何建國，馬 榮，張 寧，朱士飛

(1.江蘇地質(zhì)礦產(chǎn)設(shè)計(jì)研究院(中國煤炭地質(zhì)總局檢測中心)，江蘇省徐州市，221006；2.中國煤炭地質(zhì)總局煤系礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省徐州市，221006；3.中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇省徐州市，221008；4.河北工程大學(xué)土木工程學(xué)院，河北省邯鄲市，056038)

“富煤、貧油、少氣”是我國能源結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，長期以來，以煤炭為主導(dǎo)的化石能源為我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)做出了巨大的貢獻(xiàn)[1-3]。我國要實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，以煤炭為主的化石能源面臨著巨大的挑戰(zhàn)，迫切需求加速推進(jìn)煤炭行業(yè)的綠色發(fā)展[4-5]。以煤制油、煤制氣為代表的清潔、安全、高效利用將成為未來我國煤炭工業(yè)發(fā)展的必由之路，也是保障我國能源戰(zhàn)略安全的重要措施，對我國油氣資源戰(zhàn)略具有重要意義[6-7]。

新疆是我國煤炭資源大省，黑山礦區(qū)是新疆重要的大型煤炭基地，目前尚處于開發(fā)階段，本次在對黑山礦區(qū)地質(zhì)勘探資料調(diào)研的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了樣品補(bǔ)充采集和測試化驗(yàn)，通過對煤巖特征、煤質(zhì)的理化性質(zhì)、工藝性能等方面的系統(tǒng)研究，對比現(xiàn)有液化和氣化用煤技術(shù)條件，對黑山礦區(qū)液化和氣化用煤等級進(jìn)行了評價(jià)分析，以期為黑山礦區(qū)煤炭資源的清潔、高效利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 礦區(qū)概況

黑山礦區(qū)地處烏魯木齊南部約60 km處，地貌形態(tài)為殘丘狀的剝蝕平原，礦區(qū)東西長約35 km，南北寬約4 km，面積約為107 km2。礦區(qū)分為2個(gè)井田，西部為黑山露天礦，東部為通蓋煤礦，礦區(qū)煤炭資源儲量為22.3億t。區(qū)域主要含煤地層為侏羅系中統(tǒng)西山窯組(J2x)，共含煤14層(組)，可采及基本全區(qū)可采煤層為8、9、10、11、12及13-2號煤層。其中13-2號煤層為全礦區(qū)較為穩(wěn)定的可采煤層，煤層可采厚度為1.17～51.5 m，平均厚度約為27.2 m。黑山礦區(qū)地理位置如圖1所示。

圖1 黑山礦區(qū)地理位置

2 煤巖煤質(zhì)特征

本次研究過程中，以黑山礦區(qū)2個(gè)井田的鉆孔化驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，并采集黑山礦區(qū)侏羅紀(jì)西山窯組(J2x)13-2煤層10件樣品開展煤巖煤質(zhì)測試，結(jié)合已有測試數(shù)據(jù)對13-2號煤層煤巖煤質(zhì)特征開展綜合分析。

2.1 煤巖特征及鏡質(zhì)組反射率

(1)煤巖特征。黑山礦區(qū)13-2號煤層宏觀煤巖類型以光亮型煤為主，半亮型煤次之。顯微組分有機(jī)質(zhì)含量高，平均含量達(dá)到98%以上，有機(jī)質(zhì)以鏡質(zhì)組分為主，其次為惰質(zhì)組，殼質(zhì)組占比最低。鏡質(zhì)組以基質(zhì)鏡質(zhì)體為主，少量結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體，偶見均質(zhì)鏡質(zhì)體、團(tuán)塊鏡質(zhì)體；鏡質(zhì)組含量為55.4%～76.4%，平均含量為67.82%；惰質(zhì)組以半絲質(zhì)體為主，其次碎屑惰質(zhì)體，少量氧化絲質(zhì)體；惰質(zhì)組含量為11.3%～44%，平均含量為31.36%；殼質(zhì)組以瀝青質(zhì)體為主，其次為小孢子體，少量角質(zhì)體、樹脂體和碎屑?xì)べ|(zhì)體，殼質(zhì)組含量為0.2%～1.2%，平均含量為0.81%；礦物主要以粘土礦物為主。

影響液化用煤的主要因素有煤階和顯微組分，顯微煤巖組分中的鏡質(zhì)組和殼質(zhì)組含量越高，越易促進(jìn)液化，而惰質(zhì)組隨含量升高則出現(xiàn)截然相反的表現(xiàn)，當(dāng)惰質(zhì)組含量低于15%時(shí)易于液化，在15%～35%之間適宜液化，高于35%則不適宜液化[8-9]。

(2)鏡質(zhì)組反射率。黑山礦區(qū)13-2號煤層鏡質(zhì)組反射率為0.26%～0.68%，平均為0.55%，屬于0-Ⅱ級變質(zhì)階段。鏡質(zhì)體反射率直接反映了煤的演化程度，煤的鏡質(zhì)體反射率與煤的變質(zhì)程度呈正相關(guān)關(guān)系，反射率值越小則煤的變質(zhì)程度越低。從目前國內(nèi)外研究成果來看，低變質(zhì)程度的煙煤加氫液化油產(chǎn)率遠(yuǎn)高于高變質(zhì)程度煙煤，我國相關(guān)研究專家認(rèn)為鏡質(zhì)體的最大反射率(Ro.max)在0.65%以下適宜液化[10-11]。

2.2 煤質(zhì)特征

2.2.1 工業(yè)分析

(1)水分(Mad)：黑山礦區(qū)13-2號煤層原煤水分的含量介于1.74%～21.18%之間，平均值為3.69%。煤炭在加氫液化過程中，氫化反應(yīng)會隨著水分含量的增加導(dǎo)致反應(yīng)速度降低，同時(shí)容易造成熱損耗的增加，增加運(yùn)行成本[10]。

(2)灰分(Ad)：黑山礦區(qū)13-2號煤層原煤灰分產(chǎn)率介于2.46%～37.61%之間，平均值為10.35%。按照《煤炭質(zhì)量分級第一部分：灰分》(GB/T 15224.1-2004)資源分級，黑山礦區(qū)13-2號煤層主要以特低-低灰煤為主。在平面分布上，礦區(qū)整體呈西低東高的趨勢，黑山礦區(qū)西部大部分為特低灰煤，僅東北部部分區(qū)域?yàn)榈突颐?，通蓋煤礦中部主要為低灰煤和中灰煤，西南和東北部為特低灰煤，13-2號煤層灰分產(chǎn)率等值線如圖2所示。

圖2 132號煤層灰分產(chǎn)率等值線圖3 132號煤層揮發(fā)分產(chǎn)率等值線圖4 132號煤層H/C等值線圖5 132號煤層硫分等值線

煤中的灰分在煤炭直接液化工藝過程中不僅影響液化轉(zhuǎn)化率，還影響產(chǎn)品凈收率，在減壓蒸餾過程中，殘?jiān)鼤y帶一部分液體產(chǎn)品，殘?jiān)吭礁邉t帶走的液體也越多[12]。

(3)揮發(fā)分(Vdaf)：黑山礦區(qū)13-2號煤層原煤揮發(fā)分產(chǎn)率介于24.91%～49.37%之間，平均值為38.42%。按照《煤的揮發(fā)分產(chǎn)率分級》(MT/T849-2000)，礦區(qū)內(nèi)主要為高-中高揮發(fā)分煤。在平面分布上，礦區(qū)大部分區(qū)域原煤的揮發(fā)分產(chǎn)率在37%以上，屬于高揮發(fā)分煤，僅有黑山煤礦的西部及北部區(qū)域內(nèi)揮發(fā)分產(chǎn)率低于37%，屬于中高揮發(fā)分煤，整體呈西低東高變化趨勢，13-2號煤層揮發(fā)分產(chǎn)率等值線如圖3所示。

通常而言，煤中揮發(fā)分產(chǎn)率越高、煤演化程度越輕，煤的橋鍵數(shù)目較多，分子之間交聯(lián)健以氫健連接，氫原子含量越高的煤越易液化[13]。

2.2.2 氫碳原子比(H/C)

黑山礦區(qū)13-2號煤層原煤氫碳原子比介于0.57～0.78之間，主要分布在0.70～0.76之間，平均值為0.74。平面上來看，礦區(qū)東部和西部地區(qū)氫碳原子比值較小，中部地區(qū)氫碳原子比均在0.74以上，具有中部高兩翼低的特點(diǎn)，13-2號煤層H/C等值線如圖4所示。

氫碳原子比(H/C)與煤炭轉(zhuǎn)化率和油產(chǎn)率均呈正相關(guān)，氫碳原子比(H/C)越高，轉(zhuǎn)換率和油產(chǎn)率越高[14]。

2.2.3 全硫(St,d)

黑山礦區(qū)13-2號煤層原煤全硫含量介于0.22%～1.69%之間，平均值為0.58%。按照《煤炭質(zhì)量分級第二部分：硫分》(GB/T 15224.2-2004)資源分級，黑山礦區(qū)13-2號煤層主要為特低-低硫煤。平面上分布來看，全硫含量變化與灰分產(chǎn)率變化相似，呈西低東高的趨勢，其中西部黑山煤礦大部分區(qū)域硫分小于0.50%，東部通蓋煤礦硫分大于0.50%，13-2號煤層硫分等值線如圖5所示。

黑山礦區(qū)13-2號煤層原煤中有機(jī)硫(So,d)對全硫含量的貢獻(xiàn)值較大，有機(jī)硫含量介于0.01%～1.65%之間，平均值為0.42%；硫化鐵硫(Sp,d)和硫酸鹽硫(Ss,d)貢獻(xiàn)值較低，因此洗選后全硫含量變化也不大。

2.3 工藝性能

(1)煤灰成分及灰熔融性。根據(jù)對黑山礦區(qū)13-2號煤層灰成分?jǐn)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，結(jié)合本次采樣測試數(shù)據(jù)，可以得知13-2號煤層的煤灰中主要成分SiO2含量介于11.42%～53.73%之間，平均值為30.63%；Al2O3含量介于0.34%～24.66%之間，平均值為12.65%；Fe2O3含量介于4.79%～25.30%之間，平均值為12.20%；CaO含量介于5.22%～48.76%之間，平均值為23.25%；MgO含量介于1.24%～15.60%之間，平均值為5.25%。煤灰成份是影響煤灰熔融性的主要因素，從測試數(shù)據(jù)來看，CaO+Fe2O3+MgO相對含量較高，在一定程度有利于灰熔點(diǎn)的降低[15]。

根據(jù)對黑山礦區(qū)13-2號煤層灰熔融性數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，結(jié)合本次采樣測試數(shù)據(jù)，13-2號煤層的煤灰熔融性(ST)范圍為1 120 ℃～>1 400 ℃，平均值為1 260 ℃，煤灰熔融性流動溫度(FT)為1 168℃～>1 400 ℃，平均1 306 ℃。參考煤灰軟化溫度(ST)分級和煤灰流動溫度(FT)分級，13-2號煤層灰軟化溫度(ST)大多屬于中等軟化溫度灰，流動溫度(FT)大多屬于中等流動溫度灰。對于煤炭氣化，適宜的灰熔融溫度不僅有利于排渣、保障氣化爐的正常運(yùn)行，而且可以增加氣化爐耐火襯里使用壽命[16]。

(2)煤的黏結(jié)指數(shù)(GR.I)。根據(jù)對13-2號煤層黏結(jié)指數(shù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，結(jié)合本次采樣測試數(shù)據(jù)，13-2號煤層的黏結(jié)指數(shù)為0～32，平均值為2.4，按煙煤黏結(jié)指數(shù)分級，整體為無黏結(jié)煤。對于氣化用煤，一般選用不黏結(jié)或弱黏結(jié)的煤，避免煤料在氣化爐內(nèi)粘結(jié)，影響氣化爐運(yùn)行。

(3)煤的熱穩(wěn)定性(TS+6)。根據(jù)對13-2號煤層熱穩(wěn)定性數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，結(jié)合本次采樣測試數(shù)據(jù)，13-2號煤層熱穩(wěn)定性為19.70%～98.00%，平均值為73.06%，按照煤的熱穩(wěn)定性分級，屬于高熱穩(wěn)定性煤。對于固定床氣化，煤的熱穩(wěn)定性太差，會妨礙煤粒和煤末的正常流動和均勻分布，影響氣化效果[17]。

(4)發(fā)熱量。根據(jù)對13-2號煤層發(fā)熱量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，原煤發(fā)熱量(Qgr.d)為 29.94～31.87 MJ/kg，屬特高熱值煤，可作為動力用煤。

3 清潔利用方向

參照《直接液化用原料煤技術(shù)條件》(GB/T 23810-2009)和《常壓固定床氣化用煤技術(shù)條件》(GB/T 9143-2008)煤質(zhì)技術(shù)要求，根據(jù)13-2號煤層煤巖煤質(zhì)特征及工藝性能，結(jié)合液化用煤、氣化用煤煤質(zhì)指標(biāo)體系[18]，進(jìn)行分級評價(jià)。

按照優(yōu)先評價(jià)液化用煤的原則開展評價(jià)，即如果煤質(zhì)指標(biāo)符合液化用煤則優(yōu)先作為液化用煤進(jìn)行評價(jià)，不符合液化用煤指標(biāo)則進(jìn)行氣化用煤指標(biāo)進(jìn)行評價(jià)[19]。13-2號煤層煤質(zhì)指標(biāo)與直接液化用煤評價(jià)指標(biāo)見表1，13-2號煤層煤質(zhì)指標(biāo)與固定床氣化用煤評價(jià)指標(biāo)見表2，液化、氣化用煤資源分區(qū)見圖6。

表1 13-2號煤層煤質(zhì)指標(biāo)與直接液化用煤評價(jià)指標(biāo)

表2 13-2號煤層煤質(zhì)指標(biāo)與固定床氣化用煤評價(jià)指標(biāo)

圖6 13-2號煤層液化、氣化用煤評價(jià)分區(qū)圖

由表1、表2和圖6可以看出，黑山礦區(qū)的13-2號煤層揮發(fā)分產(chǎn)率均值大于35%，鏡質(zhì)組反射率均值小于0.65%，煤灰分產(chǎn)率均值小于12%，評級均為一級；惰質(zhì)組均值介于15%～35%之間，H/C均值介于0.70～0.75之間，評級均為二級，由此可以看出，煤巖煤質(zhì)指標(biāo)能夠達(dá)到液化用煤二級指標(biāo)要求。同時(shí)，13-2號煤層黏結(jié)指數(shù)小于20，熱穩(wěn)定性大于60%，評級均為一級；灰熔融性流動平均溫度為1 306℃，評級為二級，13-2號煤層達(dá)到固定床氣化用煤二級指標(biāo)要求。依據(jù)評價(jià)原則，13-2號煤層平面上符合直接液化用煤主要分布在黑山煤礦中南部和通蓋煤田；黑山礦區(qū)北部部分區(qū)域符合二級常壓固定床氣化用煤要求。

依據(jù)煤炭清潔利用潛勢評價(jià)體系[20]，綜合黑山礦區(qū)13-2號煤層灰分、全硫、氟、砷、氯等指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)及分析測試數(shù)據(jù)對清潔利用潛勢進(jìn)行綜合評價(jià)，若各評價(jià)指標(biāo)潔凈等級不一致時(shí)，以潔凈等級差者為準(zhǔn)。13-2號煤層煤質(zhì)潔凈等級劃分見表3。

表3 13-2號煤層煤質(zhì)潔凈等級劃分

由表3可以看出，除灰分產(chǎn)率和硫分潔凈等級屬于Ⅱ，其余指標(biāo)潔凈等級均為Ⅰ級，13-2號煤層原煤評價(jià)潔凈等級為Ⅱ級，屬較好潔凈煤。

4 結(jié)論

(1)黑山礦區(qū)13-2號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(jī)質(zhì)含量高，平均含量達(dá)到98%以上，有機(jī)質(zhì)以鏡質(zhì)組分為主，次為惰質(zhì)組，殼質(zhì)組占比最低。

(2)黑山礦區(qū)13-2號煤層為特低-低灰、高-中高揮發(fā)分、特低-低硫、灰熔融性軟化溫度和流動溫度中等的高熱穩(wěn)定性、低黏結(jié)性、高發(fā)熱量煤。

(3)根據(jù)黑山礦區(qū)13-2號煤層煤巖煤質(zhì)特征，對比液化、氣化用煤煤質(zhì)評價(jià)技術(shù)指標(biāo)要求，黑山煤礦中部和南部以及通蓋煤田滿足液化用煤二級指標(biāo)要求；黑山礦區(qū)北部部分區(qū)域符合常壓固定床氣化用煤二級指標(biāo)要求。

(4)根據(jù)煤炭清潔利用潛勢評價(jià)體系，黑山礦區(qū)13-2號煤層為低砷、低氟、低氯煤，原煤潔凈等級為Ⅱ級，屬較好潔凈煤，可作為優(yōu)質(zhì)動力煤。

該研究有利于煤炭資源綠色、清潔、高效綜合開發(fā)和利用，是保障我國能源戰(zhàn)略安全的重要措施，對我國實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和具有重要意義。