新疆吐魯番-哈密地區(qū)長焰煤分選工藝探討

張順杰，夏云凱，李 磊，王旭哲

(1.華陽新材料科技集團(tuán)有限公司 選煤質(zhì)量管理中心，山西 陽泉 045200；2.唐山市神州機(jī)械有限公司，河北 唐山 063001；3.河北省煤炭干法加工裝備工程技術(shù)研究中心，河北 唐山 063001)

我國新疆地區(qū)煤炭資源具有儲(chǔ)量大、煤質(zhì)優(yōu)、易開采、易分選等特點(diǎn)，煤炭資源總量預(yù)測(cè)約為2.194 2萬億t，約占全國預(yù)測(cè)煤炭資源總量的40.6%，居全國第一位,是我國十分重要的能源接續(xù)區(qū)和戰(zhàn)略性能源儲(chǔ)備區(qū)[1]。2018年，新疆政府據(jù)此確立了新疆成為絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶核心能源區(qū)的規(guī)劃目標(biāo)，擬充分利用資源地緣優(yōu)勢(shì)加快煤電、煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展，推動(dòng)國家特大型煤電基地的建設(shè)[2]。截止到2003年年底，全區(qū)已探明煤炭資源量為977億t，在保有資源儲(chǔ)量中，主要煤炭種類是長焰煤(約占73%)，其次是不黏煤(17%)和氣煤(7.5%)，三種煤約占總資源量的97.5%[1]。

為拓展和鞏固新疆煤炭基地在保障國家能源供應(yīng)安全中的重要地位，研究在其煤炭資源中占比較高的長焰煤的煤質(zhì)特點(diǎn)，探索適宜其洗選加工的生產(chǎn)工藝至關(guān)重要。為此，以新疆吐魯番-哈密地區(qū)(以下簡(jiǎn)稱吐哈地區(qū))典型的長焰煤為研究對(duì)象，在煤質(zhì)分析的基礎(chǔ)上，對(duì)長焰煤洗選工藝進(jìn)行了研究，以為未來新疆煤炭洗選業(yè)的發(fā)展和煤炭資源的綜合利用提供參考。

1 吐哈地區(qū)儲(chǔ)煤概述

我國新疆大型煤炭基地由吐哈、準(zhǔn)噶爾、伊犁、南疆四大區(qū)域組成，其中吐哈地區(qū)煤田面積達(dá)46 402 km2， 累計(jì)探明儲(chǔ)量為791.33億t，保有儲(chǔ)量789.12億t， 預(yù)測(cè)資源儲(chǔ)量為5 386.3億t。

有數(shù)據(jù)表明, 哈吐地區(qū)乃至整個(gè)新疆地區(qū)的煤炭均供大于求，過剩產(chǎn)能需依托國家“西煤東運(yùn)”發(fā)展戰(zhàn)略外運(yùn)銷售。然而新疆地區(qū)的大部分動(dòng)力煤礦井賦存條件具有厚煤層多、夾矸多、內(nèi)在灰分高、中高灰分的特點(diǎn)，加上采煤機(jī)械化程度的提高和放頂煤技術(shù)的應(yīng)用，導(dǎo)致礦井開采出來的原煤煤質(zhì)較差，熱值較低。此外，新疆地處祖國西北邊陲，距離內(nèi)地沿海地區(qū)遙遠(yuǎn)，為減少無效運(yùn)輸，緩解鐵路運(yùn)輸壓力，必須加大洗選力度，對(duì)原煤進(jìn)行排矸和脫硫降灰。 綜上所述，若不提高新疆煤炭產(chǎn)品熱值，在物流成本的加持下疆煤外運(yùn)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)很小[2]。 為解決新疆高熱值優(yōu)質(zhì)煤源相對(duì)不足等因素的制約[3], 新疆的低質(zhì)煤必須進(jìn)行分選加工，使外運(yùn)煤炭發(fā)熱量能達(dá)到16.32 MJ/kg以上。

2 吐哈地區(qū)長焰煤可選性分析

以吐哈地區(qū)有代表性的中煤哈密大南湖七礦3#煤層煤質(zhì)為例進(jìn)行分析。根據(jù)煤田地質(zhì)勘探報(bào)告結(jié)果可知，該區(qū)內(nèi)煤層主要賦存低灰分、特低硫至低硫、低磷、中熱值的41#長焰煤及部分31#不黏煤和褐煤，分選后可作為優(yōu)質(zhì)火力發(fā)電、化工用煤。但是，該煤層頂?shù)装搴蛫A矸層多為泥巖和泥質(zhì)膠結(jié)的粉砂巖，煤變質(zhì)程度總體較低，矸石泥化程度較高。

2.1 原煤篩分分析

由3#煤層原煤工業(yè)分析結(jié)果可知，該原煤全水分為24.90%，內(nèi)在水分為10.05%， 灰分為30.44%，硫分為0.34%，表明該煤為中灰、中高水分、特低硫煤。

3#煤層原煤篩分試驗(yàn)結(jié)果見表1。由表1可知：

表1 3#煤層原煤篩分試驗(yàn)結(jié)果

(1)該原煤中>30 mm塊煤含量為37.89%,灰分為26.34%，說明塊煤中矸石含量不高。

(2)在100～0.5 mm粒度范圍內(nèi)，隨著粒度變小，原煤灰分大體上呈逐漸下降趨勢(shì)，但灰分無明顯降低，各粒級(jí)灰分差異較小，大都處于26%～28%之間。

(3)<0.5 mm原生煤泥含量較低，為7.30%；原生煤泥灰分顯著高于>0.5 mm粒級(jí)，為36.04%，說明矸石存在泥化現(xiàn)象。

2.2 原煤浮沉分析

3#煤層原煤浮沉試驗(yàn)結(jié)果見表2。由表2可知：

(1)該原煤主導(dǎo)密度級(jí)為<1.3 g/cm3密度級(jí)，其次是1.3～1.4 g/cm3密度級(jí)，中間密度級(jí)含量較少。

(2)原煤中>2.0 g/cm3密度級(jí)含量比較大，且灰分在80%以上。

(3)浮沉煤泥的灰分明顯高于原煤灰分，說明矸石存在泥化現(xiàn)象。

由表2還可知，對(duì)于150～0.5 mm原煤，當(dāng)分選密度為1.8 g/cm3時(shí)，理論精煤產(chǎn)率為81.96%，理論精煤灰分為13.48%，精煤熱值高于16.74 MJ/kg，分選密度±0.1含量為2.03%，可選性為易選。這表明該原煤進(jìn)行高密度(>1.8 g/cm3)分選時(shí)，原煤可選性為易選，易于實(shí)現(xiàn)高密度排矸。

表2 150～0.5 mm原煤浮沉試驗(yàn)結(jié)果

3 分選工藝選擇

基于煤質(zhì)資料分析，并結(jié)合當(dāng)前國內(nèi)選煤技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，認(rèn)為有淺槽重介分選、X 射線智能分選[6-8]和干法分選[9-10]三種生產(chǎn)工藝比較適于該地區(qū)原煤的分選提質(zhì)。

3.1 淺槽重介分選

淺槽重介分選的核心設(shè)備為淺槽重介分選機(jī)(以下簡(jiǎn)稱淺槽)，具有處理能力大，分選粒度范圍寬，分選精度高，對(duì)煤質(zhì)波動(dòng)適應(yīng)能力強(qiáng)，煤炭在系統(tǒng)內(nèi)滯留時(shí)間短，次生煤泥量少等優(yōu)點(diǎn)。但其缺點(diǎn)為：系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，投資成本大，基建周期長；分選密度范圍為1.40～1.80 g/cm3，由于分選密度上限低，故難以回收密度在1.8～2.2 g/cm3之間的中煤產(chǎn)品；水洗后產(chǎn)品水分增加，熱值降低，抵消了部分提質(zhì)降灰效果；由于是濕法分選，因此不能完全杜絕煤泥產(chǎn)品；此外，系統(tǒng)維修工作量較大。

3.2 X射線智能分選

X射線智能分選是一種根據(jù)X射線穿過不同密度質(zhì)時(shí)衰減不同的原理而實(shí)現(xiàn)煤矸分選的技術(shù)。該技術(shù)對(duì)>80 mm大塊煤分選精度較高，可替代人工手選，是一種安全實(shí)用的塊煤智能分選技術(shù)，但其對(duì)于<80 mm、特別是<50 mm的煤分選精度較差，且在原煤難選、粒度較小或煤塊形狀為扁平形時(shí)，識(shí)別和氣動(dòng)噴吹擊打誤差較大，矸石帶煤率顯著增加，分選精度大幅下降。此外，該技術(shù)還存在單通道處理能力低，噸煤投資大，元器件更換昂貴等問題，因此限制了其大規(guī)模應(yīng)用。

3.3 干法分選

干法分選技術(shù)適宜分選易泥化煤(褐煤、不黏煤和長焰煤)、臟雜煤，也可用于高灰煉焦煤預(yù)排矸和高硫煤脫硫，尤其適合高寒干旱地區(qū)易泥化煤炭的分選。由于長焰煤水分較高，篩分較為困難，矸石遇水易泥化，采用常規(guī)濕法分選工藝時(shí)，選后末精煤水分一般為10%～12%，不僅降低產(chǎn)品熱值，而且會(huì)影響產(chǎn)品的運(yùn)輸和儲(chǔ)存，因此可應(yīng)用干法分選技術(shù)對(duì)新疆地區(qū)長焰煤進(jìn)行分選提質(zhì)[4-5]。

ZM礦物高效分離機(jī)是新一代智能化模塊式復(fù)合干法分選設(shè)備，其分選原理為：物料在分離床上進(jìn)行階梯式旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在階梯區(qū)間進(jìn)行重復(fù)分離，并在各階梯區(qū)間形成具有一定密度差異的流態(tài)化自生分離介質(zhì)層，由于該介質(zhì)層的厚度及流化程度不同，因此可使待分離物料在各階梯區(qū)間介質(zhì)層中的埋沒深度存在差異，從而實(shí)現(xiàn)各階梯區(qū)間物料基本按照密度進(jìn)行分離。

該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)為：

(1)在流化狀態(tài)下，經(jīng)過階梯式多級(jí)分選，煤炭提質(zhì)效果好，特別是用于>13 mm塊煤干法分離時(shí)分選精度較高，可能偏差(Ep值)為0.1～0.15 g/cm3。

(2)分選過程不需用水，終端產(chǎn)品只有精煤和矸石。

(3)適合高密度分選排矸，工藝簡(jiǎn)單，能耗低，投資和加工成本低。

(4)分選主機(jī)全封閉運(yùn)行，環(huán)保高效，噪聲低，無粉塵。

(5)采用集成模塊化設(shè)計(jì)，占地面積小，安裝建設(shè)迅速，自動(dòng)化程度高。

(6)產(chǎn)品轉(zhuǎn)載系統(tǒng)配有噴霧降塵裝置，生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境友好。

鑒于吐哈地區(qū)長焰煤多為極易泥化的低階煤，在高密度分選時(shí)原煤可選性為易選，以及礦區(qū)內(nèi)水資源稀缺等情況，認(rèn)為吐哈地區(qū)長焰煤適宜采用干法分選工藝。

4 分選效果預(yù)測(cè)

基于前述煤質(zhì)分析結(jié)果，結(jié)合淺槽重介分選、X 射線智能分選[6-8]和干法分選[9-10]三種選煤工藝在我國選煤生產(chǎn)中的應(yīng)用情況，并考慮到未來煤質(zhì)變化的可能，在此對(duì)淺槽重介濕法分選工藝和復(fù)合式干法分選工藝的分選效果進(jìn)行了預(yù)測(cè)和比較。

模擬條件：原煤灰分為27.80%，水分為23.30%，低位發(fā)熱量為13.39 MJ/kg；30 mm分級(jí)篩分效率為95%；淺槽分選密度為1.80 g/cm3，分選可能偏差為0.035 g/cm3；80～30 mm干法選煤分選密度為1.85 g/cm3，分選可能偏差為0.10 g/cm3；30～3 mm干法選煤分選密度為1.85 g/cm3，分選可能偏差為0.18 g/cm3。

精煤質(zhì)量要求： >30 mm塊精煤低位發(fā)熱量(Qnet,ar)≥16.74 MJ/kg; <30 mm末精煤或混煤低位發(fā)熱量(Qnet,ar)≥15.48 MJ/kg(電廠要求)。

4.1 淺槽重介濕法分選工藝

新疆地區(qū)動(dòng)力煤選煤廠典型濕法分選工藝如圖1所示。生產(chǎn)中，原煤首先由分級(jí)篩進(jìn)行30 mm分級(jí)，篩下<30 mm粒級(jí)不入選，直接作為混煤(電煤)產(chǎn)品銷售；篩上150～30 mm粒級(jí)經(jīng)脫泥篩進(jìn)行3 mm濕法脫泥后，進(jìn)入淺槽分選。淺槽精煤經(jīng)雙層脫介篩脫水脫介后，分級(jí)為塊精煤(150～30 mm)和末精煤(30～1.5 mm)，其中：塊精煤既可破碎至30 mm以下作為末精煤產(chǎn)品，也可進(jìn)一步分級(jí)為洗大塊(>80 mm)和洗中塊(80～30 mm)；30～1.5 mm末精煤由末煤離心機(jī)進(jìn)行產(chǎn)品脫水。脫泥篩篩下<3 mm煤泥水由分級(jí)旋流器濃縮分級(jí)，底流(3～0.25 mm粗煤泥)經(jīng)離心機(jī)脫水后摻入末原煤中作為混煤(電煤)產(chǎn)品；溢流(<0.25 mm細(xì)煤泥)則自流至濃縮機(jī)，與振動(dòng)弧形篩篩下水一起進(jìn)行濃縮、壓濾脫水，回收的煤泥既可摻入末原煤，也可單獨(dú)落地銷售。

圖1 典型濕法分選工藝原則流程

濕法分選工藝分選效果預(yù)測(cè)結(jié)果見表3和表4。由表3、表4可知：灰分為27.80%的原煤經(jīng)淺槽分選后， >30 mm塊精煤產(chǎn)率為29.23%，灰分為13.26%，低位發(fā)熱量達(dá)到16.76 MJ/kg，水分為28.63%。可見塊精煤灰分相比表1中>30 mm塊原煤灰分(26.34%)下降了13.08個(gè)百分點(diǎn)，塊精煤水分比原煤增加5.33個(gè)百分點(diǎn)，塊精煤熱值達(dá)到了>16.32 MJ/kg的外銷要求。將重介分選的末精煤和水洗煤泥產(chǎn)品摻入末原煤作為電煤時(shí)，電煤總產(chǎn)率為63.58%，低位發(fā)熱量為12.95 MJ/kg，不能滿足當(dāng)?shù)仉姀S對(duì)電煤的熱值要求(≥15.48 MJ/kg)。若將重介塊精煤全部破碎摻入電煤，總精煤產(chǎn)率為 92.81%，發(fā)熱量為15.14 MJ/kg,相比原煤熱值只提高了0.76 MJ/kg，熱值提升幅度較小。此外，塊煤入淺槽水洗還產(chǎn)生了約2.4 %的煤泥產(chǎn)品，該部分產(chǎn)品水分高、熱值較低，若摻入末精煤中勢(shì)必還將降低電煤熱值。

表3 濕法分選工藝產(chǎn)品平衡表

表4 濕法分選工藝產(chǎn)品綜合表

4.2 復(fù)合式干法分選工藝

采用干法分選時(shí)，<300 mm原煤首先由分級(jí)篩進(jìn)行80 mm分級(jí)，然后將>80 mm篩上物破碎至80 mm以下，與分級(jí)篩篩下<80 mm粒級(jí)混合，一同進(jìn)入ZM礦物高效分離機(jī)分選，生產(chǎn)出精煤、中煤和矸石三種產(chǎn)品。精煤產(chǎn)品可經(jīng)30 mm分級(jí)，細(xì)分為>30 mm塊精煤和<30 mm末精煤兩種產(chǎn)品；也可將>30 mm塊煤全部破碎至30 mm以下作為電煤銷售。此外，還可將ZM礦物高效分離機(jī)中煤和精煤合并，作為最終精煤產(chǎn)品。干選系統(tǒng)除塵器收集的煤粉可摻入<30 mm電煤產(chǎn)品。

復(fù)合式干法分選工藝原則流程如圖2所示。該工藝流程的特點(diǎn)為：

圖2 干法分選工藝原則流程

(1)工藝簡(jiǎn)單，操作管理方便，可在滿足產(chǎn)品要求的前提下，實(shí)現(xiàn)原煤全粒級(jí)入選。

(2)末煤全部分選，可大幅提升電煤質(zhì)量的穩(wěn)定性，降低了原煤質(zhì)量波動(dòng)對(duì)電煤質(zhì)量造成的影響。

(3)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)靈活，可同時(shí)生產(chǎn)塊、末精煤或電煤，并能滿足塊精煤和混煤熱值要求。

(4)分選密度高，精煤產(chǎn)率高。

(5)不耗水，無水洗煤泥產(chǎn)品產(chǎn)生。

(6)電耗低，不用水，無介耗和藥劑消耗，節(jié)能環(huán)保。

(7)可利用現(xiàn)有原煤儲(chǔ)運(yùn)、原煤準(zhǔn)備和精煤儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)設(shè)施，從而降低系統(tǒng)投資。

(8)投資少，效率高，加工成本低，運(yùn)行可靠，操作方便，維護(hù)簡(jiǎn)單。

復(fù)合式干法分選工藝分選效果預(yù)測(cè)見表5。由表5可知：若采用復(fù)合式干法分選工藝，>30 mm塊精煤產(chǎn)率為24.66%，灰分為14.08%，低位發(fā)熱量達(dá)到17.02 MJ/kg，水分為26.67%， 相比表1中的>30 mm塊原煤灰分下降了12.26個(gè)百分點(diǎn)，且塊精煤熱值達(dá)到了外銷要求；<30 mm末精煤產(chǎn)率為58.36%，灰分為19.57%，低位發(fā)熱量達(dá)到了15.49 MJ/kg，熱值能夠達(dá)到電廠要求。由于干選精煤中3 mm以上各粒級(jí)熱值均已達(dá)到16.74 MJ/kg以上，因此可以根據(jù)市場(chǎng)需求對(duì)干選精煤篩分粒度進(jìn)行調(diào)整，視市場(chǎng)需要向疆外市場(chǎng)供應(yīng)>13、>25、>30 mm塊精煤。若將塊精煤和末精煤混合作為電煤，總精煤產(chǎn)率為83.02%，低位發(fā)熱量為15.94 MJ/kg，能夠滿足電廠對(duì)產(chǎn)品熱值的需求(≥15.48 MJ/kg)，相比原煤熱值提高了2.55 MJ/kg，可見干選提質(zhì)效果顯著。

表5 干法分選工藝產(chǎn)品綜合表

通過對(duì)上述兩種分選工藝進(jìn)行預(yù)測(cè)和分析可知：雖然干法分選工藝獲得的>30 mm精煤產(chǎn)品灰分比濕法分選工藝高， 但由于干選精煤水分更低，因此干法分選工藝精煤熱值略高于濕法分選工藝。從提高熱值角度來看，干法分選可達(dá)到與淺槽重介分選的同等效果，不僅能避免水洗時(shí)的矸石泥化問題，而且還可以大幅提高末精煤熱值。當(dāng)原煤熱值為13.39 MJ/kg時(shí)，在確保>30 mm塊精煤熱值≥16.74 MJ/kg的前提下，可以生產(chǎn)熱值≥15.48 MJ/kg的末精煤或電煤，從而使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化。

4.3 原煤熱值對(duì)分選效果的影響

為研究原煤煤質(zhì)波動(dòng)對(duì)分選效果的影響，計(jì)算比較了原煤熱值不同時(shí)的分選效果。

在不同分選工藝條件下，原煤熱值分別為10.88、11.72、12.55、13.39、14.23 MJ/kg時(shí)的選后總精煤熱值見表6。

表6 原煤熱值不同時(shí)的精煤產(chǎn)品指標(biāo)

由表6可知：當(dāng)原煤熱值在10.88～14.23 MJ/kg之間時(shí)，干法分選工藝熱值提高幅度在2.05～3.91 MJ/kg之間，分選提質(zhì)效果顯著，但隨著原煤熱值升高，分選后熱值提高幅度又逐步下降；濕法分選工藝熱值提高幅度僅在0.69～0.89 MJ/kg之間，分選提質(zhì)效果不明顯，并且總精煤產(chǎn)品熱值不能滿足電煤熱值要求(≥15.48 MJ/kg)。

生產(chǎn)實(shí)踐表明，部分水洗工藝并不適用于吐哈地區(qū)長焰煤的分選加工。哈密地區(qū)一座采用部分水洗工藝的選煤廠生產(chǎn)采用淺槽分選>30 mm原煤，原煤入選比例約30%～40%，<30 mm末煤(占比為60%～70%)旁路不入選。2016年該廠塊煤重介系統(tǒng)試運(yùn)營結(jié)果表明，當(dāng)原煤熱值在14.23 MJ/kg左右時(shí)，選后產(chǎn)品熱值低于15.48 MJ/kg，說明該廠現(xiàn)有水洗系統(tǒng)不能滿足電廠用煤的質(zhì)量要求，尤其是當(dāng)原煤中有含碳泥巖及矸石大量混入時(shí)，水洗產(chǎn)品的發(fā)熱量更是遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于電煤要求。

5 半工業(yè)性試驗(yàn)

為驗(yàn)證干法分選的可行性，對(duì)哈密大南湖礦長焰煤進(jìn)行了半工業(yè)性復(fù)合干法分選試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表7。 由表7可知：該廠原煤熱值為13.46 MJ/kg,為中灰中硫煤， 干選精煤產(chǎn)率為78.16%，精煤熱值為16.21 MJ/kg，熱值提高2.75 MJ/kg；硫分也由原來的1.67%降低至0.6%，脫硫率達(dá)到71.67%。該半工業(yè)性試驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了前述對(duì)干法分選工藝效果的預(yù)測(cè)。

表7 長焰煤半工業(yè)性試驗(yàn)結(jié)果

6 結(jié)語

新疆吐哈地區(qū)長焰煤資源豐富，但原煤易泥化，并且高寒、干旱、缺水的區(qū)域特性也給原煤的濕法分選帶來了困難，若采用濕法分選選后產(chǎn)品需要降水、防凍、干燥，工藝較為復(fù)雜，不僅會(huì)造成濕法分選投資大，且洗選成本高，使企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益都受到不利影響。復(fù)合干法選煤技術(shù)不僅可以有效降灰提質(zhì)，而且能使產(chǎn)品水分略有降低，更有利于該地區(qū)煤炭產(chǎn)品的儲(chǔ)運(yùn)。分選效果預(yù)測(cè)和半工業(yè)性試驗(yàn)結(jié)果均表明，吐哈地區(qū)長焰煤更適合采用干法分選來降灰提質(zhì)。隨著干法選煤技術(shù)的日臻成熟及其在褐煤、貧煤、不黏煤、氣肥煤和無煙煤等多煤種分選提質(zhì)中的廣泛應(yīng)用，未來該技術(shù)也將在新疆地區(qū)長焰煤的分選提質(zhì)中大有可為。