新疆五彩湾矿区西山窑组B1煤层煤质特征及清洁利用方向

李聪聪

(中国煤炭地质总局航测遥感局，西安 710199)

0 引言

根据《能源发展战略行动计划(2014—2020年)》要求，到2020年，我国一次能源消费总量将控制在48亿t标准煤左右，煤炭消费总量控制在42亿t左右，煤炭消费仍然占能源消费比重的60%以上。在未来很长一段时期内，煤炭作为我国的主体能源具有无法替代的地位[1]，但煤炭利用方式粗放、污染重的问题没有得到根本解决。随着生态文明建设对能源发展的新要求，煤炭资源清洁利用成为当前我国煤地质研究的主要方向。我国现行的煤化工体系下，不同的工艺对煤炭的煤质有具体的要求，系统对煤岩煤质进行分析评价，研究煤炭资源的煤质特征可以减少环境污染、提高煤炭资源利用方式，从而为煤炭资源清洁利用提供依据。

五彩湾矿区作为我国新疆大型煤炭基地的重要矿区之一，为了合理开发利用矿区煤炭资源，促进区域经济和社会发展，规划定位以大型煤矿建设、发展煤电及煤化工示范项目为主。前人对五彩湾矿区所处准东煤田的研究较多，涉及五彩湾矿区的聚煤规律[2]、煤地球化学[3]、煤质特征及工艺性能[4-6]、煤相[7-10]等方面，但暂未对整个矿区煤炭资源洁净等级及煤化工清洁利用特征进行分析，系统分析五彩湾矿区内B1煤层的煤质特征，并对其煤炭洁净等级和气化、液化特征进行分析，对促进五彩湾矿区煤炭资源的清洁高效利用具有指导意义。

1 矿区概况

准东煤田五彩湾矿区位于新疆准噶尔盆地，行政区划属吉木萨尔县管辖，矿区北部边界以Am和B1煤层隐伏露头线为界；东部以Am煤层隐伏露头线为界；南部和西部以Am和B1煤层的沉积缺失边界线为界。矿区东西长9.35～36.39km，南北宽10.59～38.75km，面积901km2，资源储量308亿t。矿区B1煤层开发划分6个矿(井)田和1个勘查区。

五彩湾矿区构造单元属准噶尔中新生代坳陷区之破房子凹陷，以鼻状背斜褶皱构造为主，背斜之核部常由二叠系、三叠系组成，两翼由侏罗系及白垩系组成，断裂构造不发育(图1)。主要含煤地层为下侏罗统八道湾组和中侏罗统西山窑组，八道湾组含煤1～2层，含煤系数7.5%，累计可采煤层厚度0.83～7.68m，为大部可采不稳定煤层，西山窑组含煤1～3层，含煤系数44.2%，累计可采煤层厚度1.17～87.36m，为稳定—较稳定的全部可采煤层，目前主要可采煤层为西山窑组B1煤层。

图1 五彩湾矿区构造纲要图Figure 1 Structural outline map of Wucaiwan mining area

2 煤质特征研究

五彩湾矿区西山窑组B1煤层煤质特征研究以该矿区内各井田的煤炭勘探报告为基础，共收集6个井田和1个勘查区累计508个钻孔的煤质化验数据，并对重点的露天煤层剖面进行了采样测试，共采集测试煤样95件，分析整理了五彩湾矿区西山窑组B1煤层的工业分析、全硫、灰成分分析、煤灰熔融性、微量元素等数据，并针对煤炭气化、液化性能对热稳定性、煤对CO2反应性等煤质指标进行了补充测试。

①灰分(Ad)。五彩湾矿区西山窑组B1煤层原煤灰分4.24%～39.28%,平均值9.09%,浮煤灰分为3.30%～21.96%,平均值为5.50%。B1煤层原煤主要为低灰分煤，其次为低中灰煤，少量中灰煤。浮煤大部分灰分低于10%，以特低灰煤为主，其次低灰煤，仅极少数区域为中灰煤(图2)。

图2 B1煤层原煤灰分等值线图Figure 2 Isogram of coal B1 raw coal ash contents

平面上，整个矿区原煤灰分以低灰煤为主，低中灰分煤主要分布在矿区北部一号露天井田北部、二号与三号露天井田交接部分、五号露天井田南部及五彩湾西部勘查区内，原煤灰分最高分布位置主要集中在矿区西北部五号露天井田和勘查区内。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。

②挥发分(Vdaf)。B1煤层原煤挥发分产率4.70%～66.49%，平均值为33.51%；浮煤挥发分产率为28.63%～55.46%,平均33.98%。按MT/T 849-2000《煤的挥发分产率分级》，该矿区B1煤层原煤挥发分主要分布在28.0%～37.0%，属中高挥发分煤，高挥发分煤和中等挥发分煤含量极少；浮煤挥发分产率变化较小，分布范围与原煤分布特征基本一致(图3)。

图3 B1煤层挥发分等值线图Figure 3 Isogram of coal B1 volatile matter contents

③全硫(St.d)。B1煤层原煤全硫质量分数0.10%～2.32%，平均值为0.64%，浮煤全硫质量分数为0.04%～2.60%，平均值为0.23%。B1煤层原煤主要为特低硫煤-低硫煤，少部分区域为中硫煤和中高硫煤；B1煤层浮煤绝大部分为特低硫煤，部分区域为低硫煤，仅北部和东南部极少数区域达中硫煤或中高硫煤。

平面上，五彩湾矿区B1煤层硫分变化总体上呈现东部高、西部低，南北两端高，中部相对偏低的变化规律，矿区内大部分为全硫小于1.0%的低硫煤，大于1.0%的低中硫至中硫煤主要分布在五彩湾勘查区北段及五彩湾一号井井田东段，其余区域五彩湾一号露天井田、二号露天井田、三号露天井田、四号露天井田、五号露天井田及一号井井田中西部硫分变化较小，基本在0.40～0.80，其余区域五彩湾勘查区大部硫分小于0.40(图4)。

图4 B1煤层硫分等值线图Figure 4 Isogram of coal B1 sulfur contents

④氢碳原子比(H/C)。五彩湾矿区B1煤层原煤氢碳原子比为0.40～0.65，主要分布在0.50～0.60，平均值为0.55；总体上以0.50～0.60为中心正态分布，浮煤氢碳原子比为0.39～0.75，平均值为0.56(图5)。

图5 B1煤层H/C分布直方图Figure 5 Histogram of coal B1H/C ratios distribution

平面上，五彩湾矿区内绝大部分区域氢碳原子比为0.40～0.65，整体上大致呈现北部高、南部低，东部高、西部低的特点。即五彩湾一号露天井田、二号露天井田、三号露天井田、五号露天井田及五彩湾勘查区北段氢碳原子比值偏高，基本上在0.55～0.65，五彩湾四号露天井田、一号井井田及五彩湾勘查区中段、南段氢碳原子比值相对偏低，基本上为0.40～0.55，仅在一号井井田西南部有小范围区域氢碳原子比值超过0.55(图6)。

图6 五彩湾矿区B1煤层H/C等值线图Figure 6 Isogram of Wuncaiwan mining area coal B1H/C ratios

⑤煤灰熔融性。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。根据对B1煤层煤质数据统计，结合本次系统的采样分析测试数据，B1煤的煤灰熔融性(ST)范围为1 062～>1 400℃，平均为1 192℃(N=102)。参考煤灰熔融温度范围：易熔灰分(ST<1 160℃)；中熔灰分(ST为1 160～>1 350℃)；难熔灰分(ST为1 350～>1 500℃)；可确定五彩湾矿区煤灰以中熔煤为主，占比为55.56%，次为易熔煤，占比为39.39%，少量为难熔灰，占比为5.05%(图7)。

图7 B1煤灰熔融性(ST)分布直方图Figure 7 Histogram of coal B1 coal ash fusibility(ST) distributions

⑥煤的黏结指数(GR.I)。B1煤的黏结指数绝大多数为0，按国家煤炭行业标准MT/T 596-1996 划分，矿区内的煤类主要为不黏结煤，煤层焦渣特征指数为1～2，为极微弱熔融黏结，因此判断其为无黏结或微黏结性煤。

⑦煤的低温干馏。B1煤焦油产率在1.04%～5.20%，平均2.85%，总体焦油产率低于7%的标准，属于含油煤。

⑧煤灰成分。B1煤层灰中主要成分的质量分数为：SiO25.03%～14.55%,平均10.54%；Al2O32.51%～16.07%,平均10.26%；Fe2O38.99%～25.12%,平均14.27%；CaO 41.75%～64.29%,平均46.75%；MgO 1.35%～3.35%,平均2.02%；SO37.50%～15.82%，平均6.46%； MnO20.09～0.76%，平均0.25%；K2O 0.14～0.24%，平均0.19%；Na2O 0.12%～4.48%，平均3.14%；TiO2含量0.25%～0.54%，平均0.39%；总体上以硅铝酸盐氧化物为主，碱性氧化物次之。

⑨有害元素。煤中有害元素的研究已成为洁净煤地质研究的重要内容，本次主要对煤层的氟、氯、砷和磷进行统计分析。五彩湾矿区B1煤原煤氟质量分数为20～49μg /g，平均值为38.5μg /g，远低于我国晚侏罗世煤中氟质量分数的平均值189 μg/g，属特低氟煤。煤中氯质量分数为0.023%～0.59%，平均值为0.090%，以特低氯和低氯煤为主。砷质量分数为1～5μg /g，平均值为2μg /g，总体属一级含砷煤，3号煤原煤中磷分为0.001%～0.060%，平均值为0.020%，属低磷分煤。

3 煤炭资源清洁利用方向

我国当前煤炭清洁利用方式主要是把作为燃料的煤炭资源通过化学工艺处理转变为可以清洁利用的油气能源或者其他烯烃类产品。主要的煤化工工艺有煤炭的焦化、直接液化和气化，不同的煤化工工艺对煤炭的煤质有具体的要求。

3.1 洁净等级划分

煤炭清洁潜势划分是煤炭分级、分质、清洁高效利用的依据之一。根据唐书恒等(2006)建立的煤炭清洁利用潜势评价体系[11]，综合煤层全硫、灰分、有害元素(砷、氯、氟)等与煤炭清洁利用相关的各个指标对五彩湾矿区B1煤层的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

由于五彩湾矿区B1煤层煤中有害元素浓度小于洁净等级Ⅰ级的浓度限值，因此，本次洁净等级划分仅按照灰分和硫分指标。当灰分和硫分确定的洁净等级不一致时，以综合评价等级差者为准。综合分析该矿区B1煤洁净等级划分结果见表2，原煤灰分平均值为9.09%，硫分平均值为0.64%，综合评价洁净等级为Ⅱ级，属好洁净煤。浮煤灰分平均值为5.50%，硫分平均值为0.23%，综合评价煤层洁净等级为Ⅱ，属好洁净煤。

表2 B1煤洁净等级划分结果

3.2 资源清洁利用方向

根据我国不同煤化工工艺的特点，结合焦化、直接液化及气化原料煤技术要求和煤化工过程中对煤的工艺性能的要求，按照焦化-液化-气化的顺序对煤炭资源的化工用途方向进行评价，并且根据我国的煤化工用煤技术导则，气化又按照工艺和气化炉型的不同划分为常压固定床气化、流化床气化和气流床气化，不同的气化类型对煤质的要求各异。

参照对比《常压固定床气化用煤技术条件》GB/T 9143-2008、《气流床气化用原料煤技术条件》GB/T 29722-2013、《流化床气化用原料煤技术条件》GB/T 29721-2013等要求，通过对其B1煤全水分、灰分、全硫、软化温度、流动温度等指标分析发现(表3)，五彩湾矿区B1煤层全部为气化用煤，气化用煤类型主要为水煤浆气流床气化用煤和流化床气化用煤。

表3 B1主要煤质指标与气化用煤指标对照表

4 结论

①五彩湾矿区西山窑组B1煤层以低灰、中高挥发分、特低硫-低硫、特低氟煤、特低-低氯煤、低磷分煤、一级含砷不黏煤为主，含小范围的长焰煤。参照煤炭清洁利用潜势评价体系，B1煤层煤中有害元素富集度低，原煤以低灰、特低硫煤为主，原煤与浮煤洁净等级均为Ⅱ级，属好洁净煤。

②依据按照气化、液化特殊用煤评价指标体系，对五彩湾矿区西山窑组B1煤层的气化、液化特征进行了详细划分，整个矿区内B1煤层不适合直接液化用煤，可作为气化用煤的原料，以适合水煤浆气流床气化和流化床气化为主，可考虑作为该区煤炭资源清洁高效利用的主要方向。