“雙碳”背景下我國推廣干法選煤必要性及其應用策略研究

張振紅

(河南能源集團采購有限公司，河南省鄭州市，450000)

0 引言

面對日益嚴峻的氣候形勢，全球100多個國家或地區(qū)相繼提出碳中和目標?？紤]到激進減碳的危害[1]，我國提出CO2排放量力爭于2030年前達到峰值，2060年實現(xiàn)碳中和目標[2]。2021年，習近平總書記考察國能榆林化工有限公司強調(diào)，煤炭作為我國主體能源，要按照綠色低碳發(fā)展方向，對標實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標任務，立足國情、控制總量、兜住底線，有序減量替代，推動煤炭消費轉(zhuǎn)型升級。黨的二十大報告指出，立足我國能源資源稟賦，堅持先立后破，有計劃分步驟實施碳達峰行動，深入推進能源革命，加強煤炭清潔高效利用，加快規(guī)劃建設新型能源體系，積極參與應對氣候變化全球治理。煤炭選煤加工作為煤炭清潔高效利用的源頭和基礎，應按照綠色低碳方向發(fā)展。為了實現(xiàn)綠色低碳選煤，研究推廣干法選煤以及如何妥善解決干法選煤在推廣應用過程中存在的問題日顯重要。

1 我國選煤產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢

隨著我國煤炭行業(yè)落后產(chǎn)能淘汰與先進產(chǎn)能陸續(xù)釋放，煤炭產(chǎn)能區(qū)域集中度進一步提高，2022年全國原煤產(chǎn)量45.6億t，其中晉、蒙、陜、新4省(區(qū))占全國總產(chǎn)量達到80.9%[3]?！笆濉逼陂g，我國千萬噸級全重介分選技術(shù)、大型復合干法和塊煤干法分選技術(shù)、細粒級煤炭資源高效分選技術(shù)、井下選煤排矸和空氣流化床重介干法分選技術(shù)得到成功應用。2022年受保供電煤的影響，我國原煤入選率為69.7%，入選原煤能力超過千萬噸特大型選煤廠有84座，合計入選能力超過13億t。到 2025年，我國選煤目標為：全國在運行選煤廠入選能力達到35億t以上，原煤入選比例達到80%以上，動力煤入選比例達到75%以上[3-4]。

2 我國干法選煤技術(shù)發(fā)展應用現(xiàn)狀

近年來，我國干法選煤技術(shù)與裝備取得了快速發(fā)展，為動力煤入選發(fā)揮了重要作用，并成功應用到冶金用原煤預排矸。最具代表性的分選技術(shù)有復合式干法分選技術(shù)、塊煤智能干法分選技術(shù)、空氣流化床重介干法分選技術(shù)等。

2.1 復合式干法分選技術(shù)

復合式干法分選的典型代表是唐山神州機械集團有限公司的FGX與ZM系列，該公司與中國礦業(yè)大學合作研究了分選床中顆粒密度分布特性，協(xié)同優(yōu)化了振動參數(shù)、氣流參數(shù)、床面結(jié)構(gòu)(格條、布風板、背板等)，提高了分選精度，降低了分選粒度下限。研制了處理能力達到480～600 t/h的大型分選機，實現(xiàn)了煤炭大規(guī)模干法分選提質(zhì)；成功開發(fā)了細粒煤在氣流和振動復合力場中的干法分選技術(shù)，在+13 mm、+6 mm分選基礎上，-13 mm 末煤復合干法選煤取得了突破，分別在河南能源集團的嵩山煤礦、龍門煤礦和高山煤礦以及陽泉煤業(yè)(集團)有限責任公司五礦等煤炭企業(yè)運行，效果較好。80～0 mm粒級復合干法分選國內(nèi)生產(chǎn)能力超過2億t，并出口至美國、俄羅斯等20多個國家[5]。

2.2 塊煤智能干法分選技術(shù)

塊煤智能干法分選原理是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，建立相應的分析模型，利用深度學習等先進計算機算法，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)出相應命令，最終通過響應執(zhí)行裝置將煤炭和矸石分離。近年來，國內(nèi)外大力開發(fā)塊煤智能分選機主要分選300～50 mm粒級物料，國內(nèi)已有數(shù)百套成功運用。塊煤智能干法分選采用X射線+風動分離技術(shù)，主要代表廠家有天津美騰科技股份有限公司、唐山神州機械集團有限公司等十余家[6]；塊煤智能干法分選采用圖像+風動分離技術(shù)，主要代表廠家有河南夢云智能科技有限公司、中信重工開誠智能裝備有限公司等；塊煤智能干法分選采用γ射線+風動分離技術(shù)，主要代表廠家有巨龍融智機電技術(shù)(北京)有限公司等。

2.3 空氣流化床重介干法分選技術(shù)

空氣流化床重介干法分選原理是通過氣流和二元加重質(zhì)顆粒，形成一定密度的似流體性質(zhì)的流化床層，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。我國已成功投運了2套空氣流化床重介干法分選系統(tǒng)，一是國能新疆寬溝礦業(yè)有限責任公司，其采用的是中國礦業(yè)大學與唐山神州機械集團有限公司開發(fā)的40～60 t/h干法選煤系統(tǒng)，主要分選50～10 mm原煤；二是徐州礦務集團有限公司張集煤礦，應用的是北京博后篩分工程技術(shù)有限公司研發(fā)的500 t/h空氣重介干法選煤系統(tǒng)[7]。

3 我國推廣應用干法選煤工藝的必要性

干法選煤具備系統(tǒng)簡單易于實現(xiàn)智能化、不用水、不產(chǎn)生煤泥、投資少、建廠周期短、運營成本低和能耗低等低碳優(yōu)勢，不僅可滿足化工原料用煤與電煤提質(zhì)需要，而且適用于冶金用煤濕法分選預排矸以及矸石泥化與易泥化煤炭的分選[8]。

3.1 行業(yè)發(fā)展需要

經(jīng)過近10年的示范和升級示范發(fā)展，現(xiàn)代煤化工基本架通了煤炭向油氣燃料和基礎化工品轉(zhuǎn)化的橋梁，為發(fā)揮我國煤炭資源優(yōu)勢、降低油氣對外依存度、保障國家能源安全與煤炭消費轉(zhuǎn)型開辟了新途徑[9]。隨著新能源發(fā)電上網(wǎng)規(guī)模的增加，煤電調(diào)峰作用越來越強，深度調(diào)峰需要熱值相對較高和均勻穩(wěn)定的優(yōu)質(zhì)電煤。基于此，干法選煤更適合化工原料用煤和優(yōu)質(zhì)電煤的分選加工[8]。

我國煤炭資源稟賦較差，低品質(zhì)煤儲量約占40%，灰分小于10%的特低灰煤僅占保有儲量的15%～20%。隨著機械化、智能化煤炭開采方式以及開采深度的增加，我國東部和中部煤質(zhì)普遍下降，原煤灰分多在40%以上，個別達到50%～60%，如采用傳統(tǒng)濕法選煤工藝擴能改造，不僅投資、占用場地空間和改造難度大，且影響生產(chǎn)時間長。通過干法選煤對原煤預排矸，可減少煤泥量，同時降低投資和運營成本，從而降低綜合成本與能耗[10]。

3.2 煤種性質(zhì)與自然條件需要

隨著先進產(chǎn)能持續(xù)釋放，我國煤炭產(chǎn)量越來越集中到干旱缺水與寒冷的晉、蒙、陜、新4省(區(qū))，且多為長焰煤、褐煤等低階煤種分選，存在矸石和褐煤易泥化等問題。濕法選煤工藝煤泥水處理系統(tǒng)投資高、運營成本高，且大量煤泥銷售困難。動力煤濕法選煤雖然產(chǎn)品灰分有所降低，但<3(或6)mm粒級水分大幅提高，導致發(fā)熱量不升反降，干法選煤可規(guī)避這種問題，既不產(chǎn)生煤泥，還可有效化解寒冷地區(qū)濕法選煤產(chǎn)品裝儲凍車、凍倉等問題。

3.3 “雙碳”目標需要

實現(xiàn)“雙碳”目標的核心是減碳，實現(xiàn)煤炭清潔高效利用，作為煤炭清潔高效利用基礎和前提的分選環(huán)節(jié)也應高效、低碳[11]。冶金用煤已全部入選，目前提高入選率的主要任務在動力煤和現(xiàn)代煤化工領(lǐng)域。無論是化工用煤、電煤分選，還是冶金用煤選前預排矸，干法選煤都是低碳、高效的首選工藝。

4 我國干法選煤推廣問題及應對策略

4.1 對干法選煤認識有待提高與普及

一是業(yè)界對干法選煤了解較少，或受早期干法選煤在技術(shù)、設備等方面的應用問題存在誤解，常常拋開滿足用戶需要的目的與濕法選煤對比分選精度；二是礦物加工工程屬國家重點學科，但各相關(guān)高?；緵]有開設干法選煤課程；三是各種渠道信息顯示從事干法選煤研究、設計、制造、使用人員總量偏少，涉及干法選煤內(nèi)容的論文在選煤專業(yè)雜志上每期發(fā)表的論文偏少。

為普及干法選煤知識，建議行業(yè)協(xié)會、科研院所積極參與，干選設備制造、供應商等主動謀劃，加大示范項目建設與宣傳力度，多組織召開現(xiàn)場交流會，呼吁相關(guān)高校盡早開設干法選煤課程，提高對干法選煤認識，從而增加干法選煤理論研究、設計、使用人員的總量，全面提升研發(fā)水平，促進干法選煤正常發(fā)展。

4.2 評價標準與建議

(1)選煤工藝選擇與效果對比。選煤工藝選擇應結(jié)合煤種、煤質(zhì)特點與產(chǎn)品定位，以滿足用戶需求為前提，以最佳經(jīng)濟效益為基礎，綜合資金投入低者優(yōu)選，而不是采用傳統(tǒng)的分選效率、不完善度和錯配率等指標來評判。

(2)選煤設備適應性與適用范圍。任何選煤設備都有適應性與適用范圍，不能一概而論。如重介淺槽和塊煤跳汰用于分選塊煤、末煤跳汰與重介旋流器用于分選末煤，干法選煤設備對應不同煤質(zhì)或粒度組成的原煤所需設備結(jié)構(gòu)和操作參數(shù)不同[12]，在實際選擇和效果評價時應充分考慮。

(3)片面宣傳高排矸率和與精煤帶矸率低不科學。無論是干法選煤還是濕法選煤，煤炭灰分越高含矸率越高、分選排矸率就越高，產(chǎn)品灰分降低幅度也越大。如果原煤灰分本身比較低，無論采用什么方法分選排矸率都不會很高[13]。分選動力煤、化工用煤與冶金用煤預排矸，對分選精度要求都不苛刻，關(guān)鍵是可否提高綜合經(jīng)濟效益或降低成本的幅度。

4.3 干法選煤需準確分工定位

(1)塊煤智能干法選煤粒度范圍。塊煤智能干法選煤按個體“顆?！睓z測物塊區(qū)分煤與矸石，而傳統(tǒng)跳汰、重介與復合干法選煤、空氣重介流化床等工藝都是基于阿基米德原理以及煤泥浮選基于煤粒表面疏水性原理，通過密度或表面性質(zhì)差異按“粒群”分選。塊煤智能干法選煤對物料準確識別的前提是單層平鋪，隨著粒度變小，系統(tǒng)處理能力大幅降低[6]，即使通過提高帶速和增加擊打頻次抑制選煤能力下降，但設備操作機構(gòu)增多，制造成本和運行故障率等會相應增加。建議塊煤智能干法選煤定位于替代傳統(tǒng)人工手選與塊煤排矸，分選粒度下限定在50 mm和80 mm，上限定在150～300 mm。

(2)鎖定目標“易干則干、易濕則濕”“干濕結(jié)合、取長補短”。結(jié)合煤種、煤質(zhì)特點，明確既定目標，本著滿足用戶需要降低投入與運營成本的原則，科學論證選取工藝。建議塊煤智能干法選煤降低投資門檻定位并替代傳統(tǒng)人工手選，應用于煤礦井下排矸；動力、化工用煤優(yōu)選復合干法選煤工藝；水分較低、易選和極易選的冶金用煤，優(yōu)先經(jīng)過干法選煤試驗判斷能否達到產(chǎn)品質(zhì)量要求；高灰冶金用煤分選無論是老廠改造，還是新建選煤廠，均建議考慮干濕結(jié)合，首先采用干法選煤預排矸，提高濕法選煤系統(tǒng)入選原煤質(zhì)量和小時處理能力，減少煤泥量并改善其可浮性，減輕設備磨損、降低投資規(guī)模與加工成本，從而實現(xiàn)高效、低碳選煤。

4.4 配套裝置水平需提升

干法選煤工藝的廣泛推廣在不同程度上均受到礦井原煤水分和環(huán)保制約，建議相關(guān)選煤設備制造商一是緊盯核心業(yè)務研發(fā)，廣泛吸取國內(nèi)外先進干燥技術(shù)，對水分偏高的原煤預干燥；二是與國內(nèi)外先進煤塵、噪音治理廠商合作，進一步提高煤塵排放標準和噪聲治理力度，增強適應性；三是加大空氣重介選煤技術(shù)的研發(fā)與推廣。

4.5 項目設計有待規(guī)范

在干法選煤項目實施過程中，因系統(tǒng)簡單、投資少，往往缺少詳細設計方案和規(guī)范設計圖紙，沒有嚴格按照地面生產(chǎn)場所配套消防、安全防護和環(huán)保、設備安裝檢修起重等方面設計，一定程度制約干法選煤在項目程序要求嚴格的大型國有企業(yè)廣泛推廣[13]。建議選煤設計單位發(fā)揮系統(tǒng)與規(guī)范設計長處與干法選煤相關(guān)廠家合作，優(yōu)勢互補，主動參與項目規(guī)范設計，按照建設程序正常開展工作。

4.6 提高項目前期與售后服務工作質(zhì)量

(1)項目實施前，按國標要求采取煤樣做干法分選與篩分浮沉試驗，結(jié)合煤種、煤質(zhì)特點，合理確定產(chǎn)品定位，科學選定分選設備與操作參數(shù)，確保項目實施效果，以便開展技術(shù)經(jīng)濟可行性論證，為項目按程序?qū)嵤┨峁┲巍?/p>

(2)設備廠商務必重視設備操作維護與管理人員崗前培訓以及售前和售后服務，指導建立科學的使用管理、檢修和保養(yǎng)機制，同時通過回訪用戶收集干法選煤系統(tǒng)存在的問題(如風管、除塵器堵塞)并及時研究解決，提升技術(shù)水平與提高用戶滿意度。

4.7 提高設備可靠性、自動化程度和監(jiān)測監(jiān)控配置水平

隨著煤礦智能化建設與選煤智能化的快速發(fā)展，干法選煤設備應進一步提高生產(chǎn)系統(tǒng)的可靠性、自動化和智能化水平，減少維護和檢修工作量；采用可靠、精確儀器儀表監(jiān)測和監(jiān)控生產(chǎn)過程，實現(xiàn)適應原煤質(zhì)量變化和產(chǎn)品質(zhì)量調(diào)整變化的自動化和智能化調(diào)節(jié)。

5 結(jié)語

基于我國能源結(jié)構(gòu)特點，煤炭作為主體能源短時間不會改變，但煤炭消費行業(yè)亟待轉(zhuǎn)型發(fā)展。隨著“雙碳”目標實施推進，減碳必要性日益增強，煤炭清潔高效利用的重要性更加凸顯。選煤加工是清潔高效利用的基礎和源頭，其自身也應低碳發(fā)展。干法選煤具備高效低碳、適用范圍廣等諸多優(yōu)勢[14]。隨著從業(yè)人員對干法先煤認識的不斷提高，干法選煤技術(shù)、裝備水平的不斷提升，以及干法選煤工藝配套和設計標準和適應性等持續(xù)規(guī)范，干法選煤的普遍應用必將為我國“雙碳”目標實現(xiàn)做出積極貢獻。