黑山礦區煤巖煤質特征及清潔高效利用研究

何建國，馬 榮，張 寧，朱士飛

(1.江蘇地質礦產設計研究院(中國煤炭地質總局檢測中心)，江蘇省徐州市，221006；2.中國煤炭地質總局煤系礦產資源重點實驗室，江蘇省徐州市，221006；3.中國礦業大學，江蘇省徐州市，221008；4.河北工程大學土木工程學院，河北省邯鄲市，056038)

“富煤、貧油、少氣”是我國能源結構的特點，長期以來，以煤炭為主導的化石能源為我國經濟建設做出了巨大的貢獻[1-3]。我國要實現“雙碳”目標，以煤炭為主的化石能源面臨著巨大的挑戰，迫切需求加速推進煤炭行業的綠色發展[4-5]。以煤制油、煤制氣為代表的清潔、安全、高效利用將成為未來我國煤炭工業發展的必由之路，也是保障我國能源戰略安全的重要措施，對我國油氣資源戰略具有重要意義[6-7]。

新疆是我國煤炭資源大省，黑山礦區是新疆重要的大型煤炭基地，目前尚處于開發階段，本次在對黑山礦區地質勘探資料調研的基礎上，進行了樣品補充采集和測試化驗，通過對煤巖特征、煤質的理化性質、工藝性能等方面的系統研究，對比現有液化和氣化用煤技術條件，對黑山礦區液化和氣化用煤等級進行了評價分析，以期為黑山礦區煤炭資源的清潔、高效利用提供科學依據。

1 礦區概況

黑山礦區地處烏魯木齊南部約60 km處，地貌形態為殘丘狀的剝蝕平原，礦區東西長約35 km，南北寬約4 km，面積約為107 km2。礦區分為2個井田，西部為黑山露天礦，東部為通蓋煤礦，礦區煤炭資源儲量為22.3億t。區域主要含煤地層為侏羅系中統西山窯組(J2x)，共含煤14層(組)，可采及基本全區可采煤層為8、9、10、11、12及13-2號煤層。其中13-2號煤層為全礦區較為穩定的可采煤層，煤層可采厚度為1.17～51.5 m，平均厚度約為27.2 m。黑山礦區地理位置如圖1所示。

圖1 黑山礦區地理位置

2 煤巖煤質特征

本次研究過程中，以黑山礦區2個井田的鉆孔化驗數據為基礎，并采集黑山礦區侏羅紀西山窯組(J2x)13-2煤層10件樣品開展煤巖煤質測試，結合已有測試數據對13-2號煤層煤巖煤質特征開展綜合分析。

2.1 煤巖特征及鏡質組反射率

(1)煤巖特征。黑山礦區13-2號煤層宏觀煤巖類型以光亮型煤為主，半亮型煤次之。顯微組分有機質含量高，平均含量達到98%以上，有機質以鏡質組分為主，其次為惰質組，殼質組占比最低。鏡質組以基質鏡質體為主，少量結構鏡質體，偶見均質鏡質體、團塊鏡質體；鏡質組含量為55.4%～76.4%，平均含量為67.82%；惰質組以半絲質體為主，其次碎屑惰質體，少量氧化絲質體；惰質組含量為11.3%～44%，平均含量為31.36%；殼質組以瀝青質體為主，其次為小孢子體，少量角質體、樹脂體和碎屑殼質體，殼質組含量為0.2%～1.2%，平均含量為0.81%；礦物主要以粘土礦物為主。

影響液化用煤的主要因素有煤階和顯微組分，顯微煤巖組分中的鏡質組和殼質組含量越高，越易促進液化，而惰質組隨含量升高則出現截然相反的表現，當惰質組含量低于15%時易于液化，在15%～35%之間適宜液化，高于35%則不適宜液化[8-9]。

(2)鏡質組反射率。黑山礦區13-2號煤層鏡質組反射率為0.26%～0.68%，平均為0.55%，屬于0-Ⅱ級變質階段。鏡質體反射率直接反映了煤的演化程度，煤的鏡質體反射率與煤的變質程度呈正相關關系，反射率值越小則煤的變質程度越低。從目前國內外研究成果來看，低變質程度的煙煤加氫液化油產率遠高于高變質程度煙煤，我國相關研究專家認為鏡質體的最大反射率(Ro.max)在0.65%以下適宜液化[10-11]。

2.2 煤質特征

2.2.1 工業分析

(1)水分(Mad)：黑山礦區13-2號煤層原煤水分的含量介于1.74%～21.18%之間，平均值為3.69%。煤炭在加氫液化過程中，氫化反應會隨著水分含量的增加導致反應速度降低，同時容易造成熱損耗的增加，增加運行成本[10]。

(2)灰分(Ad)：黑山礦區13-2號煤層原煤灰分產率介于2.46%～37.61%之間，平均值為10.35%。按照《煤炭質量分級第一部分：灰分》(GB/T 15224.1-2004)資源分級，黑山礦區13-2號煤層主要以特低-低灰煤為主。在平面分布上，礦區整體呈西低東高的趨勢，黑山礦區西部大部分為特低灰煤，僅東北部部分區域為低灰煤，通蓋煤礦中部主要為低灰煤和中灰煤，西南和東北部為特低灰煤，13-2號煤層灰分產率等值線如圖2所示。

圖2 132號煤層灰分產率等值線圖3 132號煤層揮發分產率等值線圖4 132號煤層H/C等值線圖5 132號煤層硫分等值線

煤中的灰分在煤炭直接液化工藝過程中不僅影響液化轉化率，還影響產品凈收率，在減壓蒸餾過程中，殘渣會攜帶一部分液體產品，殘渣含量越高則帶走的液體也越多[12]。

(3)揮發分(Vdaf)：黑山礦區13-2號煤層原煤揮發分產率介于24.91%～49.37%之間，平均值為38.42%。按照《煤的揮發分產率分級》(MT/T849-2000)，礦區內主要為高-中高揮發分煤。在平面分布上，礦區大部分區域原煤的揮發分產率在37%以上，屬于高揮發分煤，僅有黑山煤礦的西部及北部區域內揮發分產率低于37%，屬于中高揮發分煤，整體呈西低東高變化趨勢，13-2號煤層揮發分產率等值線如圖3所示。

通常而言，煤中揮發分產率越高、煤演化程度越輕，煤的橋鍵數目較多，分子之間交聯健以氫健連接，氫原子含量越高的煤越易液化[13]。

2.2.2 氫碳原子比(H/C)

黑山礦區13-2號煤層原煤氫碳原子比介于0.57～0.78之間，主要分布在0.70～0.76之間，平均值為0.74。平面上來看，礦區東部和西部地區氫碳原子比值較小，中部地區氫碳原子比均在0.74以上，具有中部高兩翼低的特點，13-2號煤層H/C等值線如圖4所示。

氫碳原子比(H/C)與煤炭轉化率和油產率均呈正相關，氫碳原子比(H/C)越高，轉換率和油產率越高[14]。

2.2.3 全硫(St,d)

黑山礦區13-2號煤層原煤全硫含量介于0.22%～1.69%之間，平均值為0.58%。按照《煤炭質量分級第二部分：硫分》(GB/T 15224.2-2004)資源分級，黑山礦區13-2號煤層主要為特低-低硫煤。平面上分布來看，全硫含量變化與灰分產率變化相似，呈西低東高的趨勢，其中西部黑山煤礦大部分區域硫分小于0.50%，東部通蓋煤礦硫分大于0.50%，13-2號煤層硫分等值線如圖5所示。

黑山礦區13-2號煤層原煤中有機硫(So,d)對全硫含量的貢獻值較大，有機硫含量介于0.01%～1.65%之間，平均值為0.42%；硫化鐵硫(Sp,d)和硫酸鹽硫(Ss,d)貢獻值較低，因此洗選后全硫含量變化也不大。

2.3 工藝性能

(1)煤灰成分及灰熔融性。根據對黑山礦區13-2號煤層灰成分數據統計，結合本次采樣測試數據，可以得知13-2號煤層的煤灰中主要成分SiO2含量介于11.42%～53.73%之間，平均值為30.63%；Al2O3含量介于0.34%～24.66%之間，平均值為12.65%；Fe2O3含量介于4.79%～25.30%之間，平均值為12.20%；CaO含量介于5.22%～48.76%之間，平均值為23.25%；MgO含量介于1.24%～15.60%之間，平均值為5.25%。煤灰成份是影響煤灰熔融性的主要因素，從測試數據來看，CaO+Fe2O3+MgO相對含量較高，在一定程度有利于灰熔點的降低[15]。

根據對黑山礦區13-2號煤層灰熔融性數據的統計，結合本次采樣測試數據，13-2號煤層的煤灰熔融性(ST)范圍為1 120 ℃～>1 400 ℃，平均值為1 260 ℃，煤灰熔融性流動溫度(FT)為1 168℃～>1 400 ℃，平均1 306 ℃。參考煤灰軟化溫度(ST)分級和煤灰流動溫度(FT)分級，13-2號煤層灰軟化溫度(ST)大多屬于中等軟化溫度灰，流動溫度(FT)大多屬于中等流動溫度灰。對于煤炭氣化，適宜的灰熔融溫度不僅有利于排渣、保障氣化爐的正常運行，而且可以增加氣化爐耐火襯里使用壽命[16]。

(2)煤的黏結指數(GR.I)。根據對13-2號煤層黏結指數數據統計，結合本次采樣測試數據，13-2號煤層的黏結指數為0～32，平均值為2.4，按煙煤黏結指數分級，整體為無黏結煤。對于氣化用煤，一般選用不黏結或弱黏結的煤，避免煤料在氣化爐內粘結，影響氣化爐運行。

(3)煤的熱穩定性(TS+6)。根據對13-2號煤層熱穩定性數據統計，結合本次采樣測試數據，13-2號煤層熱穩定性為19.70%～98.00%，平均值為73.06%，按照煤的熱穩定性分級，屬于高熱穩定性煤。對于固定床氣化，煤的熱穩定性太差，會妨礙煤粒和煤末的正常流動和均勻分布，影響氣化效果[17]。

(4)發熱量。根據對13-2號煤層發熱量數據統計，原煤發熱量(Qgr.d)為 29.94～31.87 MJ/kg，屬特高熱值煤，可作為動力用煤。

3 清潔利用方向

參照《直接液化用原料煤技術條件》(GB/T 23810-2009)和《常壓固定床氣化用煤技術條件》(GB/T 9143-2008)煤質技術要求，根據13-2號煤層煤巖煤質特征及工藝性能，結合液化用煤、氣化用煤煤質指標體系[18]，進行分級評價。

按照優先評價液化用煤的原則開展評價，即如果煤質指標符合液化用煤則優先作為液化用煤進行評價，不符合液化用煤指標則進行氣化用煤指標進行評價[19]。13-2號煤層煤質指標與直接液化用煤評價指標見表1，13-2號煤層煤質指標與固定床氣化用煤評價指標見表2，液化、氣化用煤資源分區見圖6。

表1 13-2號煤層煤質指標與直接液化用煤評價指標

表2 13-2號煤層煤質指標與固定床氣化用煤評價指標

圖6 13-2號煤層液化、氣化用煤評價分區圖

由表1、表2和圖6可以看出，黑山礦區的13-2號煤層揮發分產率均值大于35%，鏡質組反射率均值小于0.65%，煤灰分產率均值小于12%，評級均為一級；惰質組均值介于15%～35%之間，H/C均值介于0.70～0.75之間，評級均為二級，由此可以看出，煤巖煤質指標能夠達到液化用煤二級指標要求。同時，13-2號煤層黏結指數小于20，熱穩定性大于60%，評級均為一級；灰熔融性流動平均溫度為1 306℃，評級為二級，13-2號煤層達到固定床氣化用煤二級指標要求。依據評價原則，13-2號煤層平面上符合直接液化用煤主要分布在黑山煤礦中南部和通蓋煤田；黑山礦區北部部分區域符合二級常壓固定床氣化用煤要求。

依據煤炭清潔利用潛勢評價體系[20]，綜合黑山礦區13-2號煤層灰分、全硫、氟、砷、氯等指標的統計及分析測試數據對清潔利用潛勢進行綜合評價，若各評價指標潔凈等級不一致時，以潔凈等級差者為準。13-2號煤層煤質潔凈等級劃分見表3。

表3 13-2號煤層煤質潔凈等級劃分

由表3可以看出，除灰分產率和硫分潔凈等級屬于Ⅱ，其余指標潔凈等級均為Ⅰ級，13-2號煤層原煤評價潔凈等級為Ⅱ級，屬較好潔凈煤。

4 結論

(1)黑山礦區13-2號煤層宏觀煤巖類型以暗淡型、半暗型煤為主；煤巖顯微組分中有機質含量高，平均含量達到98%以上，有機質以鏡質組分為主，次為惰質組，殼質組占比最低。

(2)黑山礦區13-2號煤層為特低-低灰、高-中高揮發分、特低-低硫、灰熔融性軟化溫度和流動溫度中等的高熱穩定性、低黏結性、高發熱量煤。

(3)根據黑山礦區13-2號煤層煤巖煤質特征，對比液化、氣化用煤煤質評價技術指標要求，黑山煤礦中部和南部以及通蓋煤田滿足液化用煤二級指標要求；黑山礦區北部部分區域符合常壓固定床氣化用煤二級指標要求。

(4)根據煤炭清潔利用潛勢評價體系，黑山礦區13-2號煤層為低砷、低氟、低氯煤，原煤潔凈等級為Ⅱ級，屬較好潔凈煤，可作為優質動力煤。

該研究有利于煤炭資源綠色、清潔、高效綜合開發和利用，是保障我國能源戰略安全的重要措施，對我國實現碳達峰、碳中和具有重要意義。