神东矿区商品煤工艺性质研究及其利用途径分析

王 伟

(神东煤炭集团，陕西 榆林 719315)

煤炭是我国的基础和支柱能源[1-2]。2018年煤炭消费总量占能源消费总量的59.0%，煤炭占一次能源消费比例首次低于60%[3]。但煤炭消费总量仍然保持增长趋势，煤炭在今后较长时间内仍将是中国主体能源的定位没有变化[4-5]。但面对环境制约和市场下行压力，煤炭行业的发展必须寻求符合国情的能源转型路径，遵循清洁低碳的发展要求[6-8]。在此背景下，国家《能源发展“十三五”规划》、《煤炭清洁高效利用行业行动计划 (2015—2020 年)》等政策将煤炭清洁高效开发和利用作为能源转型的立足点和首要任务，指明了煤炭行业改革的发展方向是清洁高效利用[9-11]。

国家能源集团作为我国规模最大、现代化程度高的煤炭企业和世界上最大的煤炭供应商，多年来一直在探索如何实现煤炭的清洁高效利用，目前通过煤炭清洁开采、清洁加工、清洁运输、清洁发电、清洁转化，形成了以煤为基础的清洁能源供应体系[12]。神东矿区是国家能源集团的主要原煤生产区域，现有大型现代化安全高产高效矿井13座、选煤厂11座，总产能近2亿t。为了系统了解神东矿区商品煤性质，探索商品煤合理利用途径，改善产品结构，笔者对神东矿区的代表性商品煤进行了系统的理化性质、工艺性质分析，并对商品煤在燃料、原料、材料用煤、焦化用煤、高附加值材料等途径进行了分析。

1 试验样品与测试方法

试验样品来自神东矿区所属的11座选煤厂。在选煤厂生产稳定的情况下，分别对大柳塔厂、保德厂、补连塔厂、榆家梁厂、上湾厂、哈拉沟厂、乌兰木伦厂、石圪台厂、锦界厂、布尔台厂、煤制油厂生产的不同种类的商品煤采样，采样种类共计34种，采样质量约7 t。

采取的各个样品经过晾晒—混匀—称量—缩分—筛分—破碎—制样等一系列程序制备出粒度、质量符合要求的分析样品，进行商品煤各项性质分析(见表1)。按照《煤的工业分析方法》(GB/T 212—2008)对样品进行工业分析[13]；按照《煤中全硫的测定》(GB/T 214—2007)对样品进行S元素含量测定[14]；按照《煤的可磨性指数测定方法-哈德格罗夫法》(GB/T 2565—2014)对样品进行可磨性测定[15]；按照《煤的发热量测定方法》(GB/T 213—2008)对样品进行发热量测定[16]；按照《烟煤黏结指数测定方法》(GB/T 5447—2014)、《烟煤胶质层指数测定方法》(GB/T 479—2000)对样品进行粘结指数和胶质层厚度测定[17-18]；按照《煤的格金低温干馏试验方法》(GB/T 1341—2007)对样品进行低温干馏[19]；按照《煤灰熔融性的测定方法》(GB/T 219—2008)对样品进行灰熔融性测定[20]；按照《煤的显微组分和矿物的测定方法》(GB/T 8899—2013)、《烟煤显微组分分类》(GB/T 15588—2013)对样品进行煤岩组分测定[21-22]。

表1 商品煤性质理化指标分类

2 结果与分析

2.1 神东矿区商品煤性质分析

2.1.1 基本性质分析

(1)灰分等级。神东矿区商品煤灰分分布见图1。

图1 神东矿区商品煤灰分规律

由图1可知，按《煤炭质量分级 第1部分：灰分》(GB/T15224.1-2018)的规定，34个商品煤中特低灰煤22个，占比为65%，低灰煤9个，占比为27%，中灰煤2个，占比为6%，中高灰煤1个，占比为3%。可知神东矿区商品煤灰分普遍较低，中灰、中高灰煤比例不到1/10，主要为混煤产品。

(2)硫元素分析。神东矿区商品煤硫含量分布见图2。

图2 神东矿区商品煤硫含量分布

由图2可知，神东矿区要求商品煤中全硫含量小于0.7%，商品煤中仅有大井混煤略高于0.7%，其他商品煤都在0.7%以下，且多数以特低硫煤(全硫含量小于0.5%)为主，占比为88%。

2.1.2 哈氏可磨性指数

按照煤炭行业标准《煤的哈氏可磨性指数分级》(MT/T 852-2000)规定，对神东矿区商品煤可磨性进行了分级，结果见图3。

由图3可知，神东矿区34种商品煤中，较难磨煤有31种，占比为91%；中等可磨煤仅有3种，占比为9%，具体为补连塔1-2煤混煤、乌兰木伦末精煤、乌兰木伦块精煤。可见神东矿区商品煤绝大多数为较难磨煤，可磨性指数基本在40～65之间，乌兰木伦煤可磨性相对较好。

2.1.3 发热量

根据《煤炭质量分级第3部分：发热量》(GBT 15224.3—2018)规定，对神东矿区商品煤发热量进行了分级，结果见图4。

图4 神东矿区商品煤发热量分布

由图4可知，神东矿区34种商品煤中，特高发热量煤有1种，占比为2%，具体为大柳塔块精煤；高发热量煤有25种，占比为74%；中高发热量煤有6种，占比为18%；中等发热量煤2种，具体为保德北部区混煤，榆家梁4-3煤混煤，占比为6%。可见神东矿区商品煤以高发热量煤为主，是优质、环保的动力煤产品，另外也说明神东矿区洗选效率高，显著提高了产品质量，保证了产品质量的稳定性。

2.1.4 粘结指数和胶质层厚度

根据《烟煤黏结指数分级》(MT/T 596—2008)规定，对神东矿区商品煤粘结指数、胶质层厚度进行了分级。结果发现，神东矿区商品煤中仅有保德北部区混煤具有粘结指数，且都小于10，为微粘结煤，其余粘结指数均为0。粘结指数综合反映了煤样的粘结和结焦性，是评价焦化原料的关键指标，以上分析表明神东矿区煤样绝大多数为无粘结性煤。

神东矿区商品煤胶质层厚度分布情况如下：活鸡兔商品煤、保德商品煤、补连塔1-2和2-2商品煤、榆家梁商品煤共计10种，能产生一定数量的胶质体；其余24种商品煤均无胶质层产生。单从胶质层厚度指标看，神东矿区有少数商品煤具备成为炼焦配煤的可能性，但需要进一步分析研究。

2.1.5 低温干馏

神东矿区商品煤低温干馏测试结果见图5至图7。

图5 神东矿区商品煤半焦产率分布

图6 神东矿区商品煤煤焦油产率分布

图7 神东矿区商品煤焦型

由图5可知，神东矿区有19个商品煤的半焦产率分布在65%～70%之间，占比为56%；15个商品煤的半焦产率分布在70%～90%之间，占比为44%，其中保德北部区混煤和补连塔1-2精煤半焦产率达到80%以上。因此神东矿区商品煤属于良好的半焦生产原料。

由图6可知，神东矿区商品煤煤焦油产率分布基本在10%～20%，乌兰木伦末精煤焦油产率最高，为23.00%，补连塔2-2混煤焦油产率最低，为5.00%。

由图7可知，神东矿区商品煤焦型均为A、B型，各占一半左右，其中A型代表半焦不粘结，接触就碎，B型代表微粘结，一拿就碎。进一步说明了神东矿区商品煤的粘结性、结焦性较差，难以作为传统炼焦原料煤使用，这与粘结指数与胶质层厚度指标的分析结果基本一致。

2.1.6 煤灰熔融性

依据《煤灰熔融性分级》(MT/T 853—2000)的相关规定，对神东矿区商品煤的煤灰软化温度ST和煤灰流动温度FT进行了分级评价，结果见图8和图9。

图8 神东矿区商品煤煤灰软化温度分布

图9 神东矿区商品煤灰分流动温度分布

由图8可知，神东矿区商品煤灰熔融性基本属于较低软化温度，有27种，中等软化温度灰有2种，具体为补连塔1-2精煤和煤制油精煤，高软化温度灰有1种。说明神东矿区商品煤灰熔点较低，适合用于液态排渣的锅炉或气化炉设备。

由图9可知，神东矿区商品煤灰流动温度基本较低，中等流动温度灰分仅有2种，高流动温度灰仅有1种，具体为保德北部区混煤。结合气流床液态排渣国标要求FT不小于(1 100～1 450 ℃)可知，单从煤灰流动温度来看，神东矿区商品煤除保德北部区混煤外，均适宜作为气流床液态排渣的原料。

2.1.7 煤岩组分

神东矿区商品煤煤岩组分测定结果详见图10。

由图10可知，神东矿区34种商品煤中，有机显微组分以镜质组与惰质组为主，含量达到94%以上，壳质组含量极低，基本处于3%以下。镜质组含量基本处于35%～71%之间，大井块煤最低为35.81%，哈拉沟块精煤最高达到70.63%。结合《直接液化用原料煤技术条件》(GB/T 23810—2009)惰质组含量小于45%的要求，可知神东矿区34种商品煤中有17种达到直接液化原料的要求。

2.2 神东矿区商品煤利用方向分析

2.2.1 神东矿区商品煤利用现状

目前神东矿区主要生产动力用煤、制油用煤和炼焦配煤几种产品，见表2。

表2 神东矿区商品煤利用现状

通过表2可以发现，神东矿区商品煤普遍属于特低灰、高发热量的优质动力煤，煤种主要为长焰煤和不粘煤。煤制油选煤厂精煤可作为制油原料用煤；保德原煤为气煤，洗选降灰后适宜用作炼焦配煤，另有少数矿的低灰精煤可作高炉喷吹原料用于炼焦煤行业，可提高煤炭附加值；其他煤炭资源的利用途径以动力煤为主，分别适用于气化、发电等。

按照目前的利用途径，精块煤、特低灰煤以及配焦煤产品的销售价格相比以质计价的动力煤，具有明显的价格优势，因此这几种产品也成为公司的主要效益增长点。

图10 神东矿区商品煤微观显微组分组成分布

2.2.2 燃料用煤

燃料用煤包括发电、建材、气化用煤。燃料用煤国标对煤质的要求整理归纳于表3。根据国标的规定指标，对34种商品煤在燃料方面的利用可行性进行了分析。

(1)适用于发电煤粉锅炉的煤有17种，其他不宜使用的原因主要是灰熔点低，不满足固态排渣的要求。

表3 燃料用煤相关国标对煤质的要求

(2)适用于常压固定床气化的煤有24种，其他不宜使用的原因主要是发热量低、灰分超标、灰熔点低及Y值超标。

(3)适用于水煤浆气流床的有32种，其他不宜使用的原因主要是灰分超标和流动温度高。

(4)适用于干煤粉气流床的煤有32种，其他不宜使用的原因主要是灰分超标和流动温度高。

(5)适用于水泥回转窑的煤有33种，其他不宜使用的原因主要是发热量低、灰分超标。

综合分析可知，神东矿区商品煤均可作为燃料利用，尤其适用于气化与建材。

2.2.3 原料用煤

作为原料利用，主要包括冶金焦、铸造焦、高炉喷吹及直接液化。原料利用国标对煤质的要求整理归纳如表4。根据国标规定指标对34种商品煤在原料方面的利用可行性进行了分析。分析表明：

表4 原料用煤相关国标对煤质要求

(1)神东矿区商品煤由于粘结性差，不适用于传统的冶金焦、铸造焦原料，但可作为助燃掺配。

(2)适用于高炉喷吹的煤有15种，其他不宜使用的原因主要是灰分超标、HGI超标。

(3)适用于直接液化的煤有7种，其他不宜使用的原因主要是惰质组含量高、HGI超标。

综合分析可知，神东矿区商品煤难以做为传统炼焦煤使用，但可以部分用于高炉喷吹，代替稀缺的炼焦煤资源，扩大利用途径，提升经济效益。对于部分灰分超标的样品可以考虑进行分选，对于HGI超标的样品可以考虑与其他商品煤配合使用，以扩展神东矿区商品煤在高炉喷吹方面的利用范围。

2.2.4 材料用煤

材料利用包括兰炭、煤基活性炭。材料利用国标对煤质的要求整理归纳如表5。根据国标的规定指标对34种商品煤在材料方面的利用可行性进行了分析。

表5 材料利用相关国标对煤质要求

(1)神东矿区商品煤灰分含量低，现有的产品结构中有5种商品煤可以达到煤基活性炭的质量要求，并可进一步制成高品质超级电容器。如果在分选加工过程中降低分选密度，则将有更多的商品煤能满足活性炭的质量要求，因此神东矿区商品煤用于生产煤基材料完全可行，且具有良好的市场前景。

(2)适用于生产兰炭的商品煤有30种，其他不宜使用的原因主要是灰分超标。

以上分析表明，神东矿区商品煤用于煤基材料的生产是可行的，利用途径主要是生产兰炭与高品质活性炭。这将极大提升企业经济效益，并为高效利用神东矿区优质煤炭资源提供有效途径。

3 结 论

(1)神东矿区商品煤具有发热量高、灰分低、热稳定性好、挥发分高、煤灰流动温度低等天然优点，作为燃料用煤具有得天独厚的条件。燃料用煤是神东矿区煤的基础和支柱用途，特别适用于常压固定床气化、气流床气化、建材用煤，也比较适用于煤粉发电。

(2)神东矿区商品煤不适于传统的冶金焦、铸造焦用煤，但可作为高炉喷吹用煤，以代替传统炼焦煤，且是直接液化用煤的优良原料。原料利用适应性相对不足，可作为主要辅助利用方向。

(3)神东矿区商品煤内灰低及半焦、焦油产率高的优点，使其在煤基活性炭和兰炭等煤基材料方面利用空间大。作为材料用煤是神东矿区煤炭产品的主要辅助利用方向。