河南省主要煤田煤炭资源清洁利用潜势

赵明珍

河南省主要煤田煤炭资源清洁利用潜势

赵明珍

(河南省地质矿产勘查开发局第四地质矿产调查院，河南 郑州 450000)

为了系统分析河南省各煤田煤中灰分和主要有害元素分布特征，评价煤炭资源清洁利用潜势，通过系统收集12个煤田的煤质资料，并均匀采样作化验分析，获得各煤田煤中灰分和10种有害元素的平均含量，利用广义对比加权标度指数法计算出煤炭资源洁净潜势综合指数值，评价煤炭资源清洁利用潜势，得出河南省煤炭资源清洁质量从西向东依次为不洁净—较不洁净—较洁净煤这一逐渐变好的趋势，影响煤炭资源洁净潜势评价的主要因子为灰分和硒元素。最后，统计了12个煤田各清洁等级的煤炭资源量：较洁净煤235亿t、较不洁净煤30亿t、不洁净煤5亿t，并探讨其利用方式。研究成果对河南省煤炭资源的清洁、高效利用具有指导意义。

煤炭资源；清洁利用；潜势；影响因子；河南省

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520~950 m，分9个煤组(段)，含煤15~74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0~37.79 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2—3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 482—2008《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

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。

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。

注：灰分(A)/%和硫分(t)/%数值为质量分数，其余为质量浓度。C0、C1、C2、C3和Cd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：

与式(1)对应的因子的归一化标度分指数为：

各因子权重W可由式(3)求得。

式中：为控制权值变化快慢的可调参数，当值变小时，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W归一化为W，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：

式中：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区间，即，洁净煤：∈(–∞,0.258)；较洁净煤：∈(0.258,0.514)；较不洁净煤：∈(0.514,0.748)；不洁净煤：∈(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

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W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W＜0.10外，其余煤田灰分和硒评价因子权重W＞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

表5 各煤田煤炭清洁因子归一化后权重Wj*

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

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。

图2 河南省煤炭资源清洁类型分布

表7 河南省各洁净潜势等级煤炭资源查明储量

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。

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The potential of clean utilization of coal resources in main coalfields of Henan Province

ZHAO Mingzhen

(No.4 Institute of Geological and Mineral Resources Survey, Henan Bureau of Geo-Exploration and Mineral Development, Zhengzhou 450000, China)

In order to systematically analyze the distribution characteristics of the main harmful elements in coal in different coalfields of Henan Province and assess the potential of clean utilization of coal resources, through systematic collection of coal quality data of 12 coalfields and uniform sampling for test, the average content of 11 harmful elements in each coalfield was obtained. The weighted scale index method of generalized contrast was used to calculate the comprehensive indexof the clean potential of coal resources and assess the clean utilization potential of coal resources. The conclusion that the clean quality of coal resources in Henan Province shows the trend of gradual improvement, i.e., the coal is unclean–less clean–cleaner, The main factors affecting the clean potential assessment of coal resources are ash and selenium. Finally, the statistics of the coal resources of each clean grade in 12 coalfields were counted: cleaner coal resources are 23.5 billion tons, less clean coal resources 3 billion tons, unclean coal resources 500 million tons. The utilization direction was investigated. The research results have guiding significance for the clean and efficient utilization of coal resources in Henan Province.

coal resources; clean utilization; potential; influencing factor; Henan Province

P618.11

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.02.010

1001-1986(2020)02-0057-07

2019-11-20；

2020-01-15

国家自然科学基金项目(41773024)；河南省地勘基金项目(豫国土资发〔2016〕46号)

National Natural Science Foundation of China(41773024)；Geological Exploration Fund of Henan Province(Ytzf〔2016〕No.46)

赵明珍，1986年生，女，河南开封人，工程师，从事煤田地质研究及找矿工作. E-mail：418791081@qq.com

赵明珍. 河南省主要煤田煤炭资源清洁利用潜势[J]. 煤田地质与勘探，2020，48(2)：57–63.

ZHAO Mingzhen. The potential of clean utilization of coal resources in main coalfields of Henan Province[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(2)：57–63.

(责任编辑 范章群)