“雙碳”目標下促進干法選煤技術(shù)應(yīng)用研究

夏云凱，劉建榮，王寅林，樊瑞康，李 磊，王新華

(1.唐山神州機械集團有限公司，河北省唐山市，063001；2.內(nèi)蒙古上海廟礦業(yè)有限責任公司，內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市，016200；3.中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇省徐州市，221116；4.河北省煤炭干法加工裝備工程技術(shù)研究中心，河北省唐山市，063001)

1 “雙碳”目標下干法選煤技術(shù)的新方向

煤炭資源作為一次能源的重要組成部分，一直是我國的主要能源，為我國國民經(jīng)濟的穩(wěn)定繁榮發(fā)展起到了關(guān)鍵性作用。2021年我國煤炭產(chǎn)量41.3億t/a，其中動力煤占比83.5%，煤炭年產(chǎn)量比2020年增長了4%，占一次能源消費總量的56%，預(yù)計到2025年仍維持41億t左右[1]。2022年3月29日，國家能源局印發(fā)《2022年能源工作指導(dǎo)意見》，指出2022年要增強能源供應(yīng)保障能力，全國能源生產(chǎn)總量達到44.1億t標準煤左右[2]。由此可見，煤炭作為主體能源是我國能源安全壓艙石和穩(wěn)定器的地位短時期內(nèi)不會發(fā)生改變。

自2020年9月習(xí)近平總書記在聯(lián)合國大會上提出“雙碳”目標以來，我國統(tǒng)籌規(guī)劃煤炭發(fā)展新布局，既要確保煤炭供給滿足人民生活需求，又要實現(xiàn)煤炭清潔高效利用。“雙碳”目標的實現(xiàn)要經(jīng)歷經(jīng)濟社會的發(fā)展和能源結(jié)構(gòu)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整[3],由此尋求一條穩(wěn)定實現(xiàn)“雙碳”目標的道路顯得尤為關(guān)鍵。

煤炭直接利用會產(chǎn)生較大污染和資源浪費，選煤作為充分發(fā)揮煤炭利用價值的有效方式，被稱為潔凈煤技術(shù)的源頭，一直被廣大學(xué)者長期研究[4]。2022年3月，國務(wù)院召開“煤炭清潔高效利用工作專題座談會”，選煤得到高度重視。要想實現(xiàn)煤炭清潔高效利用，必須提高原煤入選比例，為消費端提供高品質(zhì)的煤炭產(chǎn)品[5]。然而，我國大部分煤炭資源分布在干旱的西部地區(qū)，不太適合采用濕法選煤技術(shù)，而干法選煤技術(shù)可以很好地解決水資源的缺乏問題，還直接解決了選煤產(chǎn)品易泥化的問題，并能間接實現(xiàn)降低能耗和直接燃用造成的污染問題。

為了滿足“雙碳”目標的需求，一是要在適合地區(qū)大力推廣干法選煤設(shè)備的應(yīng)用和建設(shè)；二是要大力開展干法選煤的基礎(chǔ)理論研究，盡可能拓寬入選范圍實現(xiàn)全粒級干法入選；三是要實現(xiàn)干法選煤自動化和智能化，深入研究煤炭和矸石的智能分離，提高煤矸分離的準確度，逐步實現(xiàn)免人工的智能化選煤；四是要大力推行井下選煤技術(shù)，真正實現(xiàn)井工煤礦煤炭開采后的井下入選，減少地面污染；五是要開發(fā)干法選煤輔助系統(tǒng)，為干法選煤提供理想的分選環(huán)境，提高干法選煤精度；六是要在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，多進行新型干法選煤設(shè)備的開發(fā)利用，以滿足不同情況的分選要求；七是要進行多種干法選煤技術(shù)的融合分選研究，以實現(xiàn)更寬粒級煤炭的入選；八是要進行干法選煤統(tǒng)籌規(guī)劃，促進干法選煤技術(shù)合理有效和科學(xué)的推廣應(yīng)用，真正為“雙碳”目標的實現(xiàn)做出實際貢獻[6-11]。

2 我國干法選煤技術(shù)的新進展

干法選煤技術(shù)經(jīng)過長期發(fā)展，按照分選原理的不同，大致可以將其分為復(fù)合式干法選煤技術(shù)、風力選煤技術(shù)、煤炭智能光電分選技術(shù)和煤炭空氣重介質(zhì)流化床分選技術(shù)4種[12-15]。

2.1 復(fù)合式干法選煤技術(shù)

2.1.1 分選原理

原煤物料進入振動床面后，其在激振力和氣流曳力的協(xié)同作用下在振動床面上得到均勻分散，由于下層物料受到振動床面和氣流的直接影響，使得物料沿床面逐漸螺旋上移，而上層物料受到摩擦力和氣流曳力較下層弱，因此沒有足夠的條件使得其上移，從而向下滑落。在原煤物料遷移的過程中，由于原煤顆粒受綜合作用力影響，與振動床面接觸的次數(shù)不同，使得原煤物料逐漸發(fā)生分層，由此向上遷移的矸石層和向下遷移的精煤層得以有效分離。

2.1.2 應(yīng)用情況

我國從20世紀90年代開始研究復(fù)合式干法選煤技術(shù)，第1臺工業(yè)化生產(chǎn)的復(fù)合式干法選煤設(shè)備(FGX-3型)在吉林省原琿春礦務(wù)局運銷公司成功應(yīng)用，處理量為30 t/h[16]。其主要結(jié)構(gòu)由分選床、振動器、氣室、機體構(gòu)架、接料裝置等部分構(gòu)成，振動器通過彈簧與機體連接使機體產(chǎn)生激振，分選床面由布風板、背板、各條等構(gòu)成，其中布風板下方的布風室與風機相連，風量及風速可由風閥控制，壓縮氣體經(jīng)布風板作用于分選顆粒。之后，唐山神州機械集團有限公司(以下簡稱“神州機械集團”)在此基礎(chǔ)上研制了FGX-6型、FGX-12型、FGX-24型和FGX-48型干法選煤設(shè)備，單機處理量最大可達到500 t/h。

隨著國家大力倡導(dǎo)建設(shè)社會主義生態(tài)文明，神州機械集團在原有設(shè)備基礎(chǔ)上增加了主機封閉系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)等，有效控制了干法選煤過程中粉塵的逸散，極大地提高了復(fù)合式干法選煤設(shè)備的環(huán)保性能。進入21世紀以來，神州機械集團在結(jié)合美國干法分離技術(shù)的基礎(chǔ)上，針對復(fù)合式干法選煤技術(shù)優(yōu)化難題進行了大量的理論研究和設(shè)備改造工作，最終研制出ZM礦物高效分離機，該分選機采用不同階梯式分選功能，使原煤物料在流化的同時實現(xiàn)了按密度分層，不僅分選效果顯著提升，同時還具有工藝簡單、投資和運行成本低、占地空間小、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點。2021年，神州機械集團又在ZM礦物高效分離機的基礎(chǔ)上研制成功了CZM型超級干法選煤機，不僅提高了單位面積處理能力，而且節(jié)能降耗效果大幅度提升。

2.2 煤炭光電分選技術(shù)

2.2.1 分選原理

針對圖像識別分選技術(shù)和射線分選技術(shù)收集到的煤炭和矸石的信息差異，建立相應(yīng)的分析模型，利用深度學(xué)習(xí)等先進計算機算法，通過大數(shù)據(jù)分析對煤炭和矸石進行識別或標記，并發(fā)出相應(yīng)命令，最終通過響應(yīng)執(zhí)行裝置將煤炭和矸石分離。

光電分選技術(shù)可細分為圖像識別分選技術(shù)和射線分選技術(shù)，其中圖像識別技術(shù)是利用煤炭和矸石表面色澤、紋理等物理性質(zhì)的不同進行信息收集；射線分選技術(shù)則是利用煤炭和矸石對射線的吸收和散射量的不同進行信息收集。

2.2.2 應(yīng)用情況

我國的光電分選技術(shù)始于20世紀60年代，開始多應(yīng)用于糧食、藥物等分揀。近年來，神州機械集團與天津美騰科技有限公司將X射線分選技術(shù)應(yīng)用于煤炭分選，分別開發(fā)了IDS型與TDS型智能干選機，適用于25～300 mm的塊煤分選，分選后煤中帶矸率為1%～3%，具有分選精度高、粒級寬、處理能力大等特點，并已成功用于井下；河北精密機械制造有限公司研發(fā)了DDS型智能選矸系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有深度學(xué)習(xí)能力，可以實現(xiàn)無人值守，滿足多種現(xiàn)場的實際生產(chǎn)需求，并適合多種現(xiàn)場智能干選的改造；安徽中科光電色選機械有限公司研發(fā)了ICS型煤炭智能干選機，可適用寬粒級塊煤分選；巨龍融智機電技術(shù)有限公司研發(fā)了γ射線類型的GDRT型智能分選系統(tǒng)，通過現(xiàn)場調(diào)試與技術(shù)改造，該系統(tǒng)實現(xiàn)了選煤效率達到95%以上；凱瑞斯礦業(yè)設(shè)備技術(shù)(北京)有限公司研發(fā)了CXR型智能干選機對煤炭物料進行優(yōu)化分選，分選效率達到95%以上，矸中帶煤低于2%；北京霍里斯特科技有限公司研發(fā)了T104型智能干選機，配備高壓氣噴系統(tǒng)實現(xiàn)被分選對象的空間分離；陜西中環(huán)機械公司研發(fā)了KGX型智能干法煤矸分選系統(tǒng)，該系統(tǒng)處理能力可以達到180～280 t/h，排矸率可達95% ，矸中帶煤率也可小于2%。

2.3 風力選煤技術(shù)

2.3.1 分選原理

風力選煤技術(shù)可細分為風力搖床技術(shù)[17]和風力跳汰技術(shù)[18]。

(1)風力搖床分選原理。原煤物料進入床面后在搖動和氣流的作用下發(fā)生分散，進入到床面凹槽的物料受到分選介質(zhì)的作用發(fā)生分層，上層精煤由于床面的縱向傾角和搖動發(fā)生遷移進入下一分選凹槽，如此反復(fù)分選直至精煤由排料邊緣排出，而凹槽底部的矸石受搖動力和物料推力作用向床面末端移動并排出。

(2)風力跳汰分選原理。通過脈沖氣流使分選原煤物料顆粒流化，氣流關(guān)閉后，由于精煤和矸石的密度差異引起沉降速度不同而實現(xiàn)顆粒分層，分選床內(nèi)部設(shè)有水平分割堰裝置，使精煤自溢流堰上方自然溢出，而密度高的矸石則自溢流堰下方排出，經(jīng)過脈沖氣流多次流化-沉降之后，分選出合格的精煤產(chǎn)品。

2.3.2 應(yīng)用情況

(1)在風力搖床技術(shù)利用方面，已經(jīng)開發(fā)出KAT型和FX型分離器進行風力選煤，其中KAT型分離機由韓國地質(zhì)礦產(chǎn)研究所開發(fā)，主要由分離床表面、供氣裝置、振動裝置、擋板和分離器組成，振動強度、分選床表面和間隔棒傾角可以根據(jù)分選實際情況要求進行調(diào)整。煤炭科學(xué)研究總院研發(fā)了FX型分離器，中國煤炭科工集團唐山分院在FX型分離器基礎(chǔ)上設(shè)計了FX-25型分離器，主要在原有基礎(chǔ)上增加了床面面積。

(2)在風力跳汰技術(shù)利用方面，德國亞明公司研發(fā)了Allair型分離器，國產(chǎn)機型主要有TFX型和TGS型等分離器用于風力跳汰選煤。

2.4 空氣重介質(zhì)流化床干法選煤技術(shù)

2.4.1 分選原理

通過氣流和二元加重質(zhì)顆粒，形成一定密度的似流體(流化床層)，物料進入流化床層后，不同密度組成的原煤物料按流化床層密度分層，其中高于流化床層密度的物料下沉，低于流化床層密度的物料上浮，最后再由排料裝置將各自產(chǎn)品排出[19]。

2.4.2 應(yīng)用情況

流態(tài)化干法選煤技術(shù)的研究和工業(yè)應(yīng)用開始與20世紀20年代，之后引起眾多學(xué)者的研究。20世紀70～80年代，蘇聯(lián)研制出了CBC-25型和CBC-100型樣機；加拿大學(xué)者研制了鏈動逆流流化床半工業(yè)選煤裝置，實現(xiàn)鏈動排料。20世紀80年代，加拿大學(xué)者在鏈動逆流流化床的基礎(chǔ)上研制了氣動逆流流化床，在裝置右端通入氣體，氣體自左向右運動實現(xiàn)排料；德國亞琛大學(xué)利用振動流化床對-3 mm的細粒煤實現(xiàn)了較好的分選[20-21]。

我國的氣固流態(tài)化干法選煤技術(shù)開始于1984年，主要是由中國礦業(yè)大學(xué)陳清如院士開創(chuàng)了空氣重介流化床干法選煤的研究。經(jīng)過多年研究工作，成功建成了第一座空氣重介流化床選煤系統(tǒng)工業(yè)試驗系統(tǒng)。在此研究的基礎(chǔ)上，中國礦業(yè)大學(xué)教授趙躍民及其研究團隊創(chuàng)新發(fā)展了煤炭氣固分選流態(tài)化理論，經(jīng)過多年研究探索并與神州機械集團成功合作，于2013年在新疆建立了世界上首座模塊式空氣重介流化床選煤廠，以磁鐵礦粉和煤粉為二元加重質(zhì)，達成了對6～100 mm原煤的分選，可能偏差為Ep為0.055 g/cm3，數(shù)量效率大于95%，實現(xiàn)精煤超低灰分3.46%?？諝庵亟榱骰策x煤技術(shù)工藝的工業(yè)應(yīng)用具有顯著的節(jié)水效果好、選煤效率高、占地面積小、投資低、建設(shè)周期短、設(shè)備穩(wěn)定可靠、運行平穩(wěn)等優(yōu)點，成功解決了干旱地區(qū)選煤缺水問題，為我國西部干旱缺水地區(qū)的煤炭分選提供了又一條有效途徑[22]。

3 新形勢下干法選煤技術(shù)的機遇與挑戰(zhàn)

在“雙碳”目標的新形勢下，基于我國煤炭資源分布的特殊性，干法選煤技術(shù)的大規(guī)模推廣勢在必行，尤其是我國西部干旱缺水地區(qū)。同時，要繼續(xù)進行以下干法選煤關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)。

(1)細粒煤分選。細粒煤分選一直是干法選煤技術(shù)的難點，空氣重介干法選煤技術(shù)對小于1 mm的細粒煤無論在空氣重介流化床中還是在有外加能量的流化床中，細粒煤受到的干擾力都較大，且無法受到床層浮力按照密度進行有效分層，尤其是小于0.5 mm的細粒煤因氣流曳力和加重質(zhì)顆粒影響大部分集中在流化床上層，風力分選和光電分選也無法對細粒煤進行有效剔除。其中對顆粒間氣流能量傳播和其他外加能量傳播機制解析，是實現(xiàn)穩(wěn)定密度調(diào)控和解決細粒煤分選的關(guān)鍵。

(2)干法選煤智能化。干法選煤智能化、無人化技術(shù)仍然需要大量研究，在傳統(tǒng)干法選煤基礎(chǔ)上實現(xiàn)的智能干選只是半智能化；干法選煤的智能化對煤炭行業(yè)實現(xiàn)低碳綠色發(fā)展、節(jié)能減排和選煤產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型具有重要的戰(zhàn)略意義，突破重點在于建立合適的數(shù)據(jù)分析模型、豐富大數(shù)據(jù)資源庫以及優(yōu)化升級相關(guān)參數(shù)等。

(3)高精度和寬粒級入選。實現(xiàn)高精度和寬粒級入選是干法選煤技術(shù)突破的重點，立足于干法選煤的工程實際問題，干法選煤的基礎(chǔ)理論研究和實驗設(shè)備的優(yōu)化對實現(xiàn)高精度干法選煤具有指導(dǎo)意義。

(4)優(yōu)化輔助系統(tǒng)。為實現(xiàn)干法選煤綠色無污染發(fā)展，必須降低噪聲和粉塵污染，改善工作人員的工作環(huán)境；因此優(yōu)化干法選煤輔助系統(tǒng)非常必要。

(5)固廢高值化利用。加大對煤炭干選后尾礦和伴生礦物的處理，并實現(xiàn)固廢高值化利用，也是干法選煤技術(shù)應(yīng)用中亟需解決的問題之一。

4 結(jié)語

在“雙碳”目標的新形勢下，提高煤炭入選比例成為實現(xiàn)“雙碳”目標的必然要求。根據(jù)我國煤炭資源分布特點和行業(yè)需求，結(jié)合干法選煤的優(yōu)勢，促進干法選煤技術(shù)的推廣應(yīng)用十分必要，尤其是我國西部干旱缺水地區(qū)。未來要加大干法選煤技術(shù)的推廣應(yīng)用力度，同時要對干法選煤中的關(guān)鍵技術(shù)以及難點、重點技術(shù)問題加大科技攻關(guān)力度。