云南省煉焦煤資源分布及煤質(zhì)特征研究

陳 舉，張凝凝，范慶魁，王東升，梁 峰，李 揚

(1.云南曲煤焦化實業(yè)發(fā)展有限公司，曲靖 655338；2.煤炭科學技術研究院有限公司 煤化工分院，北京 100013;3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013)

0 引 言

煉焦煤為主要用于生產(chǎn)焦炭的原料煤，按中國煤炭分類主要分為氣煤、肥煤、氣肥煤、1/3焦煤、焦煤和瘦煤[1]。全球煉焦煤總量約1.34萬億t，在全球煤炭資源總量中占比不足10%。中國煉焦煤保有儲量2 633億t，占全國煤炭資源的26.25%[2]。在中國的煉焦煤儲量中，西南區(qū)經(jīng)濟可采儲量為69.22億t，占全國煉焦煤儲量的10.46%，位居全國第3位[3]。

目前我國煉焦煤資源分布不均衡，氣煤資源量占到煉焦煤總量的47%，但煉焦時配入量較少。而肥煤、焦煤煤資源量較小，優(yōu)質(zhì)的焦煤和肥煤占查明煤炭資源儲量比例不足6%和3%[4]。肥煤、焦煤和瘦煤是焦化生產(chǎn)過程中的“骨架性”煤種，高質(zhì)量的焦炭配煤原料離不開該3種煤種，對于焦化企業(yè)而言，其需求量很大。GB/T 26128—2010《稀缺、特殊煤炭資源的劃分與利用》將肥煤、焦煤和瘦煤等煤種劃分為稀缺煤種，并指出稀缺煤種的不可替代性和對國民經(jīng)濟具有重要價值。相關學者[5-6]也論述了我國肥煤、焦煤和瘦煤的資源稀缺性。我國西南賦煤區(qū)的煉焦煤資源以肥煤、焦煤和瘦煤為主，其中肥煤約占到36%，焦煤約占到38%，瘦煤約占到20%[7]，因此西南地區(qū)的煉焦煤是煉焦生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)原料煤。但近來年西南地區(qū)煉焦煤資源及煤質(zhì)特性的相關文獻報道較少。研究我國云南地區(qū)煉焦煤資源特性，對于研究西南地區(qū)煉焦煤資源以及西南地區(qū)的焦化企業(yè)降低煉焦配煤成本、穩(wěn)定焦炭質(zhì)量等都具有重要意義。

以下研究云南省的煉焦煤資源分布及煤質(zhì)特征，以期為有效推動西南地區(qū)焦化產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展奠定技術基礎。

1 云南省煤炭資源分布

云南省煤炭資源豐富，但煤炭資源地理分布不均衡，總體呈現(xiàn)東多西少的特征，曲靖、昭通、紅河3個東部州市保有資源量占全省的88%。云南省煤炭的變質(zhì)程度差距較大，以褐煤為主，其次為無煙煤、氣煤、肥煤、1/3焦煤、焦煤、瘦煤、貧瘦煤和貧煤等[8]。截至2019年底，全省煤炭資源總量為691億t，已探明儲量253億t，保有資源儲量為246億t[9]。云南省煤炭規(guī)劃礦區(qū)內(nèi)共規(guī)劃處一級清潔用煤55.69億t，其中一級焦化用煤23.06億t；二級清潔用煤158.65億t，其中二級焦化用煤28.45億t。云南省煤炭礦區(qū)分布如圖1所示。

圖1 云南省煤炭礦區(qū)分布Fig.1 Distribution map of coal mining areas in Yunnan Province

由圖1可知，煤炭資源基本分布在云南省東部地區(qū)，主要包括鎮(zhèn)雄、昭通、慶云、恩洪、老廠、跨竹及小龍?zhí)兜V區(qū)。煉焦煤煤礦大多在曲靖市內(nèi)，主要分布在宣威市、沾益區(qū)、麒麟?yún)^(qū)、羅平縣、師宗縣、陸良縣、會澤縣、富源縣等。根據(jù)目前云南省政府及能源局對整治云南省煤炭行業(yè)的精神和有關要求，截至2020年，曲靖市關閉64處煤礦，退出產(chǎn)能1 689萬t；單獨保留煤礦61家，保留生產(chǎn)/建設能力共計2 601萬t/a；整合重組煤礦48家，整合后煤礦生產(chǎn)能力共計1 726萬t/a。此次研究對曲靖市在產(chǎn)的117家煉焦煤煤礦進行調(diào)研，其中富源縣煉焦煤礦約占云南地區(qū)總煤礦的55%，宣威市約占25%，全省煉焦煤礦分布占比如圖2所示。

圖2 云南省煉焦煤礦分布占比Fig.2 Distribution and proportion of coking coal mines in Yunnan Province

綜合分析117家煤礦的產(chǎn)能可知，受煤層賦存條件、開采技術條件等因素的制約，云南地區(qū)的煉焦煤礦主要以中、小型煤礦為主，小型煉焦煤礦數(shù)量占全省煉焦煤礦總數(shù)的77.8%，占總產(chǎn)能的57.4%。云南省煉焦煤礦生產(chǎn)能力統(tǒng)計見表1。

表1 云南煉焦煤礦生產(chǎn)能力統(tǒng)計Table 1 Statistics on the production capacity of Yunnan coking coal mines

2 云南省煉焦煤煤質(zhì)特征及與其他地區(qū)對比

2.1 云南省煉焦煤質(zhì)特征

選取曲靖市(麒麟?yún)^(qū)、富源縣、師宗縣、宣威市)及紅河哈尼族彝族自治州等22個具有代表性的煉焦商品煤樣作為研究對象，并結(jié)合煉焦用煤技術要求，開展云南省煉焦煤的煤質(zhì)特性研究工作。

對實地采集的22個樣品依據(jù)GB/T 212、GB/T 214、GB/T 5447、GB/T 479、GB/T 25213、GB/T 1574等煤炭相關檢測標準，對煤樣開展分析測試。煤質(zhì)、煤巖及煤灰成分等統(tǒng)計結(jié)果分別見表2、表3及表4。

表2 云南煉焦煤的煤質(zhì)統(tǒng)計結(jié)果Table 2 Coal quality statistics of Yunnan coking coal mines

表3 云南煉焦煤的煤巖統(tǒng)計結(jié)果Table 3 Coal and rock statistics of Yunnan coking coal %

表4 云南煉焦煤的煤灰成分統(tǒng)計結(jié)果Table 4 Statistic results of Yunnan coking coal ash composition %

由表2可看出，按照GB/T 5751—2009《中國煤炭分類》，此次研究的22個煤樣主要以焦煤和1/3焦煤為主，其中富源縣的2個樣品為1/3焦煤，其他20個樣品均為焦煤。焦煤加熱時能產(chǎn)生穩(wěn)定性很高的膠質(zhì)體，單獨煉焦時能獲得塊度大、裂紋少、耐磨強度很高的優(yōu)質(zhì)焦炭，但焦煤在單煤煉焦時的膨脹壓力大，易損壞爐壁且使推焦困難，因此常被用于配煤煉焦，可起到提高焦炭機械強度的作用。

1/3焦煤是介于焦煤、肥煤和氣煤之間的過渡煤種，單煤種煉焦時一般能生成質(zhì)量較好的焦炭，其焦炭的抗碎強度接近且稍低于肥煤焦炭，但明顯高于氣肥煤和氣煤焦炭。揮發(fā)分小于33%的1/3焦煤可單煤種煉焦供中型高爐使用，是良好的配煤煉焦的骨架煤之一。

按照MT/T 850—2000《煤中全水分分級》，富源縣中1個煤樣為低全水分煤(LM)，占到樣本數(shù)的4.6%；另外4個煤樣和宣威市中的1個煤樣為中等全水分煤(MLM)，占到樣本數(shù)的22.7%；其余為中高全水分煤(MHM)，占樣本數(shù)的72.7%。

煤中的灰分直接影響焦炭質(zhì)量：灰分在煉焦生產(chǎn)中為雜質(zhì)物質(zhì)，不易被破碎，造成煉焦煤料的粒度分布不均勻，在煉焦時不熔融、不黏結(jié)也不收縮，其中較大的煤灰顆粒在焦炭內(nèi)形成裂紋中心，降低焦炭的機械強度和耐磨強度[10]。筆者所研究的云南煉焦煤灰分介于9.69%～19.12%，平均值為13.32%。按照GB/T 397—2009《煉焦用煤技術條件》，6個煤樣的灰分低于12%，符合冶金焦用原料煤技術要求，占到樣本數(shù)的27.3%。

煉焦過程中入爐煤大部分硫殘留在焦炭中，另一部分如有機硫則轉(zhuǎn)化為氣態(tài)硫化物，在流經(jīng)高溫焦炭層縫隙時，部分與焦炭反應生成復雜的硫碳復合物而轉(zhuǎn)入焦炭。在煉焦過程中，煤中硫大約80%～90%保留到焦炭中，而焦炭中的硫會影響焦炭的熱脆性；此外焦炭中的硫會使生鐵具有熱脆性，從而影響煉鐵。筆者所研究的云南煉焦煤全硫(St,d)介于0.14%～1.18%，平均值為0.41%。按照GB/T 397—2009，22個煤樣的全硫含量(St,d)全部低于1.75%，符合冶金焦用原料煤技術要求；僅位于紅河州瀘西縣的煤全硫含量(St,d)為1.18%，高于鑄造焦用原料煤技術要求。

在煉焦生產(chǎn)中應重視原料煤的鏡質(zhì)體反射率。鏡質(zhì)體反射率是國際上公認的、能全面并準確反映煉焦煤變質(zhì)程度的指標，煤的變質(zhì)程度越高則鏡質(zhì)體反射率越大。鏡質(zhì)體反射率直方圖和測定過程中的標準方差(S)均可幫助判別煉焦原料煤的混煤程度，反射率也是目前焦化企業(yè)指導煉焦配煤的常用指標之一。此次研究的云南省煉焦煤鏡質(zhì)組反射率介于1.0%～1.63%，平均值為1.27%。

我國煉焦商品精煤黏結(jié)指數(shù)平均值為75，大部分煉焦煤黏結(jié)指數(shù)介于70～90，焦煤平均黏結(jié)指數(shù)為80[11]。筆者研究的云南省煉焦煤樣品黏結(jié)指數(shù)介于71～92，平均值為84。按照MT/T 596—2008《煙煤黏結(jié)指數(shù)分級》標準，7個煤樣為中黏結(jié)煤(MCI)，占樣本數(shù)的31.8%；其他均為強黏結(jié)煤(SCI)，占樣本數(shù)的68.2%。我國大部分煉焦煤膠質(zhì)層指數(shù)Y值為15 mm～25 mm，焦煤Y值平均值為16 mm，筆者所研究云南地區(qū)煉焦煤Y值介于13 mm～19 mm，平均值為17 mm。云南地區(qū)的煉焦煤G值與Y值基本呈現(xiàn)線性正相關關系如圖3所示。

圖3 云南地區(qū)煉焦用煤GR.I與Y值的相關性Fig.3 The correlation between GR.I and Y value of coking coal in Yunnan area

煤的流動度作為煤的塑性指標之一，旨在表征煤在干餾時形成膠質(zhì)體的黏度及其塑性，用以研究煤的流變性和熱分解動力學，可用于指導配煤和進行焦炭強度預測。筆者研究的云南煉焦煤樣品流動度介于30ddpm～29 401 ddpm，變化范圍較廣，平均值為3 204 ddpm，中位值為1 021 ddpm。

2.2 云南省煉焦煤煤灰特性

煤灰成分是除煤化程度以外影響焦炭性質(zhì)的主要因素。灰成分中大多數(shù)元素的含量與煤種無明顯關系，煤灰成分變化主要由于不同產(chǎn)地煤灰成分變化所導致[12]。楊俊和等[13]提出以礦物質(zhì)堿度指數(shù)(MCI)評價煉焦煤煤灰特性及其對焦炭的影響，從煤中礦物質(zhì)的角度分析對焦炭熔損反應的催化作用，公式的分子主要為煤灰成分中的堿性氧化物含量以表達正催化作用，公式的分母主要為煤灰成分中的酸性氧化物含量以表達負催化作用。礦物質(zhì)堿度指數(shù)(MCI)越大，熱反應性(CRI)越大，反應后強度(CSR)越小。

有研究表明，MCI值高的煤主要為西北侏羅紀的低灰、低硫煤[12]。筆者根據(jù)樣品的煤灰成分測定結(jié)果，計算云南省煉焦煤礦物質(zhì)堿度指數(shù)(MCI)，并研究其灰分、硫分與MCI的相關性如圖4和圖5所示。

圖4 云南省煉焦用煤MCI與Ad的相關性Fig.4 Correlation between MCI and Ad of Yunnan coking coal

圖5 云南省煉焦用煤MCI與St,d的相關性Fig.5 Correlation between MCI and St,d of coking coal in Yunnan province

由圖4、圖5可知，云南省煉焦煤的MCI與灰分、硫分無明顯線性關系。

煤中鈉和鉀元素對于焦炭反應性具有較強的催化作用。研究表明焦炭中的鉀、鈉可導致焦炭與CO2的反應速度提高，鉀、鈉含量高時還使焦炭與CO2的反應開始溫度提前，以上均導致焦炭的強度降低，塊度加速粉化[14-15]，不利于高爐運轉(zhuǎn)，而焦炭中鉀、鈉幾乎都來自煤中的鉀、鈉。我國煉焦煤種堿金屬元素含量一般較低，煤灰中的K2O和Na2O平均含量分別為0.71%和0.56%。從表3中可看出，此次研究的云南各礦煉焦煤灰中K2O和Na2O含量普遍低于全國水平。中國煉焦煤中K含量介于0.011%～0.284%，平均含量為0.057%；Na含量介于0.007%～0.167%，平均含量為0.039%[12]。

云南省煉焦煤中Na和K含量與全國平均值的對比分別如圖6、圖7所示，從圖中可看出，云南省煉焦煤中Na和K含量均低于全國平均值。

圖6 云南省煉焦煤中Na含量Fig.6 Content of Na in coking coal in Yunnan province

圖7 云南省煉焦煤中K含量Fig.7 Content of K in coking coal in Yunnan province

2.3 與其他地區(qū)焦煤的對比

山西省是我國重要的煉焦煤生產(chǎn)基地，煉焦煤的保有儲量占全國煉焦煤總量的53%，煉焦煤產(chǎn)量占全國的43%，焦炭產(chǎn)量占全國的41%；蒙古國煤炭資源較為豐富，其煉焦煤具有低灰、低磷、黏結(jié)性較強等優(yōu)點[16]，受到我國焦化企業(yè)的歡迎，目前蒙古國為我國最大的進口煉焦煤來源[17]。筆者選取山西省古交、柳林、孝義、離石等地及蒙古國的典型焦煤，與云南焦煤的煤質(zhì)特征進行比對。蒙古國3號焦煤煤質(zhì)數(shù)據(jù)見表5。

表5 蒙古國3號焦煤的煤質(zhì)數(shù)據(jù)Table 5 Mongolian No.3 coking coal quality data

影響焦煤黏結(jié)性的主要原因在于煤的變質(zhì)程度和顯微組成，云南焦煤與山西焦煤和蒙3焦煤的鏡質(zhì)組含量、鏡質(zhì)組反射率對比分別如圖8、圖9所示。

圖8 云南焦煤與山西焦煤和蒙3焦煤的鏡質(zhì)組含量對比Fig.8 Vitrinite content of Yunnan coking coal compared with Shanxi coking coal and Mongolia No.3 coking coal

圖9 云南焦煤與山西焦煤和蒙3焦煤的鏡質(zhì)組反射率對比Fig.9 Vitrinite reflectance of Yunnan coking coal compared with Shanxi coking coal and Mongolia No.3 coking coal

由圖8、9發(fā)現(xiàn)：在鏡質(zhì)組分含量相當?shù)那闆r下將云南省與山西省焦煤和蒙3焦煤對比，其黏結(jié)指數(shù)差異不大；在山西焦煤、蒙3焦煤和云南焦煤黏結(jié)指數(shù)相差不多的情況下，山西省焦煤的反射率分布范圍較為集中，云南省的焦煤反射率分布顯得更為離散，蒙3焦煤的反射率相較于云南和山西焦煤處于中等偏下水平。

通過對比云南省焦煤、山西省焦煤和蒙3焦煤的全硫含量，發(fā)現(xiàn)云南省焦煤的全硫含量顯著低于山西省焦煤；蒙3焦煤對比山西焦煤的全硫含量處于較低水平，但對比云南焦煤的全硫含量則處于較高水平。云南焦煤的全硫含量普遍偏低，主要由于煤中硫含量的變化與煤層成煤沼澤水介質(zhì)相關，山西焦煤主要分布為太原組中部到南部地區(qū)，形成于廣闊的近海環(huán)境，沉積水介質(zhì)受海水影響，因此煤中硫含量較高[18-19]。而云南焦煤大多數(shù)分布在恩洪礦區(qū)，主要為晚二疊世煤，靠近西部康滇古陸，為特低-低硫煤[20]；位于云南省紅河州瀘西縣的焦煤，其成煤環(huán)境為海陸交互，全硫含量較高，但由于其中的黃鐵礦硫含量較高，占到全硫含量的90%以上，通過洗選后硫的含量大幅降低[21]，因此云南焦煤的硫分含量相較于其他地區(qū)焦煤的明顯偏低。

云南焦煤對比山西焦煤和蒙3焦煤的全硫含量如圖10所示。

圖10 云南焦煤與山西焦煤和蒙3焦煤全硫含量對比Fig.10 The total sulfur content of Yunnan coking coal compared with Shanxi coking coal and Mongolia No.3 coking coal

3 結(jié) 論

(1)云南省的煤炭資源基本分布在云南省的東部地區(qū)，主要涵括鎮(zhèn)雄、昭通、慶云、恩洪、老廠、跨竹及小龍?zhí)兜V區(qū)；而煉焦煤煤礦大多分布在曲靖市內(nèi)，主要分布在宣威市、沾益區(qū)、麒麟?yún)^(qū)、羅平縣、師宗縣、陸良縣、會澤縣、富源縣等。

(2)云南省煉焦煤礦主要以中、小型煤礦為主。小型煉焦煤礦數(shù)量占云南省煉焦煤礦總數(shù)的77.8%，占云南省煉焦煤總產(chǎn)能的57.4%。

(3)云南省煉焦煤主要以焦煤和1/3焦煤為主，其鏡質(zhì)體最大反射率介于1.0%～1.63%，干燥無灰基揮發(fā)分介于18.41%～36.16%，黏結(jié)指數(shù)介于70～90。

(4)云南省焦煤的黏結(jié)性與山西焦煤和蒙3焦煤相當，但受成煤環(huán)境影響，全硫含量顯著低于山西省和蒙3焦煤，主要以特低硫煤-低硫煤為主。

(5)云南省煉焦煤礦物質(zhì)堿度指數(shù)(MCI)與灰分、硫分無明顯線性關系。云南省煉焦煤灰中的K2O和Na2O含量普遍低于全國水平，煤中K和Na的平均含量顯著低于全國平均水平。