貴州省普安縣開泰煤礦煤中硫的分布特征研究

楊 瑞 琴

(貴州省煤田地質(zhì)局一七四隊(duì)，貴州 貴陽(yáng) 550008)

0 引 言

煤中硫是有害元素之一，供動(dòng)力、氣化或煉焦使用時(shí)均會(huì)帶來(lái)較大的危害[1，2]。高硫煤用作動(dòng)力燃料時(shí)會(huì)嚴(yán)重腐蝕鍋爐管道，燃燒后產(chǎn)生的SOx氣體還會(huì)污染空氣，不僅降低作物產(chǎn)量且嚴(yán)重危害人體健康，因此，如何降低煤中硫含量已成為目前用煤過(guò)程中亟待解決的問(wèn)題[3]。

國(guó)內(nèi)許多學(xué)者對(duì)高硫煤進(jìn)行了研究和分析。胡軍等[4，5]研究指出，以有機(jī)硫?yàn)橹鞯拿簶釉诿禾棵摿蜻^(guò)程中脫除效果較差。曹志德等[6-11]研究表明，煤中形態(tài)硫以黃鐵礦硫?yàn)橹?，隨著硫含量的增高，黃鐵礦硫的比例增大，有機(jī)硫的比例降低；反之比例增大。趙福平[12]研究得到，煤中St,d與Sp,d成正相關(guān)關(guān)系；楊劍波[13]研究指明，煤炭洗選是我國(guó)潔凈煤的源頭技術(shù)，煤炭通過(guò)先進(jìn)的物理選煤技術(shù)可脫除黃鐵礦硫60%～80%，洗選煤是降低煤煙塵和SO2、NOx直接有效的潔凈技術(shù)；高弟等[14，15]研究表明，當(dāng)St,d<0.9%時(shí)，脫硫率為負(fù)值，即通過(guò)洗選后煤中硫分不僅沒(méi)有降低卻反而有較大幅度的升高。

目前為止，學(xué)者們對(duì)煤中硫分布特征和洗選脫硫的研究較多，而對(duì)動(dòng)力配煤[16]降硫措施的研究較少。文中除了對(duì)開泰煤礦煤中硫分布特征和洗選脫硫技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單闡述，還初步探討了動(dòng)力配煤降硫措施，以期對(duì)今后煤炭開采利用的可行性、經(jīng)濟(jì)性以及對(duì)國(guó)家環(huán)保政策的響應(yīng)均可提供參考和借鑒作用。

1 研究區(qū)位置和含煤地層地質(zhì)概況

研究區(qū)位于貴州省六盤水普安縣南部，普(安)—興(義)公路從礦區(qū)中部穿過(guò)，距普安縣城約60 km，距興義市約50 km。距南昆鐵路清水河站約15 km，礦區(qū)面積約4 km2，交通較為方便。

開泰煤礦區(qū)域地質(zhì)圖如圖1所示。

圖1 開泰煤礦區(qū)域地質(zhì)圖Fig.1 Regional geological map of Kaitai coal mine

構(gòu)造上位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)(Ⅰ級(jí))黔北臺(tái)隆(Ⅱ級(jí))六盤水?dāng)嘞?Ⅲ級(jí))普安旋扭構(gòu)造變形區(qū)黔西南渦輪構(gòu)造(Ⅳ級(jí))的泥堡背斜南西翼南端，單斜構(gòu)造，礦區(qū)內(nèi)地層略有起伏，地層傾向約350°，傾角為12°～21°，一般15°。礦區(qū)內(nèi)無(wú)落差較大斷層，巷道僅揭露次一級(jí)小褶皺和落差較小斷層，礦區(qū)總體構(gòu)造復(fù)雜程度為中等類型。至2016年9月30日，礦權(quán)范圍(準(zhǔn)采標(biāo)高+1 700 m～+1 000 m)內(nèi)總保有資源總量3 758萬(wàn)t。

礦區(qū)內(nèi)出露地層從老到新有龍?zhí)督M(P3l)、長(zhǎng)興組(P3c)、三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組(T1f)及第四系(Q)，上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M為井田主要含煤地層。

上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M出露于礦區(qū)內(nèi)南東部及邊界外，為1套海陸交互相、多旋回沉積組成的含煤巖系，主要由淺灰色、灰色、深灰色的薄至中層狀細(xì)砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖、炭質(zhì)泥巖、灰?guī)r、泥灰?guī)r及煤層組成，底部為灰白色鋁土質(zhì)泥巖。厚度為193.53 m～235.34m，平均厚度為211.53m，與上覆二疊系上統(tǒng)長(zhǎng)興組地層呈整合接觸。

礦區(qū)內(nèi)主要含煤地層龍?zhí)督M厚度平均厚度211.53 m，含煤一般10～23層，全區(qū)含可采及大部可采煤層5層:17號(hào)、18號(hào)、19號(hào)、23號(hào)、26號(hào)。其中，全區(qū)可采煤層17號(hào)一層，大部可采煤層18號(hào)、19號(hào)、26號(hào)共3層，局部可采煤層23號(hào)此1層?？刹煽偤穸?.28 m～14.11 m，平均厚度12.09 m，可采含煤系數(shù)為5.72%。

2 煤中硫的特征

按照(87)煤地字第656號(hào)《煤炭資源勘探采取規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)，此次研究共采集煤質(zhì)化驗(yàn)各類試驗(yàn)樣83件，經(jīng)云南省煤炭產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)站進(jìn)行化驗(yàn)，嚴(yán)格按照勘查設(shè)計(jì)要求進(jìn)行項(xiàng)目的化驗(yàn)、測(cè)試。化驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行抽樣密檢，未出現(xiàn)超差現(xiàn)象，化驗(yàn)資料合格。

2.1 可采煤層硫分質(zhì)量分級(jí)

礦區(qū)各可采煤層硫元素特征、降硫率及質(zhì)量分級(jí)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

從表1數(shù)據(jù)可知，原煤干燥基全硫含量為0.81%～5.22%，平均值為2.91%。浮煤干燥基全硫含量為0.71%～3.49%，平均值為1.41%。礦區(qū)17號(hào)煤層為中硫煤，18號(hào)和19號(hào)煤層均為中高硫煤，23號(hào)和26號(hào)煤層均為高硫煤。全區(qū)降硫率平均值為54.64%，其中17號(hào)煤層為中等脫硫煤，18號(hào)、19號(hào)、23號(hào)和26號(hào)煤均為較易脫硫煤。

表1 礦區(qū)各可采煤層硫分特征、降硫率及分級(jí)統(tǒng)計(jì)表
Table 1 Statistical table of sulfur content characteristics,sulfur reduction rate and classification for each minable coal seam

煤層號(hào)1718192326全區(qū)原煤St,d/%0.81～2.901.86(21)1.23～5.122.72(21)1.33～4.992.93(22)3.15～5.224.22(7)3.52～4.944.23(12)0.81～5.222.91(83)浮煤St,d/%0.71～1.490.97(21)0.74～2.091.14(22)0.80～2.121.27(23)1.49～3.492.02(12)1.38～2.872.10(16)0.71～3.491.41(94)降硫率/%47.8558.0956.6652.1350.3554.64質(zhì)量分級(jí)(原煤)中硫中高硫中高硫高硫高硫-

2.2 可采煤層形態(tài)硫分析

全區(qū)原煤全硫大于1.00%的形態(tài)硫試樣共71件，原煤、浮煤的形態(tài)硫化驗(yàn)結(jié)果匯總分別見(jiàn)表2、表3。

表2 原煤形態(tài)硫化驗(yàn)結(jié)果匯總表
Table 2 Summary of test results of form sulfur in raw coal

煤層1718192326全區(qū)St,d/%1.943.373.735.784.633.68Sp,d/%1.322.853.015.053.552.95Ss,d/%0.020.030.050.090.070.05So,d/%0.600.480.670.641.020.69化驗(yàn)件數(shù)/件16151781571

表3 浮煤形態(tài)硫化驗(yàn)結(jié)果匯總表
Table 3 Summary of test results of form sulfur for floating coal

煤層1718192326全區(qū)St,d/%1.061.311.021.882.111.49Sp,d/%0.290.570.320.890.680.52Ss,d/%0.000.010.000.010.010.01So,d/%0.770.730.890.981.430.97化驗(yàn)件數(shù)/件10111371252

由于煤中硫的存在形態(tài)通常分為有機(jī)硫和無(wú)機(jī)硫，無(wú)機(jī)硫包括硫酸鹽硫和硫化鐵硫2種，因此煤中硫主要以硫酸鹽硫、硫化鐵硫和有機(jī)硫3種形態(tài)存在。硫酸鹽主要是石膏，新鮮煤中硫酸鹽硫含量較低，氧化煤中含量較高，因此硫酸鹽硫含量的增加通常用作確定煤是否被氧化的標(biāo)志。

硫化鐵硫主要以黃鐵礦的形態(tài)存在。黃鐵礦硫含量高的煤，一般易于洗選和脫除，而高有機(jī)硫的煤則難以去除，有時(shí)反而富集。因此為了評(píng)價(jià)煤的質(zhì)量，不僅需要知道煤中總硫含量，還需知道各種形態(tài)硫的含量。對(duì)全硫<0.50%的原煤，煤中硫分主要是有機(jī)硫，即此種煤中的硫主要來(lái)自原始成煤植物且多存在于年輕煤中。洗選后，礦物質(zhì)的減少，有機(jī)質(zhì)含量的相對(duì)增加，浮煤硫分有時(shí)略高于原煤硫分，若含量減少，則減少值很小。

由上可知，在化驗(yàn)原煤形態(tài)硫的71件樣品中，全硫(St,d)含量平均為3.68%，硫化鐵硫(Sp,d)含量為2.95%，硫酸鹽硫(Ss,d)含量為0.05%，有機(jī)硫(So,d)含量為0.69%。原煤中的硫主要是以無(wú)機(jī)硫化鐵硫的形態(tài)存在，占總硫分的80.16%；硫酸鹽硫占總硫分的1.36%；有機(jī)硫占總硫分的18.48%；在化驗(yàn)浮煤形態(tài)硫的52件樣品中，浮煤有機(jī)硫相對(duì)原煤有所增高，平均值為0.97%，浮煤硫化鐵硫和硫酸鹽硫明顯降低，平均為0.52%和0.01%，表明無(wú)機(jī)硫經(jīng)過(guò)洗選后一般均有降低。礦區(qū)井田除17號(hào)煤外，其它4層煤的硫分含量較高，通過(guò)洗選很難脫除煤中有機(jī)硫，可通過(guò)動(dòng)力配煤等方式以利于高硫煤的利用。

3 煤中硫分布特征

3.1 垂向分布特征

煤層原煤、浮煤含量平均值垂向變化如圖2所示。原煤的整體變化趨勢(shì)為自下而上逐漸減少，26號(hào)和23號(hào)煤為高硫煤，至19號(hào)和18號(hào)煤層為中高硫煤，最后17號(hào)煤層降為中硫煤。經(jīng)洗選后的浮煤垂向變化規(guī)律與原煤相同，變化幅度較大，規(guī)律明顯。

圖2 各可采煤層中硫分含量垂向分布圖Fig.2 Vertical distribution of sulfur content in each minable coal seam

3.2 平面分布特征

在平面上，17號(hào)、18號(hào)和19號(hào)煤層含硫量由低到高總體分布均呈現(xiàn)NE向條帶狀分布，即均為由南西部的中硫煤、中高硫煤向北東方向的高硫煤過(guò)渡，其中，19號(hào)煤中硫煤南西部有條帶狀的中高硫煤分布。23號(hào)和26號(hào)煤所有點(diǎn)均分布為高硫煤。

(1)17號(hào)煤層。原煤硫分為0.81%～2.90%，平均含量為1.86%，屬中硫煤(MHS)。礦區(qū)內(nèi)中硫煤、中高硫均有分布，中高硫煤主要分布在礦區(qū)西部及中部及東部邊緣區(qū)域，硫分含量為2.01 %～2.92 %，平均含量為2.37%，西部成零星點(diǎn)狀分布，中部呈環(huán)狀、半圓狀分布，至西部礦區(qū)邊界呈中斷狀態(tài)。其余地區(qū)均分布為中硫煤。整個(gè)礦區(qū)范圍內(nèi)，中硫煤所占礦區(qū)面積較大，主要由中硫煤組成，中高硫煤區(qū)所占礦區(qū)面積較小。

(2)18號(hào)硫分含量為1.23%～5.12%，平均值為2.72%，屬中高硫煤(MHS)。硫分在此煤層平面上分布呈明顯規(guī)律性，由南西方向向北東方向，依次為中硫、中高硫和高硫煤等，并呈扇貝狀、弧形狀、帶狀、凸?fàn)罘植?，其中礦區(qū)西部邊緣零星分布有中硫和高硫煤?！爸懈吡蛎簬А焙汀案吡蛎簬А彼嫉V區(qū)面積較大，“中硫煤帶”所占礦區(qū)面積較小。

(3)19號(hào)硫分含量為1.33%～4.99%，平均值為2.93%，屬中高硫煤(MHS)。礦區(qū)內(nèi)分布有中硫煤、中高硫煤及高硫煤。從礦區(qū)西部至東部，硫分在此煤層平面上分布也呈明顯規(guī)律性，由礦區(qū)南西部向北東部呈帶狀、弧狀、凸?fàn)钫宫F(xiàn)為高硫煤帶、中高硫煤帶、中硫煤帶、中高硫煤帶和高硫煤帶，其中整個(gè)“硫帶”的核心是高硫煤帶，由鉆孔1001的1個(gè)點(diǎn)組成，在整個(gè)礦區(qū)邊緣東部，由201孔單獨(dú)零星組成中高硫煤帶，由此可見(jiàn)，“中高硫煤”總共分別組成3個(gè)帶，且與“其他帶”交替出現(xiàn)?！暗土蛎簬А彼嫉V區(qū)面積較小，“中高硫帶”和“高硫帶”所占礦區(qū)面積較大。

(4)23號(hào)硫分含量為3.15%～5.22%，平均值為4.22%，屬高硫煤(HS)。礦區(qū)內(nèi)所有采樣點(diǎn)均分布為高硫煤。

(5)26號(hào)硫分含量為3.52%～4.94%，平均值為4.23%，屬高硫煤(HS)。礦區(qū)內(nèi)所有采樣點(diǎn)均分布為高硫煤。

4 動(dòng)力配煤

開泰礦區(qū)硫分含量偏高，除了洗選脫硫外，還可采用動(dòng)力配煤方式降低煤中硫。

為了降低配煤成本，可采用該礦的1種高硫煤與另一低硫煤相配，并按高、低硫分煤的質(zhì)量不同，根據(jù)用戶的需求，配制出不同硫分的動(dòng)力配煤，茲以人工配煤舉例計(jì)算。

如采用甲礦的中高硫煤，硫分為2.50%；乙礦的低硫煤，硫分為0.59%?，F(xiàn)要求配制出硫分1.00%以下的動(dòng)力配煤，則按如下程序確定配比。若總配煤比為1，甲礦煤的配比為x，則乙礦煤的配比應(yīng)為1-x。根據(jù)配煤硫分不超過(guò)1.00%的要求，可按下列方程求出x:2.50x+0.59(1-x)≤1.00,解方程得x=0.214 7，1-x=0.785 3，即甲礦煤和乙礦煤的配比分別為21.47%和78.53%時(shí)，配煤硫分即可不超過(guò)1.00%。有時(shí)為了便于配煤操作，可采用甲礦煤的配比為21%、乙礦煤的配比為79%的方案，此時(shí)配煤的硫分為:2.50%×21%+0.59%×79%=0.99%，即此種動(dòng)力配煤的硫分含量為0.99%。

同理，還可計(jì)算出配煤的揮發(fā)分和發(fā)熱量。該種配煤方式既可降低煤中硫含量，又有利于煤的完全燃燒和節(jié)約資源。

另外，全硫含量較高且有機(jī)硫含量也較高的特高硫煤，產(chǎn)量大，只采用與低硫煤相配的方法顯然無(wú)法使配煤的硫分達(dá)到1%以下，此時(shí)可在配煤的同時(shí)添加固硫劑，最大限度地將燃燒后的SO2氣體固定在灰渣中。使用動(dòng)力配煤并加固硫劑的方法導(dǎo)致其經(jīng)濟(jì)成本過(guò)高，無(wú)法普遍適用。所以，對(duì)特高硫煤礦區(qū)來(lái)說(shuō)，建議適當(dāng)限產(chǎn)。

5 結(jié) 論

(1)研究區(qū)位于貴州省六盤水普安縣南部，面積約4 km2，交通較為方便。

(2)構(gòu)造上位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)(Ⅰ級(jí))黔北臺(tái)隆(Ⅱ級(jí))六盤水?dāng)嘞?Ⅲ級(jí))普安旋扭構(gòu)造變形區(qū)黔西南渦輪構(gòu)造(Ⅳ級(jí))的泥堡背斜南西翼南端，單斜構(gòu)造，礦區(qū)總體構(gòu)造復(fù)雜程度為中等類型。

(3)至2016年9月30日，礦權(quán)范圍(準(zhǔn)采標(biāo)高+1 700 m～+1 000 m)內(nèi)總保有資源量總量3 758萬(wàn)t。

(4)上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M為1套海陸交互相、多旋回沉積組成的含煤巖系，主要由淺灰色、灰色、深灰色的薄至中層狀細(xì)砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖、炭質(zhì)泥巖、灰?guī)r、泥灰?guī)r及煤層組成，底部為灰白色鋁土質(zhì)泥巖。

(5)礦區(qū)內(nèi)主要含煤地層龍?zhí)督M，厚度一般為211.53 m，全區(qū)可采及大部可采煤層包括17 號(hào)、18號(hào)、19號(hào)、23號(hào)、26號(hào)共5層，其中全區(qū)可采煤層17號(hào)，大部可采煤層18號(hào)、19號(hào)和26號(hào)3層，局部可采煤層23號(hào)?？刹煽偤穸?.28 m～14.11 m，平均厚度為12.09 m，可采含煤系數(shù)5.72%。

(6)開泰煤礦以高硫煤為主，其中17號(hào)煤為中硫煤，18號(hào)和19號(hào)煤層為中高硫煤，23號(hào)和26號(hào)煤層為高硫煤。

(7)17號(hào)、18號(hào)和19號(hào)中硫的分布均展現(xiàn)出一定的規(guī)律性，且每個(gè)煤層硫分所展現(xiàn)出的規(guī)律性各不相同，如17號(hào)煤層硫分呈環(huán)狀、半圓狀；18號(hào)煤層硫分呈扇貝狀、弧形狀、帶狀、凸?fàn)罘植迹?9號(hào)煤層硫分呈帶狀、弧狀、凸?fàn)罘植?，且形狀中部還分布有1個(gè)“核心帶”—中高硫煤帶。礦區(qū)主要可采煤層硫分此種規(guī)律性的分布特征，說(shuō)明礦區(qū)硫分含量及分布與成煤環(huán)境有關(guān)。

(8)洗選脫硫和動(dòng)力配煤能對(duì)煤起到降硫作用，但規(guī)模降硫時(shí)，其相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)成本過(guò)高，還需進(jìn)一步研究煤中降硫切實(shí)可行的措施。