碳達峰碳中和戰(zhàn)略目標下選煤技術發(fā)展的思考

程宏志

(1.中煤科工集團唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2.河北省煤炭洗選工程技術研究中心，河北 唐山 063012)

煤炭是我國能源安全的“壓艙石”。中共中央政治局常委、國務院副總理韓正在2022年3月22日主持召開的煤炭清潔高效利用工作專題座談會上指出，切實發(fā)揮煤炭的兜底保障作用，要深刻認識推進煤炭清潔高效利用是實現(xiàn)碳達峰碳中和目標的重要途徑，統(tǒng)籌做好煤炭清潔高效利用這篇大文章，并強調，要推動煤炭清潔高效生產和洗選，加強先進技術推廣應用和關鍵核心技術研發(fā)攻關[1]。降碳減排并非不需要化石能源，而是要以技術創(chuàng)新推動煤炭清潔高效利用，實現(xiàn)煤炭由單一燃料屬性向燃料與原料并重、分質梯級利用方向轉變。選煤是潔凈煤技術的源頭和基礎，原煤只有通過分選加工，才能為不同用戶、不同用途提供高品質的煤炭產品，促進節(jié)能減排。對于發(fā)電用煤,發(fā)熱量每降低4.18 MJ/kg，發(fā)電時的標準煤耗將增加80～100 g/kWh[2]，由此可見，為電廠提供合格燃料的節(jié)能減碳效果顯著。此外，每入選1億t原煤,可排除矸石1 800萬t、黃鐵礦150萬t,減少二氧化硫排放49萬t；煉焦煤灰分每降低1個百分點, 焦炭灰分可降低1.33個百分點，生鐵產量可提高3%;焦炭硫分每降低0.1個百分點,生鐵產量可提高2%[3]。新形勢下,選煤工業(yè)承擔著提升煤質水平、助力實現(xiàn)碳達峰碳中和戰(zhàn)略目標的歷史使命。發(fā)展選煤是推進煤炭供給側結構優(yōu)化、消費側能效提升、清潔高效低碳利用的重要基礎。

“十三五”期間，煤炭洗選加工技術快速發(fā)展，千萬噸級濕法全重介選煤技術、大型干法分選技術、低階煤泥浮選技術、原煤井下排矸技術成功應用。2020年，原煤入選率達到74.1%，比2015年提高8.2個百分點；煤矸石綜合利用處置率達到72.2%，比2015年提高8個百分點[4]。到“十四五”末，原煤入選率要達到80%左右[5]，實現(xiàn)應選盡選。

1 我國選煤工業(yè)技術現(xiàn)狀

1.1 選煤工業(yè)呈現(xiàn)集約化快速發(fā)展，原煤入選量大幅提升

據(jù)不完全統(tǒng)計,截至2021年，我國在運行的規(guī)模以上選煤廠2 400多座,原煤入選能力為34億t/a，其中煉焦煤約10億t/a，動力煤約24億t/a，單廠平均入選能力達到140萬t/a。新建了一大批具有世界先進水平的大型、超大型選煤廠。近年來，新建的煉焦煤選煤廠生產能力均在120萬t/a以上，新建的動力煤選煤廠生產能力則均在300萬t/a以上。截至2021年，原煤入選能力達到或超過1 000萬t/a的特大型選煤廠有84座,總計入選能力超過13億t/a,占當年總入選能力的38.2%[3]。與2010年相比，規(guī)模以上選煤廠數(shù)量增加約600座，年入選能力增加16.4億t；1 000萬t/a及以上的特大型選煤廠數(shù)量增加43座，總計入選能力增加7.05億t/a。千萬噸級特大型選煤廠平均入選能力達1 500 t/a。

2005—2021年我國原煤產量及入選情況見表1[3,6-7]。

表1 2005—2021年我國原煤產量及入選情況Table 1 China′s raw coal outputs and treatment rates in 2005—2021

由表1可知：在2005—2020年間，原煤入選量逐年增長率均高于原煤產量增長率?！笆晃濉逼陂g，原煤入選量從2005年的7億t增長到2010年的16.5億t，年入選量增加9.5億t，入選率提高19.0個百分點；“十二五”期間，年入選量增加8.2億t，入選率提高15.0個百分點；“十三五”期間，年入選量增加4.4億t，入選率提高8.8個百分點。

1.2 選煤技術居國際先進或領先水平

我國煤炭資源豐富，煤種牌號齊全，煤質差別大，產品用途廣泛，因而跳汰、重介、浮選、干選等各種選煤方法均有應用。自20世紀90年代以來，我國大力加強選煤科技攻關，研發(fā)出一大批具有自主知識產權的高效選煤工藝與成套裝備。在重介質選煤方面，形成了原煤不脫泥無壓三產品重介質旋流器+煤泥重介質旋流器簡化工藝、原煤脫泥分級重介質旋流器分選工藝、塊煤淺槽重介分選機+末煤重介質旋流器分級洗選工藝；在跳汰選煤方面，形成了塊煤跳汰、末煤跳汰、塊末煤混合跳汰工藝；在煤泥浮選方面，形成了分級浮選、粗選-精選、脫泥浮選工藝；在干法選煤方面，形成了風力分選、光電射線智能干選、空氣重介分選工藝；在低階動力煤洗選方面，形成了脫粉入選工藝；等等。我國選煤技術已躋身國際先進行列，基本滿足了不同原煤的分選加工需求。

近年來，重介質選煤技術以其分選精度高、分選粒度范圍寬、自動化程度高、生產能力大、對煤質適應能力強等優(yōu)點，得到了普遍應用，成為主導選煤方法。根據(jù)中國煤炭加工利用協(xié)會統(tǒng)計的2000年以來各種選煤方法所占比例(表2)[3,6-7]，重介質選煤方法應用比例已由2000年的28%上升到2021年的80%。

表2 各種選煤方法所占比例Table 2 Proportions of various coal cleaning methods applied in different years %

1.3 設備大型化發(fā)展且可靠性顯著提高

在重介質選煤方面，入選能力為1 600萬t/a的臨渙選煤廠采用S-3GHMC870/410型超級重介質旋流器分選較難選煉焦煤，單臺旋流器入選原煤量已達810 t/h、400萬t/a，在50～0.5 mm粒度范圍內，各粒級分選的可能偏差均在0.05 g/cm3以下，數(shù)量效率均超過98%[8]。不僅重介質選煤工藝與主選設備取得了重大進步，而且全系統(tǒng)設備(介質泵、脫介篩、離心機等)的技術性能和使用壽命也均有了大幅提高，從而為重介質選煤系統(tǒng)的可靠運行提供了保障；各種耐磨材料的開發(fā)與使用，延長了非標設備和介質管道的使用壽命，大幅減少了維修維護工作；此外，在線檢測與自動化水平迅速提高，為穩(wěn)定產品質量、提高分選效率和勞動生產率奠定了技術基礎。我國重介質選煤方法洗選的原煤量已由2010年的9億t提高到2021年的23.7億t。

在煤泥浮選方面，入選能力為1 000萬t/a的山東新巨龍選煤廠于2018年進行了浮選系統(tǒng)改造，采用5臺XJM-KS45型自吸氣機械攪拌式浮選機(4室/臺)和粗選-精選工藝，替換了原10臺K-FV50NS充氣式浮選機(德國引進)和粗選-掃選工藝。該廠原煤可選性等級為極難選，要求生產灰分在8.00%(或8.50%)以下的煉焦精煤。根據(jù)生產檢查資料[9]，改造前該廠浮選入料灰分為19.31%，精煤灰分為9.45%，尾煤灰分為46.93%。經(jīng)過技術改造，在浮選入料灰分為22.64%的條件下，精煤灰分為8.58%，尾煤灰分為50.34%。改造后，精煤灰分降低了0.87個百分點，精煤產率由64.82%提高到66.34%，增加了1.52個百分點；浮選完善指標從48.80%提高到53.24%，增加了4.44個百分點。

干法分選具有選煤不用水、建廠投資少、加工成本低、不產生煤泥水等優(yōu)點，特別適用于高含矸原煤預排矸、易泥化原煤分選以及干旱寒冷地區(qū)煤炭的分選。目前，分選下限為6 mm的風力選煤設備單機最大處理能力已達到 500 t/h[10]。神華集團萬利公司柳塔礦應用的FGX-48型復合式風力干選機分選不完善度為0.084，數(shù)量效率達95.18%[11]。光電智能分選機(也稱射線智能分選機)已成功應用于300～50/25 mm粒級塊煤分選[11]。黃陵一號煤礦選煤廠采用TDS24-300型智能干選機對>50 mm粒級塊原煤進行排矸，選后煤中含矸率平均為4.57%，矸石帶煤率平均為2.40%[12]；曙光煤礦選煤廠采用TDS20-204型智能干選機對200～40 mm粒級塊原煤進行排矸，入料含煤率約為5.94%，選后煤中含矸率為10.26%，矸石帶煤率為0.83%[13]。

2 “雙碳”目標下選煤技術發(fā)展的思考

碳達峰碳中和戰(zhàn)略目標正在加速推進煤炭由燃料向燃料與原料并重方向轉變，催生了對選煤新技術的更高要求，為選煤行業(yè)迎來了轉型升級的發(fā)展機遇。

2.1 應加強煤巖顯微組分分選技術研究

現(xiàn)代煤化工是煤炭清潔高效利用的重要途徑，面對低階煤低溫熱解分質利用、清潔高效轉化等現(xiàn)代煤化工產業(yè)對高品質原料煤的需求，加強煤巖顯微組分分選技術的研究與應用，可促進煤化工產業(yè)低碳化發(fā)展，提高煤炭利用效能。在我國已探明的煤炭儲量中，有超過40%的優(yōu)質低階煙煤具有低灰、低硫、低磷、高揮發(fā)分、高活性、易燃易碎等特點，是優(yōu)質的動力用煤和化工原料。由于普遍具有惰質組分含量高(在35%以上)的缺點，導致煤在直接液化、熱解、催化解聚等過程中表現(xiàn)出能量轉化效率和碳轉化效率低等不足；此外，由于煤巖顯微組分嵌布結構的復雜性，給煤巖顯微組分的分離富集帶來了一定的難度和挑戰(zhàn)，嚴重制約了低階煙煤清潔高效利用技術的發(fā)展[14]。

煤具有多組分性，不同煤巖顯微組分的結構和性質不同，其中富鏡質組煤在熱解、焦化、氣化、液化、煉焦、制備煤基復合材料等方面具有較大優(yōu)勢，而富惰質組煤則更適合制備活性炭、石墨材料和碳素材料。

周安寧等[15]綜述了部分地區(qū)原煤及其顯微組分富集物熱解焦油的產率，見表3；部分地區(qū)不同低階煤顯微組分組成及其液化試驗結果見表4。由表3、表4可知，煤熱解時焦油產率、煤液化時油產率均隨鏡質組含量增加而明顯升高。

表3 部分地區(qū)原煤及其顯微組分富集物熱解焦油產率Table 3 Data of yield rates of pyrolysis tar oil obtained from enriched materials from raw coal and its macerals in some mining areas %

表4 部分地區(qū)不同低階煤顯微組分組成及其液化試驗結果Table 4 Maceral components of different low-rank coal in some mining areas and results of liquefaction test %

門東坡等[16]研究了鏡質組含量為55.14%、惰質組含量為41.70%的神東長焰煤在不同破碎粒度下顯微組分解離規(guī)律，結果表明：當解離粒度為0.125 mm時，鏡質組、惰質組單體解離度分別達到91.77%，86.77%；對破碎至0.125 mm以下的煤樣，采用離心浮沉試驗方法，在分選密度為1.33 g/cm3時，可獲得鏡質組含量為89.05%、產率為58.72%的鏡質組富集物。

劉朋[17]研究了寧東礦區(qū)羊場灣洗煤廠精煤(主要供給煤化工基地作氣化用煤，鏡質組含量為51.7%，惰質組含量為41.4%)煤巖組分分離特性，將煤樣磨至0.125 mm以下，采用離心浮沉試驗方法，按照1.26，1.34，1.38 g/cm3將煤樣分為4個密度級別，試驗結果為：<1.26 g/cm3密度級產率為3.63%，鏡質組含量為60.7%，惰質組含量為31.2%；1.26～1.34 g/cm3密度級產率為55.35%，鏡質組含量為64.6%，惰質組含量為32.3%；1.34～1.38 g/cm3密度級產率為31.82%，鏡質組含量為38.8%，惰質組含量為55.4%；>1.38 g/cm3密度級產率為9.21%，鏡質組含量為24.4%，惰質組含量為63.9%。由此可見，<1.34 g/cm3密度級產物富集了鏡質組分，而>1.34 g/cm3密度級產物富集了惰質組分。

然而，由于煤巖顯微組分充分解離后粒度細且不同組分密度差別小，因此煤巖顯微組分分選難度極大，至今尚未實現(xiàn)工業(yè)化。面對現(xiàn)代煤化工產業(yè)對高品質原料煤的需求，認為應從浮選、重選、光電色選等方面加強煤巖顯微組分分選技術研究，一旦突破，對提高選煤技術整體水平具有極大推進作用。

2.2 攻克粉煤干選技術難題

發(fā)熱量是動力煤的主要指標。粉煤(粒度在6 mm以下)洗選后雖然灰分降低，但是水分明顯升高，尤其煤泥濾餅的水分通常在20%以上，導致粉煤洗選后產品發(fā)熱量不升反降，因此近年來低階動力煤多采用脫粉入選工藝，以大大減少煤泥的入選量。然而，隨著近年來采煤機械化程度的提高，礦井開采出的原煤中粉煤含量越來越高，2012年寧東礦區(qū)羊場灣、棗泉、梅花井、紅柳、清水營等5座1 000～1 600萬t/a特大型選煤廠原煤生產大樣篩分資料顯示：<6 mm粒級粉煤產率分別為30.13%，31.58%，43.01%，50.41%，53.94%，平均值為41.81%；而粉煤灰分分別為10.06%，13.80%，21.36%，28.04%，17.65%，平均值為18.16%；原煤灰分分別為12.39%，14.73%，24.03%，34.27%，19.50%，平均值為20.89%，與粉煤灰分相差不大。脫粉入選雖然可實現(xiàn)煤泥減量化入選，但是會導致有30%～40%的原煤不能得到分選。目前，突破6 mm入選下限的粉煤干選技術尚未規(guī)模化應用。干法末煤跳汰機于2015年在山西貓兒溝煤礦、河南鄭新鑫旺煤業(yè)等單位應用。TFX-8型干法末煤跳汰機在分選外在水分在8%以下的<13 mm粒級易選末煤時，對其中灰分為18.75%、產率為86.80%的13～1 mm粒級末原煤，可選出灰分為7.67%、產率為66.74%的精煤和灰分為29.18%、產率為7.15%的中煤，以及灰分為70.22%、產率為12.91%的矸石，分選可能偏差為0.203 g/cm3,數(shù)量效率為89.53%[18]。

2015—2021年我國動力煤原煤產量和商品煤發(fā)熱量情況見表5[3]。雖然原煤入選比例由2015年的65.9%逐年上升到2020年的74.7%(2021年為71.7%)，但商品煤發(fā)熱量始終在19.31～19.78 MJ/kg之間波動，沒有明顯變化，這一方面是受動力煤價格體系的影響，另一直接影響是粉煤尚不能得到有效分選。

表5 2015—2021年我國動力煤原煤產量和商品煤發(fā)熱量統(tǒng)計數(shù)據(jù)Table 5 Statistical data of raw power coal outputs and calorific values of saleable power coal in 2015—2021

2.3 深入研究大宗低階煤泥提質與利用技術

針對長焰煤、不黏煤等低階煤表面含氧官能團多、疏水性差的浮選難題，一方面需要深入研究不同類型捕收劑與低階煤表面作用機理，篩選優(yōu)化捕收劑分子結構，改善煤粒疏水性；另一方面還要研究適用于低階煤的浮選工藝，并優(yōu)化攪拌強度、礦漿流態(tài)、充氣速率、浮選時間等操作參數(shù)，以強化浮選過程。近年來，多名學者進行了相關研究工作，均取得了具有應用價值的學術成果。鄭云婷[19]進行了低階煤表面性質研究與浮選藥劑的篩選工作；許晨濤[20]進行了低階煙煤浮選捕收劑組分分離及改性優(yōu)化的研究；譚金龍[21]研究了C—O/Si—O復配捕收劑協(xié)同強化低階煤浮選界面作用機制。在工業(yè)應用方面，中煤科工集團唐山研究院有限公司于2014年在陜西中達燕家河選煤廠(生產能力為300萬t/a，全粒級入選)進行了不黏煤浮選提質工業(yè)性試驗示范，采用一臺XJM-KS28型浮選機分選全廠煤泥，在浮選入料平均灰分為42.20%的條件下，獲得了平均灰分為16.00%、產率為55.56%的浮選精煤，尾煤灰分高達75%，使煤泥產品發(fā)熱量由13.81 MJ/kg提高到22.63 MJ/kg，商品煤產量增加15萬t/a，企業(yè)利潤增加1 686萬元/a；此外，將浮選尾煤與矸石混合制磚，也取得了顯著的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益[22]。2015年8月，中煤科工集團唐山研究院有限公司在朔州中煤平朔能源有限公司選煤廠(生產能力為1 100萬t/a，全粒級入選)進行了長焰煤浮選工業(yè)性試驗示范，采用一臺XJM-S90型機械攪拌式浮選機處理全廠煤泥水(2 400～3 000 m3/h)，在浮選入料平均灰分為26.44%條件下，獲得了平均灰分為14.16%、產率為61.64%的精煤，尾煤平均灰分為47.04%，精煤可燃體回收率為72.06%[23]。

由于不同礦區(qū)的低階煤即使牌號相同，其孔隙率、官能團、內在水分等影響可浮性的因素也存在較大差異，因此今后需要深入研究適用于不同性質低階煤浮選的藥劑匹配、浮選工藝參數(shù)匹配，以進一步提高低階煤浮選選擇性和浮選效率。此外，還需研究煤泥深度加工技術。煤泥粒度細，煤巖顯微組分和煤矸的解離度均高于粗粒煤炭，通過深度分選加工，不僅精煤可作為現(xiàn)代煤化工等行業(yè)分質利用的高品質原料，而且尾煤粒度細、純度高，可因地制宜，作為建材、陶瓷等行業(yè)的原料。

2.4 加強選煤基礎理論研究，為高效智能生產奠定基礎

選煤理論與控制模型的建立是實現(xiàn)智能生產的重要基礎。應在各種選煤方法分選機理研究的基礎上建立各影響因素間的數(shù)學模型或經(jīng)驗模型，作為制訂控制策略的重要依據(jù)。以浮選生產為例，在選煤廠工藝流程和設備(浮選機)定型后，影響生產能力和產品指標的主要操作因素包括但不限于：與入浮煤泥可浮性、礦漿流量、礦漿濃度及煤泥粒度分布相匹配的藥劑制度，如浮選藥劑種類、添加量、加藥點位置及比例分配等；與入料量和可浮性相匹配的充氣量；與入料量、精煤產率、槽間中礦流量、尾礦流量相匹配的各浮選槽液位高度；與精煤產品灰分相關的泡沫狀態(tài)；與浮選速度(處理能力)相關的攪拌強度、充氣速率和流體動力學參數(shù)；等等。如果缺乏對各因素之間作用機理、響應機制和規(guī)律性的研究，則難于科學制訂控制策略，無法實現(xiàn)智能生產。雖然在線檢測入料和產品質量(灰分)是智能化的重要前提，但是僅依賴在線檢測儀表數(shù)值的反饋只是質量反饋控制，與智能化還有很大差距。

3 結語

選煤是節(jié)能節(jié)運、清潔高效低碳利用煤炭的重要基礎。在碳達峰碳中和戰(zhàn)略目標下，面對煤炭清潔高效低碳利用的重大需求，應加強煤巖顯微組分分選、粉煤干法分選、大宗低階煤泥提質與利用、選煤基礎理論的研究與科技攻關，以推動選煤技術整體水平的提高，為現(xiàn)代煤化工、煤電產業(yè)提供高品質原料和燃料，提高煤炭利用效能。