贵州省普安县开泰煤矿煤中硫的分布特征研究

杨 瑞 琴

(贵州省煤田地质局一七四队，贵州 贵阳 550008)

0 引 言

煤中硫是有害元素之一，供动力、气化或炼焦使用时均会带来较大的危害[1，2]。高硫煤用作动力燃料时会严重腐蚀锅炉管道，燃烧后产生的SOx气体还会污染空气，不仅降低作物产量且严重危害人体健康，因此，如何降低煤中硫含量已成为目前用煤过程中亟待解决的问题[3]。

国内许多学者对高硫煤进行了研究和分析。胡军等[4，5]研究指出，以有机硫为主的煤样在煤炭脱硫过程中脱除效果较差。曹志德等[6-11]研究表明，煤中形态硫以黄铁矿硫为主，随着硫含量的增高，黄铁矿硫的比例增大，有机硫的比例降低；反之比例增大。赵福平[12]研究得到，煤中St,d与Sp,d成正相关关系；杨剑波[13]研究指明，煤炭洗选是我国洁净煤的源头技术，煤炭通过先进的物理选煤技术可脱除黄铁矿硫60%～80%，洗选煤是降低煤烟尘和SO2、NOx直接有效的洁净技术；高弟等[14，15]研究表明，当St,d<0.9%时，脱硫率为负值，即通过洗选后煤中硫分不仅没有降低却反而有较大幅度的升高。

目前为止，学者们对煤中硫分布特征和洗选脱硫的研究较多，而对动力配煤[16]降硫措施的研究较少。文中除了对开泰煤矿煤中硫分布特征和洗选脱硫技术进行简单阐述，还初步探讨了动力配煤降硫措施，以期对今后煤炭开采利用的可行性、经济性以及对国家环保政策的响应均可提供参考和借鉴作用。

1 研究区位置和含煤地层地质概况

研究区位于贵州省六盘水普安县南部，普(安)—兴(义)公路从矿区中部穿过，距普安县城约60 km，距兴义市约50 km。距南昆铁路清水河站约15 km，矿区面积约4 km2，交通较为方便。

开泰煤矿区域地质图如图1所示。

图1 开泰煤矿区域地质图Fig.1 Regional geological map of Kaitai coal mine

构造上位于扬子准地台(Ⅰ级)黔北台隆(Ⅱ级)六盘水断陷(Ⅲ级)普安旋扭构造变形区黔西南涡轮构造(Ⅳ级)的泥堡背斜南西翼南端，单斜构造，矿区内地层略有起伏，地层倾向约350°，倾角为12°～21°，一般15°。矿区内无落差较大断层，巷道仅揭露次一级小褶皱和落差较小断层，矿区总体构造复杂程度为中等类型。至2016年9月30日，矿权范围(准采标高+1 700 m～+1 000 m)内总保有资源总量3 758万t。

矿区内出露地层从老到新有龙潭组(P3l)、长兴组(P3c)、三叠系下统飞仙关组(T1f)及第四系(Q)，上二叠统龙潭组为井田主要含煤地层。

上二叠统龙潭组出露于矿区内南东部及边界外，为1套海陆交互相、多旋回沉积组成的含煤岩系，主要由浅灰色、灰色、深灰色的薄至中层状细砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、泥岩、炭质泥岩、灰岩、泥灰岩及煤层组成，底部为灰白色铝土质泥岩。厚度为193.53 m～235.34m，平均厚度为211.53m，与上覆二叠系上统长兴组地层呈整合接触。

矿区内主要含煤地层龙潭组厚度平均厚度211.53 m，含煤一般10～23层，全区含可采及大部可采煤层5层:17号、18号、19号、23号、26号。其中，全区可采煤层17号一层，大部可采煤层18号、19号、26号共3层，局部可采煤层23号此1层。可采总厚度4.28 m～14.11 m，平均厚度12.09 m，可采含煤系数为5.72%。

2 煤中硫的特征

按照(87)煤地字第656号《煤炭资源勘探采取规程》标准，此次研究共采集煤质化验各类试验样83件，经云南省煤炭产品质量监督检验站进行化验，严格按照勘查设计要求进行项目的化验、测试。化验数据进行抽样密检，未出现超差现象，化验资料合格。

2.1 可采煤层硫分质量分级

矿区各可采煤层硫元素特征、降硫率及质量分级统计见表1。

从表1数据可知，原煤干燥基全硫含量为0.81%～5.22%，平均值为2.91%。浮煤干燥基全硫含量为0.71%～3.49%，平均值为1.41%。矿区17号煤层为中硫煤，18号和19号煤层均为中高硫煤，23号和26号煤层均为高硫煤。全区降硫率平均值为54.64%，其中17号煤层为中等脱硫煤，18号、19号、23号和26号煤均为较易脱硫煤。

表1 矿区各可采煤层硫分特征、降硫率及分级统计表
Table 1 Statistical table of sulfur content characteristics,sulfur reduction rate and classification for each minable coal seam

煤层号1718192326全区原煤St,d/%0.81～2.901.86(21)1.23～5.122.72(21)1.33～4.992.93(22)3.15～5.224.22(7)3.52～4.944.23(12)0.81～5.222.91(83)浮煤St,d/%0.71～1.490.97(21)0.74～2.091.14(22)0.80～2.121.27(23)1.49～3.492.02(12)1.38～2.872.10(16)0.71～3.491.41(94)降硫率/%47.8558.0956.6652.1350.3554.64质量分级(原煤)中硫中高硫中高硫高硫高硫-

2.2 可采煤层形态硫分析

全区原煤全硫大于1.00%的形态硫试样共71件，原煤、浮煤的形态硫化验结果汇总分别见表2、表3。

表2 原煤形态硫化验结果汇总表
Table 2 Summary of test results of form sulfur in raw coal

煤层1718192326全区St,d/%1.943.373.735.784.633.68Sp,d/%1.322.853.015.053.552.95Ss,d/%0.020.030.050.090.070.05So,d/%0.600.480.670.641.020.69化验件数/件16151781571

表3 浮煤形态硫化验结果汇总表
Table 3 Summary of test results of form sulfur for floating coal

煤层1718192326全区St,d/%1.061.311.021.882.111.49Sp,d/%0.290.570.320.890.680.52Ss,d/%0.000.010.000.010.010.01So,d/%0.770.730.890.981.430.97化验件数/件10111371252

由于煤中硫的存在形态通常分为有机硫和无机硫，无机硫包括硫酸盐硫和硫化铁硫2种，因此煤中硫主要以硫酸盐硫、硫化铁硫和有机硫3种形态存在。硫酸盐主要是石膏，新鲜煤中硫酸盐硫含量较低，氧化煤中含量较高，因此硫酸盐硫含量的增加通常用作确定煤是否被氧化的标志。

硫化铁硫主要以黄铁矿的形态存在。黄铁矿硫含量高的煤，一般易于洗选和脱除，而高有机硫的煤则难以去除，有时反而富集。因此为了评价煤的质量，不仅需要知道煤中总硫含量，还需知道各种形态硫的含量。对全硫<0.50%的原煤，煤中硫分主要是有机硫，即此种煤中的硫主要来自原始成煤植物且多存在于年轻煤中。洗选后，矿物质的减少，有机质含量的相对增加，浮煤硫分有时略高于原煤硫分，若含量减少，则减少值很小。

由上可知，在化验原煤形态硫的71件样品中，全硫(St,d)含量平均为3.68%，硫化铁硫(Sp,d)含量为2.95%，硫酸盐硫(Ss,d)含量为0.05%，有机硫(So,d)含量为0.69%。原煤中的硫主要是以无机硫化铁硫的形态存在，占总硫分的80.16%；硫酸盐硫占总硫分的1.36%；有机硫占总硫分的18.48%；在化验浮煤形态硫的52件样品中，浮煤有机硫相对原煤有所增高，平均值为0.97%，浮煤硫化铁硫和硫酸盐硫明显降低，平均为0.52%和0.01%，表明无机硫经过洗选后一般均有降低。矿区井田除17号煤外，其它4层煤的硫分含量较高，通过洗选很难脱除煤中有机硫，可通过动力配煤等方式以利于高硫煤的利用。

3 煤中硫分布特征

3.1 垂向分布特征

煤层原煤、浮煤含量平均值垂向变化如图2所示。原煤的整体变化趋势为自下而上逐渐减少，26号和23号煤为高硫煤，至19号和18号煤层为中高硫煤，最后17号煤层降为中硫煤。经洗选后的浮煤垂向变化规律与原煤相同，变化幅度较大，规律明显。

图2 各可采煤层中硫分含量垂向分布图Fig.2 Vertical distribution of sulfur content in each minable coal seam

3.2 平面分布特征

在平面上，17号、18号和19号煤层含硫量由低到高总体分布均呈现NE向条带状分布，即均为由南西部的中硫煤、中高硫煤向北东方向的高硫煤过渡，其中，19号煤中硫煤南西部有条带状的中高硫煤分布。23号和26号煤所有点均分布为高硫煤。

(1)17号煤层。原煤硫分为0.81%～2.90%，平均含量为1.86%，属中硫煤(MHS)。矿区内中硫煤、中高硫均有分布，中高硫煤主要分布在矿区西部及中部及东部边缘区域，硫分含量为2.01 %～2.92 %，平均含量为2.37%，西部成零星点状分布，中部呈环状、半圆状分布，至西部矿区边界呈中断状态。其余地区均分布为中硫煤。整个矿区范围内，中硫煤所占矿区面积较大，主要由中硫煤组成，中高硫煤区所占矿区面积较小。

(2)18号硫分含量为1.23%～5.12%，平均值为2.72%，属中高硫煤(MHS)。硫分在此煤层平面上分布呈明显规律性，由南西方向向北东方向，依次为中硫、中高硫和高硫煤等，并呈扇贝状、弧形状、带状、凸状分布，其中矿区西部边缘零星分布有中硫和高硫煤。“中高硫煤带”和“高硫煤带”所占矿区面积较大，“中硫煤带”所占矿区面积较小。

(3)19号硫分含量为1.33%～4.99%，平均值为2.93%，属中高硫煤(MHS)。矿区内分布有中硫煤、中高硫煤及高硫煤。从矿区西部至东部，硫分在此煤层平面上分布也呈明显规律性，由矿区南西部向北东部呈带状、弧状、凸状展现为高硫煤带、中高硫煤带、中硫煤带、中高硫煤带和高硫煤带，其中整个“硫带”的核心是高硫煤带，由钻孔1001的1个点组成，在整个矿区边缘东部，由201孔单独零星组成中高硫煤带，由此可见，“中高硫煤”总共分别组成3个带，且与“其他带”交替出现。“低硫煤带”所占矿区面积较小，“中高硫带”和“高硫带”所占矿区面积较大。

(4)23号硫分含量为3.15%～5.22%，平均值为4.22%，属高硫煤(HS)。矿区内所有采样点均分布为高硫煤。

(5)26号硫分含量为3.52%～4.94%，平均值为4.23%，属高硫煤(HS)。矿区内所有采样点均分布为高硫煤。

4 动力配煤

开泰矿区硫分含量偏高，除了洗选脱硫外，还可采用动力配煤方式降低煤中硫。

为了降低配煤成本，可采用该矿的1种高硫煤与另一低硫煤相配，并按高、低硫分煤的质量不同，根据用户的需求，配制出不同硫分的动力配煤，兹以人工配煤举例计算。

如采用甲矿的中高硫煤，硫分为2.50%；乙矿的低硫煤，硫分为0.59%。现要求配制出硫分1.00%以下的动力配煤，则按如下程序确定配比。若总配煤比为1，甲矿煤的配比为x，则乙矿煤的配比应为1-x。根据配煤硫分不超过1.00%的要求，可按下列方程求出x:2.50x+0.59(1-x)≤1.00,解方程得x=0.214 7，1-x=0.785 3，即甲矿煤和乙矿煤的配比分别为21.47%和78.53%时，配煤硫分即可不超过1.00%。有时为了便于配煤操作，可采用甲矿煤的配比为21%、乙矿煤的配比为79%的方案，此时配煤的硫分为:2.50%×21%+0.59%×79%=0.99%，即此种动力配煤的硫分含量为0.99%。

同理，还可计算出配煤的挥发分和发热量。该种配煤方式既可降低煤中硫含量，又有利于煤的完全燃烧和节约资源。

另外，全硫含量较高且有机硫含量也较高的特高硫煤，产量大，只采用与低硫煤相配的方法显然无法使配煤的硫分达到1%以下，此时可在配煤的同时添加固硫剂，最大限度地将燃烧后的SO2气体固定在灰渣中。使用动力配煤并加固硫剂的方法导致其经济成本过高，无法普遍适用。所以，对特高硫煤矿区来说，建议适当限产。

5 结 论

(1)研究区位于贵州省六盘水普安县南部，面积约4 km2，交通较为方便。

(2)构造上位于扬子准地台(Ⅰ级)黔北台隆(Ⅱ级)六盘水断陷(Ⅲ级)普安旋扭构造变形区黔西南涡轮构造(Ⅳ级)的泥堡背斜南西翼南端，单斜构造，矿区总体构造复杂程度为中等类型。

(3)至2016年9月30日，矿权范围(准采标高+1 700 m～+1 000 m)内总保有资源量总量3 758万t。

(4)上二叠统龙潭组为1套海陆交互相、多旋回沉积组成的含煤岩系，主要由浅灰色、灰色、深灰色的薄至中层状细砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、泥岩、炭质泥岩、灰岩、泥灰岩及煤层组成，底部为灰白色铝土质泥岩。

(5)矿区内主要含煤地层龙潭组，厚度一般为211.53 m，全区可采及大部可采煤层包括17 号、18号、19号、23号、26号共5层，其中全区可采煤层17号，大部可采煤层18号、19号和26号3层，局部可采煤层23号。可采总厚度4.28 m～14.11 m，平均厚度为12.09 m，可采含煤系数5.72%。

(6)开泰煤矿以高硫煤为主，其中17号煤为中硫煤，18号和19号煤层为中高硫煤，23号和26号煤层为高硫煤。

(7)17号、18号和19号中硫的分布均展现出一定的规律性，且每个煤层硫分所展现出的规律性各不相同，如17号煤层硫分呈环状、半圆状；18号煤层硫分呈扇贝状、弧形状、带状、凸状分布；19号煤层硫分呈带状、弧状、凸状分布，且形状中部还分布有1个“核心带”—中高硫煤带。矿区主要可采煤层硫分此种规律性的分布特征，说明矿区硫分含量及分布与成煤环境有关。

(8)洗选脱硫和动力配煤能对煤起到降硫作用，但规模降硫时，其相应的经济成本过高，还需进一步研究煤中降硫切实可行的措施。