内蒙古煤炭资源煤质特征及清洁利用方向

张建强，宁树正，黄少青，张 莉，霍 超，贺 军

(1.中国煤炭地质总局勘查研究总院，北京 100039；2.中煤地生态环境科技有限公司，北京 100070)

0 引 言

煤炭作为我国的主体能源和基础能源，长期保障国民经济健康稳定发展，煤炭清洁利用是新时代生态文明建设的必由之路[1-3]。摸清优质液化用煤、气化用煤和焦化用煤等煤制油气用煤的资源家底，不仅能够促进煤炭分级分质和高效清洁利用的要求，而且能够降低国家油气资源的对外依存度，保障特殊时期国家能源战略安全[4-5]。内蒙古自治区(以下简称为“内蒙古”)煤炭资源丰富，是我国最主要的煤炭生产基地之一，同时也是国家新型煤化工试验示范生产基地。内蒙古优质煤制油气用煤资源潜力较大，目前已建设完成了一批煤制油气示范项目，煤制油、煤制天气产能产量居全国首位[6-8]。2016—2019年中国煤炭地质总局实施的“特殊用煤资源潜力调查评价”项目，厘定了特殊用煤的概念，特殊用煤是从煤的工业利用角度出发，满足煤炭清洁高效利用且具有特殊用途的煤炭资源，特殊用煤资源评价主要是根据煤炭利用工艺，结合不同煤化工类型对煤岩煤质的要求，划分适合不同类型、不同级别的特殊用煤，并对特殊煤炭资源进行评价。本文基于前人研究，参照特殊用煤资源潜力评价指标体系，对内蒙古煤炭资源煤质特征及清洁利用进行分析研究，以期为内蒙古的煤炭资源清洁高效利用及煤炭科学规划提供支撑。

1 地质背景

内蒙古跨越了东北、华北和西北3个一级赋煤构造单元、11个主要赋煤带和26个三级赋煤构造单元(图1)。三大赋煤区在构造运动、岩浆活动、沉积作用方面(包括聚煤作用、变质作用以及成矿作用)具有显著性差异，多旋回性[9-11]，同时在地质构造发展的多阶段性及空间上具有不平衡性。

图1 内蒙古赋煤构造单元划分略图Fig.1 Division of coal bearing structural units in Inner Mongolia

内蒙古聚煤期多，各时代的聚煤作用均有发生，主要聚煤期为晚古生代石炭二叠纪、中生代侏罗纪、早白垩纪。其中，侏罗纪与白垩纪含煤盆地面积约占内蒙古含煤盆地总面积的90%以上。内蒙古富煤地区煤种较齐全，但资源储量相差较大[12-13]。褐煤、长焰煤、不黏煤等煤化程度较低的煤类数量大、分布广，三种煤类占内蒙古保有煤炭资源储量的97.66%，炼焦煤、无烟煤、气煤、肥煤、瘦煤、弱黏煤资源储量较少。

2 煤岩特征

2.1 石炭二叠纪聚煤期

石炭二叠纪聚煤期形成的煤田(矿区)在分布、成因、后期改造方面有所不同，但在煤的物性上存在相似处，如颜色、断口、构造等。乌海矿区煤岩成分以亮煤和暗煤为主，夹少量的镜煤和丝炭，煤岩类型以半暗煤为主，乌达矿区9号煤层的煤岩类型为半亮型；上海庙矿区16号煤层为半亮型；准格尔煤田主要煤层为6号层，厚度大，煤岩结构较复杂，6号煤层以暗煤为主，夹有少量的丝炭和亮煤，煤岩类型为半暗型9号煤层，以暗煤为主，丝炭较发育，局部夹镜煤条带，宏观煤岩类型属于暗淡型煤。乌海矿区、上海庙矿区、准格尔矿区(9号煤层)的煤层壳质组分含量均<5%，属微镜惰煤；准格尔矿区(6号煤层)三种组分含量均>5%，属微三合煤(表1)。

表1 石炭二叠纪聚煤期主要煤层显微组分含量表Table 1 Maceral content of main coal seams in Carboniferous Permian coal forming period 单位：%

2.2 侏罗纪聚煤期

侏罗纪聚煤期形成的煤田(矿区)主要分布在蒙西的东胜煤田，涉及12个国家煤炭规划矿区，分别是东胜矿区、准格尔矿区、准格尔中部矿区、高头窑矿区、塔然高勒矿区、台格庙矿区、万利矿区、呼吉尔特矿区、纳林河矿区、纳林希里矿区、新街矿区、上海庙矿区(双纪聚煤期)。该聚煤期属低变质煤，煤层多，煤的颜色均呈黑色，条痕色为棕黑色，弱沥青光泽，参差状断口，局部见贝壳断口，内生裂隙不发育，常见线理状结构，构造多为波状层理，似水平状层理。煤燃烧时火焰不大，残灰为灰白色，粉状。煤的密度和视密度较小。宏观煤岩成分及煤岩类型在南北部区有一定区别：北部区煤岩成分以暗煤为主，含一定数量的丝炭和少量的亮煤、镜煤；南部区以暗煤、亮煤为主，其次是镜煤。丝炭含量比北部区有明显减少。从煤层来看，位于上部2煤组和下部6煤组丝炭含量偏高，中部3煤组丝炭含量相对较低。宏观煤岩类型，北部区各主要煤层以暗淡型为主，而南部区各主要煤层以半暗型为主[14]。

该成煤期煤岩显微含量的特点是丝质组含量相当高，北部区为64.0%～80.3%，平均值为70%左右；南部区低于北部区，平均值接近32%；北部区的镜质组含量较低，平均值低于25%，南部区高于北部区，平均值超过61%；矿物杂质含量都低于5%。南部区2-2煤层属微三合煤，整个煤田亦属微镜惰煤，反映成煤环境为覆水浅、氧化环境、古地形北高南低的特征(表2)。

表2 侏罗纪聚煤期主要煤层显微煤岩组分统计Table 2 Statistics of macerals of main coal seams in Jurassic coal forming period 单位：%

2.3 早白垩纪聚煤期

早白垩纪聚煤期形成的煤田(矿区)主要分布于海拉尔赋煤带和二连赋煤带，涉及29个国家煤炭规划矿区，分别是宝日希勒矿区、胡列也吐矿区、扎赉诺尔矿区、伊敏矿区、五九矿区、五一牧场矿区、诺门罕矿区、霍林河矿区、贺斯格乌拉矿区、白音华矿区、乌尼特矿区、高力罕矿区、五间房矿区、巴其北矿区、巴彦宝力格矿区、农乃庙矿区、准哈诺尔矿区、吉林郭勒矿区、查干淖尔矿区、吉日嘎郎矿区、哈日高毕矿区、道特淖尔矿区、那仁宝力格矿区、绍根矿区、巴彦胡硕矿区、胜利矿区、赛汗塔拉矿区、白音乌拉矿区、白彦花矿区。该聚煤期的煤层均具有相似或相同的宏观物理性质，均呈黑色或黑褐色，棕褐色条痕，具有弱沥青光泽，结构均一或呈似条带状，有时可见条带状结构或木质结构，具有块状构造或层状构造，其断口平坦或呈参差状，外生裂隙发育。硬度介于1～3之间，但韧性较强。 煤的真密度为1.47～1.63 t/m3，视密度为1.15～1.49 t/m3。宏观煤岩类型主要为半暗型煤和半亮型煤，其中海拉尔盆地煤田主要为暗型煤，二连盆地煤田主要为半暗煤，半亮煤次之。二连赋煤带5号煤层壳质组含>5%，属微镜壳煤；二连赋煤带6号煤层属微三合煤；其余各煤田(矿区、煤产地)的煤层均为微镜惰煤[15]。

早白垩纪聚煤期煤的显微特征是腐植组含量二连赋煤带普遍高于海拉尔赋煤带，二连赋煤带腐植组含量在75%～95%之间，而海拉尔赋煤带腐植组含量均在45%～50%之间；惰质组含量二连赋煤带普遍低于海拉尔赋煤带，二连赋煤带惰质组含量在1%～25%，海拉尔赋煤带惰质组含量均在35%～50%之间；壳质组含量普遍较低，在0.3%～2.6%之间(表3)。

表3 早白垩世聚煤期主要矿区显微组分含量统计Table 3 Statistics of maceral content of main mining areasin Early Cretaceous coal forming period 单位：%

3 煤质特征

3.1 石炭二叠纪聚煤期

石炭二叠纪聚煤期乌海矿区水分含量最低，其次为上海庙矿区，准格尔煤田水分最高，平均值为4%左右。乌海矿区9号煤层属低灰煤，其他灰分产率普遍很高，均属中灰煤，但浮煤灰分绝大多数降至10%以下。该纪各煤田(矿区、煤产地)灰分变化的另外一个特点是上煤层、下煤层变化较大，一般薄煤层灰分值较低，巨厚煤层变化较大。如准格尔矿区的6号煤层，一般厚度为20 m左右，中部主层段(6Ⅲ～6Ⅳ)原煤灰分一般低于20%，而煤层上部(6Ⅰ～6Ⅱ)和煤层下部(6Ⅴ)原煤灰分较高，经常夹有高灰煤和炭质泥岩薄层，这与煤层结构复杂(如准格尔6号煤层上部 (6Ⅰ—Ⅱ) 俗称“千层饼”)有关，灰分在平面上变化规律不明显。煤的挥发分可反映煤的变质程度，浮煤干燥无灰基挥发分是确定煤分类的主要指标。石炭二叠纪聚煤期特低～高挥发分煤均有，其变化是由西向东依次增高乌达矿区9号煤层为低挥发分煤；其余则为中高～高挥发分煤；本聚煤期全硫含量一般变化规律：上部煤层全硫含量低于下部煤层，贺兰山～桌子山煤田各矿区(煤产地)的硫分普遍高于准格尔煤田。准格尔矿区一般不超过1%，属低-特低硫，贺兰山～桌子山煤田的各矿区硫分变化大。石炭二叠纪聚煤期原子比值(H/C)具有明显的分带性，乌海矿区原子比值(H/C)较低，仅为0.55，准格尔矿区和上海庙矿区原子比值(H/C)较高，均大于0.75(表4)。

表4 石炭二叠纪聚煤期主要矿区煤质一般特征Table 4 General characteristics of coal in main mining areasduring Carboniferous Permian coal forming period 单位：%

3.2 侏罗纪聚煤期

侏罗纪聚煤期在区内分布广泛，东起大兴安岭中南部赋煤带，西止阿拉善盟的北山和潮水赋煤带，资源量最大、质量最佳属鄂尔多斯盆地(东胜煤田和上海庙矿区)，化学特征变化较大。

内蒙古侏罗世煤中原煤浮煤水分整体变化不大，水分以低全水分煤为主(LM)，在高头窑矿区、上海庙矿区水分含量较高(12.47%～17.74%)，属中高等全水分煤(MHM)；灰分以特低灰煤为主，上海庙矿区、塔然高勒矿区和万利矿区灰分在10%～12%之间；挥发分产率均小于37%，为中高挥发分煤(MHV)，仅在纳林希里矿区挥发分产率大于37%；原煤硫分大部分在0.2%～0.8%之间，属于特低硫-低硫煤(SLS-LS)；纳林河矿区、上海庙矿区硫分稍高(1.16%～1.46%)，属于中硫煤(MS)。氢碳原子比值(H/C)普遍较低，均值为0.69，纳林河矿区、新街矿区和呼吉尔特矿区氢碳原子比值(H/C)稍高，在0.72～0.74之间(表5)。

表5 侏罗纪聚煤期主要矿区煤质一般特征Table 5 General characteristics of coal in main mining areas during Jurassic coal forming period 单位：%

3.3 早白垩纪聚煤期

早白垩世煤中原煤浮煤水分整体变化不大，海拉尔赋煤带煤层水分为9%～11%，属中等全水分煤(MM)，二连赋煤带煤层水分为10%～14%，属中等-中高全水分煤(MM-MHM)。早白垩纪聚煤期在海拉尔赋煤带原煤灰分为13%～19%，均为低灰煤(LA)，在二连赋煤带原煤灰分为14%～24%，为低灰-中灰煤(LA-MA)。挥发分整体变化不大，依据《煤的挥发分产率分级》(MT/T 849—2000)，该成煤期在海拉尔赋煤带和二连赋煤带挥发分产率在42%～47%之间，均为高挥发分煤(HV)。早白垩纪聚煤期在海拉尔赋煤带和二连赋煤带原煤硫分大部分在0.25%～0.80%之间，属于特低硫-低硫煤，仅有胜利矿区(1.61%)和白音乌拉矿区(2.15%)硫分较高，属于中硫-中高硫煤。 氢碳原子比值(H/C)均在0.74以上，白音乌拉矿区、胡列也吐矿区、宝日希勒矿区氢碳原子比值(H/C)均在0.8以上(表6)。

表6 早白垩纪聚煤期主要矿区煤质一般特征Table 6 General characteristics of coal in main mining areas during Early Cretaceous coal forming period 单位：%

续表6

4 清洁用煤分布特征

4.1 清洁用煤评价流程和指标体系

清洁用煤主要分为焦化用煤、直接液化用煤及气化用煤。根据不同煤化工工艺特点，结合焦化用煤、直接液化用煤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，建立了清洁用煤资源评价流程及指标体系(表7～表12)[16]。

表7 焦化用煤资源评价指标Table 7 Evaluation indexes of coking coal 单位：%

表8 直接液化用煤资源评价指标Table 8 Evaluation indexes of coal for direct liquefaction 单位：%

表9 固定床气化用煤评价指标体系Table 9 Evaluation indexes of coal for fixed bed gasification

表10 流化床气化用煤评价指标体系Table 10 Evaluation indexes of coal forfluidized bed gasification

表11 水煤浆气流床气化用煤评价指标体系Table 11 Evaluation indexes of coal forcoal-water slurry gasification

表12 干煤粉气流床气化用煤评价指标体系Table 12 Evaluation indexes of coal fordry coal dust gasification

根据《煤化工用煤技术导则》(GB/T 23251—2009)对清洁用煤资源优化配置和经济合理性规划的要求，按照焦化用煤、直接液化用煤、气化用煤的顺序进行评价。首先洗选后的主要炼焦煤类(1/3焦煤、肥煤、焦煤、瘦煤)应作为焦化用煤评价；其次从资源稀缺性和保护性利用的角度出发，按照直接液化用煤评价指标的要求进行评价；最后根据不同气化工艺对煤质要求的不同以及不同气化工艺的应用范围，对气化用煤按照固定床气化用煤、水煤浆气流床气化用煤、干煤粉气流床气化用煤、流化床气化用煤依次评价分类[17-19]。

4.2 清洁用煤资源分布情况

从资源分布区域来看，内蒙古清洁用煤分布具有明显分带性特征，焦化用煤主要分布在石炭二叠聚煤期的乌海矿区，直接液化用煤主要分布在早白垩世聚煤期的二连-海拉尔赋煤带，气化用煤主要分布在侏罗世聚煤期的鄂尔多斯盆地伊盟赋煤带。内蒙古清洁用煤分布和分类情况如图2和图3所示。

图2 内蒙古清洁用煤分布图Fig.2 Distribution of clean coal in Inner Mongolia

图3 内蒙古清洁用煤分类图Fig.3 Classification of clean coal in Inner Mongolia

鄂尔多斯盆地伊盟赋煤带位于内蒙古西部，主要含煤地层石炭二叠纪的太原组、山西组和中侏罗统延安组，煤类以低变质烟煤(BN、CY)为主，该地区煤岩显微组分特征中惰质组含量较高，各矿区惰质组含量几乎大于35%，仅在纳林希里矿区、纳林河矿区中惰质组含量小于35%。对照清洁用煤评价指标，该区域煤炭资源以气化用煤为主，各矿区煤炭指标几乎都满足常压固定床要求，流化床主要集中在准格尔中部矿区；液化用煤分布在纳林希里矿区、纳林河矿区、新街矿区、台格庙矿区(图4)。

图4 伊盟赋煤带清洁用煤分布图Fig.4 Distribution of clean coal in Yimeng Coal Bearing Belt

二连赋煤带位于内蒙古中部锡林郭勒盟和通辽市，主要含煤地层为早白垩统大磨拐河组、巴彦花组、胜利组和赛汉塔拉组，煤类以低变质褐煤为主，局部有零星长焰煤，二连赋煤带煤变质程度基本一致，但镜质组含量差异较大，部分矿区镜质组含量低，氢碳原子比值(H/C)分布在0.66～0.83之间，平均值为0.74，总体低于海拉尔赋煤带煤氢碳原子比值(H/C)。对照清洁用煤评价指标，二连赋煤带煤炭资源中符合直接液化用煤的煤炭资源较多，还有部分流化床和干煤粉气流床分布(图5)。

图5 二连赋煤带清洁用煤分布图Fig.5 Distribution of clean coal in Erlian Coal Bearing Belt

海拉尔赋煤带位于内蒙古东部呼伦贝尔市，主要含煤地层为早白垩统伊敏组、大磨拐河组，煤类以低变质褐煤为主，局部有长焰煤。 煤的显微特征是镜质组含量变化较大，含量范围在52.45%～86.20%之间，惰质组含量范围在0.20%～34.80%之间，壳质组含量极低，各矿区平均含量均小于2%，无机矿物含量总体较高，介于9.20%～24.10%之间。海拉尔赋煤带煤氢碳原子比值(H/C)总体较大，平均值为0.82，分布在0.75～0.89之间，总体趋势为东北部矿区高于西南部。对照清洁用煤评价指标，海拉尔赋煤带煤炭资源中符合直接液化用煤的煤炭资源较多，主要分布在胡列也吐矿区、五一牧场矿区和诺门罕矿区，其他矿区(伊敏矿区、扎赉诺尔矿区、宝日希勒矿区)以流化床用煤为主。

图6 海拉尔赋煤带清洁用煤分布图Fig.6 Distribution of clean coal inHailar Coal Bearing Belt

5 结 论

1) 内蒙古煤炭主要聚煤期有石炭二叠纪聚煤期、侏罗纪聚煤期、早白垩纪聚煤期，其中，石炭二叠纪聚煤期主要分布在鄂尔多斯地区的上海庙矿区和准格尔矿区，侏罗纪聚煤期主要分布在鄂尔多斯地区中部，早白垩纪聚煤期主要分布在二连-海拉尔赋煤带，三个聚煤期煤炭资源的煤岩煤质特征具有明显的分带性。

2) 内蒙古石炭二叠纪煤层以中灰-中高挥发分-低硫长焰煤为主，少量气煤；侏罗纪煤层以特低灰-中高挥发分-特低硫长焰煤为主；早白垩纪煤层以低灰-高挥发分-特低硫褐煤为主。

3) 内蒙古直接液化用煤和气化用煤资源丰富，焦化用煤相对较少。气化用煤分布于鄂尔多斯地区的侏罗纪-石炭纪煤田，主要集中在神东大型煤炭基地；直接液化用煤分布于锡林浩特地区的早白垩纪煤田，主要集中在蒙东大型煤炭基地内；焦化用煤在内蒙古分布较少，仅在鄂尔多斯西缘的乌海矿区分布。