黑山矿区煤岩煤质特征及清洁高效利用研究

何建国，马 荣，张 宁，朱士飞

(1.江苏地质矿产设计研究院(中国煤炭地质总局检测中心)，江苏省徐州市，221006；2.中国煤炭地质总局煤系矿产资源重点实验室，江苏省徐州市，221006；3.中国矿业大学，江苏省徐州市，221008；4.河北工程大学土木工程学院，河北省邯郸市，056038)

“富煤、贫油、少气”是我国能源结构的特点，长期以来，以煤炭为主导的化石能源为我国经济建设做出了巨大的贡献[1-3]。我国要实现“双碳”目标，以煤炭为主的化石能源面临着巨大的挑战，迫切需求加速推进煤炭行业的绿色发展[4-5]。以煤制油、煤制气为代表的清洁、安全、高效利用将成为未来我国煤炭工业发展的必由之路，也是保障我国能源战略安全的重要措施，对我国油气资源战略具有重要意义[6-7]。

新疆是我国煤炭资源大省，黑山矿区是新疆重要的大型煤炭基地，目前尚处于开发阶段，本次在对黑山矿区地质勘探资料调研的基础上，进行了样品补充采集和测试化验，通过对煤岩特征、煤质的理化性质、工艺性能等方面的系统研究，对比现有液化和气化用煤技术条件，对黑山矿区液化和气化用煤等级进行了评价分析，以期为黑山矿区煤炭资源的清洁、高效利用提供科学依据。

1 矿区概况

黑山矿区地处乌鲁木齐南部约60 km处，地貌形态为残丘状的剥蚀平原，矿区东西长约35 km，南北宽约4 km，面积约为107 km2。矿区分为2个井田，西部为黑山露天矿，东部为通盖煤矿，矿区煤炭资源储量为22.3亿t。区域主要含煤地层为侏罗系中统西山窑组(J2x)，共含煤14层(组)，可采及基本全区可采煤层为8、9、10、11、12及13-2号煤层。其中13-2号煤层为全矿区较为稳定的可采煤层，煤层可采厚度为1.17～51.5 m，平均厚度约为27.2 m。黑山矿区地理位置如图1所示。

图1 黑山矿区地理位置

2 煤岩煤质特征

本次研究过程中，以黑山矿区2个井田的钻孔化验数据为基础，并采集黑山矿区侏罗纪西山窑组(J2x)13-2煤层10件样品开展煤岩煤质测试，结合已有测试数据对13-2号煤层煤岩煤质特征开展综合分析。

2.1 煤岩特征及镜质组反射率

(1)煤岩特征。黑山矿区13-2号煤层宏观煤岩类型以光亮型煤为主，半亮型煤次之。显微组分有机质含量高，平均含量达到98%以上，有机质以镜质组分为主，其次为惰质组，壳质组占比最低。镜质组以基质镜质体为主，少量结构镜质体，偶见均质镜质体、团块镜质体；镜质组含量为55.4%～76.4%，平均含量为67.82%；惰质组以半丝质体为主，其次碎屑惰质体，少量氧化丝质体；惰质组含量为11.3%～44%，平均含量为31.36%；壳质组以沥青质体为主，其次为小孢子体，少量角质体、树脂体和碎屑壳质体，壳质组含量为0.2%～1.2%，平均含量为0.81%；矿物主要以粘土矿物为主。

影响液化用煤的主要因素有煤阶和显微组分，显微煤岩组分中的镜质组和壳质组含量越高，越易促进液化，而惰质组随含量升高则出现截然相反的表现，当惰质组含量低于15%时易于液化，在15%～35%之间适宜液化，高于35%则不适宜液化[8-9]。

(2)镜质组反射率。黑山矿区13-2号煤层镜质组反射率为0.26%～0.68%，平均为0.55%，属于0-Ⅱ级变质阶段。镜质体反射率直接反映了煤的演化程度，煤的镜质体反射率与煤的变质程度呈正相关关系，反射率值越小则煤的变质程度越低。从目前国内外研究成果来看，低变质程度的烟煤加氢液化油产率远高于高变质程度烟煤，我国相关研究专家认为镜质体的最大反射率(Ro.max)在0.65%以下适宜液化[10-11]。

2.2 煤质特征

2.2.1 工业分析

(1)水分(Mad)：黑山矿区13-2号煤层原煤水分的含量介于1.74%～21.18%之间，平均值为3.69%。煤炭在加氢液化过程中，氢化反应会随着水分含量的增加导致反应速度降低，同时容易造成热损耗的增加，增加运行成本[10]。

(2)灰分(Ad)：黑山矿区13-2号煤层原煤灰分产率介于2.46%～37.61%之间，平均值为10.35%。按照《煤炭质量分级第一部分：灰分》(GB/T 15224.1-2004)资源分级，黑山矿区13-2号煤层主要以特低-低灰煤为主。在平面分布上，矿区整体呈西低东高的趋势，黑山矿区西部大部分为特低灰煤，仅东北部部分区域为低灰煤，通盖煤矿中部主要为低灰煤和中灰煤，西南和东北部为特低灰煤，13-2号煤层灰分产率等值线如图2所示。

图2 132号煤层灰分产率等值线图3 132号煤层挥发分产率等值线图4 132号煤层H/C等值线图5 132号煤层硫分等值线

煤中的灰分在煤炭直接液化工艺过程中不仅影响液化转化率，还影响产品净收率，在减压蒸馏过程中，残渣会携带一部分液体产品，残渣含量越高则带走的液体也越多[12]。

(3)挥发分(Vdaf)：黑山矿区13-2号煤层原煤挥发分产率介于24.91%～49.37%之间，平均值为38.42%。按照《煤的挥发分产率分级》(MT/T849-2000)，矿区内主要为高-中高挥发分煤。在平面分布上，矿区大部分区域原煤的挥发分产率在37%以上，属于高挥发分煤，仅有黑山煤矿的西部及北部区域内挥发分产率低于37%，属于中高挥发分煤，整体呈西低东高变化趋势，13-2号煤层挥发分产率等值线如图3所示。

通常而言，煤中挥发分产率越高、煤演化程度越轻，煤的桥键数目较多，分子之间交联健以氢健连接，氢原子含量越高的煤越易液化[13]。

2.2.2 氢碳原子比(H/C)

黑山矿区13-2号煤层原煤氢碳原子比介于0.57～0.78之间，主要分布在0.70～0.76之间，平均值为0.74。平面上来看，矿区东部和西部地区氢碳原子比值较小，中部地区氢碳原子比均在0.74以上，具有中部高两翼低的特点，13-2号煤层H/C等值线如图4所示。

氢碳原子比(H/C)与煤炭转化率和油产率均呈正相关，氢碳原子比(H/C)越高，转换率和油产率越高[14]。

2.2.3 全硫(St,d)

黑山矿区13-2号煤层原煤全硫含量介于0.22%～1.69%之间，平均值为0.58%。按照《煤炭质量分级第二部分：硫分》(GB/T 15224.2-2004)资源分级，黑山矿区13-2号煤层主要为特低-低硫煤。平面上分布来看，全硫含量变化与灰分产率变化相似，呈西低东高的趋势，其中西部黑山煤矿大部分区域硫分小于0.50%，东部通盖煤矿硫分大于0.50%，13-2号煤层硫分等值线如图5所示。

黑山矿区13-2号煤层原煤中有机硫(So,d)对全硫含量的贡献值较大，有机硫含量介于0.01%～1.65%之间，平均值为0.42%；硫化铁硫(Sp,d)和硫酸盐硫(Ss,d)贡献值较低，因此洗选后全硫含量变化也不大。

2.3 工艺性能

(1)煤灰成分及灰熔融性。根据对黑山矿区13-2号煤层灰成分数据统计，结合本次采样测试数据，可以得知13-2号煤层的煤灰中主要成分SiO2含量介于11.42%～53.73%之间，平均值为30.63%；Al2O3含量介于0.34%～24.66%之间，平均值为12.65%；Fe2O3含量介于4.79%～25.30%之间，平均值为12.20%；CaO含量介于5.22%～48.76%之间，平均值为23.25%；MgO含量介于1.24%～15.60%之间，平均值为5.25%。煤灰成份是影响煤灰熔融性的主要因素，从测试数据来看，CaO+Fe2O3+MgO相对含量较高，在一定程度有利于灰熔点的降低[15]。

根据对黑山矿区13-2号煤层灰熔融性数据的统计，结合本次采样测试数据，13-2号煤层的煤灰熔融性(ST)范围为1 120 ℃～>1 400 ℃，平均值为1 260 ℃，煤灰熔融性流动温度(FT)为1 168℃～>1 400 ℃，平均1 306 ℃。参考煤灰软化温度(ST)分级和煤灰流动温度(FT)分级，13-2号煤层灰软化温度(ST)大多属于中等软化温度灰，流动温度(FT)大多属于中等流动温度灰。对于煤炭气化，适宜的灰熔融温度不仅有利于排渣、保障气化炉的正常运行，而且可以增加气化炉耐火衬里使用寿命[16]。

(2)煤的黏结指数(GR.I)。根据对13-2号煤层黏结指数数据统计，结合本次采样测试数据，13-2号煤层的黏结指数为0～32，平均值为2.4，按烟煤黏结指数分级，整体为无黏结煤。对于气化用煤，一般选用不黏结或弱黏结的煤，避免煤料在气化炉内粘结，影响气化炉运行。

(3)煤的热稳定性(TS+6)。根据对13-2号煤层热稳定性数据统计，结合本次采样测试数据，13-2号煤层热稳定性为19.70%～98.00%，平均值为73.06%，按照煤的热稳定性分级，属于高热稳定性煤。对于固定床气化，煤的热稳定性太差，会妨碍煤粒和煤末的正常流动和均匀分布，影响气化效果[17]。

(4)发热量。根据对13-2号煤层发热量数据统计，原煤发热量(Qgr.d)为 29.94～31.87 MJ/kg，属特高热值煤，可作为动力用煤。

3 清洁利用方向

参照《直接液化用原料煤技术条件》(GB/T 23810-2009)和《常压固定床气化用煤技术条件》(GB/T 9143-2008)煤质技术要求，根据13-2号煤层煤岩煤质特征及工艺性能，结合液化用煤、气化用煤煤质指标体系[18]，进行分级评价。

按照优先评价液化用煤的原则开展评价，即如果煤质指标符合液化用煤则优先作为液化用煤进行评价，不符合液化用煤指标则进行气化用煤指标进行评价[19]。13-2号煤层煤质指标与直接液化用煤评价指标见表1，13-2号煤层煤质指标与固定床气化用煤评价指标见表2，液化、气化用煤资源分区见图6。

表1 13-2号煤层煤质指标与直接液化用煤评价指标

表2 13-2号煤层煤质指标与固定床气化用煤评价指标

图6 13-2号煤层液化、气化用煤评价分区图

由表1、表2和图6可以看出，黑山矿区的13-2号煤层挥发分产率均值大于35%，镜质组反射率均值小于0.65%，煤灰分产率均值小于12%，评级均为一级；惰质组均值介于15%～35%之间，H/C均值介于0.70～0.75之间，评级均为二级，由此可以看出，煤岩煤质指标能够达到液化用煤二级指标要求。同时，13-2号煤层黏结指数小于20，热稳定性大于60%，评级均为一级；灰熔融性流动平均温度为1 306℃，评级为二级，13-2号煤层达到固定床气化用煤二级指标要求。依据评价原则，13-2号煤层平面上符合直接液化用煤主要分布在黑山煤矿中南部和通盖煤田；黑山矿区北部部分区域符合二级常压固定床气化用煤要求。

依据煤炭清洁利用潜势评价体系[20]，综合黑山矿区13-2号煤层灰分、全硫、氟、砷、氯等指标的统计及分析测试数据对清洁利用潜势进行综合评价，若各评价指标洁净等级不一致时，以洁净等级差者为准。13-2号煤层煤质洁净等级划分见表3。

表3 13-2号煤层煤质洁净等级划分

由表3可以看出，除灰分产率和硫分洁净等级属于Ⅱ，其余指标洁净等级均为Ⅰ级，13-2号煤层原煤评价洁净等级为Ⅱ级，属较好洁净煤。

4 结论

(1)黑山矿区13-2号煤层宏观煤岩类型以暗淡型、半暗型煤为主；煤岩显微组分中有机质含量高，平均含量达到98%以上，有机质以镜质组分为主，次为惰质组，壳质组占比最低。

(2)黑山矿区13-2号煤层为特低-低灰、高-中高挥发分、特低-低硫、灰熔融性软化温度和流动温度中等的高热稳定性、低黏结性、高发热量煤。

(3)根据黑山矿区13-2号煤层煤岩煤质特征，对比液化、气化用煤煤质评价技术指标要求，黑山煤矿中部和南部以及通盖煤田满足液化用煤二级指标要求；黑山矿区北部部分区域符合常压固定床气化用煤二级指标要求。

(4)根据煤炭清洁利用潜势评价体系，黑山矿区13-2号煤层为低砷、低氟、低氯煤，原煤洁净等级为Ⅱ级，属较好洁净煤，可作为优质动力煤。

该研究有利于煤炭资源绿色、清洁、高效综合开发和利用，是保障我国能源战略安全的重要措施，对我国实现碳达峰、碳中和具有重要意义。