產(chǎn)率(Ad)為5.71%～27.42%，平均11.93%；浮煤灰分產(chǎn)率(Ad)為4.71%～26.11%，平均9.01%。按《GB/T 15224.1-2018煤炭質(zhì)量分級 第1部分：灰分》資源分級，大南湖礦區(qū)25煤層低灰煤占比最高，其次為特低灰煤，中灰煤占比最低。在平面分布上，位于礦區(qū)北部的大南湖三礦大部區(qū)域和東部大南湖一礦和二礦部分區(qū)域原煤灰分以低灰煤為主，礦區(qū)西南部大部分為特低灰煤(圖6)。

圖6 25煤層灰分產(chǎn)率等值線Figure 6 Coal No.25 ash yields isogram

3)揮發(fā)分(Vdaf)。 25煤層原煤揮發(fā)分(Vdaf)產(chǎn)率為24.38%～44.56%，平均39.90%，浮煤揮發(fā)分(Vdaf)產(chǎn)率為32.23%～44.41%，平均40.54%(N=232)。按《(MT/T 849-2000)煤的揮發(fā)分產(chǎn)率分級》，礦區(qū)內(nèi)高揮發(fā)分煤占比最高，少量為中高揮發(fā)分煤。在平面分布上，礦區(qū)25煤層北部及南部大部分區(qū)域揮發(fā)分產(chǎn)率在39.0%～43.0%，但礦區(qū)西北部大南湖三礦揮發(fā)分產(chǎn)率略低，總體上，25煤層揮發(fā)分呈現(xiàn)出中部低，西部和東部高的特點(圖7)。

圖7 25煤層揮發(fā)分產(chǎn)率等值線Figure 7 Coal No.25 volatile matter yields isogram

圖8 25煤層硫分等值線Figure 8 Coal No.25 sulfur contents isogram

3.1.2 全硫(St,d)

大南湖礦區(qū)25煤層原煤全硫(St,d)含量為0.06%～1.97%，平均為0.42%，浮煤全硫(St,d)含量為0.01%～0.93%，平均0.20%。按《GB/T 14224.2-2010煤炭質(zhì)量分級 第2部分：硫分》資源分級，大南湖礦區(qū)25煤層主要為特低硫煤，少部分為低硫煤。平面上分布上，礦區(qū)25煤層大部分硫分小于0.50%，僅在礦區(qū)北部，大南湖一礦西北部和大南湖二礦北部有部分區(qū)域的硫分大于0.50%?？傮w來看，25煤層硫分呈中部高，四周低的特點(圖8)。

25煤層中各種形態(tài)硫含量絕大部分小于0.50%，僅有個別有機硫(So,d)和硫化鐵硫(Sp.d)值位于0.50%～1.00%，極個別硫化鐵硫(Sp.d)值位于1.00%～2.00%(N=34)；洗選后全硫含量略有增加。

3.2 工藝性能

1)灰熔融性。根據(jù)25煤層勘探報告的煤質(zhì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，結(jié)合本次采樣測試數(shù)據(jù)，25煤的煤灰熔融性軟化(ST)范圍為1 110～1 320℃，平均1 207℃，煤灰熔融性流動溫度(FT)為1 120～1 360℃，平均1 248℃。參考煤灰軟化溫度(ST)分級和煤灰流動溫度(FT)分級，大南湖礦區(qū)煤灰軟化溫度(ST)大多屬中等軟化溫度灰，流動溫度(FT)大多屬較低流動溫度灰。

2)煤的黏結(jié)指數(shù)(GR.I)。根據(jù)對25煤層的煤質(zhì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，結(jié)合本次采樣測試數(shù)據(jù)，25煤的黏結(jié)指數(shù)絕大多數(shù)為0，按《MT/T 596-2008煙煤黏結(jié)指數(shù)分級標準》劃分，礦區(qū)內(nèi)的煤為不黏結(jié)煤(BN)，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。

3)煤的熱穩(wěn)定性(TS+6)。根據(jù)對25煤層煤質(zhì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，結(jié)合本次采樣測試數(shù)據(jù)，25煤層的熱穩(wěn)定性為55.10%～73.30%，平均65.11%，按照《(MT/T 560—2008)煤灰熱穩(wěn)定性分級》，屬于較高熱穩(wěn)定性煤，有利于氣化過程的正常運行。

4)與二氧化碳反應(yīng)性(950℃)。根據(jù)對25煤層煤質(zhì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，結(jié)合本次采樣測試數(shù)據(jù)，25煤層二氧化碳反應(yīng)性(950℃)為89.1%～98.6%，平均96.1%，反應(yīng)活性高，在氣化過程中有助于減少耗氧量，降低能耗。

5)哈氏可磨性指數(shù)(HGI)。大南湖礦區(qū)25煤層哈氏可磨性指數(shù)(HGI)為51～107，平均86.7，主要集中在80～100，按照哈氏可磨性指數(shù)分級，屬于易磨煤?？赡バ院?，可以減少煤炭在破碎過程中的能耗，降低生產(chǎn)成本。

3.3 煤中有害元素

25煤層原煤元素含量見表1。

表1 25煤層原煤元素含量測試分析統(tǒng)計成果

大南湖礦區(qū)25煤層原煤磷(P)含量為0～0.148%，平均含量為0.018%，主要屬于特低—低磷分煤；氯(Cl)含量為0.002%～0.313%，平均含量為0.071%，主要屬于低氯煤，氯含量遠低于中國煤和世界煤平均值；砷(As)含量為0～8μg/g，平均含量為3μg/g，屬于一級含砷煤，氯含量低于中國煤和世界煤平均值；氟(F)元素含量為18～304μg/g，平均含量104μg/g，屬于低氟煤，氟含量低于中國煤平均值；鈾(U)元素含量為0～2μg/g，平均含量1μg/g，鈾含量低于中國煤平均值。

4 煤類及清潔利用方向探討

4.1 煤類

由于大南湖礦區(qū)25煤層煤化程度較低，根據(jù)浮煤揮發(fā)分(Vdaf)、黏結(jié)指數(shù)(GR·I)、透光率(PM)，按照《GB/T 5751—2009中國煤炭分類》，25煤層煤類為長焰煤(表2)。

表2 25煤層煤質(zhì)指標及煤炭分類

4.2 清潔利用方向

通過對大南湖25煤層煤巖組分、化學(xué)特征、工藝性能等指標分析，依據(jù)液化、氣化用煤資源評價原則[9-11]，對照直接液化和不同氣化工藝對煤質(zhì)要求的不同要求，大南湖25煤層原煤惰質(zhì)組含量超過35%，不適宜液化，其他指標滿足一級流化床氣化用煤、一級干煤粉氣流床氣化用煤和一級固定床氣化用煤指標要求(表3)。

圖9 25煤層氣化用煤評價Figure 9 Coal No.25 gasification coal assessments

依據(jù)煤炭清潔利用潛勢評價體系[9-12]，綜合大南湖礦區(qū)25煤層灰分、全硫、氟、砷、氯等指標的統(tǒng)計及分析測試數(shù)據(jù)對清潔利用潛勢進行綜合評價，若個評價指標潔凈等級不一致時。以潔凈等級差者為準。綜合評價結(jié)果見表4，25煤層原煤綜合評價潔凈等級為Ⅲ級，屬較好潔凈煤。浮煤綜合評價潔凈等級為Ⅱ，屬好潔凈煤(表4)。

表3 25煤層煤質(zhì)指標與氣化用煤評價指標

表4 25煤層煤質(zhì)潔凈等級劃分

5 結(jié)論

1)大南湖礦區(qū)25煤層宏觀煤巖類型以暗淡型、半暗型煤為主；煤巖顯微組分中有機質(zhì)含量高，平均含量達到93%以上，有機質(zhì)以鏡質(zhì)組分為主，次為惰質(zhì)組，殼質(zhì)組占比最低；無機組分以黏土、氧化硅礦物為主，含量低。

2)大南湖礦區(qū)25煤層以低灰、高揮發(fā)分、特低硫、較高熱穩(wěn)定性、易磨的長焰煤為主；煤中氯、砷、氟、鈾等元素含量均低于中國煤平均值。

3)根據(jù)大南湖礦區(qū)25煤層煤巖煤質(zhì)特征，對比氣化、液化特殊用煤煤質(zhì)技術(shù)要求，25 煤層煤質(zhì)指標符合一級流化床氣化用煤、一級干煤粉氣流床氣化用煤和一級固定床氣化用煤指標要求為主。

4)根據(jù)煤炭清潔利用潛勢評價體系，大南湖礦區(qū)25煤層原煤潔凈等級為Ⅲ級，屬較好潔凈煤；浮煤潔凈等級為Ⅱ級，屬好潔凈煤。