煤炭干法分選技術(shù)應(yīng)用與展望

陳建強(qiáng)，常 博，劉昆輪，周恩會，段晨龍

(1.國家能源集團(tuán) 新疆能源有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830002；2.煤炭加工與高效潔凈利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國礦業(yè)大學(xué))；3.中國礦業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

1 國內(nèi)選煤現(xiàn)狀與機(jī)遇

我國是世界第一煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)大國，2020年我國煤炭產(chǎn)量39 億t(其中動(dòng)力煤31 億t)，在一次能源結(jié)構(gòu)中的比例為57.5%左右，預(yù)計(jì)到2025年煤炭產(chǎn)能將達(dá)到峰值41 億t。煤炭分選排矸是降低煤炭燃燒時(shí)導(dǎo)致的環(huán)境污染的重要手段，我國原煤的入選比例從2015年的65%提高到了2020年的74.1%，“十四五”規(guī)劃中提出，2025年我國原煤入選率將提高至85%。所以總體來說，我國富煤少油，在一定時(shí)期煤炭將在能源結(jié)構(gòu)中占主導(dǎo)地位，目前原煤入選率低，仍有較大的提升空間[1，2]。2016年黨中央、國務(wù)院批準(zhǔn)設(shè)立了科技創(chuàng)新2030—“煤炭清潔高效利用”重大項(xiàng)目，目標(biāo)是突破煤炭清潔高效利用全產(chǎn)業(yè)鏈的瓶頸技術(shù)，占領(lǐng)世界煤炭科技制高點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)煤炭清潔高效利用，推進(jìn)能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命，為建設(shè)科技強(qiáng)國做出貢獻(xiàn)，為“兩個(gè)一百年”奮斗目標(biāo)提供清潔能源。

另一方面，2020年9月22日，國家主席習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國大會上表示，中國將力爭于2030年前達(dá)到碳排放峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。在此背景下，預(yù)計(jì)2025年，中國發(fā)電結(jié)構(gòu)中，煤炭占比將從67%下降至49%；改變能源結(jié)構(gòu)將從能源應(yīng)用上直接降低碳排放量。但由于受到儲能技術(shù)及非化石能源產(chǎn)能的限制，改變能源供給結(jié)構(gòu)還需要科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。同時(shí)，很多行業(yè)單位能耗與發(fā)達(dá)國家相比還比較高，所以研發(fā)并利用新技術(shù)進(jìn)行節(jié)能并減少CO2排放量還有很大的空間[3，4]。在上述背景下，煤炭分選行業(yè)在碳達(dá)峰與碳中和政策下應(yīng)積極做出自己的貢獻(xiàn)，加速研發(fā)及應(yīng)用節(jié)能減排技術(shù)，通過提高煤炭入選率同時(shí)淘汰落后的產(chǎn)能，保證煤炭供給質(zhì)量，提高能源的利用效率，為實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)提供煤炭分選行業(yè)的智慧和貢獻(xiàn)。

從煤炭分選方法上看，經(jīng)過多年的發(fā)展，濕法分選技術(shù)非常成熟，且由于其精度優(yōu)勢，目前在分選加工領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。我國煤炭2/3分布在西北地區(qū)，由于西北地區(qū)水資源缺乏，煤炭資源與水資源地理位置上的不匹配嚴(yán)重制約著濕法分選的發(fā)展。濕法選煤依賴水資源，存在能耗高、生產(chǎn)成本高、消耗大量水資源的缺點(diǎn)，同時(shí)會產(chǎn)生約10%左右的煤泥副產(chǎn)品，存在環(huán)境污染隱患。近年來，隨著智能光電、復(fù)合式(ZM)分選機(jī)、干法重介質(zhì)流化床等干法選煤技術(shù)的快速發(fā)展與突破，干選技術(shù)分選精度得到了大幅提升，得到大規(guī)模推廣應(yīng)用，彌補(bǔ)了濕法選煤的不足[5，6]。為進(jìn)一步了解干法選煤發(fā)展的現(xiàn)狀，推動(dòng)干法分選技術(shù)的高效發(fā)展，筆者詳細(xì)梳理了干法分選技術(shù)的研究進(jìn)展，為煤炭行業(yè)及選煤領(lǐng)域從業(yè)者提供借鑒。

2 干法分選技術(shù)的研發(fā)及應(yīng)用現(xiàn)狀

干法選煤技術(shù)主要是利用煤與矸石物理性質(zhì)(密度、粒度、光澤、磁性、導(dǎo)電性、射線吸收等)的差異實(shí)現(xiàn)分選，分選過程不用水，無煤泥水處理系統(tǒng)，生產(chǎn)成本低。近年來，我國干法選煤技術(shù)取得重要突破，在動(dòng)力煤與煉焦煤分選中發(fā)揮了重要作用。目前，干法選煤應(yīng)用比較成熟的主要有智能光電分選、復(fù)合式干法分選、干法重介質(zhì)流化床、風(fēng)力跳汰、風(fēng)力搖床等技術(shù)。

2.1 智能光電分選技術(shù)

近年來，智能光電分選技術(shù)已成為國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)之一，主要分為X射線、γ射線以及色差智能識別。目前，智能干法分選機(jī)主要利用煤和矸石對X射線、γ射線的吸收和散射程度不同，探測器卡接收到的射線量也有所差異，形成具有黑白對比度不同的影像，實(shí)現(xiàn)對煤和矸石的識別與分選，其分選過程示意圖如圖1所示。近年來，智能干法分選機(jī)對塊煤的分選精度較高，可簡化工藝流程，減少人力投入。天津美騰科技有股份限公司研發(fā)的TDS智能干選機(jī)適用于10～500 mm粒級的煤炭分選，分選精度與水洗跳汰相當(dāng)，煤中帶矸小于3%，矸中帶煤小于3%；具有自動(dòng)化程度高、系統(tǒng)簡單、投資少、建設(shè)周期短、運(yùn)行成本低等優(yōu)勢[7-10]。

圖1 智能光電分選技術(shù)分選過程示意

2.2 復(fù)合式干法分選機(jī)

復(fù)合式干法分選機(jī)是由煤炭科學(xué)研究總院唐山研究院率先研發(fā)，在此基礎(chǔ)上，唐山神州機(jī)械有限公司經(jīng)過多年的自主創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合式分選機(jī)的高精度分選，相繼開發(fā)了FGX系列復(fù)合式干法分選機(jī)、ZM系列礦物高效分離機(jī)等。近年來，唐山神州機(jī)械有限公司與中國礦業(yè)大學(xué)產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新，研制了大型復(fù)合式干法分選機(jī)，處理能力達(dá)到480～600 t/h，數(shù)量效率大于90%，實(shí)現(xiàn)了煤炭大規(guī)模干法分選提質(zhì)，主要應(yīng)用于塊煤、末煤的干法分選。

復(fù)合式干法分選機(jī)的分選系統(tǒng)主要包括分選床面(布風(fēng)板、格條、背板、振動(dòng)裝置、風(fēng)室、溢流堰等)、供風(fēng)裝置、除塵凈化裝置等。分選過程中，在氣流和振動(dòng)的復(fù)合激勵(lì)下，入選原煤在分選機(jī)的床面上作螺旋翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，受到振動(dòng)離析作用、氣流曳力作用、自生介質(zhì)、浮力效應(yīng)等綜合作用，精煤和矸石按照密度進(jìn)行分離[11-14]，如圖2所示。近年來，學(xué)者針對復(fù)合式干法分選技術(shù)的分選特性開展了大量的研究，研究了顆粒在床層中的運(yùn)動(dòng)行為以及密度分布的特性，考察了入料粒級、操作條件、床體結(jié)構(gòu)對煤炭分選效率的影響，分析了煤炭運(yùn)動(dòng)與床面結(jié)構(gòu)的交互作用，為分選機(jī)的研制提供了理論依據(jù)。

圖2 復(fù)合式干法分選機(jī)結(jié)構(gòu)示意

2.3 干法重介質(zhì)流化床分選機(jī)

干法重介質(zhì)流化床分選技術(shù)以寬粒級的磁鐵礦粉和煤粉作為混合加重質(zhì)，壓縮空氣經(jīng)氣體分布器均勻布風(fēng)后進(jìn)入到顆粒層中，加重質(zhì)顆粒在上升氣流的曳力作用下形成具有似流體性質(zhì)的流化床層。通過控制磁鐵礦粉和煤粉的粒度組成，保證不同密度和粒度的兩種加重質(zhì)在分選流化床中不發(fā)生粒度和密度的離析現(xiàn)象，通過控制煤粉的含量，控制流化床層的密度，進(jìn)而控制分選密度。入選原煤在具有一定密度的流化床層中按密度進(jìn)行分層，密度較低的精煤產(chǎn)品浮于床層表面，密度較大的矸石沉積于床層底部，分別通過撥煤輪和刮板輸送機(jī)排出機(jī)外，脫介后形成精煤與矸石產(chǎn)品。分選過程如圖3所示。

圖3 干法重介質(zhì)流化床分選機(jī)結(jié)構(gòu)示意

中國礦業(yè)大學(xué)從事煤炭干法流態(tài)化分選理論、技術(shù)與裝備研究近40 a，在國際上首次創(chuàng)立了系統(tǒng)的氣固流態(tài)化干法分選理論，開發(fā)了干法重介質(zhì)流化床分選關(guān)鍵技術(shù)；與唐山神州機(jī)械有限公司產(chǎn)學(xué)研合作，開發(fā)了世界上首套模塊式高效干法選煤工藝系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對100～6 mm煤炭的高效干法分選，可能偏差Ep值為0.05～0.08 g/cm3，在國內(nèi)外首次實(shí)現(xiàn)了煤炭高精度干法分選[15-17]。中國流態(tài)化干法選煤技術(shù)的快速發(fā)展與突破使其再次成為國際研究熱點(diǎn)，美國、日本、加拿大等國長期跟蹤中國礦業(yè)大學(xué)的研究，國外目前仍處于實(shí)驗(yàn)室或中試階段。

2.4 風(fēng)力跳汰分選機(jī)

風(fēng)力跳汰分選技術(shù)以壓縮空氣作為分選介質(zhì)，依靠煤炭和矸石沉降末速的差異，利用周期性脈動(dòng)氣流強(qiáng)化煤炭和矸石的分離。在實(shí)際分選過程中，原煤以均勻的速度給入跳汰分選機(jī)，篩板下部給入一定頻率的脈動(dòng)氣流，氣流給入階段，精煤與矸石按照沉降末速的差異產(chǎn)生分層；氣流關(guān)閉階段，床層逐漸恢復(fù)至緊密壓縮狀態(tài)時(shí)繼續(xù)進(jìn)行分層，通過排料裝置將煤炭與矸石分別排出，實(shí)現(xiàn)煤炭的有效分選，如圖4所示。近年來，空氣跳汰分選技術(shù)在工業(yè)放大及應(yīng)用上取得進(jìn)展。由于分選機(jī)理簡單，投入成本低，Weinstein和Snoby報(bào)道了利用空氣跳汰開展的工業(yè)分選試驗(yàn)的研究，在美國建立了工業(yè)規(guī)模的風(fēng)力跳汰分選系統(tǒng)，處理量可達(dá)50～120 t/h。采用新型的風(fēng)力跳汰機(jī)對美國、巴西、土耳其、印度等國家大于6 mm粒級煤炭進(jìn)行了分選試驗(yàn)研究，分選后的灰分降低約10%，硫分降低1%[18-19]。

圖4 風(fēng)力跳汰分選機(jī)結(jié)構(gòu)示意

2.5 風(fēng)力搖床

風(fēng)力搖床分選技術(shù)主要由振動(dòng)裝置和傾斜的金屬網(wǎng)面組成，通過調(diào)節(jié)振動(dòng)裝置參數(shù)，實(shí)現(xiàn)金屬網(wǎng)面的橫向振動(dòng)。分選過程中，待分選的原煤給入分選床面，床層底部給入一定的氣流，促使煤炭顆粒松散，由于矸石和精煤在空氣作用下沉降末速的差異，顆?？梢詫?shí)現(xiàn)初步分層。另一方面，空氣搖床氣速應(yīng)小于顆粒的最小流化速度，使顆粒間存在一定的相互作用力，避免顆粒只依靠沉降末速差異進(jìn)行分選。給入一定的振動(dòng)能量，提高顆粒分布的均勻性，提高顆粒與氣體的接觸效率。由于密度的不同，橫向振動(dòng)能量給入后，入料顆粒受到的摩擦阻力存在差異，顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡存在差異，實(shí)現(xiàn)了精煤和矸石的有效分離，如圖5所示。近10 a來，風(fēng)力搖床對塊煤干法分選的研究相對較少，研究工作主要集中在土耳其學(xué)者Kademli M等人對大于6 mm粒級褐煤分選的研究。分選結(jié)果顯示，風(fēng)力搖床最適宜的分選煤炭粒度范圍為6～38 mm，分選Ep值約為0.13～0.23 g/cm3，分選效率與風(fēng)力跳汰的結(jié)果相似[20-21]。

圖5 風(fēng)力搖床分選機(jī)結(jié)構(gòu)示意

3 干法分選技術(shù)發(fā)展方向

通過前文的應(yīng)用分析，未來干法選煤有很大的發(fā)展空間，按照平均每臺干選設(shè)備處理能力0.7 Mt/a計(jì)算，到2025年預(yù)計(jì)產(chǎn)能41 億t，入選率85%，相較于2020年39 億t產(chǎn)能，入選率74.1%，新增入選產(chǎn)能6 億t，適合干法分選的大于6 mm粒級按占比70%計(jì)算，總計(jì)新增產(chǎn)能需求4.2 億t，干選設(shè)備占有率按70%計(jì)算，增量市場空間為420臺。同時(shí)，現(xiàn)階段動(dòng)力煤入選約21 億t，大于6 mm粒級占比70%，未來20 a設(shè)備更新?lián)Q代，擬按70%生產(chǎn)系統(tǒng)替換為干選設(shè)備，存量產(chǎn)能市場空間為1 460臺左右，平均每年替換73臺。到2025年考慮存量市場及增量市場，平均每年需求量約為157臺。2026—2030年煤炭產(chǎn)能預(yù)計(jì)維持41 億t不變，入選率由85%提高至90%，新增入選產(chǎn)能2.05 億t，同樣計(jì)算方式，增量市場空間為143臺，考慮存量市場的設(shè)備更新?lián)Q代，2026—2030年平均每年增量存量市場需求總量約為101臺?？梢钥闯?，若實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，干法分選技術(shù)仍然有很多的工作需要完善，具體可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行總結(jié)。

3.1 大力發(fā)展細(xì)粒煤干法高效分選技術(shù)

當(dāng)前煤炭干法分選研究方向主要有基于煤有機(jī)組分與無機(jī)礦物密度差異的重力分選和基于有機(jī)組分與無機(jī)礦物能量吸收效率差異的射線分選，兩種研究思路在實(shí)踐上均存在局限性：隨著粒度降低，細(xì)顆粒沉降速度受粒度影響權(quán)重增加，在空氣介質(zhì)重力場中不同密度細(xì)顆粒在有限時(shí)間與空間內(nèi)無法完成分離，在氣固濃相介質(zhì)中受床層紊流干擾無法按密度離析，在射線分選技術(shù)識別與排料過程中精度與速度有限。細(xì)粒煤高效分選難題導(dǎo)致干法分選入料下限高，無法實(shí)現(xiàn)全粒級分選，限制了煤炭干法分選提質(zhì)效率與規(guī)模的拓展，嚴(yán)重阻礙了我國干旱缺水地區(qū)與易泥化煤炭的大規(guī)模潔凈化分選提質(zhì)。智能光電分選、復(fù)合式干法分選與干法重介質(zhì)流化床對粗粒煤的干法分選效果顯著，在此基礎(chǔ)上研究光電分選技術(shù)的細(xì)粒煤布料效果、識別精度與排料速度，強(qiáng)化氣流—振動(dòng)復(fù)合力場的能量輸配，提出新型微細(xì)粒多元加重質(zhì)與床層密度調(diào)控方案，是解決細(xì)粒煤高效分選技術(shù)瓶頸、實(shí)現(xiàn)煤炭大規(guī)模高效全粒級入選的有效途徑。

3.2 推進(jìn)干選智能化系統(tǒng)建設(shè)

智能化、數(shù)字化是煤炭行業(yè)發(fā)展的趨勢。傳統(tǒng)煤炭分選技術(shù)實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化與自動(dòng)化，但仍需要操作人員根據(jù)現(xiàn)場情況實(shí)時(shí)調(diào)整工藝與操作參數(shù)，智能化程度低，耗費(fèi)大量人力。干法分選設(shè)備在提升分選性能的同時(shí)應(yīng)重點(diǎn)提升智能化水平，這需要在選后產(chǎn)品指標(biāo)自動(dòng)在線識別、分選狀態(tài)在線監(jiān)測、分選模型自主優(yōu)化、關(guān)鍵參數(shù)在線調(diào)節(jié)等方面深度創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)“無人化智能干選系統(tǒng)”目標(biāo)，節(jié)省人力成本，提高生產(chǎn)效率，減少安全隱患。

3.3 優(yōu)化輔助系統(tǒng)

干選工藝的廣泛應(yīng)用，必然會增加現(xiàn)場除塵及降噪需求，因此干選設(shè)備發(fā)展過程中應(yīng)該注重除塵及降噪的同步研究，進(jìn)一步提升選煤廠現(xiàn)場的工作環(huán)境，提升工人的幸福指數(shù)。同時(shí)，細(xì)粒煤精細(xì)干法篩分問題也是干法處理細(xì)粒級煤炭分選的重要前置條件，深度脫粉是提高細(xì)粒級煤炭干法分選精度的關(guān)鍵。

4 結(jié) 語

煤炭是世界上最主要的化石能源之一，對推動(dòng)世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。作為煤炭產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，煤炭的分選加工是實(shí)現(xiàn)煤炭清潔利用的源頭技術(shù)。本文詳細(xì)梳理了國內(nèi)外煤炭干法分選技術(shù)，介紹了智能光電、復(fù)合式干法分選機(jī)、干法重介質(zhì)流化床、風(fēng)力跳汰、風(fēng)力搖床五種干選技術(shù)的工作原理、技術(shù)性能、研究進(jìn)展和工業(yè)推廣情況，探討了干法分選技術(shù)的發(fā)展瓶頸，對煤炭干法分選技術(shù)發(fā)展的趨勢進(jìn)行了展望，指出了未來干法分選的研究重點(diǎn)可以從“大力發(fā)展干法精準(zhǔn)分選技術(shù)、推進(jìn)干選智能化系統(tǒng)建設(shè)、優(yōu)化輔助系統(tǒng)”入手，為提高我國低品質(zhì)煤炭提質(zhì)加工利用發(fā)揮重要作用。