江苏徐州九里山煤田洁净煤等级划分
2016-07-19张传凤赵文胜朱建南胡福培
张传凤， 赵文胜， 朱建南， 胡福培
(1.江苏长江地质勘查院,江苏南京210046； 2.江苏省地质矿产局第五地质大队，江苏徐州221000； 3.江苏省地质调查研究院，江苏南京210018)
江苏徐州九里山煤田洁净煤等级划分
张传凤1， 赵文胜2， 朱建南3， 胡福培3
(1.江苏长江地质勘查院,江苏南京210046； 2.江苏省地质矿产局第五地质大队，江苏徐州221000； 3.江苏省地质调查研究院，江苏南京210018)
摘要：利用九里山煤田的工业、元素及工艺性质等煤质数据，分析各指标的变化规律。在此基础上，以灰分、硫分及有害元素为指标，对该区进行洁净煤等级5级划分。结果显示：下石盒子组原煤洁净等级为Ⅱ—Ⅲ级，属好—较好的洁净煤，浮煤等级洁净等级为Ⅰ—Ⅱ级，属特好—好的洁净煤；山西组原煤洁净等级为Ⅰ—Ⅲ级，属特好—较好的洁净煤，浮煤等级洁净等级为Ⅰ—Ⅲ级，属特好—较好的洁净煤。经洗选后，洁净等级一般有所提高，除西部外，整体上山西组煤炭洁净等级提高程度优于下石盒子组。
关键词：洁净等级；洁净煤；煤质特征；九里山煤田；江苏徐州
0引言
环境污染给我国的环境、人体健康乃至经济发展造成了不可忽视的负面影响。大气污染和水污染的原因众多，但以燃煤为代表的传统能源无疑是主要因素。现阶段,煤炭在我国能源消费中发挥着不可替代的作用，以燃煤为主体的能源消费状况短期内难以根本转变。
我国的洁净煤技术经“八五”、“九五”期间的初步发展，在煤炭加工、循环硫化床锅炉、燃煤烟气净化、煤炭液化、整体煤气化联合循环发电、烟气脱硫等方面的技术已取得显著进展(朱书全等，2004)。从技术发展方向看，洁净煤技术有2种主要途径，即初始控制(煤炭洗选)与末端控制(终端用户除尘、除硫)。因此，对煤质进行清洁性评价，对未来建设矿井及合理加工利用煤炭资源、保护环境、在保证经济效益的同时提高社会效益具有重要意义。
1研究区概况
徐州九里山煤田是江苏重要煤产地。主要含煤层段为上石炭统太原组、下二叠统山西组、下石盒子组。主采煤层为下石盒子组的1、2、3煤层，煤层总厚1.40～4.00m,平均2.71m,其中主采煤层1、3煤层结构复杂，为不稳定型煤层，局部可采；2煤层普遍发育，全区可采。山西组7、9煤层， 主采煤层7煤层一般厚1.19～5.00m,平均厚2.70m，全区可采；9煤层一般厚1.00～2.00m，个别点厚度在3.00m以上，局部可采。太原组普遍发育20、21煤层，厚度数十厘米至2.00m不等，平均厚度<1.00m,零星可采，由于硫分高，煤质差，历史上仅少数小煤矿曾开采过，样本缺乏代表性，本次不做评价。
2煤质特征
区内煤类较多，太原组以气煤、肥煤为主，有部分气肥煤、焦煤和无烟煤；山西组主要以气煤为主，有部分为1/3焦煤和肥煤；下石盒子组以气煤为主，部分为1/3焦煤和气肥煤。
2.1工业分析
2.1.1水分下石盒子组原煤水分质量分数平均1.75%，山西组煤原煤水分质量分数平均为1.76%，均为低水分煤。
2.1.2灰分产率下石盒子组原煤灰分产率为11.72%～30.41%，平均23.27%。研究区中南部原煤灰分产率较低，其余则较高，洗选后浮煤灰分产率平均8.26%，中部灰分产率下降较小，周边经洗选后灰分产率则有较大幅度的下降(图1)。山西组原煤灰分产率为4.10%～30.79%，平均15.25%，灰分产率有自北向南逐渐降低的趋势；浮煤灰分产率平均6.57%，洗选后灰分产率均有较大幅度的下降(图2)。分煤层统计原煤平均灰分产率基本呈自上而下依次下降的规律，即山西组洁净程度优于下石盒子组，经洗选后灰分产率均大幅度下降(表1)。
图1 下石盒子组煤中灰分等值线图Fig.1 Contours of ash content in the Lower Shihezi Formation coal
图2 山西组煤中灰分等值线图Fig.2 Contours of ash content in the Shanxi Formation coal
煤层编号原煤/%浮煤/%1号24.528.472号23.168.553号22.558.147号20.647.678号9.979号11.735.51
2.1.3挥发分及煤化程度以镜质组为主的煤中，挥发分随煤变质程度的升高而降低，能大致代表煤的变质程度(陈家良等，2004)，因此,国标的煤类方案都以挥发分作为第一指标。下石盒子组煤的挥发分为27.82%～38.10%,平均35.73%，具有由西向东北方向和东南方向逐渐减小的趋势。山西组煤的挥发分为5.89%～44.37%,平均34.93%，具有东部和中间高、南部和北部底的特点。同一矿井同一煤组各煤层挥发分一般具有自上而下降低的趋势，规律性较明显。区内部分矿区进行了Rmax测试，结果显示，质量分数一般在0.74%～1.21%之间(MT/T1158—2011；孟运平等，2012)，属于中煤级煤Ⅱ—Ⅳ级，能够间接验证煤岩煤化程度。
2.2元素分析
2.2.1C、H、O、N不同煤类成煤植物及煤化程度不同，元素组成与特性也有所差异。据研究区各煤层的元素分析，下石盒子组煤各组分的质量分数w(C)为83.56%～86.12%，平均84.48%；w(H)为5.44%～5.75%，平均5.58%；w(N)为1.05%～1.50%，平均1.22%；w(O+S)为7.27%～7.49%，平均7.42%。山西组煤各组分的质量分数为w(C)为51.32%～88.97%，平均84.52%；w(H)为4.86%～6.38%，平均5.54%；w(N)质量分数为0.67%～1.64%，平均1.38%；w(O+S)为4.41%～11.48%，平均7.49%。区内C、H、N质量分数随埋深变化不明显，而O质量分数在同一矿井一般具有随埋藏深度增加而减少的明显趋势，即具有O质量分数随煤变质程度增加而降低的规律。
2.2.2S下石盒子组原煤全硫质量分数为0.34%～1.17%,平均0.66%，自北向南硫分依次降低；洗选后全硫质量分数为0.25%～1.04%,平均0.60%，北部马坡矿硫分下降较大，除中部部分矿井外，其余区域下降不明显(图3)。山西组原煤全硫质量分数为0.39%～2.62%,平均0.84%，整体呈东西两边高、北部和中间低的规律；洗选后全硫质量分数为0.34%～1.48%,平均0.71%，西部硫分含量变化不大，其余则有所降低，特别是中部，可达到特低硫分煤，整体洗选效果稍好于下石盒子组(图4)。
图3 下石盒子组煤中硫分等值线图Fig.3 Contours of sulfur content in the Lower Shihezi Formation coal
2.2.3有害元素煤的有害物质主要有P、As、F、Cl、Hg、Pb；其次为微量稀散元素，主要为Ge、Ga、U、
图4 山西组煤中硫分等值线图Fig.4 Contours of sulfur content in the Shanxi Formation coal
Th等。区内煤层主要原煤w(P)<0.01%,为特低磷、下石盒子组、山西组煤为特低—低氯煤，主要为特低氯煤，有害元素均较低,As含量为一级含砷煤，山西组优于下石盒子组煤(表2)，徐州矿区共有9个样品分析了Hg元素，含量为0.022～0.30μg/g,平均0.18μg/g；共4个样品分析了Pb元素，含量为2.30～50.6μg/g,平均17.8μg/g(任德贻等，2006)。
表2 九里山煤田有害元素统计
2.3工艺性质
2.3.1发热量发热量是煤质分析及煤炭分类的重要指标，是动力煤计价的重要依据。下石盒子组煤发热量为22.13～33.44MJ/kg，平均26.99MJ/kg；山西组煤发热量为19.90～33.08MJ/kg，平均28.90MJ/kg。发热量与灰分关系密切，灰分高则发热量低，统计并拟合研究区各煤层的105个样本灰分与发热量关系，相关系数为-0.733 7,为显著的线性负相关(图5)。
图5 发热量与灰分的关系Fig.5 Relationship of calorific value with ash content
2.3.2黏结性与结焦性胶质层厚度是烟煤分类的重要指标。下石盒子组气煤平均厚度11.70mm,1/3焦煤平均厚度15.00mm；山西组气煤平均厚度为12.50mm,焦煤平均厚度为12.00mm，胶质层厚度随埋深增加而增大，变化规律较明显。下石盒子组气煤黏结指数平均为74.80，1/3焦煤平均为73.50;山西组气煤平均厚度为79.50mm，焦煤平均厚度为77.00mm，基本上随埋深增加而增大。各煤层奥亚膨胀度一般小于150%,无明显变化规律。
2.3.3煤中灰成分、煤灰熔融性与结渣性不同的灰成分，对煤气化过程和燃烧过程有不同影响。煤灰成分对炼焦煤性质的影响实际上与沉积环境的影响密不可分。焦煤的焦炭热反应活性强，不仅与煤灰中碱性元素含量高有关，更主要是由于其沉积环境所造成(白向飞等，2013)。成煤环境以及原始成煤期间带入成煤植物中的物质来源不同，造成煤灰成分不同，但成煤环境可能起主要作用。如海陆交互相环境形成的煤灰成分具有较高的F2O3，酸性物质Al2O3、SiO2含量则较低，因此煤的软化温度较低；而陆相沉积成煤的煤灰成分中含中酸性物质Al2O3、SiO2较高，碱性物质Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O含量则较低，因此煤的软化温度较高。研究区内山西组为海陆相向陆相转化，下石盒子组为陆相沉积环境(孟运平等，2010)。山西组煤为中等—较高软化温度，下石盒子组煤为中等—高软化温度，软化温度变化趋势总体上与沉积环境相符。区内煤炭结渣指数RH(碱酸比与硅铝比的乘积)：下石盒子组煤为0.34，山西组煤为0.58， 0.3
3煤的洁净等级划分
3.1标准与方法
考虑到可操作性和普遍适用性，研究区煤质等级划分方案参照GB/T15224—2010之灰分、硫分、发热量的5级划分限值，其他元素限值参照《矿产工业要求手册》(邵厥年等，2014)(表3)。由于在勘查过程中对Hg和Pb元素的分析样本较少，不具有代表性，本次评价不作为指标。需要指出的是，该区一般为特低—中汞煤，但部分煤层为高铅煤，应该在以后的工作中引起足够重视。其他有害元素含量(表2)均低于《矿产工业要求手册》洁净等级一级的含量限值。因此，只按照灰分和硫分划分煤的洁净等级。当灰分和硫分不一致时，以综合评价等级差者为准。
表3 煤的洁净等级划分方案
3.2划分结果
图6 下石盒子组煤层洁净等级图Fig.6 Ranking of cleanliness ofthe Lower Shihezi Formation coal
下石盒子组原煤洁净等级为Ⅱ—Ⅲ级，Ⅱ级洁净煤主要集中在中南部区域，其余则全部为Ⅲ级，属好—较好的洁净煤；经洗选后综合洁净程度有较大的提高，等级在Ⅰ—Ⅱ级范围内，属特好—好的洁净煤，以Ⅱ级为主，南部小范围内可达到Ⅰ级(图6)。从图中可以看出下石盒子组煤经洗选后可以大幅度提高整体洁净程度，山西组原煤洁净等级为Ⅰ—Ⅲ级，总体以Ⅱ级为主，属特好—较好的洁净煤，呈北部、西部和东南部洁净程度较差、中部洁净程度较好的分布规律；经洗选后浮煤洁净等级在Ⅰ—Ⅲ级范围内，以Ⅰ—Ⅱ级为主，属特好—较好的洁净煤，与原煤对比，山西组煤经洗选后，西部效果较差一些，中部洁净等级则有较大幅度提高(图7)。
图7 山西组煤层洁净等级图Fig.7 Ranking of cleanliness of the Shanxi Formation coal
4结论
(1) 下石盒子组原煤洁净等级为Ⅱ—Ⅲ级，属好—较好的洁净煤；浮煤洁净等级为Ⅰ—Ⅱ级，属特好—好的洁净煤。
(2) 山西组原煤洁净等级为Ⅰ—Ⅲ级，属特好—较好的洁净煤；浮煤洁净等级为Ⅰ—Ⅲ级，属特好—较好的洁净煤。
(3) 经洗选后，洁净等级有所提高，除西部外，山西组煤炭洁净等级提高程度优于下石盒子组煤。
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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；编辑：蒋艳
基金项目：国土资源部全国矿产资源利用现状调查专项“江苏省矿产资源利用现状调查”(1212010785001)
作者简介：张传凤(1975—)，男，高级工程师，硕士，主要从事煤田地质勘查与研究工作,E-mail: Zhangcf7506@163.com
中图分类号：P618.11； TQ533
文献标识码：A
文章编号：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
