新疆淖毛湖矿区1号煤层煤质特征及清洁利用方向

赵正威，李聪聪，包志洪，魏云迅

(1.新疆维吾尔自治区煤田地质局一六一煤田地质勘探队，乌鲁木齐 830009；2.中国煤炭地质总局航测遥感局，西安 710199)

煤炭作为我国能源生产和消耗的主体，这一局面短期内无法扭转，然而煤炭的开采和利用却已经成为我国环境污染的重要来源。在能源结构和环保形式双重压力下，煤炭的清洁高效利用已然成了这一困局重要的解决方案[1-2]。淖毛湖矿区作为“西煤东运”的主要矿区之一，围绕该矿区优质的煤炭资源，目前有10余家大型煤化工企业入驻，重点加工生产兰炭、煤焦油、甲醇/二甲醚等产品，并规划煤炭分级提质综合利用项目。

前人对淖毛湖矿区的煤质研究主要限于个别井田、勘查区的论述[3-5]，对矿区煤炭资源的化工利用特性进行了初步探讨[6-8]，但对整个矿区的煤层煤岩煤质特征研究较少，暂未对整个矿区煤炭资源的液化、气化特征及洁净等级进行系统分析，系统分析矿区内主采煤层的煤岩、煤质特征，对实现煤炭资源分质分级和清洁高效利用具有指导意义。

1 地质概况

淖毛湖矿区位于新疆维吾尔自治区哈密地区伊吾县城北，矿区跨越东准噶尔界山褶皱带及北天山地向斜褶皱带的哈尔里克复背斜。总的构造线方向为北西-南东或北西西-南东东向。矿区北以煤层露头为界，南以煤层埋深1 200m等深线为界，西以白石湖勘查区77勘探线以西1 500m无煤带为界，东以推断的区域大断裂为界，矿区东西长约59km，南北宽约12km，面积约440km2，资源/储量64亿t。矿区含煤地层为侏罗系下统八道湾组(J1b)，含煤1～6层，见可采、局部可采煤层1～4层。自下而上的顺序编号为1-4号煤，其中1号煤层为矿区主采煤层。

淖毛湖矿区共划分6个井(矿)田和1个勘查区，规划建设总规模2 900万t/a。除一号勘查区未建井开采外，其余都已建井或正在开采。

2 煤岩煤质特征

本次研究以淖毛湖矿区以往勘查钻孔煤质化验数据为基础，对下侏罗统八道湾组1号煤层进行煤岩显微组分鉴定、工业分析、全硫、灰成分分析、有害元素等煤岩、煤质测试分析。

2.1 煤岩特征

淖毛湖矿区1号煤层宏观煤岩类型以半亮型煤及光亮型煤为主，显微煤岩类型以微镜煤-微镜惰煤为主，微镜煤次之，另有少量微泥质煤。其显微煤岩组成主要以有机质组分的镜质组分为主，黏土矿物及惰质组分次之，少量壳质组。矿物组成主要为黏土矿物，黏土矿物呈浸染状或薄层状分布，大多充填于镜质组裂隙中，含少量硫化物，多为黄铁矿细脉状分布。碳酸盐矿物为方解石脉。1号煤层镜质组反射率为0.28～0.42，平均为0.35，属低变质阶段煤。

2.2 煤质特征

(1)灰分(Ad)：淖毛湖矿区1号煤层原煤灰分(Ad)产率为3.94%～27.45%,平均10.07%,浮煤灰分(Ad)灰分产率为3.64%～21.2%，平均6.11%。

淖毛湖矿区1号煤层主要为特低灰煤,其次为低灰煤，少量中灰煤，洗选后，大部分灰分产率小于10%，以特低灰煤为主，其次低灰煤，极少数为中灰煤(图1)。平面上，全区原煤灰分以特低灰煤占大面积，仅矿区北部灰分达到中灰；总体上，原煤灰分展布特征表现为由矿区南部向矿区北部灰分产率增大，由特低灰煤渐变至低灰煤、中灰煤(图2)。浮煤灰分产率与原煤灰分产率具有高度正相关性，因而其总体分布规律与原煤相近，但灰分产率总体下降明显。

图1 1号煤层灰分、挥发分产率分布频数直方图Figure 1 Distribution frequency histogram of ash, volatile matter yields in coal No.1

图2 1号煤层原煤灰分等值线图Figure 2 Isogram of raw coal ash content in coal No.1

(2)挥发分(Vdaf)：淖毛湖矿区1号煤层原煤挥发分(Vdaf)产率为44.06%～64.50%,平均50.71%(N=530)；浮煤挥发分(Vdaf)产率为43.17%～60.94%,平均50.09%(N=530)。

按MT/T 849-2000《煤的挥发分产率分级》，淖毛湖矿区1号煤层原煤挥发分多大于50.0%，为特高挥发分煤，其次为高挥发分煤；浮选后挥发分产率略有降低，分布范围与原煤近一致(图1)。平面上，矿区内大部分区域原煤的挥发分大于50.0%分布于兴盛露天矿、白石湖露天矿及英格玛二号井田北部。总体上，淖毛湖矿区1号煤层原煤挥发分变化不大，但呈现处由北向南变小的趋势。

(3)硫分：淖毛湖矿区1号煤层原煤全硫(St.d)含量为0.15%～3.98%,平均0.35%(N=527),浮煤全硫质量分数为0.11%～3.94%，平均0.26。按GB/T15224.1—2010《煤炭质量分级 第二部分：硫分》中煤炭资源评价硫分分级，淖毛湖矿区1号煤层原煤主要为特低硫煤，少部分为低硫煤，极少部分为中硫煤；洗选后，浮煤绝大部分为特低硫煤，零星为低硫煤。平面上，大部分区域硫分小于0.5%，硫分值大于1%的区域主要集中在在兴盛露天矿北部，白石湖露天矿、英格玛二号井田零星分布(图3)。

淖毛湖矿区1号煤层原煤中各形态硫对全硫含量的贡献值以有利硫(So,d)为主，其次为硫化铁硫(Sp,d)，硫酸盐硫(Ss,d)贡献值较低；浮煤中各形态硫与原煤基本一致。

(4)氢碳原子比(H/C)：淖毛湖矿区1号煤层原煤氢碳原子比为0.79～0.98，主要分布在0.6～0.7之间，平均值为0.88；浮煤氢碳原子比为0.76～0.95，平均值为0.87；总体上以0.85～0.90为中心正态分布。平面上，矿区内绝大部分区域氢碳原子比为0.85～0.90之间，仅在白石湖立井西部、兴盛露天矿中部、英格库勒二号井田北部相对较高；总体上，H/C由南向北有所增大(图4)。

图3 1号煤层硫分等值线图Figure 3 Isogram of sulfur content in coal No.1

图4 1号煤层H/C等值线图Figure 4 Isogram of H/C in coal No.1

3 有害元素

煤中发现的元素超过80种，有20多种元素在开采、燃烧过程中的释放会对人体和环境产生危害，燃煤引发的有害元素污染、中毒事件屡见不鲜[9-11],故而有害元素的评价是煤炭清洁利用的前提之一。本次研究重点针对1号煤中氯、氟、砷元素含量进行分析。

(1)氯(Cl)。氯元素在高温反应后形成HCl和Cl2会对设备造成腐蚀，对环境造成污染。淖毛湖矿区煤中氯质量分数为0.011%～0.405%，平均值为0.059%，按照MT/T 597—1996《煤中氯含量分级》，矿区内A4煤以特低氯和低氯煤为主，低于中国煤的平均值，以特低氯煤为主，少量为低氯煤。

(2)氟(F)。氟是煤中挥发性较强的有害元素，在煤的开采及加工利用过程中，尤其是燃煤过程中释放的氟易对生态环境造成污染。整个矿区4号煤原煤氟含量测试数据显示，淖毛湖矿区煤中氟元素含量为21～173ug/g，绝大多数少于400ug/g；平均为61 ug/g，略高于中国煤的平均值，以低氟煤和中氟煤为主。

(3)砷(As)。砷作为Ⅰ类环境敏感元素,对生态环境和人体健康危害极大,陕南曾因为石煤中的砷污染而引发地方病[12-13]。数据显示，淖毛湖矿区煤中砷元素含量为0～3ug/g，绝大多数小于4ug/g，平均为1.4ug/g，以低砷煤和中砷煤为主。

4 洁净等级划分

煤炭清洁潜势划分是煤炭分级、分质、清洁高效利用的基础之一。根据唐书恒等提出的煤炭清洁利用潜势评价体系[14]，综合灰分、全硫、氟、氯、砷等与煤炭清洁利用相关的多方面要素对其清洁利用潜势进行评价(表1)。

表1 洁净煤等级划分方案及评价因子

由于本区煤有害元素浓度均小于洁净等级Ⅰ级的浓度限值，因此，本区只按照灰分和硫分来划分煤的洁净等级。当灰分和硫分不一致时，以综合评价等级差者为准。A4煤洁净等级划分结果见表2，1号煤层原煤灰分平均值为10.07%，硫分平均值为0.35%，综合评价洁净等级为Ⅲ级，属较好洁净煤。1号煤层浮煤灰分平均值为6.11%，硫分平均值为0.26%，综合评价煤层洁净等级为Ⅱ，属好洁净煤。

表2 1号煤洁净等级划分结果

5 利用方式

我国GB/T 23251-2009《煤化工用煤技术导则》中对煤制油用煤优化配置和合理规划提出了要求，明确经洗选后作为炼焦用的主要炼焦煤类不应作为煤炭气化、煤炭液化用煤，评价顺序为焦化、液化及气化，经洗选后作为炼焦用的1/3焦煤、肥煤、焦煤、瘦煤等主要炼焦煤类应进行合理规划和保护性开发利用。因此，评价时应优先考虑煤类是否适合炼焦用煤，再考虑液化用煤，最后考虑是否可以气化。

按照气化、液化特殊用煤评价指标体系，首先确定煤类，淖毛湖矿区4号煤层以长焰煤为主，属于适合直接液化的煤类，进一步对比《直接液化用原料煤技术条件》GB/T 23810-2009中煤质技术要求和本次研究确定的煤炭直接液化的煤质指标体系，通过对A4煤挥发分、镜质组最大反射率、氢碳原子比、惰质组含量及灰分等指标(表3)，分析发现1号煤层原煤挥发分44.06%～64.50%，平均为50.71%，整体大于35%，镜质组最大反射率0.28～0.42，平均为0.35，整体小于0.65，氢碳原子比0.79～0.98，平均为0.88，全部大于0.75，而氢碳原子比是评价煤炭直接液化性能的重要指标[12-13]，惰质组质量分数0.60%～11.30%，平均为5.95，灰分3.94%～27.45%，平均为10.07%，综合上述分析，淖毛湖矿区1号煤层符合直接液化用煤的分级指标，属一级直接液化用煤(表3)。

表3 1号煤液化用煤评价指标分级

6 结论

(1)淖毛湖矿区1号煤层煤中有害元素富集度低，原煤以低灰、特低硫煤为主，原煤洁净等级为Ⅲ级，浮选后灰分产率可降低至10%以下，其洁净煤等级升至Ⅱ级。

(2)淖毛湖矿区1号煤的氢碳原子比高、挥发分产率高、惰质组与灰分含量低，可作为直接液化用煤的原料，直接液化是淖毛湖矿区煤炭资源清洁高效利用选择方向之一。