6种中国典型动力煤矿物特性的CCSEM分析

6种中国典型动力煤矿物特性的CCSEM分析
张平安;袁静;温昶;罗光前;于敦喜;姚洪
【摘要】利用计算机控制扫描电镜(computer-controlled scanning electron microscopy,CCSEM)系统对6种中国典型动力煤进行矿物分析,得到矿物的种类组成、空间分布、粒径大小以及主要无机元素在矿物中的分布等特性,并根据矿物类
型进行整理.结果表明,对于所分析的6种煤,氧化物在低阶煤中含量较高,黏土矿物
是高阶煤中的主要矿物,碳酸盐和硫化物在特定煤种中含量较高,硫酸盐和其他矿物
含量普遍较低;矿物平均含量由高到低依次为黏土矿物、氧化物、碳酸盐、硫化物、硫酸盐和其他矿物;煤中矿物以外在分布为主,外在矿物质量占总矿物的76.3％;外在矿物粒径明显大于内在矿物;矿物平均粒径由大到小依次为氧化物、碳酸盐、黏土
矿物、硫化物、硫酸盐和其他矿物;Si和Al元素主要集中于黏土矿物中,Ca,Fe和S 元素分布相对分散.
【期刊名称】《煤炭学报》
【年(卷),期】2016(041)009
【总页数】6页(P2326-2331)
【关键词】动力煤;矿物特性;煤阶;内在矿物;外在矿物;矿物粒径
【作者】张平安;袁静;温昶;罗光前;于敦喜;姚洪
【作者单位】华中科技大学煤燃烧国家重点实验室,湖北武汉430074;长江水利委
员会水文中游局,湖北武汉430012;华中科技大学煤燃烧国家重点实验室,湖北武汉430074;华中科技大学能源与动力工程学院,湖北武汉430074;华中科技大学煤燃
烧国家重点实验室,湖北武汉430074;华中科技大学煤燃烧国家重点实验室,湖北武汉430074;华中科技大学煤燃烧国家重点实验室,湖北武汉430074
【正文语种】中文
【中图分类】TQ534
煤炭是中国最主要的一次能源，其组成复杂，包括有机的煤基质和无机的矿物质[1-2]，其中，有机部分是能源的载体，而无机部分则是诸多问题的来源。

电厂燃煤过程中，无机矿物的转化会引起锅炉受热面粘污结渣、颗粒物排放等问题，影响锅炉的安全经济运行，并造成环境污染[3-4]。

前人对无机矿物在燃煤过程中的转化行为做了大量研究，如Querol等[5]描述了煤中黏土矿物的转化过程；Srinivasachar等[6-7]研究了煤中黄铁矿，伊利石等矿物的转化；Gupta等[8]总结之前的研究成果，指出矿物的种类、粒径和空间分布等特性都会影响其转化过程。

矿物的种类直接决定了燃煤过程中矿物的气化、破碎和熔融行为，对锅炉受热面粘污结渣和颗粒物的生成都有重要影响[9]；矿物的粒径影响矿物的破碎[10]、气化程度[8]，并且部分细小矿物可以直接转化为细微颗粒物[11]；矿物的空间分布指矿物的内外在分布状态，内在矿物(同煤基质结合紧密的无机矿物)和外在矿物(同煤基质相互分离的无机矿物)在转化过程中经历的气氛、温度以及同其他矿物的交互作用程度都有差异，对于同一种矿物，空间分布不同时，其转化过程也会明显不同[6]。

另外，无机元素在矿物中的赋存形态对矿物的转化也有重要影响。

盛昌栋等[12]研究表明，黄铁矿中的Fe元素对锅炉水冷壁结渣的贡献要远大于黏土矿物中的Fe元素。

而传统的矿物分析技术如X射线衍射分析(XRD)等无法获得矿物的某些特性，如空间分布、粒径以及元素在矿物中的分布等。

计算机控制扫描电镜分析技术(computer-controlled scanning electron
microscopy,CCSEM)是一种新型的矿物分析技术，它通过对煤中大量的矿物颗粒
进行拍照和成分分析，记录颗粒的形状、位置和元素组成等信息，然后利用相应的数据处理软件进行统计分析，可同时获得煤中矿物的种类组成、空间分布、粒径分布和元素在矿物中的分布等特性，从而弥补了传统分析技术的不足。

目前，该技术已在国外得到越来越广泛的应用[8,13-14]，被认为是一项很有前景的分析技术。

本课题组于敦喜等首次将CCSEM分析技术引入国内，对部分煤种进行矿物分析，并研究了相应的矿物转化过程，取得了一定成果[15-18]，但这些成果相对于我国
煤科学基础研究的巨大需求仍远远不足，需要对更多的煤种，尤其是动力煤进行矿物特性分析。

本文利用CCSEM系统对6种中国典型的动力煤进行矿物分析，分别获得其矿物
组成、空间分布、粒径大小、元素在矿物中的分布等特性信息，并根据矿物类型进行分类整理，以期为煤研究领域的各位同行提供一定参考。

本文所用CCSEM的组成和样品分析过程详见文献[15-16]。

所用煤样为6种中国
典型动力煤，分别为霍林河煤、神华煤、平顶山A煤、平顶山B煤、大同煤和合
山煤。

所有煤样均研磨筛分至45～100 μm，其工业分析、元素分析和灰成分分
析结果见表1。

由表1可知，该6种煤煤阶逐渐升高，其中，霍林河煤为褐煤，神华煤为亚烟煤，平顶山A煤、平顶山B煤和大同煤为典型烟煤，合山煤为贫煤；Si，Al，Ca，Fe
和S是煤中主要的成灰元素，本文对这5种无机元素进行重点关注。

2.1 矿物组成及空间分布
根据Zygarlicke等[19]提出的矿物判定标准，本CCSEM系统共定义了33种矿物[20]，其中“难识别矿物”为组成元素间不具备确定比例的矿物，在本研究中主要为复杂的硅铝酸盐。

另外，由于CCSEM无法区分菱铁矿和铁的氧化物，因此此处的“铁氧化物”包含赤铁矿(Fe2O3)、磁铁矿(Fe3O4)和菱铁矿(FeCO3)等。

煤中
矿物可分为氧化物、碳酸盐、黏土矿物、硫化物、硫酸盐和其他矿物等6种类型[21]，同类型的矿物在燃烧过程中具有相似的转化特性，如碳酸盐和硫化物通常在高温下分解生成气态产物，容易发生破碎，而硫酸盐、氧化物和黏土矿物则一般不发生破碎。

本文按照表2将CCSEM分析获得的33种矿物归为氧化物等6类矿物。

图1为6种煤中主要矿物的组成及空间分布情况。

CCSEM系统定义的33种矿物中，有16种矿物在6种煤中质量含量均低于2%，故在图中未予以显示。

由图1
可知，黏土矿物类的高岭石，K-Al硅酸盐和难识别矿物，氧化物矿物类的石英和
铁氧化物，碳酸盐矿物类的方解石和铁白云石，硫化物矿物类的黄铁矿，硫酸盐矿物类的石膏等是煤中主要的矿物种类。

黏土矿物在所分析煤种中的平均含量最高，占总矿物的69.3%，其余依次为氧化物的17.2%、碳酸盐的6.9%、硫化物的
4.7%、硫酸盐的1.2%以及其他矿物的0.7%。

图2为不同类型矿物在6种煤中的具体分布情况。

在煤阶较低的霍林河煤和神华
煤中，氧化物的含量相对较高，分别为43.5%和36.5%；随着煤阶的升高，黏土
矿物成为无机矿物的主体，在平顶山A煤、平顶山B煤、大同煤和合山煤中的含
量分别为83.5%，82.7%，72.3%和93.1%；碳酸盐和硫化物在特定煤种中含量
较高，如神华煤中碳酸盐含量高达24.9%，而大同煤中硫化物含量为17.7%；硫
酸盐和其他矿物在6种煤中含量均不高。

如前所述，碳酸盐和硫化物在煤燃烧过
程中容易发生破碎，而矿物破碎是燃煤颗粒物生成的重要机理[11]。

笔者在之前的研究[22]中发现，神华煤燃烧生成的细微颗粒物远多于合山煤，其中一个重要原因就是神华煤含有的易破碎矿物明显多于合山煤。

由图1同时可以发现，6种煤中主要矿物的空间分布以外在分布为主。

除了部分煤中的少量矿物，如霍林河煤中的石英(56.0%，内在矿物占比，下同)、富Si矿物(65.3%)和石膏/硅铝酸盐(67.5%)，神华煤中的黄铁矿(64.2%)，大同煤中的难识
别矿物(75.8%)，合山煤中的难识别矿物(57.9%)等，煤中主要矿物的外在分布占比明显高于内在分布。

图3为6种煤中总体矿物的空间分布特性，外在矿物平均占总矿物的76.3%。

图3 不同煤中矿物空间分布特性Fig.3 Spatial distributions of mineral in different coals
2.2 矿物粒径
CCSEM分析系统可以获得矿物在不同粒径区间内的质量分数，从而描述该矿物的粒径分布(文献[15])。

为了便于不同煤种，不同矿物间进行比较，本文引入“质量中值粒径”来表征矿物的粒径大小，其定义为小于该粒径的矿物质量占该矿物总质量的50%。

图4为不同煤中矿物的质量中值粒径。

可知，外在矿物粒径明显大于内在矿物粒径，其中，外在矿物平均质量中值粒径为36.8 μm，而内在矿物平均质量中值粒径仅为7.6 μm；随着煤阶的升高，矿物粒径呈现增大的趋势，如霍林河煤中总矿物质量中值粒径最小，仅为6.2 μm，而大同煤中总矿物质量中值粒径达48.6 μm。

如前所述，细小矿物在煤燃烧过程中可以直接转化为颗粒物，是燃煤颗粒物生成的重要来源[11]。

神华煤中总矿物的质量中值粒径为15.5 μm，明显小于合山煤的31.3 μm，这是神华煤燃烧生成细微颗粒物远多于合山煤的另一个重要原因。

图4 不同煤中矿物质量中值粒径Fig.4 Mass median particle diameters of mineral in different coals
图5为6种煤中不同类型矿物的平均质量中值粒径。

可知，氧化物的平均粒径最大，其平均质量中值粒径为40.2 μm(6.1～59.4 μm，该类矿物在不同煤中质量中值粒径范围，下同)，其余依次为碳酸盐34.1 μm(6.2～63.0 μm)、黏土矿物26.7 μm(6.4～45.5 μm)、硫化物17.7 μm(2.7～53.5 μm)、硫酸盐16.4 μm(2.1～51.8 μm)和其他矿物15.8 μm(1.3～61.0 μm)。

图5 6种煤中不同类型矿物的质量中值粒径Fig.5 Mass median particle diameters of different mineral types in the six coals
2.3 主要无机元素在矿物中的分布
Si，Al，Ca，Fe和S是煤中主要的成灰元素。

图6为这些元素在所分析的6种煤中最主要的5种矿物存在形式。

可知，Si元素主要存在于高岭石、难识别矿物等
黏土矿物以及石英中；Al元素集中存在于各种黏土矿物中；Ca元素分布较为分散，存在于方解石、白云石等碳酸盐，高岭石、难识别矿物等黏土矿物和部分富Ca矿物中；Fe元素分布也很分散，广泛存在于氧化物、黏土矿物、硫化物和碳酸盐中；S元素主要存在于难识别矿物和高岭石等黏土矿物、硫化物和部分硫酸盐中。

图6 不同煤中主要无机元素在矿物中的分布Fig.6 Major inorganic elements distributions in minerals in different coals
3 结论
(1)不同类型的矿物含量随煤种不同有较大变化，其中氧化物和黏土矿物含量同煤
阶密切相关；矿物平均含量由高到低依次为黏土矿物、氧化物、碳酸盐、硫化物、硫酸盐和其他矿物；煤中矿物以外在分布为主。

(2)煤中外在矿物粒径明显大于内在矿物；矿物平均粒径由大到小依次为氧化物、
碳酸盐、黏土矿物、硫化物、硫酸盐和其他矿物。

(3)Si和Al元素主要存在于黏土矿物中，Ca,Fe和S元素分布较为分散。

CCSEM investigation on the mineral properties of six Chinese typical steam coals
ZHANG Ping-an1,YUAN Jing2,WEN Chang1,3,LUO Guang-qian1,YU Dun-
xi1,YAO Hong1
(1.State Key Laboratory of Coal Combustion,Huazhong University of
Science and Technology,Wuhan 430074,China;2.Middle Changjiang River Bureau of Hydrology and Water Resources Survey,Wuhan 430012,China；
3.School of Energy and Power Engineering,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China)
Abstract：Computer-controlled scanning electron microscopy (CCSEM) was used to investigate the properties of minerals in six Chinese typical steam coals.The mineral species compositions,spatial distributions,particle sizes and element distributions in minerals were obtained.The results show that for the used coals,oxide mineral contents are high in low rank coals,clay minerals are dominant in high rank coals,carbonate and sulfide mineral contents are high in specific coals,and sulfate and other minerals contents are low in each coal;the contents of various types minerals are arranged from high to low as follows:clay minerals,oxide
minerals,carbonate minerals,sulfide minerals,sulfate minerals and other minerals;the excluded mineral accounts for 76.3% of total mineral in mass;the average particle size of excluded minerals is significantly larger than that of included minerals;the average mineral particle sizes are arranged from large to small as follows:oxide minerals,carbonate minerals,clay minerals,sulfide minerals,sulfate minerals and other minerals;Si and Al mainly distribute in clay minerals,Ca,Fe and S distribute dispersedly in many types of minerals.
Key words：steam coal;mineral properties;coal rank;included
mineral;excluded mineral;mineral particle size
收稿日期：2016-02-22
修回日期：2016-03-23 责任编辑:张晓宁
基金项目：国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(2013CB228501)；国家国
际科技合作专项资助项目(2015DFA60410)
作者简介：张平安(1986—)，男，河南新乡人，博士研究生。

Tel：027-********，E-mail:*********************。

通讯作者：姚洪(1968—)，男，湖北黄冈人，教授，博士生导师。

Tel：************，E-
mail:*************.cn
中图分类号：TQ534
文献标志码：A
文章编号：0253-9993(2016)09-2326-06
由图1同时可以发现，6种煤中主要矿物的空间分布以外在分布为主。

除了部分煤中的少量矿物，如霍林河煤中的石英(56.0%，内在矿物占比，下同)、富Si矿物(65.3%)和石膏/硅铝酸盐(67.5%)，神华煤中的黄铁矿(64.2%)，大同煤中的难识
别矿物(75.8%)，合山煤中的难识别矿物(57.9%)等，煤中主要矿物的外在分布占
比明显高于内在分布。

图3为6种煤中总体矿物的空间分布特性，外在矿物平均
占总矿物的76.3%。

2.2 矿物粒径
CCSEM分析系统可以获得矿物在不同粒径区间内的质量分数，从而描述该矿物的粒径分布(文献[15])。

为了便于不同煤种，不同矿物间进行比较，本文引入“质量
中值粒径”来表征矿物的粒径大小，其定义为小于该粒径的矿物质量占该矿物总质量的50%。

图4为不同煤中矿物的质量中值粒径。

可知，外在矿物粒径明显大于
内在矿物粒径，其中，外在矿物平均质量中值粒径为36.8 μm，而内在矿物平均
质量中值粒径仅为7.6 μm；随着煤阶的升高，矿物粒径呈现增大的趋势，如霍林
河煤中总矿物质量中值粒径最小，仅为6.2 μm，而大同煤中总矿物质量中值粒径达48.6 μm。

如前所述，细小矿物在煤燃烧过程中可以直接转化为颗粒物，是燃
煤颗粒物生成的重要来源[11]。

神华煤中总矿物的质量中值粒径为15.5 μm，明显小于合山煤的31.3 μm，这是神华煤燃烧生成细微颗粒物远多于合山煤的另一个
重要原因。

图5为6种煤中不同类型矿物的平均质量中值粒径。

可知，氧化物的平均粒径最大，其平均质量中值粒径为40.2 μm(6.1～59.4 μm，该类矿物在不同煤中质量中值粒径范围，下同)，其余依次为碳酸盐34.1 μm(6.2～63.0 μm)、黏土矿物26.7 μm(6.4～45.5 μm)、硫化物17.7 μm(2.7～53.5 μm)、硫酸盐16.4 μm(2.1～51.8 μm)和其他矿物15.8 μm(1.3～61.0 μm)。

2.3 主要无机元素在矿物中的分布
Si，Al，Ca，Fe和S是煤中主要的成灰元素。

图6为这些元素在所分析的6种煤中最主要的5种矿物存在形式。

可知，Si元素主要存在于高岭石、难识别矿物等
黏土矿物以及石英中；Al元素集中存在于各种黏土矿物中；Ca元素分布较为分散，存在于方解石、白云石等碳酸盐，高岭石、难识别矿物等黏土矿物和部分富Ca矿物中；Fe元素分布也很分散，广泛存在于氧化物、黏土矿物、硫化物和碳酸盐中；S元素主要存在于难识别矿物和高岭石等黏土矿物、硫化物和部分硫酸盐中。

(1)不同类型的矿物含量随煤种不同有较大变化，其中氧化物和黏土矿物含量同煤
阶密切相关；矿物平均含量由高到低依次为黏土矿物、氧化物、碳酸盐、硫化物、硫酸盐和其他矿物；煤中矿物以外在分布为主。

(2)煤中外在矿物粒径明显大于内在矿物；矿物平均粒径由大到小依次为氧化物、
碳酸盐、黏土矿物、硫化物、硫酸盐和其他矿物。

(3)Si和Al元素主要存在于黏土矿物中，Ca,Fe和S元素分布较为分散。

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