水城矿区煤质特征及清洁高效利用分析

湛传骏，邓 雷，靖剑中，徐贵华

（1.贵州省煤炭产品质量监督检验院，贵州 六盘水 553000；2.国家煤炭清洁转化产品质检中心，贵州 六盘水 553000）

0 引 言

我国能源矿产资源表现为煤多、少油气，这就决定了煤炭在我国洁净高效利用的主体地位，与石油和天然气相比，我国煤炭的资源储量相当丰富，占世界资源储量的15%左右，目前是世界第一产煤大国。乔德武认为未来可再生能源使用量及占比将逐渐提升，全球向清洁能源逐步转型[1-4]。六盘水素有西南煤都的称号，因煤而建、因煤而兴，是长江以南最大的主焦煤基地、国家实施西电东送西部大开发战略的主战场之一。资料显示[5]，六盘水的煤炭资源具有储量大、煤种全、品质优等特点，全市现有煤矿192处，年产能1.16亿t，电力装机容量1 204.24万kW，其中水城矿区现有煤矿38处，年产能1 608万t，占六盘水13.9%，基于该种原因，研究水城矿区煤岩煤质特征对于六盘水煤炭分质分级利用具有重要的意义。

1 样品采集

此次研究选取30万t/a规模及以上在生产煤矿，共计34家，采样到矿到层，标准采样，标码明确，分析方法按国家标准执行，保证量值可溯源性。此次试验共采集样品38批次，根据各矿井煤层的全水分、水分、灰分、挥发分、固定碳、氢含量、发热量、可磨性指数、镜质体反射率、煤灰熔融性、粘结指数、胶质层、全硫、氟、氯、汞、砷、磷及煤灰中钾、钠、铁、铝、硅、钙、硫、磷、钛、镁等28个技术指标进行分析。

2 煤岩特征

镜质组最大反射率介于0.812%~1.758%，平均值为1.29%，属于中煤级煤，油浸液下煤的显微组分如图1所示。镜质体反射率直接反应了煤化程度，其反射率与煤化程度呈现出正相关系，反射率越高煤化程度越强，根据我国目前的研究来看，Romax/%＜0.65宜直接液化用原料煤，因此水城矿区煤不适用于直接液化用煤[6-7]。

镜质组反射率变化与煤分类之间有良好的相关性，二者之间存在着必然的联系，根据相关研究表明[8]（表1），水城矿区煤种主要为1/3焦煤、焦煤、肥煤和瘦煤，此类煤种适合于炼焦（图1），并有优缺点互补的特性。

表1 镜质组平均最大反射率与煤分类之间的关系Table 1 Relationship between average maximum vitrinite reflectance and coal classification

3 煤质特性

3.1 工业分析

（1）灰分（Ad）。

水城矿区灰分主要介于5.06%～50.09%，平均值为22.14%，变化差异较大，主要为低灰煤—中灰煤（图2a）。根据相关技术条件显示[9-10]，适用于常压固定床气化和流化床气化原料用煤，级别为Ⅲ级。

（2）挥发分（Vdaf）。

水城矿区挥发分主要介于13.73%～30.66%，平均值为20.18%，主要为，低挥发分煤—中等挥发分煤（图2b）。煤挥发分的高低直接影响到煤质变化程度，挥发分越高煤演化程度越轻，煤的桥键数目越多，越易于直接液化，按照直接液化用原料煤技术条件，该矿区煤不宜用于直接液化。

3.2 元素分析

（1）全硫（Sd）。

水城矿区全硫主要介于0.2 %~3.89 %，平均值为1.49%，全硫含量变化较大，主要为特低硫煤—低硫煤—中硫煤（图2c）。主要适用于常压固定床气化、流化床床气化、气流床用原料、冶金焦。

（2）氢碳原子比（H/C）。

水城矿区主要介于0.55~0.76，平均值为0.63，碳氢原子比较为集中。碳氢原子比反映了煤炭转化和油产率的相关性，碳氢原子比越高，煤炭转化率和油产率越高，按照《直接液化用原料技术条件》，适用直接液化的碳氢原子比＞0.75。

3.3 工艺性能

（1）发热量（Qgr,d）。

水城矿区发热量主要介于21 450～32 702 J/g，平均值为27 489 J/g，主要为特高发热量煤—高发热量煤—中高发热量煤（图2d）。

（2）胶质层（Y）。

有17批次样品未检测出胶质层厚度，有21批次样品检测出，厚度主要介于7.8~22.9 mm，平局值为16.3 mm。测定胶质层指数的过程是工业模拟炼焦的过程，水城矿区的煤炭不能直接用于炼焦。

（3）粘结指数（GR.I）。

有24批次样品未检测出粘结性，有14批次样品检测出，粘结性介于1.4~78.4，平均值为48.4，主要为，无黏结煤—微黏结煤—弱黏结煤—中黏结煤（图2e）。适用于常压固定床气化和流化床气化用煤原料，担不能直接用于炼焦。（4）煤灰熔融性。

流动温度（ST），有9批次检测大于1 500℃，其他29批次介于1 109℃～1 463℃，平均值为1 288℃，主要为较低软化温度灰—中等软化温度—较高软化温度灰—高软化温度灰（图2f）；流动温度（FT）有9批次检测大于1 500℃，其他29批次介于1 201℃～1 468℃，平均值为1 337℃，主要为较低流动温度灰—中等流动温度灰—较高流动温度灰—高流动温度灰（图2g）。适用于常压固定床气化、流化床床气化用煤原料，流动温度高易于固体排渣。

3.4 危害元素

（1）氟、氯（F、CL）。

氟含量介于27~256μg/g，平均值为72μg/g，主要为特低氟煤（图2h）；氯含量介于0.005%~0.03%，平均值为0.011%，主要为特低氯煤。

（2）汞、砷、磷（Hg、As、Pb）。汞含量介于0.09~0.34μg/g，平均值为0.12μg/g，主要为特低汞煤—低汞煤（图2i）；砷含量有6批次样品未检出，其他32批次含量介于1.0~14.0μg/g，平均值为5 μg/g，主要为：特低砷煤—低砷煤（图2j）；磷含量介于0.003 %~0.039 %，平均值为0.013%，主要为特低磷煤—低磷煤（图2k）。

图2 水城矿区煤质指标频率直方图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%，平均为52.93%；AL2O3含量介于8.34%~33.50%，平均为23.00%；Fe2O3含量介于3.34%~24.00%，平均为9.59%；SiO2+AL2O3+Fe2O3＞70%，符合拌制砂浆和混凝土、水泥活性混合材料用粉煤灰技术条件，同时SiO2和AL2O3含量较高，可以提取使用。

4 清洁高效利用方向

4.1 煤化工用煤

参照《煤化工用煤技术导则》《常压固定床气化用没技术条件》《流化床气化用原料煤技术条件》进行分析得出，水城矿区煤炭普片适用于常压固定床气化和流化床气化原料用煤，在工艺选择时应优先选择（表2、表3）。

表2 水城矿区煤质指标与常压固定床气化用煤技术评价指标Table 2 Coal quality indexes of Shuicheng mining area and evaluation indexes of atmospheric fixed bed gasification technology

表3 水城矿区煤质指标与流化床气化用原料煤技术评价指标Table 3 Coal quality indexes in Shuicheng mining area and technical evaluation indexes of raw coal for fluidized bed gasification

4.2 动力用煤

水城矿区毛煤具有优质动力煤的特点，普遍具有低灰、低硫、低氟、低氯、低汞、低磷等优点外，还具有高发热量的优势，对于一些中硫以上的毛煤，可以进行适当的参配使用，根据洁净煤潜势评价体系，该矿区可作为优质煤[11]。

4.3 稀缺、特殊煤

高可磨性、低灰煤。可以优先用于橡胶、塑料等的填充原料。参照《稀缺、特殊煤炭资源的划分与利用》的要求，有2家矿井（表4）。特低铁、低灰分煤。可以优先用作锌等金属的还原剂。参照《稀缺、特殊煤炭资源的划分与利用》的要求，该矿区有1家矿井（表5），这3家矿井可以保护性开采。

表5 水城矿区特低铁、低灰分煤分析指标Table 5 Analysis indexes of extra-low iron and low ash coal in Shuicheng mining area

表4 水城矿区高可磨性、低灰煤分析指标Table 4 Analysis indexes of high grindability and low ash coal in Shuicheng mining

4.4 粉煤灰的利用

高铝、高铁、高硅煤灰。可以优先作为提取铝等元素的原料煤，根据《用于水泥和混泥土中的粉煤灰》相关技术指标，该矿区SiO2+AL2O3+Fe2O3平局值为85%，完全满足拌制砂浆和混凝土、水泥活性混合材料用粉煤灰技术条件。

5 结 论

（1）该矿区主要以肥煤、焦煤和瘦煤为主，主要以镜质组为主，不适用于直接炼焦用，需进行配备相应的煤种。

（2）该矿区呈现出，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、特高发热量煤—高发热量煤—中高发热量煤，具有优质动力煤的特点。

（3）根据煤化工用煤技术指标要求，该区域煤矿满足常压固定床气化和流化床气化原料用煤。

（4）根据此次研究发现该区域没有存在稀缺煤、特殊煤类的存在。

（5）该区域的粉煤灰表现出SIO2、AL2O3含量高的优势，同时表现出总铁含量低，可以进行高附加值的研究利用。