雙碳目標(biāo)下的選煤技術(shù)研究與推廣應(yīng)用

吳朝蕩，苑金朝，葉樹強(qiáng)，鐘良棋，趙佳偉

(北京國華科技集團(tuán)有限公司，北京 101300)

“雙碳”目標(biāo)是我國戰(zhàn)略目標(biāo)，“能耗雙控”政策是重要推手?！半p碳”目標(biāo)的確定，將深刻影響“十四五”及之后一個時期煤炭行業(yè)發(fā)展，煤炭洗選作為煤炭清潔高效利用的源頭，是完成“能耗雙控”指標(biāo)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，應(yīng)把節(jié)能減碳放在第一位。

1 “雙碳”目標(biāo)下的選煤技術(shù)研究

“能耗雙控”對于技術(shù)落后、能耗高的選煤企業(yè)來說，是巨大的挑戰(zhàn)，要求這類企業(yè)提高對煤炭洗選工藝的認(rèn)識，盡快進(jìn)行選煤工藝的升級改造、選煤設(shè)備的更新?lián)Q代，提高自動化、智能化水平，避免被淘汰。

為實現(xiàn)煤炭清潔利用的源頭降炭，我國近年來開展了選煤新工藝和新裝備的研究，已取得初步成效。

原料煤不預(yù)排矸不分級不脫泥無壓給料三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器主選、粗煤泥重介質(zhì)旋流器分選、細(xì)煤泥浮選機(jī)粗精選、煤泥水兩段濃縮兩段回收聯(lián)合工藝，業(yè)內(nèi)稱之為“國華科技選煤工藝包”[1]。該工藝在中國、土耳其、印度、蒙古、印尼、哈薩克斯坦等國家的600余座選煤廠得到應(yīng)用。

與其他技術(shù)相比，采用該技術(shù)建設(shè)的煉焦煤選煤廠的投資和加工費(fèi)低20%～40%，電耗低40%～60%，噸煤介耗比相同類型的選煤廠低1 kg。全入選動力煤選煤廠矸石帶煤率相比其它動力煤選煤廠低4～20個百分點，投資和加工費(fèi)低10%～30%。

“工藝包”在淮南礦業(yè)集團(tuán)1 200萬t/a特大型煉焦煤選煤廠研究應(yīng)用，取得了良好效果。經(jīng)統(tǒng)計，該選煤廠噸煤電耗6.0 kW·h，根據(jù)GB 29446—2019《選煤電力消耗限額》中折算系數(shù)計算，該選煤廠選煤電力單耗為4.98 kW·h /t，達(dá)一級能耗水平(≤5.0 kW·h /t)；噸煤水耗0.07 m3，比GB/T18916.11—2012《取水定額》標(biāo)準(zhǔn)的0.115 m3低39.1%；噸煤介耗0.35～0.8 kg，達(dá)到甚至超過高水平脫泥入選指標(biāo)。

2 “工藝包”

“工藝包”是由原料煤不預(yù)排矸不分級不脫泥無壓給料三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器選煤技術(shù)、粗煤泥重介質(zhì)旋流器選煤技術(shù)、細(xì)煤泥浮選機(jī)粗精選技術(shù)、煤泥水兩段濃縮兩段回收技術(shù)組成的聯(lián)合工藝。

2.1 原料煤不預(yù)排矸不分級不脫泥無壓給料三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器選煤技術(shù)

無論是采用重介質(zhì)淺槽分選機(jī)、動篩跳汰機(jī)還是近年來出現(xiàn)的射線分選機(jī)預(yù)排矸，均使選煤廠的建設(shè)和生產(chǎn)費(fèi)用大幅度增加。

我國選煤的研究和工業(yè)性試驗證實[2]，隨著分選物料粒度的減小，其實際分選密度隨之呈有規(guī)則地增高并趨于最高產(chǎn)率原則。再則在實際生產(chǎn)時，煤質(zhì)是隨機(jī)變化的，各粒級煤的分界灰分無法及時確定，等λ分級入選也無法實現(xiàn)。眾多原料煤不分級入選的選煤廠實例證明，不分級入選的分選效果達(dá)到甚至優(yōu)于分級入選，但建廠投資和生產(chǎn)費(fèi)用卻可大幅降低，因此原料煤分級入選顯然無甚必要。工藝系統(tǒng)高效簡化，節(jié)能降耗明顯。

國內(nèi)外有些選煤廠采用原料煤脫泥入選工藝，旨在減少進(jìn)入重介質(zhì)旋流器分選系統(tǒng)的煤泥量，從而降低重懸浮液的粘度，改善細(xì)粒級的分選指標(biāo)，提高脫介和介質(zhì)回收設(shè)備的工作效果，降低介耗。但忽視了脫泥入選存在的重大弊端，即工藝系統(tǒng)復(fù)雜化，脫泥效率低下，脫出的煤泥難以高效處理，次生煤泥量增加，特別是無法充分發(fā)揮和利用重介質(zhì)旋流器分選下限已經(jīng)達(dá)到≤0.25 mm的優(yōu)勢等。

工業(yè)實踐證明，不脫泥入選的介耗達(dá)到甚至超過高水平脫泥入選指標(biāo)，河北峰峰礦業(yè)集團(tuán)馬頭選煤廠、山西宏源集團(tuán)各選煤廠、榕鑫集團(tuán)300萬t選煤廠、烏海新烏蘭選煤廠等，介耗低至0.60 kg/t以下。其中榕鑫集團(tuán)300萬t選煤廠介耗長期處于0.35 kg/t的極好指標(biāo)，屬國際領(lǐng)先水平。

山西汾西煤業(yè)有限公司下屬的新峪礦選煤廠由一、二兩個車間組成。一車間由某外國公司2005年設(shè)計，采用原煤脫泥有壓給料兩產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器主再選、煤泥杰姆遜浮選柱分選工藝；二車間由我國自主設(shè)計，2011年投產(chǎn)，原煤不分級、不脫泥無壓給料三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器、煤泥重介質(zhì)旋流器、煤泥“2+2”模式工藝。兩個車間入洗相同的原煤，經(jīng)檢測，兩種重介選煤工藝指標(biāo)列于表1，在精煤灰分相近的條件下，二車間商品精煤產(chǎn)率較一車間高6.97個百分點，中煤帶精(-1.40 kg/L)低4.55個百分點，噸煤介耗低1 kg[3]，二車間矸石帶煤(-1.80 kg/L)僅為0.3%，較一車間大幅減少。自二車間投產(chǎn)后，一車間基本停用。

表1 兩種工藝檢測數(shù)據(jù)

我國自主研發(fā)的3GHMC型無壓給料三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器將重介質(zhì)選煤技術(shù)推向高效、簡化、經(jīng)濟(jì)、節(jié)能的實用階段，成為我國具有原創(chuàng)性自主知識產(chǎn)權(quán)、國際領(lǐng)先的國家重點新產(chǎn)品。其是+0.5 mm粒級分選精度最高的選煤設(shè)備，即使對于+13 mm塊煤，分選精度也高于重介質(zhì)淺槽分選機(jī)，特別是分選密度≥1.70 kg/L時，無壓給料三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器Ep值由國華科技實測，重介質(zhì)淺槽分選機(jī)Ep值由美國丹尼斯公司實測，數(shù)據(jù)見表2、表3。

表2 無壓給料三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器實測Ep值

表3 重介質(zhì)淺槽分選機(jī)實測Ep值

2.2 粗煤泥重介質(zhì)旋流器選煤技術(shù)

在重懸浮液和離心力場條件下，按阿基米德原理對煤泥實施按密度分選，是目前分選精度最高的煤泥分選技術(shù)，是不脫泥無壓給料三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器選煤技術(shù)的組成部分，使重介質(zhì)旋流器選煤技術(shù)的分選下限延伸到0.15 mm(0.1 mm)。該項技術(shù)已獲兩項國家發(fā)明專利，其最大的優(yōu)點有以下兩點：① 巧妙的利用三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器精煤攜帶細(xì)粒磁鐵礦粉的特性；② 煤泥重介質(zhì)旋流器的輕、重產(chǎn)物分別進(jìn)入精煤、中煤磁選機(jī)，由此簡化了介質(zhì)制備和回收工序，與傳統(tǒng)的技術(shù)相比較，節(jié)省了大量基建投資和運(yùn)行成本。

圖1 煤泥重介質(zhì)旋流器選煤技術(shù)流程示意

2.3 高灰分細(xì)泥化煤泥浮選技術(shù)

我國有不少的選煤廠由于原料煤中矸石泥化嚴(yán)重，浮選入料粒度極細(xì)、灰分極高，致使浮選精煤灰分居高不下，無法摻入煉焦精煤產(chǎn)品中。針對上述情況，研發(fā)成功專為高灰分細(xì)泥化煤泥浮選的新工藝，新工藝由脫泥池脫泥(圖2)、煤泥粗選、精選三道工序組成。

已獲國家發(fā)明專利的浮選入料脫泥池實際上兼有浮選入料池的功能：當(dāng)浮選入料高灰分細(xì)泥化程度重時，脫除部分高灰細(xì)泥；當(dāng)細(xì)泥化程度低時，僅起浮選入料緩沖轉(zhuǎn)載作用。浮選入料經(jīng)分配槽沿池子縱長均勻進(jìn)入入料池，高灰細(xì)泥隨溢流進(jìn)入尾煤濃縮機(jī)，脫除部分細(xì)泥的煤漿由底流泵輸送到粗選浮選機(jī)。

浮選入料脫泥池2010年首先用于淮南礦業(yè)集團(tuán)潘一選煤廠[4-5]，該廠亦是我國第一個使用脫泥-粗選-精選工藝的煉焦煤選煤廠。該技術(shù)不僅成功解決了高灰分細(xì)泥化嚴(yán)重，無法分選出高質(zhì)量浮選精煤的難題，而且減少了浮選系統(tǒng)的負(fù)荷，節(jié)約了能耗。

圖2 浮選入料脫泥池結(jié)構(gòu)示意

2.4 煤泥水兩段濃縮兩段回收技術(shù)

我國選煤研發(fā)成功的尾煤泥水兩段濃縮兩段回收工藝是國家科學(xué)技術(shù)部“2+2”模式濕法選煤系統(tǒng)水回用工藝技術(shù)和裝備項目組成內(nèi)容，項目旨在解決我國濕法選煤廠長期存在的洗水濃度居高不下，大量煤泥水外排，造成煤炭、水資源嚴(yán)重浪費(fèi)和對環(huán)境的嚴(yán)重破壞的難題，并于2019年獲國家發(fā)明專利。

貴州土城(3.0 Mt/a)、山東田陳(1.8 Mt/a)兩選煤廠實施尾煤泥水兩段濃縮兩段回收技術(shù)的工藝技術(shù)指標(biāo)列于表4[6]。

表4所列工藝技術(shù)指標(biāo)顯示：循環(huán)水濃度≤1.0 g/L，尾煤泥水深度澄清實現(xiàn)清水洗煤；固體回收率達(dá)到97.10%(土城)和99.06%(田陳)，確認(rèn)尾煤泥已全部在廠內(nèi)回收；噸煤水耗分別為0.073 m3(土城)、0.058 m3(田陳)，較GB/T18916—2012《取水定額》標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計處理能力5.0～1.2 Mt/a煉焦煤選煤廠噸煤水耗0.135 m3規(guī)定指標(biāo)下降0.062 m3和0.077 m3，分別降低45.9%(土城)和57.0%(田陳)。

表4 兩座選煤廠實施兩段濃縮兩段回收工藝技術(shù)指標(biāo)

淮南礦業(yè)集團(tuán)1 200萬t/a特大型煉焦煤選煤廠，實施尾煤泥水(煤泥水)兩段濃縮兩段回收工藝較“單段濃縮單段回收”裝機(jī)容量減少1 800 kW，設(shè)備投資下降1 550萬元，具有明顯的節(jié)能節(jié)資效果。

在20世紀(jì)我國多數(shù)選煤廠(包括地方、個體企業(yè))的煤泥水處理基本失控，既嚴(yán)重污染環(huán)境，煤炭資源損失、浪費(fèi)嚴(yán)重，又大量消耗水資源。尾煤泥水(煤泥水)兩段濃縮兩段回收工藝，已在我國新建、技改選煤廠大范圍推廣應(yīng)用。我國選煤行業(yè)長期的尾煤泥全部廠內(nèi)回收、洗水一級閉路循環(huán)、工業(yè)用水零排放夙愿成為現(xiàn)實。

3 “雙碳”目標(biāo)下選煤技術(shù)發(fā)展與推廣應(yīng)用

我國選煤每年圍繞設(shè)備大型化、系統(tǒng)簡單化、維護(hù)便利化開展專項研究，致力于研發(fā)最先進(jìn)、節(jié)能的選煤技術(shù)，近年來研發(fā)的高效節(jié)能選煤設(shè)備包括S-GHMC系列超級無壓給料雙段重介質(zhì)旋流器、S-FHMC系列超級煤泥重介質(zhì)旋流器、GTFMC系列超耐磨浮選機(jī)、ST系列超級煤泥水濃縮機(jī)、S-DBB系列超級脫介篩等。

3.1 超級旋流器

S-GHMC系列超級無壓給料雙段重介質(zhì)旋流器是我國選煤于近年在國家重點新產(chǎn)品3GHMC系列重介質(zhì)旋流器的基礎(chǔ)上自主研發(fā)的具有超大處理能力、超強(qiáng)排矸能力、超高入料上限(達(dá)265 mm)、超寬分選粒度范圍、超強(qiáng)防堵能力、超低電耗、高分選精度的重介質(zhì)旋流器。是國際上單臺處理能力最大的選煤設(shè)備，已有各種規(guī)格的超級旋流器在69座選煤廠使用。

淮北礦業(yè)集團(tuán)臨渙選煤廠是特大礦區(qū)型煉焦煤選煤廠，其西區(qū)新廠共有三個生產(chǎn)系統(tǒng)，原設(shè)計每個系統(tǒng)配置兩臺3GDMC1300/920A型無壓給料重介質(zhì)旋流器，采用的是選前不脫泥、不分級選煤工藝。2017年臨渙選煤廠用一臺S-3GHMC870/410型超級重介質(zhì)旋流器取代兩臺3GDMC1300/920A型無壓給料三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器，單臺處理量達(dá)810 t/h，是原有的同規(guī)格旋流器的2.3倍，噸煤電耗僅0.96 kW·h，降低了29.2%。據(jù)單機(jī)檢查試驗，重介質(zhì)旋流器第一段可能偏差為0.033 kg/L，第二段可能偏差為0.027 kg/L，數(shù)量效率為98.74%(對較難選煤)，可見超級旋流器節(jié)能作用明顯。表5為S-3GHMC870/410型和3GHMC1300/920A型旋流器各項指標(biāo)匯總[7-8]。

表5 單機(jī)檢查試驗匯總

3.2 S-FHMC系列超級煤泥重介質(zhì)旋流器

超級煤泥重介質(zhì)旋流器處理能力成倍提高，單機(jī)可達(dá)1 847 m3/h，能耗比上一代產(chǎn)品低20%～40%，0.5～0.1(0.075)mm粒級Epm≤0.10 kg/L[9]，有效分選粒度下限可達(dá)0.1～0.075 mm，既可回收大量合格粗粒精煤泥，又能大幅減少進(jìn)入加工費(fèi)用相對較高的浮選作業(yè)系統(tǒng)的煤泥量，是高效節(jié)能的粗煤泥分選設(shè)備。

3.3 GTFMC系列超耐磨浮選機(jī)

GTFMC系列浮選機(jī)是我國選煤在引進(jìn)國際先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國原煤性質(zhì)自主研發(fā)出的超耐磨浮選機(jī)，具有分選精度高、能耗低、尤其是壽命長的特點，其葉輪和定子壽命達(dá)8 a，是其它同類產(chǎn)品的3倍[10]。最大規(guī)格已達(dá)130 m3。

3.4 ST系列超級煤泥水濃縮機(jī)

超級濃縮機(jī)突破傳統(tǒng)理論，處理能力高達(dá)8～12 m3/(m2·h)[11]，是耙式濃縮機(jī)的10倍，無運(yùn)轉(zhuǎn)部件、免維修且無能耗、結(jié)構(gòu)簡單、占地面積小、基建費(fèi)用低。

3.5 煤泥浮選新工藝

“無壓給料三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器+煤泥重介質(zhì)旋流器”為核心的組合工藝有效分選下限已經(jīng)達(dá)到0.15(0.1) mm，-0.15(0.10) mm細(xì)粒煤泥的深度高效回收引起了科研院所和煤炭企業(yè)的共同關(guān)注。近兩年，越來越多的新建或者技改選煤廠對煤泥分選提出了新的要求，根據(jù)入浮煤泥的可浮性及煤炭企業(yè)的需求，選煤行業(yè)研發(fā)了多種浮選工藝。比如山西宏源集團(tuán)多座選煤廠改造時采用“三產(chǎn)品粗浮+精浮+部分精浮”的工藝，精煤灰分不變，精煤產(chǎn)率提高了2～3個百分點，尾煤泥灰分從45%提高至75%，實現(xiàn)了煤炭資源的高效回收，吃干榨凈。

4 結(jié) 語

“工藝包”是我國選煤多年來致力于選煤系統(tǒng)節(jié)能減碳的科研成果。采用基礎(chǔ)版“工藝包”設(shè)計的選煤廠能耗低，比如：潘集選煤廠噸煤電耗4.98 kW·h，烏海榕鑫選煤廠噸煤電耗3.73 kW·h，棋盤井礦業(yè)公司選煤廠噸煤電耗4.81 kW·h，宏源集團(tuán)500萬t選煤廠噸煤電耗4.69 kW·h等，均達(dá)一級能耗水平。據(jù)統(tǒng)計，我國僅有約15%的選煤廠電力消耗限額達(dá)到一級水平(≤5.0 kW·h)，約50%達(dá)到二級水平(≤7.0 kW·h)，約75%達(dá)到三級水平(≤8.5 kW·h)，仍有約半數(shù)選煤廠的電力消耗達(dá)不到二級水平，不符合“雙碳”目標(biāo)，GB 18613—2020《電動機(jī)能效限定值及能效等級》規(guī)定各等級電動機(jī)在額定輸出功率下的實測效率應(yīng)不低于3級規(guī)定(為GB 18613—2012中二級水平)，可見在“雙碳”目標(biāo)下，選煤廠的節(jié)能要求會更加嚴(yán)格。

2021年我國原煤產(chǎn)量40.7億t，原煤入洗率接近75%，作為煤炭清潔高效利用的源頭，煤炭洗選的節(jié)能、降耗、減碳十分重要，因此，應(yīng)大力推廣高效、簡化、節(jié)能的先進(jìn)工藝和裝備，是煤炭洗選的首選，也是必需的途徑。