先進選煤技術促進煤炭清潔高效利用研究與探討

趙樹彥，任利勤，張玉磊

(北京國華科技集團有限公司，北京市順義區，101399)

0 引言

煤炭是我國重要的基礎能源和工業原料，國家高度重視煤炭的清潔高效利用。在煤炭消費端，燃煤發電、冶金煉焦、建材用煤及煤炭加工轉化，這些煤炭的消費占比接近80%[1]。選煤作為潔凈煤技術的源頭，在煤炭清潔高效利用中發揮著重要的基礎作用。2022年3月22日，國務院副總理韓正組織召開了煤炭清潔高效利用工作專題座談會，他強調：“要加強統籌謀劃，聚焦重點領域，整合各方面資源，形成推進煤炭清潔高效利用的合力。要堅持目標導向和問題導向，抓住重點行業和關鍵環節，推動煤炭清潔高效生產和洗選，抓好電力等主要用煤行業節能降碳改造，大力加強散煤治理”。由此可見，選煤技術得到空前關注[2]。

煤中的灰分會對煤炭清潔高效利用產生嚴重影響。一是會增加運輸負荷，我國約有70%的鐵路運輸能力用于煤炭運輸，煤炭灰分高會造成無效運輸；二是增加煤炭消耗，煤作為燃料時，如果灰分高，礦物質(灰分)不僅不能產生熱量，還會夾帶部分未燃煤，造成燃料損失，作為煉焦原料，灰分轉入焦炭中，不僅增加焦炭用量，還影響焦炭品質，使焦炭產生熱脆性；三是作為燃料和氣化原料，低熔點灰分易造成鍋爐和氣化爐結渣和堵塞，同時影響鍋爐熱效率和氣化效率；四是造成環境污染，煤作為燃料燃燒時，灰分高的煤(尤其是灰成分中硫鐵礦含量高的煤)生成的SO2、SO3多，不僅會腐蝕設備，還會對空氣造成污染，嚴重時會危及植物生長和人體健康[3-4]。

筆者在介紹國內外選煤技術現狀的基礎上，分析了目前國內2種先進的濕式選煤工藝，并著重介紹了“國華科技選煤工藝包”，國華科技重介質選煤工藝已在國內外600余座選煤廠得到推廣應用，均取得良好的效果。

1 國際選煤技術發展簡述

隨著原煤可選性變差以及用戶對產品質量要求的提高，低分選精度的跳汰選煤越來越難以適應當前的選煤形勢。美國自20世紀80年代開始淘汰跳汰選煤工藝，我國近10年也基本不再設計建設以跳汰選煤工藝為主的選煤廠，現代選煤工藝技術也逐漸開始以重介質選煤為主。20世紀90年代以來，盡管美歐等發達國家和地區重介選煤技術日益成熟，但其原煤與我國和俄羅斯等國的原煤相比易選得多，因此美國選煤技術的研發投入較少。與此同時，俄羅斯也停止了選煤技術的研發。

2 國內先進的濕法選煤工藝

我國的濕式選煤技術自改革開放以來，在重介質選煤和浮選這2大主流選煤技術上均已處于國際領先水平。目前我國已擁有世界上單機處理能力最大(1 300 t/h)、分選粒級最寬(0.25～200 mm) 、分選精度最高(一段可能偏差0.02～0.03 kg/L，二段可能偏差0.02～0.04 kg/L)的選煤設備，以及簡化、高效、節能的選煤系統。我國重介質旋流器的入料粒度上限已突破200 mm，不脫泥重介質旋流器選煤工藝的介耗已低至0.4 kg/t，濃縮機的單位面積處理量已達10 m3/h[2，5]。

隨著無壓給料三產品重介質旋流器的普遍應用，目前國內具有代表性的先進濕法選煤工藝技術主要有2種，分別是“不脫泥無壓給料三產品重介質旋流器+煤泥重介質旋流器+浮選”和“脫泥無壓給料三產品重介質旋流器+TBS+浮選”，這2種工藝的普遍應用使我國的選煤技術進入了國際領先行列。

2.1 不脫泥無壓給料三產品重介質旋流器+煤泥重介質旋流器+浮選

該選煤工藝適應于各種可選性原煤，可用單一低密度介質系統一次分選出精煤、中煤和矸石，與有壓給料兩產品重介質旋流器主、再選相比，減少了1套高密度介質系統，且易于實現煤泥重介質分選，具有工藝系統簡單、分選效率高的特點，且精煤回收率高于目前的一般工藝。原煤重介質旋流器的分選下限可達0.25 mm，煤泥重介質旋流器的分選下限可達0.10 mm，中煤帶精煤量較少，通?？傻陀?%，矸石中帶煤量小于1%。該工藝與采用脫泥有壓給料重介質旋流器工藝相比，原料煤不經脫泥和泵送，次生煤泥量大幅減少，有利于實現煤泥減量化；廠房布置與脫泥無壓給料三產品重介質旋流器相比更簡單，土建投資低。

不脫泥無壓給料三產品重介質旋流器選煤技術優勢明顯，目前我國60%以上選煤廠均采用此種選煤工藝。

2.2 脫泥無壓給料三產品重介質旋流器+TBS+浮選

該選煤工藝適應于粗煤泥極易選原料煤，可用單一低密度介質系統一次分選出精煤、中煤和矸石，與有壓給料兩產品重介質旋流器主、再選相比，減少了1套高密度介質系統，工藝系統較為簡單。該工藝分選效率較高，精煤回收率高于跳汰選煤，矸石帶煤少，無壓給料與有壓給料相比，次生煤泥量少，對煤泥減量化有利，脫泥入選易于控制介耗。

脫泥無壓給料三產品重介質旋流器比兩產品重介質旋流器更具優勢，且比不脫泥工藝技術含量低，這是因為煤泥量對重介質旋流器分選及后續脫介脫水回收等環節的影響都比較大，設備的選型、管路的設計等都需要設計人員進行較為專業的把控，否則會影響生產指標，特別是介耗指標，但是如果提前脫除這部分煤泥，則會簡單很多，因此從這個角度考慮脫泥工藝的技術含量要低。該選煤工藝較易被選煤廠設計人員掌握，因而得到較廣泛應用。我國煤泥含量大的河南鄭州礦區、陜西韓城礦區以及山西部分礦區的選煤廠，大多采用脫泥無壓給料三產品重介質旋流器選煤工藝[6]。

3 濕法選煤先進技術工藝研究與分析

為實現煤炭清潔高效利用，我國近年來一直對選煤新工藝和新裝備進行研究和探索。在濕法選煤工藝技術方面，一個典型的研究成果是“超千萬噸高效節能選煤廠關鍵技術與裝備”，該技術成果于2019年被我國著名院士孫傳堯為主任委員的10人專家組命名為“國華科技選煤工藝包”，極大提升了我國重介質選煤廠的整體技術，推進了選煤廠大型化、集約化、高效化、智能化發展，達到國際領先水平。

3.1 “國華科技選煤工藝包”的特點及研發歷程

“國華科技選煤工藝包”由原料煤不預排矸、不分級、不脫泥無壓給料三產品重介質旋流器主選、粗煤泥重介質旋流器分選、細煤泥浮選機粗精選、煤泥水兩段濃縮兩段回收聯合工藝聯合構成，具有高效、簡化、節能、環保等特點。與其他技術相比，采用該技術建設的煉焦煤選煤廠的投資和加工費降低20%以上，電耗降低40%以上，噸煤介耗比相同類型的選煤廠低50%。全入選動力煤選煤廠矸石帶煤率相比其他動力煤選煤廠低4～20個百分點，投資和加工費低10%～30%[2]。

“國華科技選煤工藝包在千萬噸級煉焦煤選煤廠的應用”在2020年獲得中國煤炭工業科學技術一等獎。 “國華科技選煤工藝包”由最初的“無壓重介質旋流器”(2004年度煤炭工業科學技術二等獎)到“3GDMC系列無壓給料三產品重介質旋流器選煤工藝及設備”(2006年度河北省科技進步二等獎)、“‘1+1’煉焦煤選煤廠模式創新技術”(2009年度煤炭工業科學技術二等獎)、“高效、簡化重介質選煤成套技術的研究”(2013年度中國煤炭工業科學技術一等獎)，再到后來的“‘2+2’模式濕法選煤系統水回用工藝技術和裝備”(2019年度河北省科技進步二等獎)，“國華科技選煤工藝包”歷經20余年的發展，其技術積累和關鍵核心技術的研發對選煤工藝技術產生較大的影響。

3.2 “國華科技選煤工藝包”在國內外的應用效果

3.2.1 國內選煤廠應用情況

(1)“國華科技選煤工藝包”已在淮南礦業集團1 200萬t/a特大型煉焦煤選煤廠應用，全部原煤均經過重介質旋流器分選，原煤重介質旋流器的分選下限達0.25 mm，經統計，該選煤廠電耗為6.0 kW·h/t，根據《選煤電力消耗限額》(GB 29446-2019)折算系數計算，該選煤廠選煤電力單耗為4.98 kW·h/t ，達一級能耗水平(≤5.0 kW·h/t )；水耗0.07 m3/t，比《取水定額》(GB/T 18916.11-2012)標準降低了39.1%；介耗波動范圍0.35～0.8 kg/t，已經達到甚至超過高水平脫泥入選指標。2019年1-6月該廠入選原料煤平均灰分為35.67%，商品精煤灰分為8.47%，產率為49.44%，洗混煤灰分為26.28%，煤泥灰分為63.47%，矸石灰分為84.65%。該廠經過選煤后的矸石產品中帶煤(密度<1.80 kg/L物料)僅為0.01%，大大減輕因矸石堆放時煤的自燃給大氣帶來的污染[7]。

(2)淮北礦業集團1 600萬t/a特大型煉焦煤選煤廠(臨渙選煤廠)采用“國華科技選煤工藝包”的核心技術進行了技術改造，技改后的重介質旋流器電耗(合格介質泵電耗)從1.37 kW·h/t 下降至0.96 kW·h/t ，降低了0.41 kW·h/t ；精煤的數量效率從98.15%提升至98.74%，提高了0.59個百分點，精煤實際產率增加了0.29個百分點，按實際入選能力1 600萬t/a計算，可多回收精煤4.64萬t/a，有效避免了稀缺煉焦煤資源的損失[8-9]。

淮北礦業集團臨渙選煤廠采用以超級旋流器為核心技術的技改完成后，提高了分選精度，矸石產率、矸石帶煤有所降低，從而減少了矸石堆放面積和矸石中可燃物自燃對環境的污染。超級煤泥重介質旋流器有效分選下限小于0.1 mm，細粒煤分選更加有效，減輕煤泥水處理系統的壓力，改善了周邊環境。

3.2.3 國外選煤廠應用情況

近些年，國華科技自主知識產權的“國華科技選煤工藝包”及關鍵選煤設備成功推廣應用到蒙古、土耳其、哈薩克斯坦、印度、印度尼西亞等國家的選煤廠，均取得較好的應用效果，得到國外客戶的高度認可[10-11]?！皣A科技選煤工藝包”在國外應用情況見表1。

表1 “國華科技選煤工藝包”在國外應用情況

3.3 環保效應

通過選煤技術可以就地排除大量煤矸石(約占入選原煤量的15%～20%，按平均18%計算)，即運輸選后煤炭產品與運輸原煤相比，可以節約18%的運力。每入選1億t原煤，可排除1 800萬t矸石，按鐵路運輸煤炭20億t、平均運距600 km計算，可以節約運力2 160億t·km，節省運費約230億元。我國動力煤平均灰分28.6%，平均硫分1.01%，選煤后混配的優質動力煤平均灰分15.5%，平均硫分0.66%。每入選1億t原煤，可排除灰分1 300萬t、硫分35萬t，減少二氧化硫排放49萬t[12-13]。

原煤先集中進行選煤潔凈化和均質化后，再分散供應給市場，可以把灰分、硫分等污染物大量留在礦井進行集中治理，其治理成本、治理效率和治理措施比用戶分散治理效果更好，僅就SO2的治理成本而言，選煤后降硫比煙氣脫硫降低設備投資和運行成本90%以上，且燃煤發電煙氣脫硫設施和脫硫負荷大大降低。選煤技術是煤炭潔凈高效利用的重要手段，是電力行業和工業燃煤降污減排經濟且有效的途徑，采用先進的選煤技術不僅可以優化產品結構，還可以提高煤炭質量和利用效率，同時實現煤炭產品由單結構、低質量向多品種、高質量轉變，提高煤炭下游產業的能源利用率，實現煤炭全生命周期的節能環保[14]。

4 推廣應用先進選煤技術工藝的建議

我國選煤工藝技術水平雖已在國際上領先，但在促進煤炭清潔高效利用方面仍存在一些問題，仍有些選煤廠采用較落后的選煤工藝，存在分選精度較低、工藝流程復雜、能耗高等現象。比如有約半數選煤廠的電力消耗達不到《選煤電力消耗限額》(GB 29446-2019)規定的二級能耗水平，這對整體推進煤炭清潔高效利用十分不利。2022年5月10日，國家發改委等六部門聯合發布了關于《煤炭清潔高效利用重點領域標桿水平和基準水平(2022年版)》的通知中要求，對需開展煤炭清潔高效利用改造的項目，各地應明確改造升級和淘汰時限(一般不超過3 a)以及年度改造淘汰計劃，在規定時限內升級到基準水平以上，力爭達到標桿水平；對于不能按期改造完成的項目進行淘汰[15]。因此建議在此基礎上繼續嚴格限制低精度、高耗能選煤工藝的應用，并針對新建選煤廠提出更高節能降耗的要求，如必須達到一級能耗標準水平，否則不予驗收。

5 結語

從煤炭清潔高效利用角度出發，原煤100%入選是選煤行業努力的方向。選煤是煤炭清潔高效利用的關鍵基礎環節，煤炭生產企業在努力提高原煤入選率的同時，應重點推廣高效、簡化、節能的先進選煤工藝技術。建議將選煤廠達到二級能耗水平設置為煤炭分選行業的準入值，從源頭守住煤炭清潔高效利用的大門。