江蘇徐州九里山煤田潔凈煤等級劃分
2016-07-19 05:37:45張傳鳳趙文勝朱建南胡福培
地質學刊 2016年2期
張傳鳳， 趙文勝， 朱建南， 胡福培
(1.江蘇長江地質勘查院,江蘇南京210046； 2.江蘇省地質礦產局第五地質大隊，江蘇徐州221000； 3.江蘇省地質調查研究院，江蘇南京210018)
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江蘇徐州九里山煤田潔凈煤等級劃分
張傳鳳1， 趙文勝2， 朱建南3， 胡福培3
(1.江蘇長江地質勘查院,江蘇南京210046； 2.江蘇省地質礦產局第五地質大隊，江蘇徐州221000； 3.江蘇省地質調查研究院，江蘇南京210018)
摘要：利用九里山煤田的工業、元素及工藝性質等煤質數據，分析各指標的變化規律。在此基礎上，以灰分、硫分及有害元素為指標，對該區進行潔凈煤等級5級劃分。結果顯示：下石盒子組原煤潔凈等級為Ⅱ—Ⅲ級，屬好—較好的潔凈煤，浮煤等級潔凈等級為Ⅰ—Ⅱ級，屬特好—好的潔凈煤；山西組原煤潔凈等級為Ⅰ—Ⅲ級，屬特好—較好的潔凈煤，浮煤等級潔凈等級為Ⅰ—Ⅲ級，屬特好—較好的潔凈煤。經洗選后，潔凈等級一般有所提高，除西部外，整體上山西組煤炭潔凈等級提高程度優于下石盒子組。
關鍵詞：潔凈等級；潔凈煤；煤質特征；九里山煤田；江蘇徐州
0引言
環境污染給我國的環境、人體健康乃至經濟發展造成了不可忽視的負面影響。大氣污染和水污染的原因眾多，但以燃煤為代表的傳統能源無疑是主要因素。現階段,煤炭在我國能源消費中發揮著不可替代的作用，以燃煤為主體的能源消費狀況短期內難以根本轉變。
我國的潔凈煤技術經“八五”、“九五”期間的初步發展，在煤炭加工、循環硫化床鍋爐、燃煤煙氣凈化、煤炭液化、整體煤氣化聯合循環發電、煙氣脫硫等方面的技術已取得顯著進展(朱書全等，2004)。從技術發展方向看，潔凈煤技術有2種主要途徑，即初始控制(煤炭洗選)與末端控制(終端用戶除塵、除硫)。因此，對煤質進行清潔性評價，對未來建設礦井及合理加工利用煤炭資源、保護環境、在保證經濟效益的同時提高社會效益具有重要意義。
1研究區概況
徐州九里山煤田是江蘇重要煤產地。主要含煤層段為上石炭統太原組、下二疊統山西組、下石盒子組。主采煤層為下石盒子組的1、2、3煤層，煤層總厚1.40～4.00m,平均2.71m,其中主采煤層1、3煤層結構復雜，為不穩定型煤層，局部可采；2煤層普遍發育，全區可采。山西組7、9煤層， 主采煤層7煤層一般厚1.19～5.00m,平均厚2.70m，全區可采；9煤層一般厚1.00～2.00m，個別點厚度在3.00m以上，局部可采。太原組普遍發育20、21煤層，厚度數十厘米至2.00m不等，平均厚度<1.00m,零星可采，由于硫分高，煤質差，歷史上僅少數小煤礦曾開采過，樣本缺乏代表性，本次不做評價。
2煤質特征
區內煤類較多，太原組以氣煤、肥煤為主，有部分氣肥煤、焦煤和無煙煤；山西組主要以氣煤為主，有部分為1/3焦煤和肥煤；下石盒子組以氣煤為主，部分為1/3焦煤和氣肥煤。
2.1工業分析
2.1.1水分下石盒子組原煤水分質量分數平均1.75%，山西組煤原煤水分質量分數平均為1.76%，均為低水分煤。
2.1.2灰分產率下石盒子組原煤灰分產率為11.72%～30.41%，平均23.27%。研究區中南部原煤灰分產率較低，其余則較高，洗選后浮煤灰分產率平均8.26%，中部灰分產率下降較小，周邊經洗選后灰分產率則有較大幅度的下降(圖1)。山西組原煤灰分產率為4.10%～30.79%，平均15.25%，灰分產率有自北向南逐漸降低的趨勢；浮煤灰分產率平均6.57%，洗選后灰分產率均有較大幅度的下降(圖2)。分煤層統計原煤平均灰分產率基本呈自上而下依次下降的規律，即山西組潔凈程度優于下石盒子組，經洗選后灰分產率均大幅度下降(表1)。
圖1 下石盒子組煤中灰分等值線圖Fig.1 Contours of ash content in the Lower Shihezi Formation coal
圖2 山西組煤中灰分等值線圖Fig.2 Contours of ash content in the Shanxi Formation coal
煤層編號原煤/%浮煤/%1號24.528.472號23.168.553號22.558.147號20.647.678號9.979號11.735.51
2.1.3揮發分及煤化程度以鏡質組為主的煤中，揮發分隨煤變質程度的升高而降低，能大致代表煤的變質程度(陳家良等，2004)，因此,國標的煤類方案都以揮發分作為第一指標。下石盒子組煤的揮發分為27.82%～38.10%,平均35.73%，具有由西向東北方向和東南方向逐漸減小的趨勢。山西組煤的揮發分為5.89%～44.37%,平均34.93%，具有東部和中間高、南部和北部底的特點。同一礦井同一煤組各煤層揮發分一般具有自上而下降低的趨勢，規律性較明顯。區內部分礦區進行了Rmax測試，結果顯示，質量分數一般在0.74%～1.21%之間(MT/T1158—2011；孟運平等，2012)，屬于中煤級煤Ⅱ—Ⅳ級，能夠間接驗證煤巖煤化程度。
2.2元素分析
2.2.1C、H、O、N不同煤類成煤植物及煤化程度不同，元素組成與特性也有所差異。據研究區各煤層的元素分析，下石盒子組煤各組分的質量分數w(C)為83.56%～86.12%，平均84.48%；w(H)為5.44%～5.75%，平均5.58%；w(N)為1.05%～1.50%，平均1.22%；w(O+S)為7.27%～7.49%，平均7.42%。山西組煤各組分的質量分數為w(C)為51.32%～88.97%，平均84.52%；w(H)為4.86%～6.38%，平均5.54%；w(N)質量分數為0.67%～1.64%，平均1.38%；w(O+S)為4.41%～11.48%，平均7.49%。區內C、H、N質量分數隨埋深變化不明顯，而O質量分數在同一礦井一般具有隨埋藏深度增加而減少的明顯趨勢，即具有O質量分數隨煤變質程度增加而降低的規律。
2.2.2S下石盒子組原煤全硫質量分數為0.34%～1.17%,平均0.66%，自北向南硫分依次降低；洗選后全硫質量分數為0.25%～1.04%,平均0.60%，北部馬坡礦硫分下降較大，除中部部分礦井外，其余區域下降不明顯(圖3)。山西組原煤全硫質量分數為0.39%～2.62%,平均0.84%，整體呈東西兩邊高、北部和中間低的規律；洗選后全硫質量分數為0.34%～1.48%,平均0.71%，西部硫分含量變化不大，其余則有所降低，特別是中部，可達到特低硫分煤，整體洗選效果稍好于下石盒子組(圖4)。
圖3 下石盒子組煤中硫分等值線圖Fig.3 Contours of sulfur content in the Lower Shihezi Formation coal
2.2.3有害元素煤的有害物質主要有P、As、F、Cl、Hg、Pb；其次為微量稀散元素，主要為Ge、Ga、U、
圖4 山西組煤中硫分等值線圖Fig.4 Contours of sulfur content in the Shanxi Formation coal
Th等。區內煤層主要原煤w(P)<0.01%,為特低磷、下石盒子組、山西組煤為特低—低氯煤，主要為特低氯煤，有害元素均較低,As含量為一級含砷煤，山西組優于下石盒子組煤(表2)，徐州礦區共有9個樣品分析了Hg元素，含量為0.022～0.30μg/g,平均0.18μg/g；共4個樣品分析了Pb元素，含量為2.30～50.6μg/g,平均17.8μg/g(任德貽等，2006)。
表2 九里山煤田有害元素統計
2.3工藝性質
2.3.1發熱量發熱量是煤質分析及煤炭分類的重要指標，是動力煤計價的重要依據。下石盒子組煤發熱量為22.13～33.44MJ/kg，平均26.99MJ/kg；山西組煤發熱量為19.90～33.08MJ/kg，平均28.90MJ/kg。發熱量與灰分關系密切，灰分高則發熱量低，統計并擬合研究區各煤層的105個樣本灰分與發熱量關系，相關系數為-0.733 7,為顯著的線性負相關(圖5)。
圖5 發熱量與灰分的關系Fig.5 Relationship of calorific value with ash content
2.3.2黏結性與結焦性膠質層厚度是煙煤分類的重要指標。下石盒子組氣煤平均厚度11.70mm,1/3焦煤平均厚度15.00mm；山西組氣煤平均厚度為12.50mm,焦煤平均厚度為12.00mm，膠質層厚度隨埋深增加而增大，變化規律較明顯。下石盒子組氣煤黏結指數平均為74.80，1/3焦煤平均為73.50;山西組氣煤平均厚度為79.50mm，焦煤平均厚度為77.00mm，基本上隨埋深增加而增大。各煤層奧亞膨脹度一般小于150%,無明顯變化規律。
2.3.3煤中灰成分、煤灰熔融性與結渣性不同的灰成分，對煤氣化過程和燃燒過程有不同影響。煤灰成分對煉焦煤性質的影響實際上與沉積環境的影響密不可分。焦煤的焦炭熱反應活性強，不僅與煤灰中堿性元素含量高有關，更主要是由于其沉積環境所造成(白向飛等，2013)。成煤環境以及原始成煤期間帶入成煤植物中的物質來源不同，造成煤灰成分不同，但成煤環境可能起主要作用。如海陸交互相環境形成的煤灰成分具有較高的F2O3，酸性物質Al2O3、SiO2含量則較低，因此煤的軟化溫度較低；而陸相沉積成煤的煤灰成分中含中酸性物質Al2O3、SiO2較高，堿性物質Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O含量則較低，因此煤的軟化溫度較高。研究區內山西組為海陸相向陸相轉化，下石盒子組為陸相沉積環境(孟運平等，2010)。山西組煤為中等—較高軟化溫度，下石盒子組煤為中等—高軟化溫度，軟化溫度變化趨勢總體上與沉積環境相符。區內煤炭結渣指數RH(堿酸比與硅鋁比的乘積)：下石盒子組煤為0.34，山西組煤為0.58， 0.3
3煤的潔凈等級劃分
3.1標準與方法
考慮到可操作性和普遍適用性，研究區煤質等級劃分方案參照GB/T15224—2010之灰分、硫分、發熱量的5級劃分限值，其他元素限值參照《礦產工業要求手冊》(邵厥年等，2014)(表3)。由于在勘查過程中對Hg和Pb元素的分析樣本較少，不具有代表性，本次評價不作為指標。需要指出的是，該區一般為特低—中汞煤，但部分煤層為高鉛煤，應該在以后的工作中引起足夠重視。其他有害元素含量(表2)均低于《礦產工業要求手冊》潔凈等級一級的含量限值。因此，只按照灰分和硫分劃分煤的潔凈等級。當灰分和硫分不一致時，以綜合評價等級差者為準。
表3 煤的潔凈等級劃分方案
3.2劃分結果
圖6 下石盒子組煤層潔凈等級圖Fig.6 Ranking of cleanliness ofthe Lower Shihezi Formation coal
下石盒子組原煤潔凈等級為Ⅱ—Ⅲ級，Ⅱ級潔凈煤主要集中在中南部區域，其余則全部為Ⅲ級，屬好—較好的潔凈煤；經洗選后綜合潔凈程度有較大的提高，等級在Ⅰ—Ⅱ級范圍內，屬特好—好的潔凈煤，以Ⅱ級為主，南部小范圍內可達到Ⅰ級(圖6)。從圖中可以看出下石盒子組煤經洗選后可以大幅度提高整體潔凈程度，山西組原煤潔凈等級為Ⅰ—Ⅲ級，總體以Ⅱ級為主，屬特好—較好的潔凈煤，呈北部、西部和東南部潔凈程度較差、中部潔凈程度較好的分布規律；經洗選后浮煤潔凈等級在Ⅰ—Ⅲ級范圍內，以Ⅰ—Ⅱ級為主，屬特好—較好的潔凈煤，與原煤對比，山西組煤經洗選后，西部效果較差一些，中部潔凈等級則有較大幅度提高(圖7)。
圖7 山西組煤層潔凈等級圖Fig.7 Ranking of cleanliness of the Shanxi Formation coal
4結論
(1) 下石盒子組原煤潔凈等級為Ⅱ—Ⅲ級，屬好—較好的潔凈煤；浮煤潔凈等級為Ⅰ—Ⅱ級，屬特好—好的潔凈煤。
(2) 山西組原煤潔凈等級為Ⅰ—Ⅲ級，屬特好—較好的潔凈煤；浮煤潔凈等級為Ⅰ—Ⅲ級，屬特好—較好的潔凈煤。
(3) 經洗選后，潔凈等級有所提高，除西部外，山西組煤炭潔凈等級提高程度優于下石盒子組煤。
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doi:10.3969/j.issn.1674-3636.2016.02.352
收稿日期：2015-05-14；修回日期：2015-05-28；編輯：蔣艷
基金項目：國土資源部全國礦產資源利用現狀調查專項“江蘇省礦產資源利用現狀調查”(1212010785001)
作者簡介：張傳鳳(1975—)，男，高級工程師，碩士，主要從事煤田地質勘查與研究工作,E-mail: Zhangcf7506@163.com
中圖分類號：P618.11； TQ533
文獻標識碼：A
文章編號：1674-3636(2016)02-0352-05
Ranking of clean coal in the Jiulishan coalfield of Xuzhou, Jiangsu Province
ZHANG Chuanfeng1, ZHAO Wensheng2, ZHU Jiannan3, HU Fupei3
(1.JiangsuChangjiangGeologicalSurveyInstitute,Nanjing210046,Jiangsu,China; 2.FifthGeologicalTeamofJiangsuGeology&MineralExplorationBureau,Xuzhou221000,Jiangsu,China; 3.GeologicalSurveyofJiangsuProvince,Nanjing210018,Jiangsu,China)
Abstract：This study described the variation regularities of the industrial, elemental indices and process properties of the Jiulishan coalfield in Xuzhou of Jiangsu Province. The clean coal in the area was classified into five levels on the basis of ash content, sulfur content and harmful elements. The result shows that the Lower Shihezi Formation raw coal is clean coal of grade I-II, belonging to good to preferable clean coal, the Shanxi Formation raw coal is clean coal of grade I-III, also belonging to good to preferable coal, and the float coal is clean coal grade of I-III, belonging to super good to preferable clean coal. After separation and washing, the coal cleanliness was improved. Except for the western area, the cleanliness of the Shanxi Formation coal is better than that of the Lower Shihezi Formation coal.
Keywords：cleanliness； clean coal; coal quality characteristics; Jiulishan coalfield; Xuzhou in Jiangsu Province
