陕北洁净型煤的煤岩配煤方法研究

张学梅 ，赵小东，卫麟辉 ，李 东，马青华 ，郝静远

（1.西安思源学院，陕西 西安 710038；2.北京德秦技术开发有限公司，北京 100000；3.西安交通大学，陕西 西安 710038）

全国每年以直燃直排的粗放方式消耗散煤近2 亿t，散煤成为消除雾霾、保卫蓝天必须解决的重要污染源[1-3]。基于“同时创新清洁煤炭加工生产和炉具高效燃烧技术”的理念，因地制宜进行型煤生产技术的提高及完善具有重要意义和广阔的发展前景。在陕甘宁蒙一带的地下蕴藏着国内最大储量的低阶煤，许多生产干馏气、煤焦油和半焦（兰炭）的低温煤干馏企业在这些地区也应运而生[4-6]。长焰煤低温干馏生产兰炭过程是煤的提质精炼、煤中污染物集中处置及资源化的过程，实现了煤炭的分质清洁利用。陕北部分型煤企业因地制宜混配不同规格的兰炭和烟煤及辅料（黏结剂、固硫剂）生产洁净型煤，对于这些型煤企业而言，如何既能生产出优质型煤，又能合理利用当地的兰炭和煤炭资源，就成为抓紧“蓝天保卫战”的战略机遇。配煤炼焦就是这类处境下科学寻找路径与对策的成功例子。配煤炼焦的科学路径是通过探索入炉的多种煤（气、肥、焦、瘦）的黏结瘦化成分比例，达到准确预测焦炭的特征性能参数；而科学对策则是一种逆向思维：即从所需的焦炭特征性能参数来寻找适合入炉的多种煤（气、肥、焦、瘦）的黏结瘦化成分比例。煤岩配煤炼焦利用了煤的变质程度和显微组分及含量对所生产的焦炭特征性能参数有至关重要影响的原理，是现代配煤炼焦技术发展的理论基础，并在焦炭性能预测和配煤炼焦的实际验证中取得了理想的结果[7-10]。但是，目前还没有利用该原理进行多种兰炭和长焰煤混配以生产洁净型煤的研究。为此，本文将以实际生产煤样为例，尝试分析用煤岩配煤方法评价型煤配煤的可操作性。

1 实 验

1.1 实验原料

实验采用的原料由延能能源化工有限公司提供：标准洁净型煤2 种（延安型煤标识“XM1”；榆林型煤标识“XM2”）；来自榆林- 宁东- 鄂尔多斯能源金三角地区的不同规格（块、末）长焰煤 10 种，标识“CYM+ 序数”；来自延安地区的烟煤泥 1 种，标识“MN”；来自能源金三角地区不同规格的兰炭6 种，标识“LT+ 序数”。根据GB/T 212—2008 对上述煤样进行工业分析，部分实验结果列于表1。

表1 部分煤样的工业分析及硫元素分析

1.2 实验方法

将煤样反复过筛和破碎，直至完全通过孔径1.0 mm 的实验筛，并使小于0.1 mm 的煤样质量不超过10%。利用破碎好的空气干燥基煤样与黏结剂按质量比2∶1 充分混合后，加热成型。在打磨机上分别进行粗细打磨（干物镜查看无划痕即可），将打磨好的样片在抛光机上加抛光剂进行抛光。制好的样片使用MSP9000C 全自动智能型煤焦显微分析仪进行煤岩分析。

1.3 煤岩分析数据

部分煤样的半阶分镜质组反射率分布见图1、图2。

图1 CYM1 的镜质组反射率分布

图2 XM1 的镜质组反射率分布

2 数据转换

2.1 类强度指数PSI 集合

按GB 6948—2008《煤的镜质体反射率显微测定方法》测得的反射率直方图是由多点组成的一个集合。从0.3%～2.1%共37 个半阶，可以得到37 个值的集合。根据煤岩配煤方法，将镜质组反射率分布通过方程式（1）转换成类强度指数PSI 集合。

式中：x1是活性组分在初始镜质组反射率为0.3%的质量分数，%；x2是活性组分在镜质组反射率为0.35%的质量分数，%；……；x37是活性组分在终止镜质组反射率为2.1%的质量分数，%；ai是对应镜质组反射率的强度指数，可以从文献[11]中查找；R 是镜质组反射率测定的活惰比。

2.2 标准洁净型煤的类强度指数PSI 集合

选择在陕北地区已通过质量监督、用兰炭和长焰煤混配、市场用量大、用户反映好的洁净型煤成品粉碎后制样，测定镜质组反射率，以制定标准洁净型煤的类强度指数集合C，见方程式（2）。

式中：m 是类强度指数集合的元素数；c1是标准洁净型煤的类强度指数在初始镜质组反射率为0.3%的值；c2是标准洁净型煤的类强度指数在镜质组反射率为0.35%的值；……；c37是标准洁净型煤的类强度指数在终止镜质组反射率为2.1%的值。

2.3 原料的类强度指数PSI 集合

从当地选择可以参加配煤的n 个兰炭和长焰煤，粉碎后制样，分别测定镜质组反射率。制定参配洁净型煤的原料类强度指数集合X，见方程式（3）。

式中：n 是参加配煤原料的类强度指数集合的个数。必要且充分的条件：m≥n。

2.4 矩阵计算

可以将标准洁净型煤的类强度指数集合C与参配洁净型煤的n 个原料类强度指数集合X 进行矩阵计算[见式（4）]，以求得 n 个原料的比例。

式（4）中：

式中：d 是参加配煤原料的待定比例。

根据归一化的原理，n 个参加配煤原料的待定比例的总和必须等于1，即d1+d2+…+dn=1。

对于这类多元线性规划的矩阵，如满足必要且充分的条件 m≥n，则方程式（4）的解见式（6）。

采用MATLAB 对多元线性规划的矩阵进行计算。

由此可见，陕北洁净型煤的煤岩配煤是先选定一条标准洁净型煤的类强度指数曲线，然后计算n 个参加配煤原料的类强度指数集合的合适比例，使得由多条类强度指数曲线合成的曲线最接近选定的标准曲线。

3 计算实例

所有样品按GB 6948—2008 制样，用MSP9000C 全自动智能型煤焦显微分析仪测定煤的镜质组反射率和活惰比，并将其按照式（1）转换成相应的类强度指数集合。

3.1 两种标准型煤的类强度指数

XM1 与XM2 的类强度指数见图3。

图3 XM1 与XM2 的类强度指数

由图3 可知，XM1 与XM2 的类强度指数都是从初始镜质组反射率0.3%连续到终止镜质组反射率2.1%，说明型煤配煤的兰炭是从长焰煤低温干馏提质精炼而成。同时，这类标准洁净型煤特别适用于多元线性规划的矩阵计算配比。通过图3 比较，可知两种型煤的类强度指数没有规律可循，如要原地选材，就要重新进行配比计算。

3.2 配煤计算

从理论上讲，只要当参加配煤的原料种类数量n≤m，矩阵就有解，也就是可以计算少于37 种原料的配煤方案。根据焦化厂配煤实际，人为限制参加配煤的原料煤种类数为6，原因如下：（1）一般焦化厂只有6 个配煤的料斗或料坑，一个料斗（料坑）放一种原料；（2）当某种原料的配比小于5%时，在工业规模上是不容易实现的。

现以延安地区的型煤为标准，用2 种长焰煤和4种兰炭进行配煤计算，在计算中执行归一化的要求，所得结果列于表2。

表2 首次有归一限制六元线性规划结果（配煤比例）

从表2 可以看出，两种原料（CYM2 和LT3）的配比为负值，说明这两种原料不适合进入配比计算，必须剔除。仍以延安地区的型煤为标准，再用剩下的长焰煤和3 种兰炭执行归一化的要求，重新进行配煤计算，所得结果列于表3。

表3 最终四元有归一限制线性规划结果（配煤比例）

将这4 种煤的配合煤命名为合成型煤（HCXM），其与XM1 的类强度指数吻合度如图4 所示。

图4 归一限制下HCXM 与XM1 的类强度指数比较

由图4 可以看出，由这4 种原料煤可以混配成煤岩指标（显微组分及含量和变质程度）非常类似于延安地区标准洁净型煤的型煤，4 个参加配煤原料的确定比例的总和等于1.000，其原因是执行了归一化的要求。

3.3 归一化原则的意义

仍以延安地区的型煤为标准，对上述的2 种长焰煤和4 种兰炭进行配煤计算，在计算中没有归一化要求，所得结果列于表4。

表4 首次六元无归一限制线性规划结果（配煤比例）

从表4 可以看出，仍是CYM2 和LT3 的配比为负值。仍以延安地区的型煤为标准，再用剩下的长焰煤和3 种兰炭不执行归一化的要求，重新进行配煤计算，所得结果列于表5。

比较表3 与表5，说明只要是从相同的型煤标准和配煤原料出发，最终能得到相同的参加配煤的最优原料，但原料比例不同；按归一化原则进行计算的结果，各组分的比例之和为1.000，而没有按归一化原则进行计算的结果，各组分的比例之和却为0.941。

表5 最终四元无归一限制线性规划结果（配煤比例）

无归一化原则下HCXM 煤与XM1 的类强度指数的比较见图5。

图5 无归一化原则下HCXM 与XM1 的类强度指数比较

由图5 可知，无归一化原则下进行配合的合成型煤与标准型煤的煤岩指标偏差远，其类强度指数与标准型煤吻合度较差。说明归一化原则在煤岩配洁净型煤方法中起着至关重要的作用。

4 煤岩配洁净型煤方法的前景分析

4.1 经济指标

据有关资料统计[3]，2015 年底，北京市、天津市、河北省、山西太原市共实现清洁化煤（焦）替代散烧原煤 1 850 万 t （分别为 280 万 t、210 万 t、1 220 万 t、140 万t），出台的政府补贴约每吨清洁燃料500 元。因此洁净型煤要“烧得起”，需要从供应侧进行改革。本研究选定的延安地区和榆林地区洁净型煤生产厂家都面临难以采购到“高性价比兰炭”的囧境，因为很难在诸多的兰炭供应商中选到合适的兰炭，兰炭供应还是卖方市场。只有当兰炭供应成为买方市场，才能对洁净型煤生产厂家有利，最终对洁净型煤的用户有利。

4.2 环保指标

消除雾霾、保卫蓝天是将污染物硫留在渣中，而不排放到大气中。有研究显示[12]煤泥（洗煤厂的污染物）是有发热量的固硫剂。如果能将煤泥作为配煤原料之一，将是一举多得。现以延安地区的型煤为标准，执行两个限制条件：归一化和煤泥添加质量分数5%，3 种兰炭、2 种长焰煤和煤泥的六元线性规划计算结果列于表6。

按照配比不能为负值的常识，再次执行归一化要求，重新进行配煤计算，结果列于表7。

表6 首次六元有归一及煤泥限制线性规划结果（配煤比例）

表7 最终五元有归一及煤泥限制线性规划结果（配煤比例）

将表7 中的5 种原料配合后的HCXM 与XM1 的煤岩指标进行对比，在有归一化和含煤泥限制下的两种型煤的类强度指数比较如图6 所示。由图6 可知，固定配入质量分数5%的煤泥，其配合煤的类强度指数和标准型煤的类强度指数吻合度较高。型煤企业既可节约原料成本，又可提高环保效率。

图6 有归一化和含煤泥限制下HCXM 与XM1 的类强度指数比较

4.3 限制条件及应用

煤岩配煤主要是利用了参配兰炭和长焰煤的显微组分及含量和变质程度与标准型煤的相似性原理。因为洁净燃料的工业指标全部是可加和的指标，所以多元线性规划求解可以利用前期的限制性条件来固定兰炭或长焰煤的种类，以使所配的洁净型煤满足工业指标要求。配煤计算完成后，还可以利用各项工业指标可加和的特征加以检验。

5 结 论

5.1 煤岩配煤是将半阶分镜质组反射率分布通过方程转换成类强度指数PSI 集合，以标准型煤的PSI 为目标，求解参配煤的比例。测定所有的样品镜质组反射率后制定类强度指数集合，采用MATLAB 对多元线性规划矩阵进行计算。

5.2 可以利用解多元线性规划的矩阵中的限制条件（归一化、加入煤泥、某个特定的原料含量等），使所配的洁净型煤满足指标要求。在计算过程中，有的参配煤不适合配入，需要剔除。

5.3 使用归一化原则得到的配合煤与标准型煤的煤岩指标吻合度较无归一化原则时高。在加入特定含量的煤种时，煤岩配煤方法同样可以实现科学配煤，且最后得到的配合煤煤岩指标与标准型煤的吻合度非常高。