河南省主要煤田煤炭资源清洁利用潜势_赵明珍.pdf

第 48 卷 第 2 期 煤田地质与勘探 Vol. 48 No.2 2020 年 4 月 COAL GEOLOGY clean utilization; potential; influencing factor; Henan Province 煤炭大规模粗放式的开采利用引起了一系列生 态环境问题，环境保护要求日趋严格，在能源结构 调整及环保的双重压力下，煤炭资源的清洁利用已 成为煤炭工业发展的重中之重[1-3]。河南省是煤炭生 产消费大省，根据河南省“十三五”能源规划，全省 能源消费总量中煤炭占比达 76，短期内难以找到 可替代的清洁能源，煤炭资源的清洁利用是减少燃 煤污染的一条重要途径。 煤炭资源的清洁利用分为两个方面一是选取 洁净煤炭资源直接利用，即煤中含有的灰分、硫分 及其他有害元素含量低于一定指标，在加工利用过 程中不会对环境构成潜在污染或污染程度极低的 ChaoXing 58 煤田地质与勘探 第 48 卷 煤；二是洁净煤技术，旨在减少污染排放与提高利 用效率的加工、燃烧、转化和污染控制等新技术的 总称[4]。近年来，洁净煤技术发展较快，雷仲敏等[5] 针对现有洁净煤技术评价中存在的问题， 基于经济– 能源–环境3E分析建立起一种新的宏观技术评价 模式；任世华等[6]利用网络 Delphi 法研究洁净煤技 术评价指标体系权重；俞珠峰等[7]研究了洁净煤技 术评价方法及 CCTM 的建模方法。然而，针对煤炭 资源清洁利用潜势评价工作较少，仅少数学者对部 分地区个别煤田进行了评价[8-10]，且传统的商品煤 质量评价中侧重灰分和硫分，煤中的其他有害微量 元素评价不足。基于前人的研究基础和现状，笔者 通过分析灰分和 10 种主要有害元素含量， 对河南省 主要煤田煤炭资源清洁利用潜势进行了分析评价， 以期为研究区煤炭资源的清洁、 高效利用提供参考。 1 地质概况 河南省煤炭资源分布区处于华北坳陷南缘，上 古生界石炭、二叠系为重要含煤地层，其次为中生 界侏罗系，分布于陕渑–宜洛–鲁山–平顶山–确山– 固始一线以北[11-14]。根据全省构造区划及主要煤系 赋存特征和聚煤特征，将河南省划分为太行赋煤构 造带、崤熊赋煤构造带、嵩箕–豫东赋煤构造带和秦 岭–大别山赋煤构造带等 4 大赋煤构造带[15]， 进一步 细分为 20 个煤田及找煤区[16-19]图 1。 石炭–二叠纪 含煤地层总厚 520950 m，分 9 个煤组段，含煤 1574 层，各地含煤性有一定差异，自 NW 向 SE 煤层层数增多、同时代同煤层成煤时间渐晚。二叠 系山西组二 1煤为全省主要可采煤层，层位稳定， 厚度 037.79 m，平均 4.10 m，多为中厚厚煤层， 且以厚煤层为主。二 1煤层厚度具有北厚南薄、由西 向东为薄厚薄的展布规律。侏罗纪煤层主要分布 于义马盆地， 其中， 义马组选取 23 号煤为研究对象。 2 采样及化验 选取永夏煤田、禹州煤田、平顶山煤田、新密 煤田、荥巩煤田、陕渑煤田、登封煤田、偃龙煤田、 新安煤田、焦作煤田、安鹤煤田、义马煤田等 12 个 主要煤田采集样品 206 个，采样方法在井下工作 面沿煤层由上至下按照 GB/T 4822008煤层煤样 采取方法 ，采用连续刻槽法进行全层采样。采样点 布设原则上各煤田均匀分布，深浅兼顾。 Ⅰ秦岭大别山造山带Ⅰ1南秦岭造山带；Ⅰ2北秦岭造山带；Ⅱ华北板块Ⅱ1崤熊构造区；Ⅱ2嵩箕构造区；Ⅱ3太行构造区 图 1 河南省构造分区及煤田位置[15] Fig.1 Tectonic zoning and location of coalfields in Henan Province[15] ChaoXing 第 2 期 赵明珍 河南省主要煤田煤炭资源清洁利用潜势 59 使用 HK-8100 系列 ICP 光谱仪对样品进行化验 测试，测试 11 种有害元素。仪器精密度 RSD≤ 1.50；稳定性RSD≤2；检出限PPb 级。样 品化验由河南省煤炭质量监督检验中心完成。 为使数据更具代表性，以提高评价准确性，同 时收集了各煤田勘探报告煤质及有害元素数据加以 分析利用。 各煤田煤中灰分和 10 种主要有害元素数 据统计结果见表 1，所有数据均为干燥基基准。 表 1 河南省各煤田煤中灰分和有害元素数据统计 Table 1 List of ash and harmful elements in coal fields 煤田 灰分 ωA/ 硫分 ωSt/ 砷 As/ mgkg–1 氟 F/ mgkg–1 氯 ωCl/ mgkg–1 铅 Pb/ mgkg–1 汞 Hg/ mgkg–1 镉 Cd/ mgkg–1 铬 Cr/ mgkg–1 硒 Se/ mgkg–1 锰 Mn/ mgkg–1 陕渑 21.68/230 2.59/231 5.17/18 288/18 0.037/18 22.47/160.648/160.06/1631.84/16 6.35/16 165.22/16 义马 20.93/154 0.57/125 6.09/11 259/11 0.017/11 26.64/90.073/80.04/8 40.04/9 0.30/8 120.46/7 新安 20.32/200 2.00/199 2.43/21 122/18 0.045/21 22.89/90.650/90.06/7 30.16/9 4.43/7 47.39/9 偃龙 17.47/93 0.84/91 1.10/11 114/11 0.016/11 26.27/90.252/90.02/9 18.35/10 4.00/9 259.43/9 荥巩 18.66/174 0.44/153 2.42/64 240/68 0.023/57 41.40/90.369/90.34/9 23.77/9 4.49/9 82.62/7 登封 15.27/307 1.21/279 2.25/60 103/24 0.027/26 11.72/80.228/80.03/8 14.47/8 5.20/8 60.48/8 禹州 16.36/442 0.50/416 1.81/83 126/83 0.030/86 8.70/340.164/250.22/1819.30/22 7.97/22 111.37/13 平顶山 17.45/216 0.54/160 2.34/33 103/22 0.046/35 17.99/330.075/140.42/1523.19/15 2.91/15 16.33/7 新密 15.65/320 0.36/289 1.31/117 116/101 0.026/10816.06/220.094/210.11/2216.06/22 4.25/21 50.62/19 安鹤 16.70/287 0.34/215 1.40/76 131/68 0.039/74 22.36/390.156/180.16/1716.28/17 4.60/17 48.39/15 焦作 16.26/130 0.42/109 3.00/53 101/50 0.015/46 14.79/360.174/300.30/2413.64/29 4.40/28 44.08/14 永夏 16.63/400 0.49/333 1.94/36 115/36 0.030/35 23.88/210.140/210.03/2112.16/21 3.73/21 27.47/21 注16.70/287 表示平均数值/样品个数，其他数据相同。 3 煤炭资源洁净潜势评价因子选取和等级划分 评价因子选取主要从全面性、开放性、整体 性、可比性、可操作性和通用性等方面考虑。本 次选取灰分、硫、汞、氯、砷、氟、硒、铅、铬、 镉、锰等 11 个指标作为煤炭资源洁净潜势评价 因子。 根据潜在污染程度， 结合中国煤炭地质总局“十 五”重点科技项目“中国洁净煤地质研究”的相关研 究成果，将煤炭资源洁净潜势划分为洁净煤、较洁 净煤、较不洁净煤、不洁净煤 4 个等级[2]。4 种等级 各因子含量限值见表 2。 表 2 评价因子的 4 级含量限值 Table 2 Four level concentration limits of uation factors 评价因子含量限值 参 数 ωA/ ωSt/ F/ mgkg–1 As/ mgkg–1 Hg/ mgkg–1 Cr/ mgkg–1 Cd/ mgkg–1 Se/ mgkg–1 Pb/ mgkg–1 Cl/ mgkg–1 Mn/ mgkg–1 背景值 Cj0 2.5 0.3 70 3.5 0.06 3 0.8 0.6 6.5 200 60 洁净煤限值 Cj1 5.0 0.5 80 5.0 0.13 7 1.5 1.2 13.0 350 100 较洁净煤限值 Cj2 10.0 1.0 150 7.0 0.25 17 2.5 2.5 25.0 600 160 较不洁净煤限值 Cj3 20.0 1.5 200 10.0 0.50 40 4.0 5.0 50.0 1 000 250 不洁净煤外推 Cjd 40.0 2.5 300 15.0 1.00 96 7.0 10.0 100.0 1 600 400 注灰分 ωA/和硫分 ωSt/数值为质量分数，其余为质量浓度。Cj0、Cj1、Cj2、Cj3和 Cjd的定义如式1所示。 4 数据及分析 4.1 评价方法 衡量煤炭洁净的主要依据是燃煤排放大气污染 物对环境的危害程度，危害程度可用指数来表示， 本次采用广义对比加权标度指数法按照“等比赋值， 等差分级”的原则[20]， 用标度分指数表示单项煤中有 害元素含量，并采用对标度分指数进行广义对比加 权的因子赋权法，导出煤炭洁净潜势的广义对比加 权的标度指数计算公式。 污染物浓度成等比变化导致其危害程度成等差变 化[20]，反映这种等比变化的分指数应为标度分指数 Kj ** k0 lg/ lg jj j j CC K a  1 式中Cjk为 j 元素的实测含量；Cj0为 j 元素的背景 含量值；aj为元素相邻两级的重要性比值，ajCjd/ ChaoXing 60 煤田地质与勘探 第 48 卷 Cj01/9；Cjd为 j 元素的显著危害含量值； * k j C 1 k/mg kg j C  ； *1 00/mg kg jj CC  。 与式1对应的 j 因子的归一化标度分指数 为 ** k0 ** d0 lglg 1 9lglg jj jj jj CC IK CC    2 式中 *1 dd/mg kg jj CC  。 各因子权重 Wj可由式3求得。 1 1 1 200.5 1210.51 1211 00 pp jj pp jj j pp jj j II II W II I              ≤≤ ≤ 3 式中p 为控制权值变化快慢的可调参数，当 p 值 变小时，低段分指数的因子权值会增强，中段分指 数的因子权值变化不大，而高段分指数因子的权值 会受到较大减弱。为了如实反映各因子对环境的影 响，本次取中间值 1/2。 再将 Wj归一化为 Wj*，从而得到反映煤炭污染 程度的广义对比加权标度指数公式 * 1 m jj j IW I   4 式中m 为微量有害元素的个数，取值 11。 通过计算各评价因子临界值的加权标度指数， 可以得出煤炭资源各洁净程度 I 区间，即，洁净煤 I∈–∞,0.258；较洁净煤I∈0.258,0.514；较不洁 净煤I∈0.514,0.748；不洁净煤I∈0.748,∞。 具体计算结果见表 3。 表 3 广义对比加权标度指数计算结果 Table 3 Results of generalized contrast weighted scale index 评价因子分指数 洁净煤分级/分指数 A St F As Hg Cr Cd Se Pb Cl Mn 综合 指数 I 洁净煤/分指数 Ij1 0.250 0.241 0.245 0.2450.275 0.2440.2900.2460.254 0.269 0.269 0.258 较洁净煤/分指数 Ij2 0.500 0.568 0.524 0.4760.5070.501 0.5250.5070.493 0.528 0.517 0.514 较不洁净煤/分指数 Ij3 0.750 0.759 0.721 0.7210.7540.7470.742 0.7540.746 0.774 0.752 0.748 4.2 数据分析 根据各煤田煤中有害元素数据化验及统计结 果，对各煤田进行煤炭清洁因子的标度分指数及其 权重计算，具体计算结果见表 4 和表 5。 侏罗纪煤炭资源仅义马煤田一个，煤炭资源洁 净潜势受灰分、硫、砷、氟、铅、铬、锰等 7 个因 子影响较大，见表 5。 归一化后因子权重 Wj*越高， 说明该因子对该地 区煤炭资源洁净潜势的影响程度越大。 各煤田二叠纪煤炭资源洁净潜势相差较大，灰 分和硒元素对河南省各煤田煤炭资源洁净潜势的影 响权重普遍较大。除义马煤田硒评价因子权重 Wj*＜ 0.10 外，其余煤田灰分和硒评价因子权重 Wj*＞0.10， 表明河南省煤炭资源灰分和硒元素含量均较高。 除灰分和硒元素两因子外，主要煤田中影响较 大的因子如下陕渑煤田为硫、氟、汞 3 个元素； 新安煤田为硫、汞、铬 3 个元素；偃龙煤田为硫、 铅、汞、铬、锰等元素；登封煤田为硫和汞 2 个元 素，禹州煤田为铬、氟、氯等元素，平顶山煤田为 硫、氟、铅、铬等元素，新密煤田为氟、汞、铬等 元素，荥巩、安鹤、焦作、永夏 4 个煤田主要为氟、 铅、汞、铬等元素。 表 4 各煤田煤炭清洁因子的归一化标度分指数Ij Table 4 Normalized scaling exponents of coal cleaning factors in coalfields 煤田 A St As F Cl Pb Hg Cd Cr Se Mn 陕渑 0.779 1.017 0.268 0.9720.296 0.454 0.846 –1.1940.682 0.839 0.534 义马 0.766 0.303 0.381 0.899–0.0780.516 0.07 –1.3810.748 –0.246 0.367 新安 0.756 0.895 –0.251 0.3820.39 0.461 0.847 –1.1940.666 0.711 –0.124 偃龙 0.701 0.486 –0.795 0.335–0.1070.511 0.51 –1.7010.523 0.674 0.772 荥巩 0.725 0.181 –0.254 0.8470.067 0.677 0.646 –0.3940.597 0.715 0.169 登封 0.653 0.658 –0.304 0.2650.144 0.216 0.475 –1.5140.454 0.768 0.004 禹州 0.678 0.241 –0.453 0.4040.195 0.107 0.357 –0.5950.537 0.919 0.326 平顶山 0.701 0.277 –0.277 0.2650.401 0.372 0.079 –0.2970.59 0.561 –0.686 新密 0.662 0.086 –0.675 0.3470.126 –0.0020.349 –0.9150.484 0.696 –0.09 安鹤 0.685 0.059 –0.63 0.4290.321 0.452 0.349 –0.7420.488 0.725 –0.113 焦作 0.554 0.159 –0.106 0.253–0.1380.301 0.378 –0.4680.437 0.706 –0.163 永夏 0.683 0.231 –0.405 0.34 0.255 0.476 0.311 –1.5140.404 0.649 –0.412 ChaoXing 第 2 期 赵明珍 河南省主要煤田煤炭资源清洁利用潜势 61 表 5 各煤田煤炭清洁因子归一化后权重Wj* Table 5 Normalized factor weight Wj* 煤田 A S As F Cl Pb Hg Cd Cr Se Mn 陕渑 0.11 0.18 0.06 0.14 0.06 0.08 0.12 0 0.06 0.12 0.08 义马 0.16 0.10 0.11 0.19 0 0.13 0.05 0 0.16 0 0.11 新安 0.14 0.17 0 0.09 0.09 0.10 0.15 0 0.12 0.13 0 偃龙 0.14 0.12 0 0.10 0 0.12 0.12 0 0.12 0.14 0.15 荥巩 0.14 0.07 0 0.16 0.04 0.13 0.13 0 0.12 0.14 0.07 登封 0.15 0.15 0 0.10 0.07 0.09 0.13 0 0.13 0.17 0.01 禹州 0.14 0.08 0 0.11 0.11 0.05 0.10 0 0.12 0.19 0.10 平顶山 0.17 0.11 0 0.10 0.13 0.12 0.06 0 0.16 0.15 0 新密 0.20 0.07 0 0.14 0.08 0 0.14 0 0.16 0.20 0 安鹤 0.16 0.05 0 0.13 0.11 0.13 0.11 0 0.14 0.17 0 焦作 0.17 0.09 0 0.12 0 0.13 0.14 0 0.15 0.20 0 永夏 0.17 0.09 0 0.11 0.10 0.13 0.11 0 0.12 0.16 0 根据上述评价因子权重计算结果， 再利用式4 计算各煤田煤炭资源洁净程度 I 值，见表 6。从表 中可以看出，河南省各煤田煤炭资源洁净潜势最 大的为陕渑煤田，达 0.75；最小的为焦作煤田， 为 0.44。河南省煤炭资源无洁净煤，大多数煤田 为较洁净煤。豫西地区煤中灰分和有害元素含量 较高，新安、偃龙、义马煤田为较不洁净煤，陕 渑煤田为不洁净煤。 表 6 河南省煤炭资源洁净潜势综合指数及等级划分 Table 6 Calculation results and classification table of clean potential of coal resources in Henan 煤田 煤层 洁净潜势 I 洁净潜势等级 陕渑 二1 0.75 不洁净 义马 2-3 0.60 新安 二1 0.68 较不洁净 偃龙 二1 0.58 荥巩 二1 0.61 登封 二1 0.51 禹州 二1 0.49 平顶山 二1 0.46 较洁净 新密 二1 0.47 安鹤 二1 0.49 焦作 二1 0.44 永夏 二2 0.45 总体来看，河南省二1煤层煤炭资源洁净潜势的 趋势是自西向东，洁净潜势由不洁净到较洁净图 2。 5 河南省各类煤炭资源量及其利用方式 根据 2011 年河南省国土资源厅提交的 河南省 煤炭资源利用现状调查成果汇总报告 ， 河南省共计 查明煤炭资源储量 282 亿 t。 本次评价除小煤矿及采 样困难的宜洛、汝州 2 个煤田外，其余 12 个煤田的 煤炭资源储量为 270 亿 t，占总查明资源储量的 95.94。各洁净潜势等级煤炭资源储量见表 7。从 调查评价结果看， 河南省煤炭资源以较洁净煤为主， 整体质量较好。 一般而言，较洁净煤直接利用会对环境造成轻 微污染，经过洗选、脱灰脱硫处理后一般洁净程度 明显向好，可减少环境污染。如平顶山、禹州、安 鹤煤田生产的炼焦用煤或炼焦配煤，焦作、新密、 永夏、 安鹤煤田生产的高质量动力用煤和化工用煤。 偃龙、新安、义马等煤田为较不洁净煤，陕 渑煤田为不洁净煤。这两种洁净潜势等级的煤直 接利用将会对周边环境造成巨大污染。因此，对 于此类洁净潜势煤应全部进行洗选，砷、氟、铅、 汞、锰元素通过物理洗选就可以有效脱除；陕渑 煤田煤中硫以有机硫为主，煤中氯、铬含量不高， 物理洗选后脱除效果不明显，可考虑用配煤的方 法降低其含量；硒元素主要赋存在有机质中，物 理洗选脱除率不高，可以考虑通过煤的深度破碎 后洗选脱除[21-23]。 6 结 论 a. 煤炭资源洁净潜势划分为洁净煤、较洁净 煤、较不洁净煤、不洁净煤 4 个等级，本次选取灰 分、硫、汞、氯、砷、氟、硒、铅、铬、镉、锰等 11 个评价因子，利用广义对比加权标度指数法对河 南省 12 个煤田的煤炭资源进行了综合评价， 确定了 河南省较洁净煤、较不洁净煤、不洁净煤 3 种类型 的煤炭资源潜势。 b. 各煤田煤质及组分不同，影响其资源洁净潜 势的因子各不相同，其主要影响因子为灰分及硒， 是评价煤炭资源潜势决定性因素，其次影响因子为 汞、铬、氟元素。 ChaoXing 62 煤田地质与勘探 第 48 卷 图 2 河南省煤炭资源清洁类型分布 Fig.2 Distribution of clean types of coal resources in Henan 表 7 河南省各洁净潜势等级煤炭资源查明储量 Table 7 Coal resources of every clean potential level in Henan Province 洁净潜势等级 查明资源储量/亿 t 占比/ 洁净煤 0 0 较洁净煤 235 87 较不洁净煤 30 11 不洁净煤 5 2 合计 270 100 c. 从 12 个煤田评价结果看，自西向东，煤炭 资源洁净潜势由不洁净煤向较洁净煤转变。全省较 洁净煤占比 87，较不洁净煤占比 11，不洁净煤 炭资源占比仅 2，整体煤炭洁净度较好。 d. 煤炭资源利用时，建议根据各煤田煤类及煤 质特征，采用先进的洗选煤工艺技术，生产出不同 用途的洁净煤类， 以达到煤炭资源的清洁高效利用。 请听作者语音介绍创新技术成果 等信息，欢迎与作者进行交流 参考文献References OSID 码 [1] 王佟，张博，王庆伟，等. 中国绿色煤炭资源概念和内涵及评 价[J]. 煤田地质与勘探，2017，4511–8. 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