神東礦區(qū)商品煤工藝性質(zhì)研究及其利用途徑分析

王 偉

(神東煤炭集團，陜西 榆林 719315)

煤炭是我國的基礎(chǔ)和支柱能源[1-2]。2018年煤炭消費總量占能源消費總量的59.0%，煤炭占一次能源消費比例首次低于60%[3]。但煤炭消費總量仍然保持增長趨勢，煤炭在今后較長時間內(nèi)仍將是中國主體能源的定位沒有變化[4-5]。但面對環(huán)境制約和市場下行壓力，煤炭行業(yè)的發(fā)展必須尋求符合國情的能源轉(zhuǎn)型路徑，遵循清潔低碳的發(fā)展要求[6-8]。在此背景下，國家《能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》、《煤炭清潔高效利用行業(yè)行動計劃 (2015—2020 年)》等政策將煤炭清潔高效開發(fā)和利用作為能源轉(zhuǎn)型的立足點和首要任務(wù)，指明了煤炭行業(yè)改革的發(fā)展方向是清潔高效利用[9-11]。

國家能源集團作為我國規(guī)模最大、現(xiàn)代化程度高的煤炭企業(yè)和世界上最大的煤炭供應(yīng)商，多年來一直在探索如何實現(xiàn)煤炭的清潔高效利用，目前通過煤炭清潔開采、清潔加工、清潔運輸、清潔發(fā)電、清潔轉(zhuǎn)化，形成了以煤為基礎(chǔ)的清潔能源供應(yīng)體系[12]。神東礦區(qū)是國家能源集團的主要原煤生產(chǎn)區(qū)域，現(xiàn)有大型現(xiàn)代化安全高產(chǎn)高效礦井13座、選煤廠11座，總產(chǎn)能近2億t。為了系統(tǒng)了解神東礦區(qū)商品煤性質(zhì)，探索商品煤合理利用途徑，改善產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，筆者對神東礦區(qū)的代表性商品煤進行了系統(tǒng)的理化性質(zhì)、工藝性質(zhì)分析，并對商品煤在燃料、原料、材料用煤、焦化用煤、高附加值材料等途徑進行了分析。

1 試驗樣品與測試方法

試驗樣品來自神東礦區(qū)所屬的11座選煤廠。在選煤廠生產(chǎn)穩(wěn)定的情況下，分別對大柳塔廠、保德廠、補連塔廠、榆家梁廠、上灣廠、哈拉溝廠、烏蘭木倫廠、石圪臺廠、錦界廠、布爾臺廠、煤制油廠生產(chǎn)的不同種類的商品煤采樣，采樣種類共計34種，采樣質(zhì)量約7 t。

采取的各個樣品經(jīng)過晾曬—混勻—稱量—縮分—篩分—破碎—制樣等一系列程序制備出粒度、質(zhì)量符合要求的分析樣品，進行商品煤各項性質(zhì)分析(見表1)。按照《煤的工業(yè)分析方法》(GB/T 212—2008)對樣品進行工業(yè)分析[13]；按照《煤中全硫的測定》(GB/T 214—2007)對樣品進行S元素含量測定[14]；按照《煤的可磨性指數(shù)測定方法-哈德格羅夫法》(GB/T 2565—2014)對樣品進行可磨性測定[15]；按照《煤的發(fā)熱量測定方法》(GB/T 213—2008)對樣品進行發(fā)熱量測定[16]；按照《煙煤黏結(jié)指數(shù)測定方法》(GB/T 5447—2014)、《煙煤膠質(zhì)層指數(shù)測定方法》(GB/T 479—2000)對樣品進行粘結(jié)指數(shù)和膠質(zhì)層厚度測定[17-18]；按照《煤的格金低溫干餾試驗方法》(GB/T 1341—2007)對樣品進行低溫干餾[19]；按照《煤灰熔融性的測定方法》(GB/T 219—2008)對樣品進行灰熔融性測定[20]；按照《煤的顯微組分和礦物的測定方法》(GB/T 8899—2013)、《煙煤顯微組分分類》(GB/T 15588—2013)對樣品進行煤巖組分測定[21-22]。

表1 商品煤性質(zhì)理化指標(biāo)分類

2 結(jié)果與分析

2.1 神東礦區(qū)商品煤性質(zhì)分析

2.1.1 基本性質(zhì)分析

(1)灰分等級。神東礦區(qū)商品煤灰分分布見圖1。

圖1 神東礦區(qū)商品煤灰分規(guī)律

由圖1可知，按《煤炭質(zhì)量分級 第1部分：灰分》(GB/T15224.1-2018)的規(guī)定，34個商品煤中特低灰煤22個，占比為65%，低灰煤9個，占比為27%，中灰煤2個，占比為6%，中高灰煤1個，占比為3%。可知神東礦區(qū)商品煤灰分普遍較低，中灰、中高灰煤比例不到1/10，主要為混煤產(chǎn)品。

(2)硫元素分析。神東礦區(qū)商品煤硫含量分布見圖2。

圖2 神東礦區(qū)商品煤硫含量分布

由圖2可知，神東礦區(qū)要求商品煤中全硫含量小于0.7%，商品煤中僅有大井混煤略高于0.7%，其他商品煤都在0.7%以下，且多數(shù)以特低硫煤(全硫含量小于0.5%)為主，占比為88%。

2.1.2 哈氏可磨性指數(shù)

按照煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《煤的哈氏可磨性指數(shù)分級》(MT/T 852-2000)規(guī)定，對神東礦區(qū)商品煤可磨性進行了分級，結(jié)果見圖3。

由圖3可知，神東礦區(qū)34種商品煤中，較難磨煤有31種，占比為91%；中等可磨煤僅有3種，占比為9%，具體為補連塔1-2煤混煤、烏蘭木倫末精煤、烏蘭木倫塊精煤。可見神東礦區(qū)商品煤絕大多數(shù)為較難磨煤，可磨性指數(shù)基本在40～65之間，烏蘭木倫煤可磨性相對較好。

2.1.3 發(fā)熱量

根據(jù)《煤炭質(zhì)量分級第3部分：發(fā)熱量》(GBT 15224.3—2018)規(guī)定，對神東礦區(qū)商品煤發(fā)熱量進行了分級，結(jié)果見圖4。

圖4 神東礦區(qū)商品煤發(fā)熱量分布

由圖4可知，神東礦區(qū)34種商品煤中，特高發(fā)熱量煤有1種，占比為2%，具體為大柳塔塊精煤；高發(fā)熱量煤有25種，占比為74%；中高發(fā)熱量煤有6種，占比為18%；中等發(fā)熱量煤2種，具體為保德北部區(qū)混煤，榆家梁4-3煤混煤，占比為6%?？梢娚駯|礦區(qū)商品煤以高發(fā)熱量煤為主，是優(yōu)質(zhì)、環(huán)保的動力煤產(chǎn)品，另外也說明神東礦區(qū)洗選效率高，顯著提高了產(chǎn)品質(zhì)量，保證了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。

2.1.4 粘結(jié)指數(shù)和膠質(zhì)層厚度

根據(jù)《煙煤黏結(jié)指數(shù)分級》(MT/T 596—2008)規(guī)定，對神東礦區(qū)商品煤粘結(jié)指數(shù)、膠質(zhì)層厚度進行了分級。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，神東礦區(qū)商品煤中僅有保德北部區(qū)混煤具有粘結(jié)指數(shù)，且都小于10，為微粘結(jié)煤，其余粘結(jié)指數(shù)均為0。粘結(jié)指數(shù)綜合反映了煤樣的粘結(jié)和結(jié)焦性，是評價焦化原料的關(guān)鍵指標(biāo)，以上分析表明神東礦區(qū)煤樣絕大多數(shù)為無粘結(jié)性煤。

神東礦區(qū)商品煤膠質(zhì)層厚度分布情況如下：活雞兔商品煤、保德商品煤、補連塔1-2和2-2商品煤、榆家梁商品煤共計10種，能產(chǎn)生一定數(shù)量的膠質(zhì)體；其余24種商品煤均無膠質(zhì)層產(chǎn)生。單從膠質(zhì)層厚度指標(biāo)看，神東礦區(qū)有少數(shù)商品煤具備成為煉焦配煤的可能性，但需要進一步分析研究。

2.1.5 低溫干餾

神東礦區(qū)商品煤低溫干餾測試結(jié)果見圖5至圖7。

圖5 神東礦區(qū)商品煤半焦產(chǎn)率分布

圖6 神東礦區(qū)商品煤煤焦油產(chǎn)率分布

圖7 神東礦區(qū)商品煤焦型

由圖5可知，神東礦區(qū)有19個商品煤的半焦產(chǎn)率分布在65%～70%之間，占比為56%；15個商品煤的半焦產(chǎn)率分布在70%～90%之間，占比為44%，其中保德北部區(qū)混煤和補連塔1-2精煤半焦產(chǎn)率達(dá)到80%以上。因此神東礦區(qū)商品煤屬于良好的半焦生產(chǎn)原料。

由圖6可知，神東礦區(qū)商品煤煤焦油產(chǎn)率分布基本在10%～20%，烏蘭木倫末精煤焦油產(chǎn)率最高，為23.00%，補連塔2-2混煤焦油產(chǎn)率最低，為5.00%。

由圖7可知，神東礦區(qū)商品煤焦型均為A、B型，各占一半左右，其中A型代表半焦不粘結(jié)，接觸就碎，B型代表微粘結(jié)，一拿就碎。進一步說明了神東礦區(qū)商品煤的粘結(jié)性、結(jié)焦性較差，難以作為傳統(tǒng)煉焦原料煤使用，這與粘結(jié)指數(shù)與膠質(zhì)層厚度指標(biāo)的分析結(jié)果基本一致。

2.1.6 煤灰熔融性

依據(jù)《煤灰熔融性分級》(MT/T 853—2000)的相關(guān)規(guī)定，對神東礦區(qū)商品煤的煤灰軟化溫度ST和煤灰流動溫度FT進行了分級評價，結(jié)果見圖8和圖9。

圖8 神東礦區(qū)商品煤煤灰軟化溫度分布

圖9 神東礦區(qū)商品煤灰分流動溫度分布

由圖8可知，神東礦區(qū)商品煤灰熔融性基本屬于較低軟化溫度，有27種，中等軟化溫度灰有2種，具體為補連塔1-2精煤和煤制油精煤，高軟化溫度灰有1種。說明神東礦區(qū)商品煤灰熔點較低，適合用于液態(tài)排渣的鍋爐或氣化爐設(shè)備。

由圖9可知，神東礦區(qū)商品煤灰流動溫度基本較低，中等流動溫度灰分僅有2種，高流動溫度灰僅有1種，具體為保德北部區(qū)混煤。結(jié)合氣流床液態(tài)排渣國標(biāo)要求FT不小于(1 100～1 450 ℃)可知，單從煤灰流動溫度來看，神東礦區(qū)商品煤除保德北部區(qū)混煤外，均適宜作為氣流床液態(tài)排渣的原料。

2.1.7 煤巖組分

神東礦區(qū)商品煤煤巖組分測定結(jié)果詳見圖10。

由圖10可知，神東礦區(qū)34種商品煤中，有機顯微組分以鏡質(zhì)組與惰質(zhì)組為主，含量達(dá)到94%以上，殼質(zhì)組含量極低，基本處于3%以下。鏡質(zhì)組含量基本處于35%～71%之間，大井塊煤最低為35.81%，哈拉溝塊精煤最高達(dá)到70.63%。結(jié)合《直接液化用原料煤技術(shù)條件》(GB/T 23810—2009)惰質(zhì)組含量小于45%的要求，可知神東礦區(qū)34種商品煤中有17種達(dá)到直接液化原料的要求。

2.2 神東礦區(qū)商品煤利用方向分析

2.2.1 神東礦區(qū)商品煤利用現(xiàn)狀

目前神東礦區(qū)主要生產(chǎn)動力用煤、制油用煤和煉焦配煤幾種產(chǎn)品，見表2。

表2 神東礦區(qū)商品煤利用現(xiàn)狀

通過表2可以發(fā)現(xiàn)，神東礦區(qū)商品煤普遍屬于特低灰、高發(fā)熱量的優(yōu)質(zhì)動力煤，煤種主要為長焰煤和不粘煤。煤制油選煤廠精煤可作為制油原料用煤；保德原煤為氣煤，洗選降灰后適宜用作煉焦配煤，另有少數(shù)礦的低灰精煤可作高爐噴吹原料用于煉焦煤行業(yè)，可提高煤炭附加值；其他煤炭資源的利用途徑以動力煤為主，分別適用于氣化、發(fā)電等。

按照目前的利用途徑，精塊煤、特低灰煤以及配焦煤產(chǎn)品的銷售價格相比以質(zhì)計價的動力煤，具有明顯的價格優(yōu)勢，因此這幾種產(chǎn)品也成為公司的主要效益增長點。

圖10 神東礦區(qū)商品煤微觀顯微組分組成分布

2.2.2 燃料用煤

燃料用煤包括發(fā)電、建材、氣化用煤。燃料用煤國標(biāo)對煤質(zhì)的要求整理歸納于表3。根據(jù)國標(biāo)的規(guī)定指標(biāo)，對34種商品煤在燃料方面的利用可行性進行了分析。

(1)適用于發(fā)電煤粉鍋爐的煤有17種，其他不宜使用的原因主要是灰熔點低，不滿足固態(tài)排渣的要求。

表3 燃料用煤相關(guān)國標(biāo)對煤質(zhì)的要求

(2)適用于常壓固定床氣化的煤有24種，其他不宜使用的原因主要是發(fā)熱量低、灰分超標(biāo)、灰熔點低及Y值超標(biāo)。

(3)適用于水煤漿氣流床的有32種，其他不宜使用的原因主要是灰分超標(biāo)和流動溫度高。

(4)適用于干煤粉氣流床的煤有32種，其他不宜使用的原因主要是灰分超標(biāo)和流動溫度高。

(5)適用于水泥回轉(zhuǎn)窯的煤有33種，其他不宜使用的原因主要是發(fā)熱量低、灰分超標(biāo)。

綜合分析可知，神東礦區(qū)商品煤均可作為燃料利用，尤其適用于氣化與建材。

2.2.3 原料用煤

作為原料利用，主要包括冶金焦、鑄造焦、高爐噴吹及直接液化。原料利用國標(biāo)對煤質(zhì)的要求整理歸納如表4。根據(jù)國標(biāo)規(guī)定指標(biāo)對34種商品煤在原料方面的利用可行性進行了分析。分析表明：

表4 原料用煤相關(guān)國標(biāo)對煤質(zhì)要求

(1)神東礦區(qū)商品煤由于粘結(jié)性差，不適用于傳統(tǒng)的冶金焦、鑄造焦原料，但可作為助燃摻配。

(2)適用于高爐噴吹的煤有15種，其他不宜使用的原因主要是灰分超標(biāo)、HGI超標(biāo)。

(3)適用于直接液化的煤有7種，其他不宜使用的原因主要是惰質(zhì)組含量高、HGI超標(biāo)。

綜合分析可知，神東礦區(qū)商品煤難以做為傳統(tǒng)煉焦煤使用，但可以部分用于高爐噴吹，代替稀缺的煉焦煤資源，擴大利用途徑，提升經(jīng)濟效益。對于部分灰分超標(biāo)的樣品可以考慮進行分選，對于HGI超標(biāo)的樣品可以考慮與其他商品煤配合使用，以擴展神東礦區(qū)商品煤在高爐噴吹方面的利用范圍。

2.2.4 材料用煤

材料利用包括蘭炭、煤基活性炭。材料利用國標(biāo)對煤質(zhì)的要求整理歸納如表5。根據(jù)國標(biāo)的規(guī)定指標(biāo)對34種商品煤在材料方面的利用可行性進行了分析。

表5 材料利用相關(guān)國標(biāo)對煤質(zhì)要求

(1)神東礦區(qū)商品煤灰分含量低，現(xiàn)有的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中有5種商品煤可以達(dá)到煤基活性炭的質(zhì)量要求，并可進一步制成高品質(zhì)超級電容器。如果在分選加工過程中降低分選密度，則將有更多的商品煤能滿足活性炭的質(zhì)量要求，因此神東礦區(qū)商品煤用于生產(chǎn)煤基材料完全可行，且具有良好的市場前景。

(2)適用于生產(chǎn)蘭炭的商品煤有30種，其他不宜使用的原因主要是灰分超標(biāo)。

以上分析表明，神東礦區(qū)商品煤用于煤基材料的生產(chǎn)是可行的，利用途徑主要是生產(chǎn)蘭炭與高品質(zhì)活性炭。這將極大提升企業(yè)經(jīng)濟效益，并為高效利用神東礦區(qū)優(yōu)質(zhì)煤炭資源提供有效途徑。

3 結(jié) 論

(1)神東礦區(qū)商品煤具有發(fā)熱量高、灰分低、熱穩(wěn)定性好、揮發(fā)分高、煤灰流動溫度低等天然優(yōu)點，作為燃料用煤具有得天獨厚的條件。燃料用煤是神東礦區(qū)煤的基礎(chǔ)和支柱用途，特別適用于常壓固定床氣化、氣流床氣化、建材用煤，也比較適用于煤粉發(fā)電。

(2)神東礦區(qū)商品煤不適于傳統(tǒng)的冶金焦、鑄造焦用煤，但可作為高爐噴吹用煤，以代替?zhèn)鹘y(tǒng)煉焦煤，且是直接液化用煤的優(yōu)良原料。原料利用適應(yīng)性相對不足，可作為主要輔助利用方向。

(3)神東礦區(qū)商品煤內(nèi)灰低及半焦、焦油產(chǎn)率高的優(yōu)點，使其在煤基活性炭和蘭炭等煤基材料方面利用空間大。作為材料用煤是神東礦區(qū)煤炭產(chǎn)品的主要輔助利用方向。