水城礦區煤質特征及清潔高效利用分析

湛傳駿，鄧 雷，靖劍中，徐貴華

（1.貴州省煤炭產品質量監督檢驗院，貴州 六盤水 553000；2.國家煤炭清潔轉化產品質檢中心，貴州 六盤水 553000）

0 引 言

我國能源礦產資源表現為煤多、少油氣，這就決定了煤炭在我國潔凈高效利用的主體地位，與石油和天然氣相比，我國煤炭的資源儲量相當豐富，占世界資源儲量的15%左右，目前是世界第一產煤大國。喬德武認為未來可再生能源使用量及占比將逐漸提升，全球向清潔能源逐步轉型[1-4]。六盤水素有西南煤都的稱號，因煤而建、因煤而興，是長江以南最大的主焦煤基地、國家實施西電東送西部大開發戰略的主戰場之一。資料顯示[5]，六盤水的煤炭資源具有儲量大、煤種全、品質優等特點，全市現有煤礦192處，年產能1.16億t，電力裝機容量1 204.24萬kW，其中水城礦區現有煤礦38處，年產能1 608萬t，占六盤水13.9%，基于該種原因，研究水城礦區煤巖煤質特征對于六盤水煤炭分質分級利用具有重要的意義。

1 樣品采集

此次研究選取30萬t/a規模及以上在生產煤礦，共計34家，采樣到礦到層，標準采樣，標碼明確，分析方法按國家標準執行，保證量值可溯源性。此次試驗共采集樣品38批次，根據各礦井煤層的全水分、水分、灰分、揮發分、固定碳、氫含量、發熱量、可磨性指數、鏡質體反射率、煤灰熔融性、粘結指數、膠質層、全硫、氟、氯、汞、砷、磷及煤灰中鉀、鈉、鐵、鋁、硅、鈣、硫、磷、鈦、鎂等28個技術指標進行分析。

2 煤巖特征

鏡質組最大反射率介于0.812%~1.758%，平均值為1.29%，屬于中煤級煤，油浸液下煤的顯微組分如圖1所示。鏡質體反射率直接反應了煤化程度，其反射率與煤化程度呈現出正相關系，反射率越高煤化程度越強，根據我國目前的研究來看，Romax/%＜0.65宜直接液化用原料煤，因此水城礦區煤不適用于直接液化用煤[6-7]。

鏡質組反射率變化與煤分類之間有良好的相關性，二者之間存在著必然的聯系，根據相關研究表明[8]（表1），水城礦區煤種主要為1/3焦煤、焦煤、肥煤和瘦煤，此類煤種適合于煉焦（圖1），并有優缺點互補的特性。

表1 鏡質組平均最大反射率與煤分類之間的關系Table 1 Relationship between average maximum vitrinite reflectance and coal classification

3 煤質特性

3.1 工業分析

（1）灰分（Ad）。

水城礦區灰分主要介于5.06%～50.09%，平均值為22.14%，變化差異較大，主要為低灰煤—中灰煤（圖2a）。根據相關技術條件顯示[9-10]，適用于常壓固定床氣化和流化床氣化原料用煤，級別為Ⅲ級。

（2）揮發分（Vdaf）。

水城礦區揮發分主要介于13.73%～30.66%，平均值為20.18%，主要為，低揮發分煤—中等揮發分煤（圖2b）。煤揮發分的高低直接影響到煤質變化程度，揮發分越高煤演化程度越輕，煤的橋鍵數目越多，越易于直接液化，按照直接液化用原料煤技術條件，該礦區煤不宜用于直接液化。

3.2 元素分析

（1）全硫（Sd）。

水城礦區全硫主要介于0.2 %~3.89 %，平均值為1.49%，全硫含量變化較大，主要為特低硫煤—低硫煤—中硫煤（圖2c）。主要適用于常壓固定床氣化、流化床床氣化、氣流床用原料、冶金焦。

（2）氫碳原子比（H/C）。

水城礦區主要介于0.55~0.76，平均值為0.63，碳氫原子比較為集中。碳氫原子比反映了煤炭轉化和油產率的相關性，碳氫原子比越高，煤炭轉化率和油產率越高，按照《直接液化用原料技術條件》，適用直接液化的碳氫原子比＞0.75。

3.3 工藝性能

（1）發熱量（Qgr,d）。

水城礦區發熱量主要介于21 450～32 702 J/g，平均值為27 489 J/g，主要為特高發熱量煤—高發熱量煤—中高發熱量煤（圖2d）。

（2）膠質層（Y）。

有17批次樣品未檢測出膠質層厚度，有21批次樣品檢測出，厚度主要介于7.8~22.9 mm，平局值為16.3 mm。測定膠質層指數的過程是工業模擬煉焦的過程，水城礦區的煤炭不能直接用于煉焦。

（3）粘結指數（GR.I）。

有24批次樣品未檢測出粘結性，有14批次樣品檢測出，粘結性介于1.4~78.4，平均值為48.4，主要為，無黏結煤—微黏結煤—弱黏結煤—中黏結煤（圖2e）。適用于常壓固定床氣化和流化床氣化用煤原料，擔不能直接用于煉焦。（4）煤灰熔融性。

流動溫度（ST），有9批次檢測大于1 500℃，其他29批次介于1 109℃～1 463℃，平均值為1 288℃，主要為較低軟化溫度灰—中等軟化溫度—較高軟化溫度灰—高軟化溫度灰（圖2f）；流動溫度（FT）有9批次檢測大于1 500℃，其他29批次介于1 201℃～1 468℃，平均值為1 337℃，主要為較低流動溫度灰—中等流動溫度灰—較高流動溫度灰—高流動溫度灰（圖2g）。適用于常壓固定床氣化、流化床床氣化用煤原料，流動溫度高易于固體排渣。

3.4 危害元素

（1）氟、氯（F、CL）。

氟含量介于27~256μg/g，平均值為72μg/g，主要為特低氟煤（圖2h）；氯含量介于0.005%~0.03%，平均值為0.011%，主要為特低氯煤。

（2）汞、砷、磷（Hg、As、Pb）。汞含量介于0.09~0.34μg/g，平均值為0.12μg/g，主要為特低汞煤—低汞煤（圖2i）；砷含量有6批次樣品未檢出，其他32批次含量介于1.0~14.0μg/g，平均值為5 μg/g，主要為：特低砷煤—低砷煤（圖2j）；磷含量介于0.003 %~0.039 %，平均值為0.013%，主要為特低磷煤—低磷煤（圖2k）。

圖2 水城礦區煤質指標頻率直方圖Fig.2 Frequency histogram of coal quality index in Shuicheng mining area

3.5 煤灰成分

SiO2+AL2O3+Fe2O3：SiO2含 量 介 于42.78%~67.55%，平均為52.93%；AL2O3含量介于8.34%~33.50%，平均為23.00%；Fe2O3含量介于3.34%~24.00%，平均為9.59%；SiO2+AL2O3+Fe2O3＞70%，符合拌制砂漿和混凝土、水泥活性混合材料用粉煤灰技術條件，同時SiO2和AL2O3含量較高，可以提取使用。

4 清潔高效利用方向

4.1 煤化工用煤

參照《煤化工用煤技術導則》《常壓固定床氣化用沒技術條件》《流化床氣化用原料煤技術條件》進行分析得出，水城礦區煤炭普片適用于常壓固定床氣化和流化床氣化原料用煤，在工藝選擇時應優先選擇（表2、表3）。

表2 水城礦區煤質指標與常壓固定床氣化用煤技術評價指標Table 2 Coal quality indexes of Shuicheng mining area and evaluation indexes of atmospheric fixed bed gasification technology

表3 水城礦區煤質指標與流化床氣化用原料煤技術評價指標Table 3 Coal quality indexes in Shuicheng mining area and technical evaluation indexes of raw coal for fluidized bed gasification

4.2 動力用煤

水城礦區毛煤具有優質動力煤的特點，普遍具有低灰、低硫、低氟、低氯、低汞、低磷等優點外，還具有高發熱量的優勢，對于一些中硫以上的毛煤，可以進行適當的參配使用，根據潔凈煤潛勢評價體系，該礦區可作為優質煤[11]。

4.3 稀缺、特殊煤

高可磨性、低灰煤。可以優先用于橡膠、塑料等的填充原料。參照《稀缺、特殊煤炭資源的劃分與利用》的要求，有2家礦井（表4）。特低鐵、低灰分煤。可以優先用作鋅等金屬的還原劑。參照《稀缺、特殊煤炭資源的劃分與利用》的要求，該礦區有1家礦井（表5），這3家礦井可以保護性開采。

表5 水城礦區特低鐵、低灰分煤分析指標Table 5 Analysis indexes of extra-low iron and low ash coal in Shuicheng mining area

表4 水城礦區高可磨性、低灰煤分析指標Table 4 Analysis indexes of high grindability and low ash coal in Shuicheng mining

4.4 粉煤灰的利用

高鋁、高鐵、高硅煤灰。可以優先作為提取鋁等元素的原料煤，根據《用于水泥和混泥土中的粉煤灰》相關技術指標，該礦區SiO2+AL2O3+Fe2O3平局值為85%，完全滿足拌制砂漿和混凝土、水泥活性混合材料用粉煤灰技術條件。

5 結 論

（1）該礦區主要以肥煤、焦煤和瘦煤為主，主要以鏡質組為主，不適用于直接煉焦用，需進行配備相應的煤種。

（2）該礦區呈現出，特低灰煤—低灰煤—中灰煤、特低硫煤—低硫煤—中硫煤、特低氟煤、特低氯煤、特低汞煤、特低砷煤、特低磷煤、特高發熱量煤—高發熱量煤—中高發熱量煤，具有優質動力煤的特點。

（3）根據煤化工用煤技術指標要求，該區域煤礦滿足常壓固定床氣化和流化床氣化原料用煤。

（4）根據此次研究發現該區域沒有存在稀缺煤、特殊煤類的存在。

（5）該區域的粉煤灰表現出SIO2、AL2O3含量高的優勢，同時表現出總鐵含量低，可以進行高附加值的研究利用。