王洼矿区12煤层煤质特征及中低温热解用煤评价

王 贝，王高皓，马永祥，余飞龙

宁夏回族自治区煤炭地质局，宁夏银川 750002)

富煤贫油少气是我国的资源禀赋现状，决定了煤炭在能源体系中的主体作用[1]，煤炭的主体地位短期内无法动摇，但并不能高枕无忧，煤炭的未来必须走出一条清洁高效利用的新路。煤炭本质上是高碳能源，实现低碳化利用需要变革性技术创新[2]。我国石油、天然气的进口依存度分别超过70%和40%。2022年一季度天然气进口金额同比增加68.7%。采用中低温热解从煤中提取油气和化学品，可大幅提高煤炭清洁利用水平，可缓解我国油气供应不足有力改善大气质量[3]，科学谋划煤炭能源清洁高效利用，可为“碳达峰、碳中和”目标的实现创造重要先决条件[4]。

通过中低温热解技术获取的产品部分替代我国石油和天然气的消费，促进石化行业原料多元化，是煤炭高值化清洁利用的主要发展方向之一[5]。随着国家对政策方面对低阶煤分级转化的重视，近几年，部分企业及研究机构对低阶煤热解技术研究有了显著的成果，如神华集团模块化热解技术[6]，神雾集团旋转床和下行床热解技术[7-8]，龙成集团内部烟气管式回转热解技术等各种新型工艺技术[9]。通过中低温热解技术让煤经过物理化学变化生成焦油、半焦、热解气三种相态产物，其中焦油经济价值极高。

宁东能源化工基地被国务院批准为国家级重点开发区，其产品精细化程度已初见成效。2019年宁夏净调入煤炭6227万t，主要是宁东能源化工基地煤炭缺口较大，随着宁东能源化工基地后续相关项目投产，其煤炭需求急剧增加[10]。王洼矿区煤炭资源丰富，累计查明煤炭资源量为1.9×109t[11]，2022年，王洼煤矿的改扩建将整个矿区产能提升到1.5×107t，远大于固原市的煤炭需求总量，王洼矿区后续产煤除去固原市用煤所需，可向宁东能源化工基地供煤1.1×107t。本文通过梳理王洼矿区以往159个钻孔的煤质数据，分析其相应指标数据，划分其质量等级，圈定王洼矿区中低温热解用煤范围，可以实现王洼矿区12煤层分质分级利用，提高煤炭资源利用率和经济价值,为王洼矿区煤炭高效清洁利用指明方向。

1 煤层赋存特征

王洼矿区地处鄂尔多斯盆地西南缘[12]，北距宁东能源化工基地192km，交通较为便利，矿区现有煤矿3处，分别为银洞沟煤矿、王洼煤矿、王洼二矿。含煤地层为中侏罗统延安组(J2y)，12煤层位于含煤地层的下部第一段(J2y1)，为第1个中旋迴(I)。整个I沉积过程中，矿区所处范围为冲积、填平的准平原化过程，在侏罗纪后期，由于矿区外西侧青龙山-平凉大断裂持续活动，矿区西侧整体抬升，造成煤系抬升剥蚀，而矿区南侧以及东侧沉积边界得到了保留。12煤层在矿区内分布面积40.80km2，可采面积39.08km2，见煤钻孔80个，可采见煤点79个，矿区南部至东部受古隆起影响沉积缺失，在银洞沟勘查区、F2勘查区北部、草庙勘查区北部、一矿北部勘查区大部区域都有分布，是王洼矿区主要可采煤层。12煤层厚度0～13.67m，平均9.30m，可采厚度4.46～10.22m，平均8.15m，12煤层厚度较稳定，属中厚—特厚煤层。厚度变化总体呈北厚南薄趋势(图1)。

2 煤质特征

2.1 宏观煤岩特征

王洼矿区12煤层颜色为黑色，油脂、沥青光泽，条带状、线理状，少数为均一状结构，层状、块状构造，半坚硬，层面及裂隙中常被方解石薄膜充填(图2)。12煤层煤层真密度分别平均为1.46～1.65g/cm3，视密度分别平均为1.30～1.44g/cm3。煤的宏观煤岩成分以暗煤为主，亮煤次之，夹镜煤条带和丝炭薄层。宏观煤岩类型为半暗煤和半亮煤。

2.2 显微煤岩特征

煤的有机显微组分分为镜质组、惰质组和壳质组，不同显微组分由于挥发分含量及结构的差异呈现出不同的热解特性[13]。12煤层显微组分中，有机质为93.1%，无机质为6.9%。其中镜质组占有机组分的65%，惰质组占31%，壳质组占4%。无机组分以黏土类为主，少量石英和黄铁矿等。镜质组主要为均质及基质体，惰质组以丝质体及其碎屑为主，偶见微粒和粗粒体。壳质组为小孢子。黏土矿物呈块状，石英为棱角状，黄铁矿呈块状和脉状裂隙充填。煤中镜质组和惰质组之和占有机组分的98%左右，显微煤岩类型为微镜惰煤。

图1 12#煤层厚度等值线Figure 1 Thickness contour of No.12 coal seam

图2 12煤层宏观煤炭特征Figure 2 Macroscopic coal characteristics of No.12 coal seam

2.3 煤质特征

GB/T 25210—2021《商品煤质量 中低温热解用煤》于2022年7月实施，该标准代替了《兰炭用煤条件》(GB/T 25210—2021),新标准中主要按焦油产率和灰分指标进行质量等级划分，故煤质特征只针对相应指标进行评述。

2.3.1 焦油产率(Tard)

煤焦油产率是煤热解工艺中备受关注的一项重要指标，煤焦油是低温煤热解的重要目标产物[14]，王洼矿区12煤层原煤焦油产率指数为3.39%～10.5%，平均为5.42%，浮煤焦油产率指数为4.84%～11.03%，平均为7.13%，依据《煤中焦油含量分级》(MT/T 1179—2019)判别，12煤层原煤焦油含量分级为低油产率—中油产率煤，在平面分布上，焦油含量由中部向四周逐渐降低。低油产率煤主要分布在银洞沟勘查区以及一矿北部勘查区东侧，中油产率煤分布在F2勘查区以及草庙勘查区北部(图3)。

图3 12煤层焦油产率等值线图 Figure 3 Tar yield contour of No.12 coal seam

2.3.2 灰分(Ad)

王洼矿区12煤层原煤灰分产率(Ad)为11.3%～34.03%，平均值为18.11%；浮煤灰分产率(Ad)为4.62%～10.91%，平均值为7.03%，总体灰分范围分布在25%以下，矿区北部银洞沟勘查区主要分布为低灰煤，总体来说灰分具有由西北部向东南部增大的趋势(图4)。12煤层含有多层夹矸，一般厚度为0.10～0.30m，岩性以泥岩和炭质泥岩为主、粉砂岩次之。夹矸灰分产率为69.11%～88.06%，采煤时若夹矸混入煤中，使各可采煤层原煤灰分产率增高8.50%～16.05%，对煤的质量有较大影响，经过洗选后，浮煤大部分为特低灰煤。总体来看，矿区12煤层灰分能满足中低温热解用煤指标要求。

2.3.3 全硫(St,d)

王洼矿区12煤层原煤全硫含量(St,d)为0.13%～2.43%，平均值为0.77%；浮煤全硫含量(St,d)为0.12%～1.19%，平均值为0.46%，按照《煤炭质量分级 第2部分：硫分》(GB/T 15224.2—2010)判别，12煤层原煤为特低硫-中硫煤，平面分布上，矿区西侧与中部分布有中硫煤，向四周硫分开始降低，经过洗选后，浮煤大部分为特低硫煤。12煤层原煤各种形态硫以硫化铁硫(Sp,d)为主，平均为0.56%～0.88%；有机硫(So,d)次之，平均为0.15%～0.52%；少量硫酸盐硫(Ss,d)，平均为0.01%～0.02%。浮煤各种形态硫以有机硫为主，平均为0.28%～0.71%；硫化铁硫次之，平均为0.07%～0.12%；少量硫酸盐硫，平均为0.01%～0.02%。煤的热解过程中不论是无机硫还是有机硫，都会随着热解过程发生迁移[15]，硫的含量越低，热解过程中释放出污染物也就越低。

图4 12煤层灰分等值线图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评价的重要指标，是洁净煤地质研究的重要内容[16]。王洼矿区12煤层原煤中磷(Pd)的含量为0.003%～0.16%，平均含量为0.04%，浮煤中磷(Pd)的含量为0.003%～0.136%，平均含量为0.048%，绝大部分为低磷分煤-中磷分煤；12煤层原煤中氯(CLd)含量为0.004%～0.090%，平均含量为0.021%，浮煤中氯(CLd)含量为0.003%～0.056%，平均含量为0.035%，绝大部分为特低氯煤，少量零星分布中氯煤；12煤层原煤中砷(Asd)含量为1～39μg/g，平均值为4.49μg/g，浮煤中砷(Asd)含量为1～14μg/g，平均值为2.54μg/g，为绝大部分为一级含砷煤，零星分布二级含砷煤；原煤汞(Hgd)含量为0.100～0.31μg/g，平均值为0.140μg/g，为低汞煤。

2.4 煤类

12煤层浮煤干燥无灰基挥发分(Vdaf)产率为31.96%～40.53%，平均为36.38；黏结指数(GR.I)为0，根据中国煤炭分类国家标准，12煤层煤类为不黏煤(BN)和长焰煤(CY)。

王洼矿区12煤层煤质指标与中低温热解用煤评价指标见表1。

表1 12煤层煤质指标与中低温热解用煤评价指标

3 中低温热解用煤评价

3.1 煤的洁净等级划分

王洼矿区12煤层镜质体反射率大于0.65，不适宜做直接液化用煤，根据固定床气化用煤的其他指标要求，所划分的范围太小，不利于矿区后期规划开采，其他指标满足中低温热解用煤的指标要求。依据煤炭清洁利用潜势评价体系判定[17-20]，综合12煤层灰分、全硫、砷、氯、氟等数据统计以及测试分析数据，对12煤层的洁净等级进行划分对比，若某一指标评价等级不一致，以最差等级为准，12煤层原煤综合评价洁净等级为Ⅲ级，浮煤综合评价洁净等级为Ⅱ级(表2)。

表2 12煤层煤质洁净等级划分

3.2 评价分区及资源量评估

按照《商品煤质量 中低温热解用煤》(GB/T 25210—2021)中用煤煤质指标要求，通过对矿区12煤层焦油产率(Tard)、灰分(Ad)、有害元素等指标综合分析发现，矿区12煤层中低温热解用煤质量等级可划分为二级和三级，银洞沟煤矿在后续煤炭开发中以及王洼煤矿在改扩建后可将一矿北部勘查区煤炭资源按照中低温热解用煤进行质量分级，评价分区见图5。

根据12煤层清洁利用分区指标要求，采用块段面积分割法，利用各指标界线分割原资源量估算图上块段资源量，经过资源量估算：中低温热解用煤2.52亿t，其中二级中低温热解用煤1.75亿t，三级中低温热解用煤0.77亿t。银洞沟勘查区西北侧可做三级中低温热解用煤，其余可做二级中低温热解用煤；一矿北部勘查区北部、F2勘查区北部、草庙勘查区西北部、银洞沟勘查区东南部全部可做二级中低温热解用煤，一矿北部勘查区南部可做三级中低温热解用煤，由于全硫(St,d)指标要求小于等于1%，且草庙勘查区钻孔控制程度较低，故在12煤层分布范围内东侧没有中低温热解用煤分区。按照王洼矿区原煤焦油产率测试结果，12煤层二级焦油产率(Tard)平均值为8.28%，三级焦油产率(Tard)平均值为4.54%，经过换算，王洼矿区12煤层可产焦油共计1.799×107t，其中二级中低温热解用煤产1.449×107t，三级中低温热解用煤产0.35×107t。

图5 12煤层煤炭资源中低温热解用煤评价Figure 5 Evaluation of coal for low-temperature pyrolysis in coal resources of No.12 coal seam

4 结论

1)王洼矿区12煤主要以不黏煤和长焰煤为主，是较好的中低温热解用煤原料，根据中低温热解的用煤煤质技术指标评价体系，将12煤层质量等级分为二级、三级，经过中低温热解技术可形成三种相态产物，其焦油经济价值最高，工业产品可供宁东能源化工基地煤化工所需，由于王洼矿区与宁东能源化工基地距离较短且交通便利，可满足其市场需求。

2)根据煤炭清洁利用潜势评价体系，对王洼矿区12煤层的洁净等级进行了评价，其原煤洁净等级为Ⅲ级，属较好洁净煤；浮煤洁净等级为Ⅱ级，属好洁净煤。

3)根据中低温热解的用煤煤质技术指标评价体系，圈定王洼矿区12煤层中低温热解用煤范围，为矿区煤炭高效清洁利用指明方向，经过资源量估算，中低温热解用煤2.52亿t，其中可划分出二级中低温热解用煤1.75亿t，三级中低温热解用煤0.77亿t，经过换算，王洼矿区12#煤层可产焦油共计1.799×107t。