新疆準(zhǔn)東煤田煤質(zhì)特征及綠色開發(fā)利用方向*

楊 創(chuàng)，李聰聰

(中國煤炭地質(zhì)總局航測遙感局，陜西 西安 710199)

0 引言

我國缺油、少氣、相對富煤的資源稟賦特征決定了煤炭在能源結(jié)構(gòu)中具有基礎(chǔ)性地位[1]。近年來，碳達(dá)峰與碳中和戰(zhàn)略的實施，使煤炭在能源消費中的比例有一定下降，但仍占我國能源的60%左右，煤炭利用方式粗放、污染重的問題仍存在。提高煤炭利用率和原料價值，推進(jìn)煤炭清潔高效利用是未來煤炭行業(yè)發(fā)展的重要途徑[1-3]。以煤炭液化、氣化、焦化為主的煤化工產(chǎn)業(yè)是煤炭清潔高效利用和綠色開發(fā)的重要措施，而煤巖、煤質(zhì)特征是研究氣化、液化用煤指標(biāo)的主要依據(jù)。

準(zhǔn)東煤田是我國目前發(fā)現(xiàn)的最大整裝煤田，是我國第14個大型煤炭基地的重要組成部分，是全疆煤炭保障供應(yīng)的主產(chǎn)區(qū)和準(zhǔn)東現(xiàn)代煤化工基地的資源主供區(qū)。以往專家學(xué)者對準(zhǔn)東煤田內(nèi)各礦區(qū)煤巖煤質(zhì)特征[4-7]、工藝性能[8-9]、地球化學(xué)特征[10-12]進(jìn)行了研究，在前人研究的基礎(chǔ)上，以準(zhǔn)東煤田主采煤層B1為研究對象，系統(tǒng)收集整理了B1煤層煤田地質(zhì)勘探的鉆孔測試數(shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)場準(zhǔn)東露天礦區(qū)的采樣及分析測試，開展煤層煤巖、煤質(zhì)等特征研究，探討了其工藝性能和清潔利用，為該區(qū)煤炭資源的綠色開發(fā)利用提供參考。

1 研究區(qū)概況

準(zhǔn)東煤田整體被新生界廣泛覆蓋，盆地內(nèi)沉積蓋層中發(fā)育的斷裂明顯受控于基底和邊緣斷裂系統(tǒng)且基底構(gòu)造較蓋層更發(fā)育，基底斷裂活動對中生代沉積基底控制明顯，侏羅紀(jì)燕山時期的斷裂活動多為繼承性同沉積性質(zhì)，并控制了含煤地層的分布、厚度及含煤性，準(zhǔn)東煤田構(gòu)造如圖1所示。

圖1 準(zhǔn)東煤田構(gòu)造綱要Fig.1 Outline of Zhundong coalfield structure

準(zhǔn)東煤田含煤地層為侏羅系下統(tǒng)八道灣組和中統(tǒng)西山窯組，其中以西山窯組B1煤層為主，主要表現(xiàn)為一套內(nèi)陸淺水河流-湖泊三角洲相含煤碎屑沉積，巖性為灰白色、灰色、淺灰綠色泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖為主的夾細(xì)砂巖、煤層，底部為礫巖、含礫粗砂巖。地層厚度170.87～219.99 m，平均為190.96 m。含煤層數(shù)在區(qū)內(nèi)變化較大，11～47層不等，主要可采煤層6～17層，其中B1煤層為煤田的主要可采煤層。按照國家發(fā)改委批復(fù)，準(zhǔn)東煤田包括位于吉木薩爾縣境內(nèi)的五彩灣礦區(qū)、位于奇臺縣境內(nèi)的大井、西黑山礦區(qū)、將軍廟礦區(qū)以及位于木壘縣境內(nèi)的老君廟礦區(qū)。

2 煤巖特征

B1煤層宏觀煤巖組分中暗煤和絲炭含量較高，有機顯微煤巖組分中惰質(zhì)組分含量較高，有機質(zhì)組分占74.90%～97.10%，平均92.77%，其中，鏡質(zhì)組占7.50%～77.30%，平均37.50%，惰質(zhì)組占2.20%～90.80%，平均61.08%。無機質(zhì)組分占2.90%～25.10%，平均6.96%，黏土類占1.32%～24.00%，平均6.01%，碳酸鹽占0～0.82%，平均0.32%，硫化物占0～0.47%，平均0.21%。煤的顯微煤巖類型為微鏡惰煤，成因類型為陸相腐植煤類。鏡煤的最大平均反射率(Ro，max)為0.30%～0.49%，平均0.43%，煤的變質(zhì)程度為0～Ⅰ階段，煤的透光率平均71.26%，屬低變質(zhì)煙煤階段，準(zhǔn)東煤田B1煤層顯微煤巖組分如圖2所示。

圖2 準(zhǔn)東煤田B1煤層顯微煤巖組分Fig.2 Microscopic coal rock composition of B1 coal seam in Zhundong coalfield

3 煤質(zhì)特征

3.1 灰分

B1煤層原煤灰分0.84%～38.84%，平均10.27%，浮煤灰分3.30%～21.96%，平均5.50%，屬特低灰-中高灰煤，總體以低灰煤為主。在大井、將軍廟、西黑山、老君廟礦區(qū)呈現(xiàn)南、北兩側(cè)灰分含量較高，中部較低的趨勢；在五彩灣礦區(qū)呈現(xiàn)為東、西兩側(cè)灰分含量較高而中部低的趨勢，如圖3(a)所示。

3.2 揮發(fā)分

B1煤層浮煤揮發(fā)分23.29%～46.71%，平均32.73%，屬中等揮發(fā)分煤-高揮發(fā)分煤，以中高揮發(fā)分煤為主。準(zhǔn)東煤田西山窯組煤層揮發(fā)分分布沒有明顯的規(guī)律性，異常值呈散點狀分布，高異常值往往分布在礦區(qū)北部，呈現(xiàn)出礦區(qū)中部揮發(fā)分相對較低，礦區(qū)周邊相對較高，如圖3(b)所示。煤層粘結(jié)指數(shù)為0，按照中國煤炭分類標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 5751—2009)，主要根據(jù)浮煤的揮發(fā)分和粘結(jié)指數(shù)，得出該煤層以31號不粘煤為主，含極少量的41號長焰煤。

3.3 硫分

B1煤層原煤全硫0.01%～1.88%，平均0.33%，浮煤硫分0.40%～2.60%，平均0.23%，屬特低硫煤-中硫煤，以特低硫煤為主，準(zhǔn)東煤田整體硫分含量較低，硫分含量變化不大，沒有明顯的規(guī)律性，其硫分相對較高區(qū)可能是由于局部異常導(dǎo)致，如圖3(c)所示。

3.4 氫碳原子比

B1煤層H/C值介于0.29～0.99，平均值0.59。準(zhǔn)東煤田西山窯組B1煤層H/C相對穩(wěn)定，大部分地區(qū)比值在0.60附近，局部地區(qū)稍高或稍低，沒有明顯的異常出現(xiàn)，主要是由于礦區(qū)內(nèi)煤層是以區(qū)域變質(zhì)作用為主，煤層變質(zhì)程度基本一致，如圖3(d)所示。

圖3 準(zhǔn)東煤田B1煤層主要煤質(zhì)指標(biāo)等值線Fig.3 Contours of main coal quality indicators of B1 coal seam in Zhundong coalfield

4 煤灰成分及工藝性能

B1煤層灰成分以SiO2、CaO為主，次為SO3、Fe2O3、TiO2、Al2O3、MgO，另有少量Na2O、K2O。灰成分基本接近鈣質(zhì)灰分或硅質(zhì)灰分，但鈣和硅的平均值偏低。其中SiO2為6.48%～66.54%，平均為30.93%；Al2O3為3.18%～25.32%，平均為11.45%；Fe2O3為2.59%～26.79%，平均為10.93%；CaO為3.25%～37.47%，平均為17.68%；MgO為1.63%～26.69%，平均為5.53%；SO3為0.92%～30.77%，平均為13.74%；TiO2為0.12%～27.74%，平均為1.92%；K2O為0.22%～1.51%，平均為0.72%；Na2O為0.14%～11.23%，平均為3.89%；P2O5為0.02%～1.53%，平均為0.18%；MnO2為0～0.54%，平均為0.16%，準(zhǔn)東煤田B1煤層灰成分如圖4所示。

圖4 準(zhǔn)東煤田B1煤層灰成分Fig.4 Composition of B1 coal seam ash in Zhundong coalfield

煤灰熔融性是影響煤炭氣化的重要因素之一，同時也是煤炭氣化爐工藝設(shè)計重要指標(biāo)。B1煤層煤灰變形溫度(DT)1 020～1 571 ℃，平均1 159 ℃，軟化溫度(ST)1 030～1 616 ℃，平均1 188 ℃，屬較低軟化溫度灰。半球溫度(HT)1 040～1 642 ℃，平均1 207 ℃，流動溫度(FT)1 050～1 670 ℃，平均1 232 ℃，屬較低流動溫度灰。B1煤層的粘結(jié)指數(shù)(GR.I)為0，不具粘結(jié)性。B1煤層大于6 mm級的殘焦率(TS+6)分布在24.80%～88.10%之間，平均為55.90%，從低熱穩(wěn)定性煤到高熱穩(wěn)定性煤均有，總體以中等熱穩(wěn)定性煤為主，準(zhǔn)東煤田B1煤層工藝性能，如圖5所示。

圖5 準(zhǔn)東煤田B1煤層工藝性能Fig.5 Technological performance of B1 coal seam in Zhundong coalfield

5 綠色開發(fā)及清潔利用

參照《直接液化用原料煤技術(shù)條件》GB/T 23810—2009中煤質(zhì)技術(shù)要求和《氣化用煤技術(shù)條件》GB/T 9143—2008，根據(jù)直接液化用煤和不同工藝氣化用煤的煤質(zhì)指標(biāo)評價體系[13]，對準(zhǔn)東煤田B1煤層灰分、揮發(fā)分、氫碳原子比、粘結(jié)指數(shù)、煤灰熔融性溫度等指標(biāo)分析發(fā)現(xiàn)，該區(qū)煤炭資源大部適合水煤漿氣化用煤，占整個煤田面積的93.61%，其中一級水煤漿氣化用煤面積占比為60.38%，二級水煤漿氣化用煤占比為33.23%，局部適合流化床氣化用煤，主要分布在五彩灣礦區(qū)東部和將軍廟礦區(qū)南部，面積占比為5.29%，少量適合用作液化用煤，主要分布在將軍廟礦區(qū)南部，面積占比為1.10%。

煤質(zhì)指標(biāo)直接關(guān)系到煤炭清潔高效利用，根據(jù)煤炭清潔利用潛勢評價指標(biāo)體系，綜合對準(zhǔn)東煤田B1煤層灰分、全硫、氟、氯、砷等指標(biāo)的對比分析，對B1煤層的清潔利用等級進(jìn)行評價。準(zhǔn)東煤田B1煤層清潔用煤分布，如圖6所示。

圖6 準(zhǔn)東煤田B1煤層清潔用煤分布Fig.6 Distribution of clean coal for B1 coal seamin Zhundong coalfield

準(zhǔn)東煤田B1煤層原煤與浮煤中有害元素砷、磷、氯及氟含量均小于潔凈等級Ⅰ級的含量限值，按有害元素含量劃分，潔凈等級均為Ⅰ級，按照灰分與硫分含量劃分，原煤硫分平均值為0.33%，灰分平均值為10.27%，評價原煤潔凈等級為Ⅲ級，屬較好潔凈煤；浮煤硫分平均值為0.23%，灰分平均值為5.50%，評價煤層潔凈等級為Ⅱ級，屬好潔凈煤，B1煤層煤潔凈等級劃分結(jié)果見表1。

表1 B1煤層煤潔凈等級劃分結(jié)果Table 1 Classification results of B1 coal seam cleanliness grades

6 結(jié)論

(1)準(zhǔn)東煤田B1煤層總體以低灰、中高揮發(fā)分、特低硫31號不粘煤為主，H/C值穩(wěn)定在0.60左右，煤灰成分為鈣質(zhì)灰分及硅質(zhì)灰分，以中等熱穩(wěn)定性煤為主。

(2)對準(zhǔn)東煤田B1煤層的氣化、液化特征和煤炭潔凈利用等級進(jìn)行初步評價，該煤田內(nèi)煤層氣化指標(biāo)較好，大部分以適合氣化用煤為主，局部適合液化用煤，B1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，為下一步煤炭資源的清潔高效利用方向提供參考。