新疆准东煤田煤质特征及绿色开发利用方向*

2022-07-23李聪聪

陕西煤炭 2022年4期

杨创，李聪聪

(中国煤炭地质总局航测遥感局，陕西西安 710199)

0 引言

我国缺油、少气、相对富煤的资源禀赋特征决定了煤炭在能源结构中具有基础性地位[1]。近年来，碳达峰与碳中和战略的实施，使煤炭在能源消费中的比例有一定下降，但仍占我国能源的60%左右，煤炭利用方式粗放、污染重的问题仍存在。提高煤炭利用率和原料价值，推进煤炭清洁高效利用是未来煤炭行业发展的重要途径[1-3]。以煤炭液化、气化、焦化为主的煤化工产业是煤炭清洁高效利用和绿色开发的重要措施，而煤岩、煤质特征是研究气化、液化用煤指标的主要依据。

准东煤田是我国目前发现的最大整装煤田，是我国第14个大型煤炭基地的重要组成部分，是全疆煤炭保障供应的主产区和准东现代煤化工基地的资源主供区。以往专家学者对准东煤田内各矿区煤岩煤质特征[4-7]、工艺性能[8-9]、地球化学特征[10-12]进行了研究，在前人研究的基础上，以准东煤田主采煤层B1为研究对象，系统收集整理了B1煤层煤田地质勘探的钻孔测试数据，结合现场准东露天矿区的采样及分析测试，开展煤层煤岩、煤质等特征研究，探讨了其工艺性能和清洁利用，为该区煤炭资源的绿色开发利用提供参考。

1 研究区概况

准东煤田整体被新生界广泛覆盖，盆地内沉积盖层中发育的断裂明显受控于基底和边缘断裂系统且基底构造较盖层更发育，基底断裂活动对中生代沉积基底控制明显，侏罗纪燕山时期的断裂活动多为继承性同沉积性质，并控制了含煤地层的分布、厚度及含煤性，准东煤田构造如图1所示。

图1 准东煤田构造纲要Fig.1 Outline of Zhundong coalfield structure

准东煤田含煤地层为侏罗系下统八道湾组和中统西山窑组，其中以西山窑组B1煤层为主，主要表现为一套内陆浅水河流-湖泊三角洲相含煤碎屑沉积，岩性为灰白色、灰色、浅灰绿色泥岩、泥质粉砂岩、粉砂岩为主的夹细砂岩、煤层，底部为砾岩、含砾粗砂岩。地层厚度170.87～219.99 m，平均为190.96 m。含煤层数在区内变化较大，11～47层不等，主要可采煤层6～17层，其中B1煤层为煤田的主要可采煤层。按照国家发改委批复，准东煤田包括位于吉木萨尔县境内的五彩湾矿区、位于奇台县境内的大井、西黑山矿区、将军庙矿区以及位于木垒县境内的老君庙矿区。

2 煤岩特征

B1煤层宏观煤岩组分中暗煤和丝炭含量较高，有机显微煤岩组分中惰质组分含量较高，有机质组分占74.90%～97.10%，平均92.77%，其中，镜质组占7.50%～77.30%，平均37.50%，惰质组占2.20%～90.80%，平均61.08%。无机质组分占2.90%～25.10%，平均6.96%，黏土类占1.32%～24.00%，平均6.01%，碳酸盐占0～0.82%，平均0.32%，硫化物占0～0.47%，平均0.21%。煤的显微煤岩类型为微镜惰煤，成因类型为陆相腐植煤类。镜煤的最大平均反射率(Ro，max)为0.30%～0.49%，平均0.43%，煤的变质程度为0～Ⅰ阶段，煤的透光率平均71.26%，属低变质烟煤阶段，准东煤田B1煤层显微煤岩组分如图2所示。

图2 准东煤田B1煤层显微煤岩组分Fig.2 Microscopic coal rock composition of B1 coal seam in Zhundong coalfield

3 煤质特征

3.1 灰分

B1煤层原煤灰分0.84%～38.84%，平均10.27%，浮煤灰分3.30%～21.96%，平均5.50%，属特低灰-中高灰煤，总体以低灰煤为主。在大井、将军庙、西黑山、老君庙矿区呈现南、北两侧灰分含量较高，中部较低的趋势；在五彩湾矿区呈现为东、西两侧灰分含量较高而中部低的趋势，如图3(a)所示。

3.2 挥发分

B1煤层浮煤挥发分23.29%～46.71%，平均32.73%，属中等挥发分煤-高挥发分煤，以中高挥发分煤为主。准东煤田西山窑组煤层挥发分分布没有明显的规律性，异常值呈散点状分布，高异常值往往分布在矿区北部，呈现出矿区中部挥发分相对较低，矿区周边相对较高，如图3(b)所示。煤层粘结指数为0，按照中国煤炭分类标准(GB/T 5751—2009)，主要根据浮煤的挥发分和粘结指数，得出该煤层以31号不粘煤为主，含极少量的41号长焰煤。

3.3 硫分

B1煤层原煤全硫0.01%～1.88%，平均0.33%，浮煤硫分0.40%～2.60%，平均0.23%，属特低硫煤-中硫煤，以特低硫煤为主，准东煤田整体硫分含量较低，硫分含量变化不大，没有明显的规律性，其硫分相对较高区可能是由于局部异常导致，如图3(c)所示。

3.4 氢碳原子比

B1煤层H/C值介于0.29～0.99，平均值0.59。准东煤田西山窑组B1煤层H/C相对稳定，大部分地区比值在0.60附近，局部地区稍高或稍低，没有明显的异常出现，主要是由于矿区内煤层是以区域变质作用为主，煤层变质程度基本一致，如图3(d)所示。

图3 准东煤田B1煤层主要煤质指标等值线Fig.3 Contours of main coal quality indicators of B1 coal seam in Zhundong coalfield

4 煤灰成分及工艺性能

B1煤层灰成分以SiO2、CaO为主，次为SO3、Fe2O3、TiO2、Al2O3、MgO，另有少量Na2O、K2O。灰成分基本接近钙质灰分或硅质灰分，但钙和硅的平均值偏低。其中SiO2为6.48%～66.54%，平均为30.93%；Al2O3为3.18%～25.32%，平均为11.45%；Fe2O3为2.59%～26.79%，平均为10.93%；CaO为3.25%～37.47%，平均为17.68%；MgO为1.63%～26.69%，平均为5.53%；SO3为0.92%～30.77%，平均为13.74%；TiO2为0.12%～27.74%，平均为1.92%；K2O为0.22%～1.51%，平均为0.72%；Na2O为0.14%～11.23%，平均为3.89%；P2O5为0.02%～1.53%，平均为0.18%；MnO2为0～0.54%，平均为0.16%，准东煤田B1煤层灰成分如图4所示。

图4 准东煤田B1煤层灰成分Fig.4 Composition of B1 coal seam ash in Zhundong coalfield

煤灰熔融性是影响煤炭气化的重要因素之一，同时也是煤炭气化炉工艺设计重要指标。B1煤层煤灰变形温度(DT)1 020～1 571 ℃，平均1 159 ℃，软化温度(ST)1 030～1 616 ℃，平均1 188 ℃，属较低软化温度灰。半球温度(HT)1 040～1 642 ℃，平均1 207 ℃，流动温度(FT)1 050～1 670 ℃，平均1 232 ℃，属较低流动温度灰。B1煤层的粘结指数(GR.I)为0，不具粘结性。B1煤层大于6 mm级的残焦率(TS+6)分布在24.80%～88.10%之间，平均为55.90%，从低热稳定性煤到高热稳定性煤均有，总体以中等热稳定性煤为主，准东煤田B1煤层工艺性能，如图5所示。

图5 准东煤田B1煤层工艺性能Fig.5 Technological performance of B1 coal seam in Zhundong coalfield

5 绿色开发及清洁利用

参照《直接液化用原料煤技术条件》GB/T 23810—2009中煤质技术要求和《气化用煤技术条件》GB/T 9143—2008，根据直接液化用煤和不同工艺气化用煤的煤质指标评价体系[13]，对准东煤田B1煤层灰分、挥发分、氢碳原子比、粘结指数、煤灰熔融性温度等指标分析发现，该区煤炭资源大部适合水煤浆气化用煤，占整个煤田面积的93.61%，其中一级水煤浆气化用煤面积占比为60.38%，二级水煤浆气化用煤占比为33.23%，局部适合流化床气化用煤，主要分布在五彩湾矿区东部和将军庙矿区南部，面积占比为5.29%，少量适合用作液化用煤，主要分布在将军庙矿区南部，面积占比为1.10%。

煤质指标直接关系到煤炭清洁高效利用，根据煤炭清洁利用潜势评价指标体系，综合对准东煤田B1煤层灰分、全硫、氟、氯、砷等指标的对比分析，对B1煤层的清洁利用等级进行评价。准东煤田B1煤层清洁用煤分布，如图6所示。

图6 准东煤田B1煤层清洁用煤分布Fig.6 Distribution of clean coal for B1 coal seamin Zhundong coalfield

准东煤田B1煤层原煤与浮煤中有害元素砷、磷、氯及氟含量均小于洁净等级Ⅰ级的含量限值，按有害元素含量划分，洁净等级均为Ⅰ级，按照灰分与硫分含量划分，原煤硫分平均值为0.33%，灰分平均值为10.27%，评价原煤洁净等级为Ⅲ级，属较好洁净煤；浮煤硫分平均值为0.23%，灰分平均值为5.50%，评价煤层洁净等级为Ⅱ级，属好洁净煤，B1煤层煤洁净等级划分结果见表1。