特殊用煤研究进展及工作前景

作者：乔军伟1,2，宁树正3，秦云虎4，张  宁5，李聪聪2，张建强6，魏迎春7，朱士飞4，祝铠甲8

摘要: 基于煤炭地质转型及煤炭清洁高效利用要求的精细化勘查，梳理以往研究中稀缺煤、稀缺煤种、特殊煤、特殊煤种的含义，指出了特殊用煤是基于煤炭清洁高效利用具有特殊工业用途的煤炭资源，其主要种类有液化用煤、气化用煤、焦化用煤以及特殊高元素用煤。本次特殊用煤资源评价以煤岩煤质评价为基础，以煤炭分级分质利用为目标，归纳了特殊用煤资源评价的关键技术指标、经济指标及评价参数，初步提出了基于煤岩煤质特征、资源分布、产业布局的特殊高元素用煤–焦化用煤–液化用煤–气化用煤的特殊用煤评价原则及评价方法，并对晋陕蒙3省的煤炭资源进行了分级评价，统计了75个国家规划矿区液化、气化和焦化特殊用煤保有资源/储量。认为新形势下特殊用煤的研究方向是修改完善煤炭地质勘查规范、制定煤炭利用的分质分级评价标准，按照煤炭利用工艺要求实现煤质和资源的动态评价。

关  键  词：稀缺煤；特殊煤；特殊用煤；液化用煤；气化用煤；焦化用煤

中图分类号：P56    

文献标识码：A    

DOI:10.3969/j.issn.10011986.2019.01.007

     煤炭作为我国的主体能源，在国民经济发展中发挥了重要的作用。虽然当前煤炭需求增速放缓，产能相对过剩，煤炭在开发、加工、利用过程带来的环境问题也十分突出，但从我国的能源结构和能源战略角度来看，煤炭作为我国主体能源的地位和作用在今后相当长的时期内很难改变[1-5]。随着生态文明建设的要求，煤炭分级分质清洁利用成为煤炭工业发展的必由之路。特殊用煤是从煤的利用角度出发，满足煤炭清洁高效利用且具有特殊用途的煤炭资源，煤岩煤质特征是其重要的评价指标。在新形势下，煤炭地质勘查应逐步从“以找煤为主”的粗放型勘查转变为“以用煤为主”的精细型勘查，服务于煤炭的清洁高效利用。《全国矿产资源规划(2016—2020年)》明确“十三五”时期要积极推进煤炭资源从燃料向燃料与原料并重转变，促进煤炭分级分质和清洁利用。国家将煤炭清洁高效开发利用作为能源转型发展的立足点和首要任务，为煤炭行业转变发展方式、实现清洁高效发展创造有利条件。

1、特殊用煤的含义

     特殊用煤是一个相对的概念，是指不同于常规的、传统的用途，具有一定特殊用途的煤炭资源。从20世纪80年代开始，我国有多位学者提出了特殊煤种、稀缺煤种的概念，并指出了多个矿区属于稀缺和特殊煤种，呼吁对于稀缺和特殊煤种进行保护性开发，并在一定程度上研究了稀缺和特殊煤的物质成分、结构组成、工艺性能等[6-14]，但更多的是从煤炭自身物质的特殊性方面开展研究。2000年之后，煤炭地质工作者逐步加强了对稀缺和特殊煤特殊工艺性能的关注。李小彦等[15-17]、顾广明等[18]、晋香兰等[19]对陕甘宁盆地侏罗纪优质煤资源进行了分类与评价，研究了陕甘宁盆地优质煤形成的地质条件，探讨了优质煤高效、匹配性加工利用的途径。2008年，江苏煤炭地质勘探研究所对华东地区液化煤资源进行了评价与研究。2009年中国煤炭地质总局开展了中国优质环保型煤炭资源调查评价，圈定了优质环保型煤炭的分布。2010—2014年中国煤炭地质总局开展的特殊和稀缺煤炭资源调查对特殊和稀缺煤的涵义进行了厘定，首次系统划分了特殊和稀缺煤炭资源的分类体系，全面评价了我国特殊和稀缺煤炭资源的分布特征。

     稀缺煤是指具有十分重要的工业用途，其利用途径具有一定的产业规模(如优质煤的炼焦、高炉喷吹、活性碳等)，并有一定的不可替代性，对国民经济具有重要价值，需求量大但资源量相对较少的优质无烟煤、优质炼焦煤、优质贫煤、优质弱黏煤和其他优质的煤炭[20]。稀缺煤种与稀缺品种煤炭资源含义类似，也是基于煤类划分、综合经济因素的一种划分方法。

     特殊煤是指煤中某个或某些成分、结构、成因与一般煤有所不同，其含量特高或特低，并具有一些特殊性质的煤炭资源，如灰分很低或可选性好、微量元素富集、显微组分组成特殊、焦油产率高、蜡含量高等[20]。特殊煤种与特殊煤炭资源含义类似，把某类具有较大经济或者研究价值特殊煤作为一个煤种或者品牌进行命名，但不同于稀缺煤种基于煤类的划分方法，例如太西煤、树皮煤、水煤浆用煤(特低灰煤)等。也有部分学者认为部分特殊煤种也应当属煤炭资源中的稀缺品种。

     随着煤炭清洁化利用要求的提高，上述按照煤类划分、物质组成、成因等提出的特殊煤、稀缺煤等概念没有突出作为资源属性煤炭的煤质分布特征在煤炭利用方面的影响，不能满足当前以煤炭分级分质为依据的煤炭清洁高效开发利用的特殊要求[21]。2016年，中国煤炭地质总局在特殊用煤资源潜力调查评价中提出，要建立煤炭地质勘查中的煤质评价指标体系，为特殊用煤的划分、煤炭的合理开发利用及煤矿设计提供依据。按照煤炭清洁高效开发利用的要求，根据煤炭利用工艺的最新发展水平，结合不同煤炭工业用途对煤质的要求，对煤炭资源进行煤质分级和资源评价，从而评价不同类型的特殊用煤。因此，不同于商品煤、也不同于煤炭的工业分类，特殊用煤是指能够满足煤炭清洁高效利用的具有特殊物质组成或者物理化学性质的煤炭资源。

2、特殊用煤评价指标

    煤质评价就是根据煤的分析结果，对煤炭的生成环境、煤质特征、煤质水平、合理有效的加工利用途径等各个方面进行全面、科学地评价，为煤炭资源的开发利用提供依据[22]。按照当前煤炭产业发展需求和国家政策要求[23-27]，特殊用煤主要可以划分为液化用煤、气化用煤、焦化用煤和特殊高元素煤。在特殊用煤研究和规范制定方面，迄今仅有国家标准化管理委员会出台的煤化工用煤的技术导则，没有针对不同技术工艺的特殊用煤指标体系，依据有关标准、法规，科学合理地制定既符合我国国情、又兼顾国际煤质评价水平的煤质评价标准体系是当前煤田地质勘查工作的重中之重。在充分总结以往煤炭液化、气化、焦化研究成果的基础上，对比实际应用中以往评价指标与煤质特征之间的差异，提出了适宜于煤炭资源评价的特殊用煤评价指标和参数(表1)。根据煤炭资源的不可再生属性和经济性原则，液化、气化、焦化用煤资源评价指标划分为关键技术指标和经济指标，并划定了2级评价参数。

2.1  液化用煤

   煤的液化按化学加工方法可分为直接液化和间接液化2类[28-29]。根据煤炭清洁高效利用的要求，液化用煤应当指直接液化用煤，主要用于煤制液体燃料，具有工艺流程简单的特点；间接液化应当纳入气化用煤范畴。煤炭直接液化即煤炭加氢液化，其难度随煤的变质程度的增加而增加[30-31]。结合GB/T29722—2013《直接液化用原料煤技术条件》和我国煤炭资源禀赋特征，选择变质程度较低的HM、CY、BN、RN及QM开展液化用煤评价，确定挥发分产率(Vdaf)、镜质体最大反射率(Rmax)、氢碳原子比(H/C)、惰质组含量(I，去矿物基)等是液化用煤评价的关键技术指标，灰分(Ad)为经济评价指标(表1)。根据用于煤炭直接液化的神东矿区上湾井田煤质特征的统计结果，将氢碳原子比(H/C)调整为大于等于0.75(一级)和0.70~0.75(二级)。

2.2  气化用煤

   煤炭气化是当前煤炭清洁转化较为普遍的利用方式，将煤中可燃部分转化为气体燃料或下游原料的过程，被认为是未来煤炭洁净利用技术的基础[32-33]。目前，煤炭气化工艺主要包括固定床气化、流化床气化、气流床气化等技术。理论上，所有的煤炭资源都可以气化，但在当前工艺技术条件下，并非所有煤炭都能经济气化。结合GB/T9143—2008《常压固定床气化用煤技术条件》、GB/T 29721—2013《流化床气化用原料煤技术条件》、GB/T 29722— 2013《气流床气化用原料煤技术条件》，气化用煤主要选择无黏结性或较弱黏结性的煤，确定煤灰软化温度(ST)、煤灰流动温度(FT)、黏结指数(G)、水分(Mad)、哈氏可磨性指数(HGI)、块煤热稳定性(TS 6)、煤对CO2反应性(α，950℃下)等为气化用煤评价的关键技术指标，灰分(Ad)为经济评价指标。

2.3  焦化用煤

   我国炼焦煤资源中，QM占46.9%，QM炼焦配比小，而焦精煤和肥精煤炼焦配比要求达到63.9%，通常将QM之外的QF、FM、1/3J、JM、SM划分为稀缺炼焦用煤[20]。洗精煤灰分是洗精煤的重要质量指标，其质量的好坏直接影响钢铁的质量和产量[34-37]，焦化用煤评价必须充分考虑洗选后浮煤的灰分产率。在煤炭地质勘查阶段，对于能够满足当前或者随着焦化工艺发展未来能够满足其工艺需要的炼焦用煤均应该作为焦化用煤去合理评价。与煤类相关的变质程度、黏结性和结焦性是焦化用煤评价的关键技术指标，灰分(Ad)、硫分(St,d)、磷分(Pd)以及煤的可选性等是焦化用煤评价的经济指标。

3、特殊用煤评价方法

   特殊用煤评价的出发点是满足煤炭清洁高效利用的要求，并按照特殊工业用途对煤岩煤质进行评价。对于同一种煤类，由于其具有不同的煤质特征，可以用作不同的特殊工业用途。虽然煤化工行业在尽力发展适用于不同煤类的具有普遍化应用的煤化工工艺，但是在当前煤化工工艺不能适应所有煤质的情况下，煤炭地质勘查中应当充分考虑煤炭的煤质特征和煤化工工艺发展需求，开展基于煤质评价的精细化煤炭资源勘查，寻找可以满足不同煤炭清洁高效利用需求的、可以“专煤专用”的特殊用煤资源。特殊用煤资源评价过程中，应当考虑以下几方面因素。

    第一，在煤炭地质勘查中，详细调查含煤地层形成的地质背景，对煤中可能富集的微量元素(如煤中锗、镓、锂、铌、铝、稀土等)进行化验。当有微量元素异常时，首先应当按照高元素煤的相关评价指标进行综合勘查和评价。

   第二，炼焦用煤作为我国较为稀缺的煤炭资源，能作为炼焦用煤的煤炭资源首先要保证炼焦的需求。结合炼焦用煤对煤类的要求，要把QM、QF、1/3J、FM、JM、SM等炼焦煤类进行浮选实验及相关煤质测试，按照焦化用煤评价指标进行分级评价。

   第三，煤炭直接液化虽然目前应用较少且对煤质要求相对较高，但是煤炭直接液化具有步骤简单、成本较低的优点。神华煤直接液化示范工程是世界首套现代煤直接液化技术工业规模，是我国具有完全自主知识产权的工业化示范工程[38-39]。从能源的战略安全角度出发，应当对满足于直接液化用煤要求的煤炭资源进行单独评价，划分其资源分布。

   第四，煤炭气化是未来煤炭洁净利用技术的基础，结合煤质特征合理选择煤炭气化工艺有利于获得高效率的气化效果和低投入、低成本运行。在气化用煤评价中，要按照国家煤炭规划矿区的整体规划，充分结合已建成煤化工项目采用的工艺方法和当前煤化工主流工艺的发展趋势，开展气化用煤评价。同时要强调的是，随着生产工艺的迅速发展，以及国际能源价格的变化，特殊用煤的评价指标是一个动态的指标体系，资源评价也是一个动态的过程。

   根据以上评价原则，对特殊用煤应当按照特殊高元素用煤→焦化用煤→液化用煤→气化用煤的顺序进行评价。评价流程：首先对煤进行系统煤岩、煤质、工艺性能、微量元素分析，当煤中微量元素满足特殊高元素用煤评价指标时优先作为特殊高元素用煤；然后根据煤类划分，按照变质程度属于QM至SM的，评价浮煤的灰分、硫分、磷分是否满足炼焦用煤要求；不满足焦化用煤要求的气煤及低变质程度的煤按照液化用煤评价指标进行评价。对于不满足以上要求的煤炭按照气化用煤评价指标进行，规划矿区已建配套煤化工企业的优先按照其现有煤气化工艺进行评价；未建煤化工配套企业但已开展整体煤化工规划的矿区应当充分考虑煤化工产业布局及相应产品的主流煤气化工艺进行评价；工作程度相对较低没有煤化工规划的矿区物按照气化工艺流程由复杂到简单、对煤质要求由高到低的顺序依次评价，评价顺序为固定床、流化床、水煤浆气流床、干煤粉气流床。以上要求均不符合的作为其他用煤。

4、特殊用煤的利用前景

4.1  特殊用煤的资源现状

     按照特殊用煤资源评价原则和方法对山西、陕西、内蒙古3省的煤炭资源进行了评价，统计如下：截至2015年全国煤炭保有资源/储量为19 617.55亿t，晋陕蒙3省煤炭保有资源/储量为11 661.91亿t。晋陕蒙3省75个国家规划矿区煤炭保有资源/储量为8 735.49亿t，特殊用煤保有资源/储量为4 708.05亿t (不包含特殊高元素用煤)，占3省国家规划矿区煤炭保有资源/储量的53.90%(图1)。

     根据特殊用煤资源分级评价指标，晋陕蒙3省国家规划矿区中可划分出一级焦化用煤747.50亿t，二级焦化用煤623.14亿t；一级液化用煤136.87亿t，二级液化用煤817.30亿t；一级固定床气化用煤1 106.23亿t，二级固定床气化用煤380.68亿t，一级流化床气化用煤20.61亿t，二级流化床气化用煤250.38亿t，一级水煤浆气流床气化用煤106.51亿t，二级水煤浆气流床气化用煤27.75亿t，一级干煤粉气流床气化用煤50.94亿t，二级干煤粉气流床气化用煤386.32亿t(图2)。

4.2  特殊用煤利用前景

     在生态文明建设的要求下，研究煤炭清洁利用技术能够实现能源、经济和环境的协调一致发展。煤炭分质分级利用是煤炭企业未来转型发展、实现清洁利用、提高资源经济效益的主要途径。煤炭分质分级利用的前提是要摸清现有煤炭资源煤质变化特征，这就要求煤炭地质勘查企业在勘查过程中按照煤炭分质分级利用的最新要求开展专项煤质测试和煤质特征评价，充分摸清煤岩学、煤质学特征及变化规律，为煤炭利用提供科学合理的应用途径。特殊用煤的调查和研究工作将呈现以下几个方向：

① 随着环境压力的日益增加，煤炭资源在能源消耗中比例将进一步下降，从而使得优质煤炭资源的需求更加突出。迫切需要制定发电用煤、建材用煤、冶金用煤、煤化工用煤等多种煤炭利用的分质分级评价标准。

② 基于中国煤炭资源将长期作为主体能源的现状，建立全国煤质勘查开发基础数据库，按照煤炭利用工艺的要求实现煤质和资源的动态评价，对具有特殊用途的煤炭资源做到优质利用和保护性开发，强化按煤质配煤和按用途配煤等特种煤专用、精用的管理措施。

③ 修改完善煤炭地质勘查规范，以市场为导向，提出满足现代煤化工需求和未来煤炭流体化开采的特殊用煤评价指标，并摸清其资源产地及分布情况。

5、结 论

a. 按照当前煤炭产业发展需求和国家政策，将特殊用煤划分为液化用煤、气化用煤、焦化用煤以及特殊高元素煤(如煤中锗、镓、锂、铌、铝、稀土等)。结合我国煤炭资源禀赋特征和煤质特征，提出了适宜于煤炭资源评价阶段的液化、气化、焦化用煤评价关键技术指标和经济指标，并划定了2级评价参数。

b. 提出了特殊用煤资源评价的原则。煤炭地质勘查中应充分结合煤变质程度、煤岩煤质特征、煤化工产业布局以及煤化工工艺发展，按照特殊高元素用煤→焦化用煤→液化用煤→气化用煤的顺序进行资源评价。按照特殊用煤评价指标及评价原则对晋陕蒙三省的煤炭资源进行了评价，初步统计3省75个国家煤炭规划矿区内液化、气化、焦化用煤保有资源/储量为4 708.05亿t，占规划矿区内煤炭保有资源/储量的53.90%。

c. 煤炭分质分级利用是煤炭企业未来转型发展的重要途径，也是对煤炭地质勘查的最新要求。优质煤炭资源的需求以及煤炭资源的清洁化利用要求日益突出，迫切需要修改完善煤炭地质勘查规范，制定煤炭分质分级评价标准，按照煤炭利用工艺的特殊要求实现煤质和资源的动态评价。