趙明珍

河南省主要煤田煤炭資源清潔利用潛勢

趙明珍

(河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第四地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院，河南 鄭州 450000)

為了系統(tǒng)分析河南省各煤田煤中灰分和主要有害元素分布特征，評價(jià)煤炭資源清潔利用潛勢，通過系統(tǒng)收集12個(gè)煤田的煤質(zhì)資料，并均勻采樣作化驗(yàn)分析，獲得各煤田煤中灰分和10種有害元素的平均含量，利用廣義對比加權(quán)標(biāo)度指數(shù)法計(jì)算出煤炭資源潔凈潛勢綜合指數(shù)值，評價(jià)煤炭資源清潔利用潛勢，得出河南省煤炭資源清潔質(zhì)量從西向東依次為不潔凈—較不潔凈—較潔凈煤這一逐漸變好的趨勢，影響煤炭資源潔凈潛勢評價(jià)的主要因子為灰分和硒元素。最后，統(tǒng)計(jì)了12個(gè)煤田各清潔等級的煤炭資源量：較潔凈煤235億t、較不潔凈煤30億t、不潔凈煤5億t，并探討其利用方式。研究成果對河南省煤炭資源的清潔、高效利用具有指導(dǎo)意義。

煤炭資源；清潔利用；潛勢；影響因子；河南省

煤炭大規(guī)模粗放式的開采利用引起了一系列生態(tài)環(huán)境問題，環(huán)境保護(hù)要求日趨嚴(yán)格，在能源結(jié)構(gòu)調(diào)整及環(huán)保的雙重壓力下，煤炭資源的清潔利用已成為煤炭工業(yè)發(fā)展的重中之重[1-3]。河南省是煤炭生產(chǎn)消費(fèi)大省，根據(jù)河南省“十三五”能源規(guī)劃，全省能源消費(fèi)總量中煤炭占比達(dá)76%，短期內(nèi)難以找到可替代的清潔能源，煤炭資源的清潔利用是減少燃煤污染的一條重要途徑。

煤炭資源的清潔利用分為兩個(gè)方面：一是選取潔凈煤炭資源直接利用，即煤中含有的灰分、硫分及其他有害元素含量低于一定指標(biāo)，在加工利用過程中不會對環(huán)境構(gòu)成潛在污染或污染程度極低的煤；二是潔凈煤技術(shù)，旨在減少污染排放與提高利用效率的加工、燃燒、轉(zhuǎn)化和污染控制等新技術(shù)的總稱[4]。近年來，潔凈煤技術(shù)發(fā)展較快，雷仲敏等[5]針對現(xiàn)有潔凈煤技術(shù)評價(jià)中存在的問題，基于經(jīng)濟(jì)–能源–環(huán)境(3E)分析建立起一種新的宏觀技術(shù)評價(jià)模式；任世華等[6]利用網(wǎng)絡(luò)Delphi法研究潔凈煤技術(shù)評價(jià)指標(biāo)體系權(quán)重；俞珠峰等[7]研究了潔凈煤技術(shù)評價(jià)方法及CCTM的建模方法。然而，針對煤炭資源清潔利用潛勢評價(jià)工作較少，僅少數(shù)學(xué)者對部分地區(qū)個(gè)別煤田進(jìn)行了評價(jià)[8-10]，且傳統(tǒng)的商品煤質(zhì)量評價(jià)中側(cè)重灰分和硫分，煤中的其他有害微量元素評價(jià)不足。基于前人的研究基礎(chǔ)和現(xiàn)狀，筆者通過分析灰分和10種主要有害元素含量，對河南省主要煤田煤炭資源清潔利用潛勢進(jìn)行了分析評價(jià)，以期為研究區(qū)煤炭資源的清潔、高效利用提供參考。

1 地質(zhì)概況

河南省煤炭資源分布區(qū)處于華北坳陷南緣，上古生界石炭、二疊系為重要含煤地層，其次為中生界侏羅系，分布于陜澠–宜洛–魯山–平頂山–確山–固始一線以北[11-14]。根據(jù)全省構(gòu)造區(qū)劃及主要煤系賦存特征和聚煤特征，將河南省劃分為太行賦煤構(gòu)造帶、崤熊賦煤構(gòu)造帶、嵩箕–豫東賦煤構(gòu)造帶和秦嶺–大別山賦煤構(gòu)造帶等4大賦煤構(gòu)造帶[15]，進(jìn)一步細(xì)分為20個(gè)煤田及找煤區(qū)[16-19](圖1)。石炭–二疊紀(jì)含煤地層總厚520~950 m，分9個(gè)煤組(段)，含煤15~74層，各地含煤性有一定差異，自NW向SE煤層層數(shù)增多、同時(shí)代同煤層成煤時(shí)間漸晚。二疊系山西組二1煤為全省主要可采煤層，層位穩(wěn)定，厚度0~37.79 m，平均4.10 m，多為中厚—厚煤層，且以厚煤層為主。二1煤層厚度具有北厚南薄、由西向東為薄—厚—薄的展布規(guī)律。侏羅紀(jì)煤層主要分布于義馬盆地，其中，義馬組選取2—3號煤為研究對象。

2 采樣及化驗(yàn)

選取永夏煤田、禹州煤田、平頂山煤田、新密煤田、滎鞏煤田、陜澠煤田、登封煤田、偃龍煤田、新安煤田、焦作煤田、安鶴煤田、義馬煤田等12個(gè)主要煤田采集樣品206個(gè)，采樣方法：在井下工作面沿煤層由上至下按照GB/T 482—2008《煤層煤樣采取方法》，采用連續(xù)刻槽法進(jìn)行全層采樣。采樣點(diǎn)布設(shè)原則上各煤田均勻分布，深淺兼顧。

Ⅰ—秦嶺—大別山造山帶：Ⅰ1—南秦嶺造山帶；Ⅰ2—北秦嶺造山帶；Ⅱ—華北板塊：Ⅱ1—崤熊構(gòu)造區(qū)；Ⅱ2—嵩箕構(gòu)造區(qū)；Ⅱ3—太行構(gòu)造區(qū)

使用HK-8100系列ICP光譜儀對樣品進(jìn)行化驗(yàn)測試，測試11種有害元素。儀器精密度RSD≤ 1.50%；穩(wěn)定性：RSD≤2%；檢出限：PPb級。樣品化驗(yàn)由河南省煤炭質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心完成。

為使數(shù)據(jù)更具代表性，以提高評價(jià)準(zhǔn)確性，同時(shí)收集了各煤田勘探報(bào)告煤質(zhì)及有害元素?cái)?shù)據(jù)加以分析利用。各煤田煤中灰分和10種主要有害元素?cái)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1，所有數(shù)據(jù)均為干燥基基準(zhǔn)。

注：16.70/287表示平均數(shù)值/樣品個(gè)數(shù)，其他數(shù)據(jù)相同。

3 煤炭資源潔凈潛勢評價(jià)因子選取和等級劃分

評價(jià)因子選取主要從全面性、開放性、整體性、可比性、可操作性和通用性等方面考慮。本次選取灰分、硫、汞、氯、砷、氟、硒、鉛、鉻、鎘、錳等11個(gè)指標(biāo)作為煤炭資源潔凈潛勢評價(jià)因子。

根據(jù)潛在污染程度，結(jié)合中國煤炭地質(zhì)總局“十五”重點(diǎn)科技項(xiàng)目“中國潔凈煤地質(zhì)研究”的相關(guān)研究成果，將煤炭資源潔凈潛勢劃分為潔凈煤、較潔凈煤、較不潔凈煤、不潔凈煤4個(gè)等級[2]。4種等級各因子含量限值見表2。

注：灰分(A)/%和硫分(t)/%數(shù)值為質(zhì)量分?jǐn)?shù)，其余為質(zhì)量濃度。C0、C1、C2、C3和Cd的定義如式(1)所示。

4 數(shù)據(jù)及分析

4.1 評價(jià)方法

衡量煤炭潔凈的主要依據(jù)是燃煤排放大氣污染物對環(huán)境的危害程度，危害程度可用指數(shù)來表示，本次采用廣義對比加權(quán)標(biāo)度指數(shù)法按照“等比賦值，等差分級”的原則[20]，用標(biāo)度分指數(shù)表示單項(xiàng)煤中有害元素含量，并采用對標(biāo)度分指數(shù)進(jìn)行廣義對比加權(quán)的因子賦權(quán)法，導(dǎo)出煤炭潔凈潛勢的廣義對比加權(quán)的標(biāo)度指數(shù)計(jì)算公式。

污染物濃度成等比變化導(dǎo)致其危害程度成等差變化[20]，反映這種等比變化的分指數(shù)應(yīng)為標(biāo)度分指數(shù)：

與式(1)對應(yīng)的因子的歸一化標(biāo)度分指數(shù)為：

各因子權(quán)重W可由式(3)求得。

式中：為控制權(quán)值變化快慢的可調(diào)參數(shù)，當(dāng)值變小時(shí)，低段分指數(shù)的因子權(quán)值會增強(qiáng)，中段分指數(shù)的因子權(quán)值變化不大，而高段分指數(shù)因子的權(quán)值會受到較大減弱。為了如實(shí)反映各因子對環(huán)境的影響，本次取中間值1/2。

再將W歸一化為W，從而得到反映煤炭污染程度的廣義對比加權(quán)標(biāo)度指數(shù)公式：

式中：為微量有害元素的個(gè)數(shù)，取值11。

通過計(jì)算各評價(jià)因子臨界值的加權(quán)標(biāo)度指數(shù)，可以得出煤炭資源各潔凈程度區(qū)間，即，潔凈煤：∈(–∞,0.258)；較潔凈煤：∈(0.258,0.514)；較不潔凈煤：∈(0.514,0.748)；不潔凈煤：∈(0.748,∞)。具體計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 廣義對比加權(quán)標(biāo)度指數(shù)計(jì)算結(jié)果

4.2 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)各煤田煤中有害元素?cái)?shù)據(jù)化驗(yàn)及統(tǒng)計(jì)結(jié)果，對各煤田進(jìn)行煤炭清潔因子的標(biāo)度分指數(shù)及其權(quán)重計(jì)算，具體計(jì)算結(jié)果見表4和表5。

侏羅紀(jì)煤炭資源僅義馬煤田一個(gè)，煤炭資源潔凈潛勢受灰分、硫、砷、氟、鉛、鉻、錳等7個(gè)因子影響較大，見表5。

歸一化后因子權(quán)重W越高，說明該因子對該地區(qū)煤炭資源潔凈潛勢的影響程度越大。

各煤田二疊紀(jì)煤炭資源潔凈潛勢相差較大，灰分和硒元素對河南省各煤田煤炭資源潔凈潛勢的影響權(quán)重普遍較大。除義馬煤田硒評價(jià)因子權(quán)重W＜0.10外，其余煤田灰分和硒評價(jià)因子權(quán)重W＞0.10，表明河南省煤炭資源灰分和硒元素含量均較高。

除灰分和硒元素兩因子外，主要煤田中影響較大的因子如下：陜澠煤田為硫、氟、汞3個(gè)元素；新安煤田為硫、汞、鉻3個(gè)元素；偃龍煤田為硫、鉛、汞、鉻、錳等元素；登封煤田為硫和汞2個(gè)元素，禹州煤田為鉻、氟、氯等元素，平頂山煤田為硫、氟、鉛、鉻等元素，新密煤田為氟、汞、鉻等元素，滎鞏、安鶴、焦作、永夏4個(gè)煤田主要為氟、鉛、汞、鉻等元素。

表4 各煤田煤炭清潔因子的歸一化標(biāo)度分指數(shù)Ij

表5 各煤田煤炭清潔因子歸一化后權(quán)重Wj*

根據(jù)上述評價(jià)因子權(quán)重計(jì)算結(jié)果，再利用式(4)計(jì)算各煤田煤炭資源潔凈程度值，見表6。從表中可以看出，河南省各煤田煤炭資源潔凈潛勢最大的為陜澠煤田，達(dá)0.75；最小的為焦作煤田，為0.44。河南省煤炭資源無潔凈煤，大多數(shù)煤田為較潔凈煤。豫西地區(qū)煤中灰分和有害元素含量較高，新安、偃龍、義馬煤田為較不潔凈煤，陜澠煤田為不潔凈煤。

表6 河南省煤炭資源潔凈潛勢綜合指數(shù)及等級劃分

總體來看，河南省二1煤層煤炭資源潔凈潛勢的趨勢是自西向東，潔凈潛勢由不潔凈到較潔凈(圖2)。

5 河南省各類煤炭資源量及其利用方式

根據(jù)2011年河南省國土資源廳提交的《河南省煤炭資源利用現(xiàn)狀調(diào)查成果匯總報(bào)告》，河南省共計(jì)查明煤炭資源儲量282億t。本次評價(jià)除小煤礦及采樣困難的宜洛、汝州2個(gè)煤田外，其余12個(gè)煤田的煤炭資源儲量為270億t，占總查明資源儲量的95.94%。各潔凈潛勢等級煤炭資源儲量見表7。從調(diào)查評價(jià)結(jié)果看，河南省煤炭資源以較潔凈煤為主，整體質(zhì)量較好。

一般而言，較潔凈煤直接利用會對環(huán)境造成輕微污染，經(jīng)過洗選、脫灰脫硫處理后一般潔凈程度明顯向好，可減少環(huán)境污染。如平頂山、禹州、安鶴煤田生產(chǎn)的煉焦用煤或煉焦配煤，焦作、新密、永夏、安鶴煤田生產(chǎn)的高質(zhì)量動力用煤和化工用煤。

偃龍、新安、義馬等煤田為較不潔凈煤，陜澠煤田為不潔凈煤。這兩種潔凈潛勢等級的煤直接利用將會對周邊環(huán)境造成巨大污染。因此，對于此類潔凈潛勢煤應(yīng)全部進(jìn)行洗選，砷、氟、鉛、汞、錳元素通過物理洗選就可以有效脫除；陜澠煤田煤中硫以有機(jī)硫?yàn)橹?，煤中氯、鉻含量不高，物理洗選后脫除效果不明顯，可考慮用配煤的方法降低其含量；硒元素主要賦存在有機(jī)質(zhì)中，物理洗選脫除率不高，可以考慮通過煤的深度破碎后洗選脫除[21-23]。

6 結(jié)論

a. 煤炭資源潔凈潛勢劃分為潔凈煤、較潔凈煤、較不潔凈煤、不潔凈煤4個(gè)等級，本次選取灰分、硫、汞、氯、砷、氟、硒、鉛、鉻、鎘、錳等11個(gè)評價(jià)因子，利用廣義對比加權(quán)標(biāo)度指數(shù)法對河南省12個(gè)煤田的煤炭資源進(jìn)行了綜合評價(jià)，確定了河南省較潔凈煤、較不潔凈煤、不潔凈煤3種類型的煤炭資源潛勢。

b. 各煤田煤質(zhì)及組分不同，影響其資源潔凈潛勢的因子各不相同，其主要影響因子為灰分及硒，是評價(jià)煤炭資源潛勢決定性因素，其次影響因子為汞、鉻、氟元素。

圖2 河南省煤炭資源清潔類型分布

表7 河南省各潔凈潛勢等級煤炭資源查明儲量

c.從12個(gè)煤田評價(jià)結(jié)果看，自西向東，煤炭資源潔凈潛勢由不潔凈煤向較潔凈煤轉(zhuǎn)變。全省較潔凈煤占比87%，較不潔凈煤占比11%，不潔凈煤炭資源占比僅2%，整體煤炭潔凈度較好。

d. 煤炭資源利用時(shí)，建議根據(jù)各煤田煤類及煤質(zhì)特征，采用先進(jìn)的洗選煤工藝技術(shù)，生產(chǎn)出不同用途的潔凈煤類，以達(dá)到煤炭資源的清潔高效利用。

請聽作者語音介紹創(chuàng)新技術(shù)成果等信息，歡迎與作者進(jìn)行交流

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The potential of clean utilization of coal resources in main coalfields of Henan Province

ZHAO Mingzhen

(No.4 Institute of Geological and Mineral Resources Survey, Henan Bureau of Geo-Exploration and Mineral Development, Zhengzhou 450000, China)

In order to systematically analyze the distribution characteristics of the main harmful elements in coal in different coalfields of Henan Province and assess the potential of clean utilization of coal resources, through systematic collection of coal quality data of 12 coalfields and uniform sampling for test, the average content of 11 harmful elements in each coalfield was obtained. The weighted scale index method of generalized contrast was used to calculate the comprehensive indexof the clean potential of coal resources and assess the clean utilization potential of coal resources. The conclusion that the clean quality of coal resources in Henan Province shows the trend of gradual improvement, i.e., the coal is unclean–less clean–cleaner, The main factors affecting the clean potential assessment of coal resources are ash and selenium. Finally, the statistics of the coal resources of each clean grade in 12 coalfields were counted: cleaner coal resources are 23.5 billion tons, less clean coal resources 3 billion tons, unclean coal resources 500 million tons. The utilization direction was investigated. The research results have guiding significance for the clean and efficient utilization of coal resources in Henan Province.

coal resources; clean utilization; potential; influencing factor; Henan Province

P618.11

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.02.010

1001-1986(2020)02-0057-07

2019-11-20；

2020-01-15

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41773024)；河南省地勘基金項(xiàng)目(豫國土資發(fā)〔2016〕46號)

National Natural Science Foundation of China(41773024)；Geological Exploration Fund of Henan Province(Ytzf〔2016〕No.46)

趙明珍，1986年生，女，河南開封人，工程師，從事煤田地質(zhì)研究及找礦工作. E-mail：418791081@qq.com

趙明珍. 河南省主要煤田煤炭資源清潔利用潛勢[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2020，48(2)：57–63.

ZHAO Mingzhen. The potential of clean utilization of coal resources in main coalfields of Henan Province[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(2)：57–63.

(責(zé)任編輯 范章群)