貴州省普安縣開泰煤礦煤中硫的分布特征研究

楊 瑞 琴

(貴州省煤田地質局一七四隊，貴州 貴陽 550008)

0 引 言

煤中硫是有害元素之一，供動力、氣化或煉焦使用時均會帶來較大的危害[1，2]。高硫煤用作動力燃料時會嚴重腐蝕鍋爐管道，燃燒后產生的SOx氣體還會污染空氣，不僅降低作物產量且嚴重危害人體健康，因此，如何降低煤中硫含量已成為目前用煤過程中亟待解決的問題[3]。

國內許多學者對高硫煤進行了研究和分析。胡軍等[4，5]研究指出，以有機硫為主的煤樣在煤炭脫硫過程中脫除效果較差。曹志德等[6-11]研究表明，煤中形態硫以黃鐵礦硫為主，隨著硫含量的增高，黃鐵礦硫的比例增大，有機硫的比例降低；反之比例增大。趙福平[12]研究得到，煤中St,d與Sp,d成正相關關系；楊劍波[13]研究指明，煤炭洗選是我國潔凈煤的源頭技術，煤炭通過先進的物理選煤技術可脫除黃鐵礦硫60%～80%，洗選煤是降低煤煙塵和SO2、NOx直接有效的潔凈技術；高弟等[14，15]研究表明，當St,d<0.9%時，脫硫率為負值，即通過洗選后煤中硫分不僅沒有降低卻反而有較大幅度的升高。

目前為止，學者們對煤中硫分布特征和洗選脫硫的研究較多，而對動力配煤[16]降硫措施的研究較少。文中除了對開泰煤礦煤中硫分布特征和洗選脫硫技術進行簡單闡述，還初步探討了動力配煤降硫措施，以期對今后煤炭開采利用的可行性、經濟性以及對國家環保政策的響應均可提供參考和借鑒作用。

1 研究區位置和含煤地層地質概況

研究區位于貴州省六盤水普安縣南部，普(安)—興(義)公路從礦區中部穿過，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，礦區面積約4 km2，交通較為方便。

開泰煤礦區域地質圖如圖1所示。

圖1 開泰煤礦區域地質圖Fig.1 Regional geological map of Kaitai coal mine

構造上位于揚子準地臺(Ⅰ級)黔北臺隆(Ⅱ級)六盤水斷陷(Ⅲ級)普安旋扭構造變形區黔西南渦輪構造(Ⅳ級)的泥堡背斜南西翼南端，單斜構造，礦區內地層略有起伏，地層傾向約350°，傾角為12°～21°，一般15°。礦區內無落差較大斷層，巷道僅揭露次一級小褶皺和落差較小斷層，礦區總體構造復雜程度為中等類型。至2016年9月30日，礦權范圍(準采標高+1 700 m～+1 000 m)內總保有資源總量3 758萬t。

礦區內出露地層從老到新有龍潭組(P3l)、長興組(P3c)、三疊系下統飛仙關組(T1f)及第四系(Q)，上二疊統龍潭組為井田主要含煤地層。

上二疊統龍潭組出露于礦區內南東部及邊界外，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砂巖、粉砂巖、泥質粉砂巖、粉砂質泥巖、泥巖、炭質泥巖、灰巖、泥灰巖及煤層組成，底部為灰白色鋁土質泥巖。厚度為193.53 m～235.34m，平均厚度為211.53m，與上覆二疊系上統長興組地層呈整合接觸。

礦區內主要含煤地層龍潭組厚度平均厚度211.53 m，含煤一般10～23層，全區含可采及大部可采煤層5層:17號、18號、19號、23號、26號。其中，全區可采煤層17號一層，大部可采煤層18號、19號、26號共3層，局部可采煤層23號此1層。可采總厚度4.28 m～14.11 m，平均厚度12.09 m，可采含煤系數為5.72%。

2 煤中硫的特征

按照(87)煤地字第656號《煤炭資源勘探采取規程》標準，此次研究共采集煤質化驗各類試驗樣83件，經云南省煤炭產品質量監督檢驗站進行化驗，嚴格按照勘查設計要求進行項目的化驗、測試。化驗數據進行抽樣密檢，未出現超差現象，化驗資料合格。

2.1 可采煤層硫分質量分級

礦區各可采煤層硫元素特征、降硫率及質量分級統計見表1。

從表1數據可知，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17號煤層為中硫煤，18號和19號煤層均為中高硫煤，23號和26號煤層均為高硫煤。全區降硫率平均值為54.64%，其中17號煤層為中等脫硫煤，18號、19號、23號和26號煤均為較易脫硫煤。

表1 礦區各可采煤層硫分特征、降硫率及分級統計表
Table 1 Statistical table of sulfur content characteristics,sulfur reduction rate and classification for each minable coal seam

煤層號1718192326全區原煤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質量分級(原煤)中硫中高硫中高硫高硫高硫-

2.2 可采煤層形態硫分析

全區原煤全硫大于1.00%的形態硫試樣共71件，原煤、浮煤的形態硫化驗結果匯總分別見表2、表3。

表2 原煤形態硫化驗結果匯總表
Table 2 Summary of test results of form sulfur in raw coal

煤層1718192326全區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化驗件數/件16151781571

表3 浮煤形態硫化驗結果匯總表
Table 3 Summary of test results of form sulfur for floating coal

煤層1718192326全區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化驗件數/件10111371252

由于煤中硫的存在形態通常分為有機硫和無機硫，無機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、硫化鐵硫和有機硫3種形態存在。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志。

硫化鐵硫主要以黃鐵礦的形態存在。黃鐵礦硫含量高的煤，一般易于洗選和脫除，而高有機硫的煤則難以去除，有時反而富集。因此為了評價煤的質量，不僅需要知道煤中總硫含量，還需知道各種形態硫的含量。對全硫<0.50%的原煤，煤中硫分主要是有機硫，即此種煤中的硫主要來自原始成煤植物且多存在于年輕煤中。洗選后，礦物質的減少，有機質含量的相對增加，浮煤硫分有時略高于原煤硫分，若含量減少，則減少值很小。

由上可知，在化驗原煤形態硫的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%，有機硫(So,d)含量為0.69%。原煤中的硫主要是以無機硫化鐵硫的形態存在，占總硫分的80.16%；硫酸鹽硫占總硫分的1.36%；有機硫占總硫分的18.48%；在化驗浮煤形態硫的52件樣品中，浮煤有機硫相對原煤有所增高，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%，表明無機硫經過洗選后一般均有降低。礦區井田除17號煤外，其它4層煤的硫分含量較高，通過洗選很難脫除煤中有機硫，可通過動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為自下而上逐漸減少，26號和23號煤為高硫煤，至19號和18號煤層為中高硫煤，最后17號煤層降為中硫煤。經洗選后的浮煤垂向變化規律與原煤相同，變化幅度較大，規律明顯。

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、18號和19號煤層含硫量由低到高總體分布均呈現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渡，其中，19號煤中硫煤南西部有條帶狀的中高硫煤分布。23號和26號煤所有點均分布為高硫煤。

(1)17號煤層。原煤硫分為0.81%～2.90%，平均含量為1.86%，屬中硫煤(MHS)。礦區內中硫煤、中高硫均有分布，中高硫煤主要分布在礦區西部及中部及東部邊緣區域，硫分含量為2.01 %～2.92 %，平均含量為2.37%，西部成零星點狀分布，中部呈環狀、半圓狀分布，至西部礦區邊界呈中斷狀態。其余地區均分布為中硫煤。整個礦區范圍內，中硫煤所占礦區面積較大，主要由中硫煤組成，中高硫煤區所占礦區面積較小。

(2)18號硫分含量為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、凸狀分布，其中礦區西部邊緣零星分布有中硫和高硫煤。“中高硫煤帶”和“高硫煤帶”所占礦區面積較大，“中硫煤帶”所占礦區面積較小。

(3)19號硫分含量為1.33%～4.99%，平均值為2.93%，屬中高硫煤(MHS)。礦區內分布有中硫煤、中高硫煤及高硫煤。從礦區西部至東部，硫分在此煤層平面上分布也呈明顯規律性，由礦區南西部向北東部呈帶狀、弧狀、凸狀展現為高硫煤帶、中高硫煤帶、中硫煤帶、中高硫煤帶和高硫煤帶，其中整個“硫帶”的核心是高硫煤帶，由鉆孔1001的1個點組成，在整個礦區邊緣東部，由201孔單獨零星組成中高硫煤帶，由此可見，“中高硫煤”總共分別組成3個帶，且與“其他帶”交替出現。“低硫煤帶”所占礦區面積較小，“中高硫帶”和“高硫帶”所占礦區面積較大。

(4)23號硫分含量為3.15%～5.22%，平均值為4.22%，屬高硫煤(HS)。礦區內所有采樣點均分布為高硫煤。

(5)26號硫分含量為3.52%～4.94%，平均值為4.23%，屬高硫煤(HS)。礦區內所有采樣點均分布為高硫煤。

4 動力配煤

開泰礦區硫分含量偏高，除了洗選脫硫外，還可采用動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、低硫分煤的質量不同，根據用戶的需求，配制出不同硫分的動力配煤，茲以人工配煤舉例計算。

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%。現要求配制出硫分1.00%以下的動力配煤，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，則乙礦煤的配比應為1-x。根據配煤硫分不超過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，配煤硫分即可不超過1.00%。有時為了便于配煤操作，可采用甲礦煤的配比為21%、乙礦煤的配比為79%的方案，此時配煤的硫分為:2.50%×21%+0.59%×79%=0.99%，即此種動力配煤的硫分含量為0.99%。

同理，還可計算出配煤的揮發分和發熱量。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約資源。

另外，全硫含量較高且有機硫含量也較高的特高硫煤，產量大，只采用與低硫煤相配的方法顯然無法使配煤的硫分達到1%以下，此時可在配煤的同時添加固硫劑，最大限度地將燃燒后的SO2氣體固定在灰渣中。使用動力配煤并加固硫劑的方法導致其經濟成本過高，無法普遍適用。所以，對特高硫煤礦區來說，建議適當限產。

5 結 論

(1)研究區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)構造上位于揚子準地臺(Ⅰ級)黔北臺隆(Ⅱ級)六盤水斷陷(Ⅲ級)普安旋扭構造變形區黔西南渦輪構造(Ⅳ級)的泥堡背斜南西翼南端，單斜構造，礦區總體構造復雜程度為中等類型。

(3)至2016年9月30日，礦權范圍(準采標高+1 700 m～+1 000 m)內總保有資源量總量3 758萬t。

(4)上二疊統龍潭組為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砂巖、粉砂巖、泥質粉砂巖、粉砂質泥巖、泥巖、炭質泥巖、灰巖、泥灰巖及煤層組成，底部為灰白色鋁土質泥巖。

(5)礦區內主要含煤地層龍潭組，厚度一般為211.53 m，全區可采及大部可采煤層包括17 號、18號、19號、23號、26號共5層，其中全區可采煤層17號，大部可采煤層18號、19號和26號3層，局部可采煤層23號。可采總厚度4.28 m～14.11 m，平均厚度為12.09 m，可采含煤系數5.72%。

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

(7)17號、18號和19號中硫的分布均展現出一定的規律性，且每個煤層硫分所展現出的規律性各不相同，如17號煤層硫分呈環狀、半圓狀；18號煤層硫分呈扇貝狀、弧形狀、帶狀、凸狀分布；19號煤層硫分呈帶狀、弧狀、凸狀分布，且形狀中部還分布有1個“核心帶”—中高硫煤帶。礦區主要可采煤層硫分此種規律性的分布特征，說明礦區硫分含量及分布與成煤環境有關。

(8)洗選脫硫和動力配煤能對煤起到降硫作用，但規模降硫時，其相應的經濟成本過高，還需進一步研究煤中降硫切實可行的措施。