江蘇徐州九里山煤田潔凈煤等級劃分
2016-07-19 05:37:45張傳鳳趙文勝朱建南胡福培
地質(zhì)學刊 2016年2期
張傳鳳， 趙文勝， 朱建南， 胡福培
(1.江蘇長江地質(zhì)勘查院,江蘇南京210046； 2.江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局第五地質(zhì)大隊，江蘇徐州221000； 3.江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院，江蘇南京210018)
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江蘇徐州九里山煤田潔凈煤等級劃分
張傳鳳1， 趙文勝2， 朱建南3， 胡福培3
(1.江蘇長江地質(zhì)勘查院,江蘇南京210046； 2.江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局第五地質(zhì)大隊，江蘇徐州221000； 3.江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院，江蘇南京210018)
摘要：利用九里山煤田的工業(yè)、元素及工藝性質(zhì)等煤質(zhì)數(shù)據(jù)，分析各指標的變化規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，以灰分、硫分及有害元素為指標，對該區(qū)進行潔凈煤等級5級劃分。結(jié)果顯示：下石盒子組原煤潔凈等級為Ⅱ—Ⅲ級，屬好—較好的潔凈煤，浮煤等級潔凈等級為Ⅰ—Ⅱ級，屬特好—好的潔凈煤；山西組原煤潔凈等級為Ⅰ—Ⅲ級，屬特好—較好的潔凈煤，浮煤等級潔凈等級為Ⅰ—Ⅲ級，屬特好—較好的潔凈煤。經(jīng)洗選后，潔凈等級一般有所提高，除西部外，整體上山西組煤炭潔凈等級提高程度優(yōu)于下石盒子組。
關(guān)鍵詞：潔凈等級；潔凈煤；煤質(zhì)特征；九里山煤田；江蘇徐州
0引言
環(huán)境污染給我國的環(huán)境、人體健康乃至經(jīng)濟發(fā)展造成了不可忽視的負面影響。大氣污染和水污染的原因眾多，但以燃煤為代表的傳統(tǒng)能源無疑是主要因素?，F(xiàn)階段,煤炭在我國能源消費中發(fā)揮著不可替代的作用，以燃煤為主體的能源消費狀況短期內(nèi)難以根本轉(zhuǎn)變。
我國的潔凈煤技術(shù)經(jīng)“八五”、“九五”期間的初步發(fā)展，在煤炭加工、循環(huán)硫化床鍋爐、燃煤煙氣凈化、煤炭液化、整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電、煙氣脫硫等方面的技術(shù)已取得顯著進展(朱書全等，2004)。從技術(shù)發(fā)展方向看，潔凈煤技術(shù)有2種主要途徑，即初始控制(煤炭洗選)與末端控制(終端用戶除塵、除硫)。因此，對煤質(zhì)進行清潔性評價，對未來建設(shè)礦井及合理加工利用煤炭資源、保護環(huán)境、在保證經(jīng)濟效益的同時提高社會效益具有重要意義。
1研究區(qū)概況
徐州九里山煤田是江蘇重要煤產(chǎn)地。主要含煤層段為上石炭統(tǒng)太原組、下二疊統(tǒng)山西組、下石盒子組。主采煤層為下石盒子組的1、2、3煤層，煤層總厚1.40～4.00m,平均2.71m,其中主采煤層1、3煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為不穩(wěn)定型煤層，局部可采；2煤層普遍發(fā)育，全區(qū)可采。山西組7、9煤層， 主采煤層7煤層一般厚1.19～5.00m,平均厚2.70m，全區(qū)可采；9煤層一般厚1.00～2.00m，個別點厚度在3.00m以上，局部可采。太原組普遍發(fā)育20、21煤層，厚度數(shù)十厘米至2.00m不等，平均厚度<1.00m,零星可采，由于硫分高，煤質(zhì)差，歷史上僅少數(shù)小煤礦曾開采過，樣本缺乏代表性，本次不做評價。
2煤質(zhì)特征
區(qū)內(nèi)煤類較多，太原組以氣煤、肥煤為主，有部分氣肥煤、焦煤和無煙煤；山西組主要以氣煤為主，有部分為1/3焦煤和肥煤；下石盒子組以氣煤為主，部分為1/3焦煤和氣肥煤。
2.1工業(yè)分析
2.1.1水分下石盒子組原煤水分質(zhì)量分數(shù)平均1.75%，山西組煤原煤水分質(zhì)量分數(shù)平均為1.76%，均為低水分煤。
2.1.2灰分產(chǎn)率下石盒子組原煤灰分產(chǎn)率為11.72%～30.41%，平均23.27%。研究區(qū)中南部原煤灰分產(chǎn)率較低，其余則較高，洗選后浮煤灰分產(chǎn)率平均8.26%，中部灰分產(chǎn)率下降較小，周邊經(jīng)洗選后灰分產(chǎn)率則有較大幅度的下降(圖1)。山西組原煤灰分產(chǎn)率為4.10%～30.79%，平均15.25%，灰分產(chǎn)率有自北向南逐漸降低的趨勢；浮煤灰分產(chǎn)率平均6.57%，洗選后灰分產(chǎn)率均有較大幅度的下降(圖2)。分煤層統(tǒng)計原煤平均灰分產(chǎn)率基本呈自上而下依次下降的規(guī)律，即山西組潔凈程度優(yōu)于下石盒子組，經(jīng)洗選后灰分產(chǎn)率均大幅度下降(表1)。
圖1 下石盒子組煤中灰分等值線圖Fig.1 Contours of ash content in the Lower Shihezi Formation coal
圖2 山西組煤中灰分等值線圖Fig.2 Contours of ash content in the Shanxi Formation coal
煤層編號原煤/%浮煤/%1號24.528.472號23.168.553號22.558.147號20.647.678號9.979號11.735.51
2.1.3揮發(fā)分及煤化程度以鏡質(zhì)組為主的煤中，揮發(fā)分隨煤變質(zhì)程度的升高而降低，能大致代表煤的變質(zhì)程度(陳家良等，2004)，因此,國標的煤類方案都以揮發(fā)分作為第一指標。下石盒子組煤的揮發(fā)分為27.82%～38.10%,平均35.73%，具有由西向東北方向和東南方向逐漸減小的趨勢。山西組煤的揮發(fā)分為5.89%～44.37%,平均34.93%，具有東部和中間高、南部和北部底的特點。同一礦井同一煤組各煤層揮發(fā)分一般具有自上而下降低的趨勢，規(guī)律性較明顯。區(qū)內(nèi)部分礦區(qū)進行了Rmax測試，結(jié)果顯示，質(zhì)量分數(shù)一般在0.74%～1.21%之間(MT/T1158—2011；孟運平等，2012)，屬于中煤級煤Ⅱ—Ⅳ級，能夠間接驗證煤巖煤化程度。
2.2元素分析
2.2.1C、H、O、N不同煤類成煤植物及煤化程度不同，元素組成與特性也有所差異。據(jù)研究區(qū)各煤層的元素分析，下石盒子組煤各組分的質(zhì)量分數(shù)w(C)為83.56%～86.12%，平均84.48%；w(H)為5.44%～5.75%，平均5.58%；w(N)為1.05%～1.50%，平均1.22%；w(O+S)為7.27%～7.49%，平均7.42%。山西組煤各組分的質(zhì)量分數(shù)為w(C)為51.32%～88.97%，平均84.52%；w(H)為4.86%～6.38%，平均5.54%；w(N)質(zhì)量分數(shù)為0.67%～1.64%，平均1.38%；w(O+S)為4.41%～11.48%，平均7.49%。區(qū)內(nèi)C、H、N質(zhì)量分數(shù)隨埋深變化不明顯，而O質(zhì)量分數(shù)在同一礦井一般具有隨埋藏深度增加而減少的明顯趨勢，即具有O質(zhì)量分數(shù)隨煤變質(zhì)程度增加而降低的規(guī)律。
2.2.2S下石盒子組原煤全硫質(zhì)量分數(shù)為0.34%～1.17%,平均0.66%，自北向南硫分依次降低；洗選后全硫質(zhì)量分數(shù)為0.25%～1.04%,平均0.60%，北部馬坡礦硫分下降較大，除中部部分礦井外，其余區(qū)域下降不明顯(圖3)。山西組原煤全硫質(zhì)量分數(shù)為0.39%～2.62%,平均0.84%，整體呈東西兩邊高、北部和中間低的規(guī)律；洗選后全硫質(zhì)量分數(shù)為0.34%～1.48%,平均0.71%，西部硫分含量變化不大，其余則有所降低，特別是中部，可達到特低硫分煤，整體洗選效果稍好于下石盒子組(圖4)。
圖3 下石盒子組煤中硫分等值線圖Fig.3 Contours of sulfur content in the Lower Shihezi Formation coal
2.2.3有害元素煤的有害物質(zhì)主要有P、As、F、Cl、Hg、Pb；其次為微量稀散元素，主要為Ge、Ga、U、
圖4 山西組煤中硫分等值線圖Fig.4 Contours of sulfur content in the Shanxi Formation coal
Th等。區(qū)內(nèi)煤層主要原煤w(P)<0.01%,為特低磷、下石盒子組、山西組煤為特低—低氯煤，主要為特低氯煤，有害元素均較低,As含量為一級含砷煤，山西組優(yōu)于下石盒子組煤(表2)，徐州礦區(qū)共有9個樣品分析了Hg元素，含量為0.022～0.30μg/g,平均0.18μg/g；共4個樣品分析了Pb元素，含量為2.30～50.6μg/g,平均17.8μg/g(任德貽等，2006)。
表2 九里山煤田有害元素統(tǒng)計
2.3工藝性質(zhì)
2.3.1發(fā)熱量發(fā)熱量是煤質(zhì)分析及煤炭分類的重要指標，是動力煤計價的重要依據(jù)。下石盒子組煤發(fā)熱量為22.13～33.44MJ/kg，平均26.99MJ/kg；山西組煤發(fā)熱量為19.90～33.08MJ/kg，平均28.90MJ/kg。發(fā)熱量與灰分關(guān)系密切，灰分高則發(fā)熱量低，統(tǒng)計并擬合研究區(qū)各煤層的105個樣本灰分與發(fā)熱量關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.733 7,為顯著的線性負相關(guān)(圖5)。
圖5 發(fā)熱量與灰分的關(guān)系Fig.5 Relationship of calorific value with ash content
2.3.2黏結(jié)性與結(jié)焦性膠質(zhì)層厚度是煙煤分類的重要指標。下石盒子組氣煤平均厚度11.70mm,1/3焦煤平均厚度15.00mm；山西組氣煤平均厚度為12.50mm,焦煤平均厚度為12.00mm，膠質(zhì)層厚度隨埋深增加而增大，變化規(guī)律較明顯。下石盒子組氣煤黏結(jié)指數(shù)平均為74.80，1/3焦煤平均為73.50;山西組氣煤平均厚度為79.50mm，焦煤平均厚度為77.00mm，基本上隨埋深增加而增大。各煤層奧亞膨脹度一般小于150%,無明顯變化規(guī)律。
2.3.3煤中灰成分、煤灰熔融性與結(jié)渣性不同的灰成分，對煤氣化過程和燃燒過程有不同影響。煤灰成分對煉焦煤性質(zhì)的影響實際上與沉積環(huán)境的影響密不可分。焦煤的焦炭熱反應(yīng)活性強，不僅與煤灰中堿性元素含量高有關(guān)，更主要是由于其沉積環(huán)境所造成(白向飛等，2013)。成煤環(huán)境以及原始成煤期間帶入成煤植物中的物質(zhì)來源不同，造成煤灰成分不同，但成煤環(huán)境可能起主要作用。如海陸交互相環(huán)境形成的煤灰成分具有較高的F2O3，酸性物質(zhì)Al2O3、SiO2含量則較低，因此煤的軟化溫度較低；而陸相沉積成煤的煤灰成分中含中酸性物質(zhì)Al2O3、SiO2較高，堿性物質(zhì)Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O含量則較低，因此煤的軟化溫度較高。研究區(qū)內(nèi)山西組為海陸相向陸相轉(zhuǎn)化，下石盒子組為陸相沉積環(huán)境(孟運平等，2010)。山西組煤為中等—較高軟化溫度，下石盒子組煤為中等—高軟化溫度，軟化溫度變化趨勢總體上與沉積環(huán)境相符。區(qū)內(nèi)煤炭結(jié)渣指數(shù)RH(堿酸比與硅鋁比的乘積)：下石盒子組煤為0.34，山西組煤為0.58， 0.3
3煤的潔凈等級劃分
3.1標準與方法
考慮到可操作性和普遍適用性，研究區(qū)煤質(zhì)等級劃分方案參照GB/T15224—2010之灰分、硫分、發(fā)熱量的5級劃分限值，其他元素限值參照《礦產(chǎn)工業(yè)要求手冊》(邵厥年等，2014)(表3)。由于在勘查過程中對Hg和Pb元素的分析樣本較少，不具有代表性，本次評價不作為指標。需要指出的是，該區(qū)一般為特低—中汞煤，但部分煤層為高鉛煤，應(yīng)該在以后的工作中引起足夠重視。其他有害元素含量(表2)均低于《礦產(chǎn)工業(yè)要求手冊》潔凈等級一級的含量限值。因此，只按照灰分和硫分劃分煤的潔凈等級。當灰分和硫分不一致時，以綜合評價等級差者為準。
表3 煤的潔凈等級劃分方案
3.2劃分結(jié)果
圖6 下石盒子組煤層潔凈等級圖Fig.6 Ranking of cleanliness ofthe Lower Shihezi Formation coal
下石盒子組原煤潔凈等級為Ⅱ—Ⅲ級，Ⅱ級潔凈煤主要集中在中南部區(qū)域，其余則全部為Ⅲ級，屬好—較好的潔凈煤；經(jīng)洗選后綜合潔凈程度有較大的提高，等級在Ⅰ—Ⅱ級范圍內(nèi)，屬特好—好的潔凈煤，以Ⅱ級為主，南部小范圍內(nèi)可達到Ⅰ級(圖6)。從圖中可以看出下石盒子組煤經(jīng)洗選后可以大幅度提高整體潔凈程度，山西組原煤潔凈等級為Ⅰ—Ⅲ級，總體以Ⅱ級為主，屬特好—較好的潔凈煤，呈北部、西部和東南部潔凈程度較差、中部潔凈程度較好的分布規(guī)律；經(jīng)洗選后浮煤潔凈等級在Ⅰ—Ⅲ級范圍內(nèi)，以Ⅰ—Ⅱ級為主，屬特好—較好的潔凈煤，與原煤對比，山西組煤經(jīng)洗選后，西部效果較差一些，中部潔凈等級則有較大幅度提高(圖7)。
圖7 山西組煤層潔凈等級圖Fig.7 Ranking of cleanliness of the Shanxi Formation coal
4結(jié)論
(1) 下石盒子組原煤潔凈等級為Ⅱ—Ⅲ級，屬好—較好的潔凈煤；浮煤潔凈等級為Ⅰ—Ⅱ級，屬特好—好的潔凈煤。
(2) 山西組原煤潔凈等級為Ⅰ—Ⅲ級，屬特好—較好的潔凈煤；浮煤潔凈等級為Ⅰ—Ⅲ級，屬特好—較好的潔凈煤。
(3) 經(jīng)洗選后，潔凈等級有所提高，除西部外，山西組煤炭潔凈等級提高程度優(yōu)于下石盒子組煤。
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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；編輯：蔣艷
基金項目：國土資源部全國礦產(chǎn)資源利用現(xiàn)狀調(diào)查專項“江蘇省礦產(chǎn)資源利用現(xiàn)狀調(diào)查”(1212010785001)
作者簡介：張傳鳳(1975—)，男，高級工程師，碩士，主要從事煤田地質(zhì)勘查與研究工作,E-mail: Zhangcf7506@163.com
中圖分類號：P618.11； TQ533
文獻標識碼：A
文章編號：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
