張學(xué)梅 ，趙小東，衛(wèi)麟輝 ，李 東，馬青華 ，郝靜遠(yuǎn)

（1.西安思源學(xué)院，陜西 西安 710038；2.北京德秦技術(shù)開發(fā)有限公司，北京 100000；3.西安交通大學(xué)，陜西 西安 710038）

全國每年以直燃直排的粗放方式消耗散煤近2 億t，散煤成為消除霧霾、保衛(wèi)藍(lán)天必須解決的重要污染源[1-3]。基于“同時(shí)創(chuàng)新清潔煤炭加工生產(chǎn)和爐具高效燃燒技術(shù)”的理念，因地制宜進(jìn)行型煤生產(chǎn)技術(shù)的提高及完善具有重要意義和廣闊的發(fā)展前景。在陜甘寧蒙一帶的地下蘊(yùn)藏著國內(nèi)最大儲(chǔ)量的低階煤，許多生產(chǎn)干餾氣、煤焦油和半焦（蘭炭）的低溫煤干餾企業(yè)在這些地區(qū)也應(yīng)運(yùn)而生[4-6]。長焰煤低溫干餾生產(chǎn)蘭炭過程是煤的提質(zhì)精煉、煤中污染物集中處置及資源化的過程，實(shí)現(xiàn)了煤炭的分質(zhì)清潔利用。陜北部分型煤企業(yè)因地制宜混配不同規(guī)格的蘭炭和煙煤及輔料（黏結(jié)劑、固硫劑）生產(chǎn)潔凈型煤，對(duì)于這些型煤企業(yè)而言，如何既能生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)型煤，又能合理利用當(dāng)?shù)氐奶m炭和煤炭資源，就成為抓緊“藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”的戰(zhàn)略機(jī)遇。配煤煉焦就是這類處境下科學(xué)尋找路徑與對(duì)策的成功例子。配煤煉焦的科學(xué)路徑是通過探索入爐的多種煤（氣、肥、焦、瘦）的黏結(jié)瘦化成分比例，達(dá)到準(zhǔn)確預(yù)測焦炭的特征性能參數(shù)；而科學(xué)對(duì)策則是一種逆向思維：即從所需的焦炭特征性能參數(shù)來尋找適合入爐的多種煤（氣、肥、焦、瘦）的黏結(jié)瘦化成分比例。煤巖配煤煉焦利用了煤的變質(zhì)程度和顯微組分及含量對(duì)所生產(chǎn)的焦炭特征性能參數(shù)有至關(guān)重要影響的原理，是現(xiàn)代配煤煉焦技術(shù)發(fā)展的理論基礎(chǔ)，并在焦炭性能預(yù)測和配煤煉焦的實(shí)際驗(yàn)證中取得了理想的結(jié)果[7-10]。但是，目前還沒有利用該原理進(jìn)行多種蘭炭和長焰煤混配以生產(chǎn)潔凈型煤的研究。為此，本文將以實(shí)際生產(chǎn)煤樣為例，嘗試分析用煤巖配煤方法評(píng)價(jià)型煤配煤的可操作性。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)采用的原料由延能能源化工有限公司提供：標(biāo)準(zhǔn)潔凈型煤2 種（延安型煤標(biāo)識(shí)“XM1”；榆林型煤標(biāo)識(shí)“XM2”）；來自榆林- 寧東- 鄂爾多斯能源金三角地區(qū)的不同規(guī)格（塊、末）長焰煤 10 種，標(biāo)識(shí)“CYM+ 序數(shù)”；來自延安地區(qū)的煙煤泥 1 種，標(biāo)識(shí)“MN”；來自能源金三角地區(qū)不同規(guī)格的蘭炭6 種，標(biāo)識(shí)“LT+ 序數(shù)”。根據(jù)GB/T 212—2008 對(duì)上述煤樣進(jìn)行工業(yè)分析，部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果列于表1。

表1 部分煤樣的工業(yè)分析及硫元素分析

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

將煤樣反復(fù)過篩和破碎，直至完全通過孔徑1.0 mm 的實(shí)驗(yàn)篩，并使小于0.1 mm 的煤樣質(zhì)量不超過10%。利用破碎好的空氣干燥基煤樣與黏結(jié)劑按質(zhì)量比2∶1 充分混合后，加熱成型。在打磨機(jī)上分別進(jìn)行粗細(xì)打磨（干物鏡查看無劃痕即可），將打磨好的樣片在拋光機(jī)上加拋光劑進(jìn)行拋光。制好的樣片使用MSP9000C 全自動(dòng)智能型煤焦顯微分析儀進(jìn)行煤巖分析。

1.3 煤巖分析數(shù)據(jù)

部分煤樣的半階分鏡質(zhì)組反射率分布見圖1、圖2。

圖1 CYM1 的鏡質(zhì)組反射率分布

圖2 XM1 的鏡質(zhì)組反射率分布

2 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

2.1 類強(qiáng)度指數(shù)PSI 集合

按GB 6948—2008《煤的鏡質(zhì)體反射率顯微測定方法》測得的反射率直方圖是由多點(diǎn)組成的一個(gè)集合。從0.3%～2.1%共37 個(gè)半階，可以得到37 個(gè)值的集合。根據(jù)煤巖配煤方法，將鏡質(zhì)組反射率分布通過方程式（1）轉(zhuǎn)換成類強(qiáng)度指數(shù)PSI 集合。

式中：x1是活性組分在初始鏡質(zhì)組反射率為0.3%的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；x2是活性組分在鏡質(zhì)組反射率為0.35%的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；……；x37是活性組分在終止鏡質(zhì)組反射率為2.1%的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；ai是對(duì)應(yīng)鏡質(zhì)組反射率的強(qiáng)度指數(shù)，可以從文獻(xiàn)[11]中查找；R 是鏡質(zhì)組反射率測定的活惰比。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)潔凈型煤的類強(qiáng)度指數(shù)PSI 集合

選擇在陜北地區(qū)已通過質(zhì)量監(jiān)督、用蘭炭和長焰煤混配、市場用量大、用戶反映好的潔凈型煤成品粉碎后制樣，測定鏡質(zhì)組反射率，以制定標(biāo)準(zhǔn)潔凈型煤的類強(qiáng)度指數(shù)集合C，見方程式（2）。

式中：m 是類強(qiáng)度指數(shù)集合的元素?cái)?shù)；c1是標(biāo)準(zhǔn)潔凈型煤的類強(qiáng)度指數(shù)在初始鏡質(zhì)組反射率為0.3%的值；c2是標(biāo)準(zhǔn)潔凈型煤的類強(qiáng)度指數(shù)在鏡質(zhì)組反射率為0.35%的值；……；c37是標(biāo)準(zhǔn)潔凈型煤的類強(qiáng)度指數(shù)在終止鏡質(zhì)組反射率為2.1%的值。

2.3 原料的類強(qiáng)度指數(shù)PSI 集合

從當(dāng)?shù)剡x擇可以參加配煤的n 個(gè)蘭炭和長焰煤，粉碎后制樣，分別測定鏡質(zhì)組反射率。制定參配潔凈型煤的原料類強(qiáng)度指數(shù)集合X，見方程式（3）。

式中：n 是參加配煤原料的類強(qiáng)度指數(shù)集合的個(gè)數(shù)。必要且充分的條件：m≥n。

2.4 矩陣計(jì)算

可以將標(biāo)準(zhǔn)潔凈型煤的類強(qiáng)度指數(shù)集合C與參配潔凈型煤的n 個(gè)原料類強(qiáng)度指數(shù)集合X 進(jìn)行矩陣計(jì)算[見式（4）]，以求得 n 個(gè)原料的比例。

式（4）中：

式中：d 是參加配煤原料的待定比例。

根據(jù)歸一化的原理，n 個(gè)參加配煤原料的待定比例的總和必須等于1，即d1+d2+…+dn=1。

對(duì)于這類多元線性規(guī)劃的矩陣，如滿足必要且充分的條件 m≥n，則方程式（4）的解見式（6）。

采用MATLAB 對(duì)多元線性規(guī)劃的矩陣進(jìn)行計(jì)算。

由此可見，陜北潔凈型煤的煤巖配煤是先選定一條標(biāo)準(zhǔn)潔凈型煤的類強(qiáng)度指數(shù)曲線，然后計(jì)算n 個(gè)參加配煤原料的類強(qiáng)度指數(shù)集合的合適比例，使得由多條類強(qiáng)度指數(shù)曲線合成的曲線最接近選定的標(biāo)準(zhǔn)曲線。

3 計(jì)算實(shí)例

所有樣品按GB 6948—2008 制樣，用MSP9000C 全自動(dòng)智能型煤焦顯微分析儀測定煤的鏡質(zhì)組反射率和活惰比，并將其按照式（1）轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的類強(qiáng)度指數(shù)集合。

3.1 兩種標(biāo)準(zhǔn)型煤的類強(qiáng)度指數(shù)

XM1 與XM2 的類強(qiáng)度指數(shù)見圖3。

圖3 XM1 與XM2 的類強(qiáng)度指數(shù)

由圖3 可知，XM1 與XM2 的類強(qiáng)度指數(shù)都是從初始鏡質(zhì)組反射率0.3%連續(xù)到終止鏡質(zhì)組反射率2.1%，說明型煤配煤的蘭炭是從長焰煤低溫干餾提質(zhì)精煉而成。同時(shí)，這類標(biāo)準(zhǔn)潔凈型煤特別適用于多元線性規(guī)劃的矩陣計(jì)算配比。通過圖3 比較，可知兩種型煤的類強(qiáng)度指數(shù)沒有規(guī)律可循，如要原地選材，就要重新進(jìn)行配比計(jì)算。

3.2 配煤計(jì)算

從理論上講，只要當(dāng)參加配煤的原料種類數(shù)量n≤m，矩陣就有解，也就是可以計(jì)算少于37 種原料的配煤方案。根據(jù)焦化廠配煤實(shí)際，人為限制參加配煤的原料煤種類數(shù)為6，原因如下：（1）一般焦化廠只有6 個(gè)配煤的料斗或料坑，一個(gè)料斗（料坑）放一種原料；（2）當(dāng)某種原料的配比小于5%時(shí)，在工業(yè)規(guī)模上是不容易實(shí)現(xiàn)的。

現(xiàn)以延安地區(qū)的型煤為標(biāo)準(zhǔn)，用2 種長焰煤和4種蘭炭進(jìn)行配煤計(jì)算，在計(jì)算中執(zhí)行歸一化的要求，所得結(jié)果列于表2。

表2 首次有歸一限制六元線性規(guī)劃結(jié)果（配煤比例）

從表2 可以看出，兩種原料（CYM2 和LT3）的配比為負(fù)值，說明這兩種原料不適合進(jìn)入配比計(jì)算，必須剔除。仍以延安地區(qū)的型煤為標(biāo)準(zhǔn)，再用剩下的長焰煤和3 種蘭炭執(zhí)行歸一化的要求，重新進(jìn)行配煤計(jì)算，所得結(jié)果列于表3。

表3 最終四元有歸一限制線性規(guī)劃結(jié)果（配煤比例）

將這4 種煤的配合煤命名為合成型煤（HCXM），其與XM1 的類強(qiáng)度指數(shù)吻合度如圖4 所示。

圖4 歸一限制下HCXM 與XM1 的類強(qiáng)度指數(shù)比較

由圖4 可以看出，由這4 種原料煤可以混配成煤巖指標(biāo)（顯微組分及含量和變質(zhì)程度）非常類似于延安地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)潔凈型煤的型煤，4 個(gè)參加配煤原料的確定比例的總和等于1.000，其原因是執(zhí)行了歸一化的要求。

3.3 歸一化原則的意義

仍以延安地區(qū)的型煤為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)上述的2 種長焰煤和4 種蘭炭進(jìn)行配煤計(jì)算，在計(jì)算中沒有歸一化要求，所得結(jié)果列于表4。

表4 首次六元無歸一限制線性規(guī)劃結(jié)果（配煤比例）

從表4 可以看出，仍是CYM2 和LT3 的配比為負(fù)值。仍以延安地區(qū)的型煤為標(biāo)準(zhǔn)，再用剩下的長焰煤和3 種蘭炭不執(zhí)行歸一化的要求，重新進(jìn)行配煤計(jì)算，所得結(jié)果列于表5。

比較表3 與表5，說明只要是從相同的型煤標(biāo)準(zhǔn)和配煤原料出發(fā)，最終能得到相同的參加配煤的最優(yōu)原料，但原料比例不同；按歸一化原則進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果，各組分的比例之和為1.000，而沒有按歸一化原則進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果，各組分的比例之和卻為0.941。

表5 最終四元無歸一限制線性規(guī)劃結(jié)果（配煤比例）

無歸一化原則下HCXM 煤與XM1 的類強(qiáng)度指數(shù)的比較見圖5。

圖5 無歸一化原則下HCXM 與XM1 的類強(qiáng)度指數(shù)比較

由圖5 可知，無歸一化原則下進(jìn)行配合的合成型煤與標(biāo)準(zhǔn)型煤的煤巖指標(biāo)偏差遠(yuǎn)，其類強(qiáng)度指數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)型煤吻合度較差。說明歸一化原則在煤巖配潔凈型煤方法中起著至關(guān)重要的作用。

4 煤巖配潔凈型煤方法的前景分析

4.1 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)[3]，2015 年底，北京市、天津市、河北省、山西太原市共實(shí)現(xiàn)清潔化煤（焦）替代散燒原煤 1 850 萬 t （分別為 280 萬 t、210 萬 t、1 220 萬 t、140 萬t），出臺(tái)的政府補(bǔ)貼約每噸清潔燃料500 元。因此潔凈型煤要“燒得起”，需要從供應(yīng)側(cè)進(jìn)行改革。本研究選定的延安地區(qū)和榆林地區(qū)潔凈型煤生產(chǎn)廠家都面臨難以采購到“高性價(jià)比蘭炭”的囧境，因?yàn)楹茈y在諸多的蘭炭供應(yīng)商中選到合適的蘭炭，蘭炭供應(yīng)還是賣方市場。只有當(dāng)蘭炭供應(yīng)成為買方市場，才能對(duì)潔凈型煤生產(chǎn)廠家有利，最終對(duì)潔凈型煤的用戶有利。

4.2 環(huán)保指標(biāo)

消除霧霾、保衛(wèi)藍(lán)天是將污染物硫留在渣中，而不排放到大氣中。有研究顯示[12]煤泥（洗煤廠的污染物）是有發(fā)熱量的固硫劑。如果能將煤泥作為配煤原料之一，將是一舉多得?，F(xiàn)以延安地區(qū)的型煤為標(biāo)準(zhǔn)，執(zhí)行兩個(gè)限制條件：歸一化和煤泥添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%，3 種蘭炭、2 種長焰煤和煤泥的六元線性規(guī)劃計(jì)算結(jié)果列于表6。

按照配比不能為負(fù)值的常識(shí)，再次執(zhí)行歸一化要求，重新進(jìn)行配煤計(jì)算，結(jié)果列于表7。

表6 首次六元有歸一及煤泥限制線性規(guī)劃結(jié)果（配煤比例）

表7 最終五元有歸一及煤泥限制線性規(guī)劃結(jié)果（配煤比例）

將表7 中的5 種原料配合后的HCXM 與XM1 的煤巖指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，在有歸一化和含煤泥限制下的兩種型煤的類強(qiáng)度指數(shù)比較如圖6 所示。由圖6 可知，固定配入質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的煤泥，其配合煤的類強(qiáng)度指數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)型煤的類強(qiáng)度指數(shù)吻合度較高。型煤企業(yè)既可節(jié)約原料成本，又可提高環(huán)保效率。

圖6 有歸一化和含煤泥限制下HCXM 與XM1 的類強(qiáng)度指數(shù)比較

4.3 限制條件及應(yīng)用

煤巖配煤主要是利用了參配蘭炭和長焰煤的顯微組分及含量和變質(zhì)程度與標(biāo)準(zhǔn)型煤的相似性原理。因?yàn)闈崈羧剂系墓I(yè)指標(biāo)全部是可加和的指標(biāo)，所以多元線性規(guī)劃求解可以利用前期的限制性條件來固定蘭炭或長焰煤的種類，以使所配的潔凈型煤滿足工業(yè)指標(biāo)要求。配煤計(jì)算完成后，還可以利用各項(xiàng)工業(yè)指標(biāo)可加和的特征加以檢驗(yàn)。

5 結(jié) 論

5.1 煤巖配煤是將半階分鏡質(zhì)組反射率分布通過方程轉(zhuǎn)換成類強(qiáng)度指數(shù)PSI 集合，以標(biāo)準(zhǔn)型煤的PSI 為目標(biāo)，求解參配煤的比例。測定所有的樣品鏡質(zhì)組反射率后制定類強(qiáng)度指數(shù)集合，采用MATLAB 對(duì)多元線性規(guī)劃矩陣進(jìn)行計(jì)算。

5.2 可以利用解多元線性規(guī)劃的矩陣中的限制條件（歸一化、加入煤泥、某個(gè)特定的原料含量等），使所配的潔凈型煤滿足指標(biāo)要求。在計(jì)算過程中，有的參配煤不適合配入，需要剔除。

5.3 使用歸一化原則得到的配合煤與標(biāo)準(zhǔn)型煤的煤巖指標(biāo)吻合度較無歸一化原則時(shí)高。在加入特定含量的煤種時(shí)，煤巖配煤方法同樣可以實(shí)現(xiàn)科學(xué)配煤，且最后得到的配合煤煤巖指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)型煤的吻合度非常高。