陜北潔凈型煤的煤巖配煤方法研究

張學梅 ，趙小東，衛麟輝 ，李 東，馬青華 ，郝靜遠

（1.西安思源學院，陜西 西安 710038；2.北京德秦技術開發有限公司，北京 100000；3.西安交通大學，陜西 西安 710038）

全國每年以直燃直排的粗放方式消耗散煤近2 億t，散煤成為消除霧霾、保衛藍天必須解決的重要污染源[1-3]。基于“同時創新清潔煤炭加工生產和爐具高效燃燒技術”的理念，因地制宜進行型煤生產技術的提高及完善具有重要意義和廣闊的發展前景。在陜甘寧蒙一帶的地下蘊藏著國內最大儲量的低階煤，許多生產干餾氣、煤焦油和半焦（蘭炭）的低溫煤干餾企業在這些地區也應運而生[4-6]。長焰煤低溫干餾生產蘭炭過程是煤的提質精煉、煤中污染物集中處置及資源化的過程，實現了煤炭的分質清潔利用。陜北部分型煤企業因地制宜混配不同規格的蘭炭和煙煤及輔料（黏結劑、固硫劑）生產潔凈型煤，對于這些型煤企業而言，如何既能生產出優質型煤，又能合理利用當地的蘭炭和煤炭資源，就成為抓緊“藍天保衛戰”的戰略機遇。配煤煉焦就是這類處境下科學尋找路徑與對策的成功例子。配煤煉焦的科學路徑是通過探索入爐的多種煤（氣、肥、焦、瘦）的黏結瘦化成分比例，達到準確預測焦炭的特征性能參數；而科學對策則是一種逆向思維：即從所需的焦炭特征性能參數來尋找適合入爐的多種煤（氣、肥、焦、瘦）的黏結瘦化成分比例。煤巖配煤煉焦利用了煤的變質程度和顯微組分及含量對所生產的焦炭特征性能參數有至關重要影響的原理，是現代配煤煉焦技術發展的理論基礎，并在焦炭性能預測和配煤煉焦的實際驗證中取得了理想的結果[7-10]。但是，目前還沒有利用該原理進行多種蘭炭和長焰煤混配以生產潔凈型煤的研究。為此，本文將以實際生產煤樣為例，嘗試分析用煤巖配煤方法評價型煤配煤的可操作性。

1 實 驗

1.1 實驗原料

實驗采用的原料由延能能源化工有限公司提供：標準潔凈型煤2 種（延安型煤標識“XM1”；榆林型煤標識“XM2”）；來自榆林- 寧東- 鄂爾多斯能源金三角地區的不同規格（塊、末）長焰煤 10 種，標識“CYM+ 序數”；來自延安地區的煙煤泥 1 種，標識“MN”；來自能源金三角地區不同規格的蘭炭6 種，標識“LT+ 序數”。根據GB/T 212—2008 對上述煤樣進行工業分析，部分實驗結果列于表1。

表1 部分煤樣的工業分析及硫元素分析

1.2 實驗方法

將煤樣反復過篩和破碎，直至完全通過孔徑1.0 mm 的實驗篩，并使小于0.1 mm 的煤樣質量不超過10%。利用破碎好的空氣干燥基煤樣與黏結劑按質量比2∶1 充分混合后，加熱成型。在打磨機上分別進行粗細打磨（干物鏡查看無劃痕即可），將打磨好的樣片在拋光機上加拋光劑進行拋光。制好的樣片使用MSP9000C 全自動智能型煤焦顯微分析儀進行煤巖分析。

1.3 煤巖分析數據

部分煤樣的半階分鏡質組反射率分布見圖1、圖2。

圖1 CYM1 的鏡質組反射率分布

圖2 XM1 的鏡質組反射率分布

2 數據轉換

2.1 類強度指數PSI 集合

按GB 6948—2008《煤的鏡質體反射率顯微測定方法》測得的反射率直方圖是由多點組成的一個集合。從0.3%～2.1%共37 個半階，可以得到37 個值的集合。根據煤巖配煤方法，將鏡質組反射率分布通過方程式（1）轉換成類強度指數PSI 集合。

式中：x1是活性組分在初始鏡質組反射率為0.3%的質量分數，%；x2是活性組分在鏡質組反射率為0.35%的質量分數，%；……；x37是活性組分在終止鏡質組反射率為2.1%的質量分數，%；ai是對應鏡質組反射率的強度指數，可以從文獻[11]中查找；R 是鏡質組反射率測定的活惰比。

2.2 標準潔凈型煤的類強度指數PSI 集合

選擇在陜北地區已通過質量監督、用蘭炭和長焰煤混配、市場用量大、用戶反映好的潔凈型煤成品粉碎后制樣，測定鏡質組反射率，以制定標準潔凈型煤的類強度指數集合C，見方程式（2）。

式中：m 是類強度指數集合的元素數；c1是標準潔凈型煤的類強度指數在初始鏡質組反射率為0.3%的值；c2是標準潔凈型煤的類強度指數在鏡質組反射率為0.35%的值；……；c37是標準潔凈型煤的類強度指數在終止鏡質組反射率為2.1%的值。

2.3 原料的類強度指數PSI 集合

從當地選擇可以參加配煤的n 個蘭炭和長焰煤，粉碎后制樣，分別測定鏡質組反射率。制定參配潔凈型煤的原料類強度指數集合X，見方程式（3）。

式中：n 是參加配煤原料的類強度指數集合的個數。必要且充分的條件：m≥n。

2.4 矩陣計算

可以將標準潔凈型煤的類強度指數集合C與參配潔凈型煤的n 個原料類強度指數集合X 進行矩陣計算[見式（4）]，以求得 n 個原料的比例。

式（4）中：

式中：d 是參加配煤原料的待定比例。

根據歸一化的原理，n 個參加配煤原料的待定比例的總和必須等于1，即d1+d2+…+dn=1。

對于這類多元線性規劃的矩陣，如滿足必要且充分的條件 m≥n，則方程式（4）的解見式（6）。

采用MATLAB 對多元線性規劃的矩陣進行計算。

由此可見，陜北潔凈型煤的煤巖配煤是先選定一條標準潔凈型煤的類強度指數曲線，然后計算n 個參加配煤原料的類強度指數集合的合適比例，使得由多條類強度指數曲線合成的曲線最接近選定的標準曲線。

3 計算實例

所有樣品按GB 6948—2008 制樣，用MSP9000C 全自動智能型煤焦顯微分析儀測定煤的鏡質組反射率和活惰比，并將其按照式（1）轉換成相應的類強度指數集合。

3.1 兩種標準型煤的類強度指數

XM1 與XM2 的類強度指數見圖3。

圖3 XM1 與XM2 的類強度指數

由圖3 可知，XM1 與XM2 的類強度指數都是從初始鏡質組反射率0.3%連續到終止鏡質組反射率2.1%，說明型煤配煤的蘭炭是從長焰煤低溫干餾提質精煉而成。同時，這類標準潔凈型煤特別適用于多元線性規劃的矩陣計算配比。通過圖3 比較，可知兩種型煤的類強度指數沒有規律可循，如要原地選材，就要重新進行配比計算。

3.2 配煤計算

從理論上講，只要當參加配煤的原料種類數量n≤m，矩陣就有解，也就是可以計算少于37 種原料的配煤方案。根據焦化廠配煤實際，人為限制參加配煤的原料煤種類數為6，原因如下：（1）一般焦化廠只有6 個配煤的料斗或料坑，一個料斗（料坑）放一種原料；（2）當某種原料的配比小于5%時，在工業規模上是不容易實現的。

現以延安地區的型煤為標準，用2 種長焰煤和4種蘭炭進行配煤計算，在計算中執行歸一化的要求，所得結果列于表2。

表2 首次有歸一限制六元線性規劃結果（配煤比例）

從表2 可以看出，兩種原料（CYM2 和LT3）的配比為負值，說明這兩種原料不適合進入配比計算，必須剔除。仍以延安地區的型煤為標準，再用剩下的長焰煤和3 種蘭炭執行歸一化的要求，重新進行配煤計算，所得結果列于表3。

表3 最終四元有歸一限制線性規劃結果（配煤比例）

將這4 種煤的配合煤命名為合成型煤（HCXM），其與XM1 的類強度指數吻合度如圖4 所示。

圖4 歸一限制下HCXM 與XM1 的類強度指數比較

由圖4 可以看出，由這4 種原料煤可以混配成煤巖指標（顯微組分及含量和變質程度）非常類似于延安地區標準潔凈型煤的型煤，4 個參加配煤原料的確定比例的總和等于1.000，其原因是執行了歸一化的要求。

3.3 歸一化原則的意義

仍以延安地區的型煤為標準，對上述的2 種長焰煤和4 種蘭炭進行配煤計算，在計算中沒有歸一化要求，所得結果列于表4。

表4 首次六元無歸一限制線性規劃結果（配煤比例）

從表4 可以看出，仍是CYM2 和LT3 的配比為負值。仍以延安地區的型煤為標準，再用剩下的長焰煤和3 種蘭炭不執行歸一化的要求，重新進行配煤計算，所得結果列于表5。

比較表3 與表5，說明只要是從相同的型煤標準和配煤原料出發，最終能得到相同的參加配煤的最優原料，但原料比例不同；按歸一化原則進行計算的結果，各組分的比例之和為1.000，而沒有按歸一化原則進行計算的結果，各組分的比例之和卻為0.941。

表5 最終四元無歸一限制線性規劃結果（配煤比例）

無歸一化原則下HCXM 煤與XM1 的類強度指數的比較見圖5。

圖5 無歸一化原則下HCXM 與XM1 的類強度指數比較

由圖5 可知，無歸一化原則下進行配合的合成型煤與標準型煤的煤巖指標偏差遠，其類強度指數與標準型煤吻合度較差。說明歸一化原則在煤巖配潔凈型煤方法中起著至關重要的作用。

4 煤巖配潔凈型煤方法的前景分析

4.1 經濟指標

據有關資料統計[3]，2015 年底，北京市、天津市、河北省、山西太原市共實現清潔化煤（焦）替代散燒原煤 1 850 萬 t （分別為 280 萬 t、210 萬 t、1 220 萬 t、140 萬t），出臺的政府補貼約每噸清潔燃料500 元。因此潔凈型煤要“燒得起”，需要從供應側進行改革。本研究選定的延安地區和榆林地區潔凈型煤生產廠家都面臨難以采購到“高性價比蘭炭”的囧境，因為很難在諸多的蘭炭供應商中選到合適的蘭炭，蘭炭供應還是賣方市場。只有當蘭炭供應成為買方市場，才能對潔凈型煤生產廠家有利，最終對潔凈型煤的用戶有利。

4.2 環保指標

消除霧霾、保衛藍天是將污染物硫留在渣中，而不排放到大氣中。有研究顯示[12]煤泥（洗煤廠的污染物）是有發熱量的固硫劑。如果能將煤泥作為配煤原料之一，將是一舉多得。現以延安地區的型煤為標準，執行兩個限制條件：歸一化和煤泥添加質量分數5%，3 種蘭炭、2 種長焰煤和煤泥的六元線性規劃計算結果列于表6。

按照配比不能為負值的常識，再次執行歸一化要求，重新進行配煤計算，結果列于表7。

表6 首次六元有歸一及煤泥限制線性規劃結果（配煤比例）

表7 最終五元有歸一及煤泥限制線性規劃結果（配煤比例）

將表7 中的5 種原料配合后的HCXM 與XM1 的煤巖指標進行對比，在有歸一化和含煤泥限制下的兩種型煤的類強度指數比較如圖6 所示。由圖6 可知，固定配入質量分數5%的煤泥，其配合煤的類強度指數和標準型煤的類強度指數吻合度較高。型煤企業既可節約原料成本，又可提高環保效率。

圖6 有歸一化和含煤泥限制下HCXM 與XM1 的類強度指數比較

4.3 限制條件及應用

煤巖配煤主要是利用了參配蘭炭和長焰煤的顯微組分及含量和變質程度與標準型煤的相似性原理。因為潔凈燃料的工業指標全部是可加和的指標，所以多元線性規劃求解可以利用前期的限制性條件來固定蘭炭或長焰煤的種類，以使所配的潔凈型煤滿足工業指標要求。配煤計算完成后，還可以利用各項工業指標可加和的特征加以檢驗。

5 結 論

5.1 煤巖配煤是將半階分鏡質組反射率分布通過方程轉換成類強度指數PSI 集合，以標準型煤的PSI 為目標，求解參配煤的比例。測定所有的樣品鏡質組反射率后制定類強度指數集合，采用MATLAB 對多元線性規劃矩陣進行計算。

5.2 可以利用解多元線性規劃的矩陣中的限制條件（歸一化、加入煤泥、某個特定的原料含量等），使所配的潔凈型煤滿足指標要求。在計算過程中，有的參配煤不適合配入，需要剔除。

5.3 使用歸一化原則得到的配合煤與標準型煤的煤巖指標吻合度較無歸一化原則時高。在加入特定含量的煤種時，煤巖配煤方法同樣可以實現科學配煤，且最后得到的配合煤煤巖指標與標準型煤的吻合度非常高。