云南省炼焦煤资源分布及煤质特征研究

2021-12-08张凝凝范庆魁王东升

煤质技术 2021年6期

陈举，张凝凝，范庆魁，王东升，梁峰，李扬

(1.云南曲煤焦化实业发展有限公司，曲靖 655338；2.煤炭科学技术研究院有限公司煤化工分院，北京 100013;3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013)

0 引言

炼焦煤为主要用于生产焦炭的原料煤，按中国煤炭分类主要分为气煤、肥煤、气肥煤、1/3焦煤、焦煤和瘦煤[1]。全球炼焦煤总量约1.34万亿t，在全球煤炭资源总量中占比不足10%。中国炼焦煤保有储量2 633亿t，占全国煤炭资源的26.25%[2]。在中国的炼焦煤储量中，西南区经济可采储量为69.22亿t，占全国炼焦煤储量的10.46%，位居全国第3位[3]。

目前我国炼焦煤资源分布不均衡，气煤资源量占到炼焦煤总量的47%，但炼焦时配入量较少。而肥煤、焦煤煤资源量较小，优质的焦煤和肥煤占查明煤炭资源储量比例不足6%和3%[4]。肥煤、焦煤和瘦煤是焦化生产过程中的“骨架性”煤种，高质量的焦炭配煤原料离不开该3种煤种，对于焦化企业而言，其需求量很大。GB/T 26128—2010《稀缺、特殊煤炭资源的划分与利用》将肥煤、焦煤和瘦煤等煤种划分为稀缺煤种，并指出稀缺煤种的不可替代性和对国民经济具有重要价值。相关学者[5-6]也论述了我国肥煤、焦煤和瘦煤的资源稀缺性。我国西南赋煤区的炼焦煤资源以肥煤、焦煤和瘦煤为主，其中肥煤约占到36%，焦煤约占到38%，瘦煤约占到20%[7]，因此西南地区的炼焦煤是炼焦生产的优质原料煤。但近来年西南地区炼焦煤资源及煤质特性的相关文献报道较少。研究我国云南地区炼焦煤资源特性，对于研究西南地区炼焦煤资源以及西南地区的焦化企业降低炼焦配煤成本、稳定焦炭质量等都具有重要意义。

以下研究云南省的炼焦煤资源分布及煤质特征，以期为有效推动西南地区焦化产业高质量发展奠定技术基础。

1 云南省煤炭资源分布

云南省煤炭资源丰富，但煤炭资源地理分布不均衡，总体呈现东多西少的特征，曲靖、昭通、红河3个东部州市保有资源量占全省的88%。云南省煤炭的变质程度差距较大，以褐煤为主，其次为无烟煤、气煤、肥煤、1/3焦煤、焦煤、瘦煤、贫瘦煤和贫煤等[8]。截至2019年底，全省煤炭资源总量为691亿t，已探明储量253亿t，保有资源储量为246亿t[9]。云南省煤炭规划矿区内共规划处一级清洁用煤55.69亿t，其中一级焦化用煤23.06亿t；二级清洁用煤158.65亿t，其中二级焦化用煤28.45亿t。云南省煤炭矿区分布如图1所示。

图1 云南省煤炭矿区分布Fig.1 Distribution map of coal mining areas in Yunnan Province

由图1可知，煤炭资源基本分布在云南省东部地区，主要包括镇雄、昭通、庆云、恩洪、老厂、跨竹及小龙潭矿区。炼焦煤煤矿大多在曲靖市内，主要分布在宣威市、沾益区、麒麟区、罗平县、师宗县、陆良县、会泽县、富源县等。根据目前云南省政府及能源局对整治云南省煤炭行业的精神和有关要求，截至2020年，曲靖市关闭64处煤矿，退出产能1 689万t；单独保留煤矿61家，保留生产/建设能力共计2 601万t/a；整合重组煤矿48家，整合后煤矿生产能力共计1 726万t/a。此次研究对曲靖市在产的117家炼焦煤煤矿进行调研，其中富源县炼焦煤矿约占云南地区总煤矿的55%，宣威市约占25%，全省炼焦煤矿分布占比如图2所示。

图2 云南省炼焦煤矿分布占比Fig.2 Distribution and proportion of coking coal mines in Yunnan Province

综合分析117家煤矿的产能可知，受煤层赋存条件、开采技术条件等因素的制约，云南地区的炼焦煤矿主要以中、小型煤矿为主，小型炼焦煤矿数量占全省炼焦煤矿总数的77.8%，占总产能的57.4%。云南省炼焦煤矿生产能力统计见表1。

表1 云南炼焦煤矿生产能力统计Table 1 Statistics on the production capacity of Yunnan coking coal mines

2 云南省炼焦煤煤质特征及与其他地区对比

2.1 云南省炼焦煤质特征

选取曲靖市(麒麟区、富源县、师宗县、宣威市)及红河哈尼族彝族自治州等22个具有代表性的炼焦商品煤样作为研究对象，并结合炼焦用煤技术要求，开展云南省炼焦煤的煤质特性研究工作。

对实地采集的22个样品依据GB/T 212、GB/T 214、GB/T 5447、GB/T 479、GB/T 25213、GB/T 1574等煤炭相关检测标准，对煤样开展分析测试。煤质、煤岩及煤灰成分等统计结果分别见表2、表3及表4。

表2 云南炼焦煤的煤质统计结果Table 2 Coal quality statistics of Yunnan coking coal mines

表3 云南炼焦煤的煤岩统计结果Table 3 Coal and rock statistics of Yunnan coking coal %

表4 云南炼焦煤的煤灰成分统计结果Table 4 Statistic results of Yunnan coking coal ash composition %

由表2可看出，按照GB/T 5751—2009《中国煤炭分类》，此次研究的22个煤样主要以焦煤和1/3焦煤为主，其中富源县的2个样品为1/3焦煤，其他20个样品均为焦煤。焦煤加热时能产生稳定性很高的胶质体，单独炼焦时能获得块度大、裂纹少、耐磨强度很高的优质焦炭，但焦煤在单煤炼焦时的膨胀压力大，易损坏炉壁且使推焦困难，因此常被用于配煤炼焦，可起到提高焦炭机械强度的作用。

1/3焦煤是介于焦煤、肥煤和气煤之间的过渡煤种，单煤种炼焦时一般能生成质量较好的焦炭，其焦炭的抗碎强度接近且稍低于肥煤焦炭，但明显高于气肥煤和气煤焦炭。挥发分小于33%的1/3焦煤可单煤种炼焦供中型高炉使用，是良好的配煤炼焦的骨架煤之一。

按照MT/T 850—2000《煤中全水分分级》，富源县中1个煤样为低全水分煤(LM)，占到样本数的4.6%；另外4个煤样和宣威市中的1个煤样为中等全水分煤(MLM)，占到样本数的22.7%；其余为中高全水分煤(MHM)，占样本数的72.7%。

煤中的灰分直接影响焦炭质量：灰分在炼焦生产中为杂质物质，不易被破碎，造成炼焦煤料的粒度分布不均匀，在炼焦时不熔融、不黏结也不收缩，其中较大的煤灰颗粒在焦炭内形成裂纹中心，降低焦炭的机械强度和耐磨强度[10]。笔者所研究的云南炼焦煤灰分介于9.69%～19.12%，平均值为13.32%。按照GB/T 397—2009《炼焦用煤技术条件》，6个煤样的灰分低于12%，符合冶金焦用原料煤技术要求，占到样本数的27.3%。

炼焦过程中入炉煤大部分硫残留在焦炭中，另一部分如有机硫则转化为气态硫化物，在流经高温焦炭层缝隙时，部分与焦炭反应生成复杂的硫碳复合物而转入焦炭。在炼焦过程中，煤中硫大约80%～90%保留到焦炭中，而焦炭中的硫会影响焦炭的热脆性；此外焦炭中的硫会使生铁具有热脆性，从而影响炼铁。笔者所研究的云南炼焦煤全硫(St,d)介于0.14%～1.18%，平均值为0.41%。按照GB/T 397—2009，22个煤样的全硫含量(St,d)全部低于1.75%，符合冶金焦用原料煤技术要求；仅位于红河州泸西县的煤全硫含量(St,d)为1.18%，高于铸造焦用原料煤技术要求。

在炼焦生产中应重视原料煤的镜质体反射率。镜质体反射率是国际上公认的、能全面并准确反映炼焦煤变质程度的指标，煤的变质程度越高则镜质体反射率越大。镜质体反射率直方图和测定过程中的标准方差(S)均可帮助判别炼焦原料煤的混煤程度，反射率也是目前焦化企业指导炼焦配煤的常用指标之一。此次研究的云南省炼焦煤镜质组反射率介于1.0%～1.63%，平均值为1.27%。

我国炼焦商品精煤黏结指数平均值为75，大部分炼焦煤黏结指数介于70～90，焦煤平均黏结指数为80[11]。笔者研究的云南省炼焦煤样品黏结指数介于71～92，平均值为84。按照MT/T 596—2008《烟煤黏结指数分级》标准，7个煤样为中黏结煤(MCI)，占样本数的31.8%；其他均为强黏结煤(SCI)，占样本数的68.2%。我国大部分炼焦煤胶质层指数Y值为15 mm～25 mm，焦煤Y值平均值为16 mm，笔者所研究云南地区炼焦煤Y值介于13 mm～19 mm，平均值为17 mm。云南地区的炼焦煤G值与Y值基本呈现线性正相关关系如图3所示。

图3 云南地区炼焦用煤GR.I与Y值的相关性Fig.3 The correlation between GR.I and Y value of coking coal in Yunnan area

煤的流动度作为煤的塑性指标之一，旨在表征煤在干馏时形成胶质体的黏度及其塑性，用以研究煤的流变性和热分解动力学，可用于指导配煤和进行焦炭强度预测。笔者研究的云南炼焦煤样品流动度介于30ddpm～29 401 ddpm，变化范围较广，平均值为3 204 ddpm，中位值为1 021 ddpm。

2.2 云南省炼焦煤煤灰特性

煤灰成分是除煤化程度以外影响焦炭性质的主要因素。灰成分中大多数元素的含量与煤种无明显关系，煤灰成分变化主要由于不同产地煤灰成分变化所导致[12]。杨俊和等[13]提出以矿物质碱度指数(MCI)评价炼焦煤煤灰特性及其对焦炭的影响，从煤中矿物质的角度分析对焦炭熔损反应的催化作用，公式的分子主要为煤灰成分中的碱性氧化物含量以表达正催化作用，公式的分母主要为煤灰成分中的酸性氧化物含量以表达负催化作用。矿物质碱度指数(MCI)越大，热反应性(CRI)越大，反应后强度(CSR)越小。

有研究表明，MCI值高的煤主要为西北侏罗纪的低灰、低硫煤[12]。笔者根据样品的煤灰成分测定结果，计算云南省炼焦煤矿物质碱度指数(MCI)，并研究其灰分、硫分与MCI的相关性如图4和图5所示。

图4 云南省炼焦用煤MCI与Ad的相关性Fig.4 Correlation between MCI and Ad of Yunnan coking coal

图5 云南省炼焦用煤MCI与St,d的相关性Fig.5 Correlation between MCI and St,d of coking coal in Yunnan province

由图4、图5可知，云南省炼焦煤的MCI与灰分、硫分无明显线性关系。

煤中钠和钾元素对于焦炭反应性具有较强的催化作用。研究表明焦炭中的钾、钠可导致焦炭与CO2的反应速度提高，钾、钠含量高时还使焦炭与CO2的反应开始温度提前，以上均导致焦炭的强度降低，块度加速粉化[14-15]，不利于高炉运转，而焦炭中钾、钠几乎都来自煤中的钾、钠。我国炼焦煤种碱金属元素含量一般较低，煤灰中的K2O和Na2O平均含量分别为0.71%和0.56%。从表3中可看出，此次研究的云南各矿炼焦煤灰中K2O和Na2O含量普遍低于全国水平。中国炼焦煤中K含量介于0.011%～0.284%，平均含量为0.057%；Na含量介于0.007%～0.167%，平均含量为0.039%[12]。

云南省炼焦煤中Na和K含量与全国平均值的对比分别如图6、图7所示，从图中可看出，云南省炼焦煤中Na和K含量均低于全国平均值。

图6 云南省炼焦煤中Na含量Fig.6 Content of Na in coking coal in Yunnan province

图7 云南省炼焦煤中K含量Fig.7 Content of K in coking coal in Yunnan province

2.3 与其他地区焦煤的对比

山西省是我国重要的炼焦煤生产基地，炼焦煤的保有储量占全国炼焦煤总量的53%，炼焦煤产量占全国的43%，焦炭产量占全国的41%；蒙古国煤炭资源较为丰富，其炼焦煤具有低灰、低磷、黏结性较强等优点[16]，受到我国焦化企业的欢迎，目前蒙古国为我国最大的进口炼焦煤来源[17]。笔者选取山西省古交、柳林、孝义、离石等地及蒙古国的典型焦煤，与云南焦煤的煤质特征进行比对。蒙古国3号焦煤煤质数据见表5。

表5 蒙古国3号焦煤的煤质数据Table 5 Mongolian No.3 coking coal quality data

影响焦煤黏结性的主要原因在于煤的变质程度和显微组成，云南焦煤与山西焦煤和蒙3焦煤的镜质组含量、镜质组反射率对比分别如图8、图9所示。

图8 云南焦煤与山西焦煤和蒙3焦煤的镜质组含量对比Fig.8 Vitrinite content of Yunnan coking coal compared with Shanxi coking coal and Mongolia No.3 coking coal

图9 云南焦煤与山西焦煤和蒙3焦煤的镜质组反射率对比Fig.9 Vitrinite reflectance of Yunnan coking coal compared with Shanxi coking coal and Mongolia No.3 coking coal

由图8、9发现：在镜质组分含量相当的情况下将云南省与山西省焦煤和蒙3焦煤对比，其黏结指数差异不大；在山西焦煤、蒙3焦煤和云南焦煤黏结指数相差不多的情况下，山西省焦煤的反射率分布范围较为集中，云南省的焦煤反射率分布显得更为离散，蒙3焦煤的反射率相较于云南和山西焦煤处于中等偏下水平。

通过对比云南省焦煤、山西省焦煤和蒙3焦煤的全硫含量，发现云南省焦煤的全硫含量显著低于山西省焦煤；蒙3焦煤对比山西焦煤的全硫含量处于较低水平，但对比云南焦煤的全硫含量则处于较高水平。云南焦煤的全硫含量普遍偏低，主要由于煤中硫含量的变化与煤层成煤沼泽水介质相关，山西焦煤主要分布为太原组中部到南部地区，形成于广阔的近海环境，沉积水介质受海水影响，因此煤中硫含量较高[18-19]。而云南焦煤大多数分布在恩洪矿区，主要为晚二叠世煤，靠近西部康滇古陆，为特低-低硫煤[20]；位于云南省红河州泸西县的焦煤，其成煤环境为海陆交互，全硫含量较高，但由于其中的黄铁矿硫含量较高，占到全硫含量的90%以上，通过洗选后硫的含量大幅降低[21]，因此云南焦煤的硫分含量相较于其他地区焦煤的明显偏低。

云南焦煤对比山西焦煤和蒙3焦煤的全硫含量如图10所示。