“雙碳”目標下促進干法選煤技術應用研究

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.內蒙古上海廟礦業有限責任公司，內蒙古自治區鄂爾多斯市，016200；3.中國礦業大學，江蘇省徐州市，221116；4.河北省煤炭干法加工裝備工程技術研究中心，河北省唐山市，063001)

1 “雙碳”目標下干法選煤技術的新方向

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，為我國國民經濟的穩定繁榮發展起到了關鍵性作用。2021年我國煤炭產量41.3億t/a，其中動力煤占比83.5%，煤炭年產量比2020年增長了4%，占一次能源消費總量的56%，預計到2025年仍維持41億t左右[1]。2022年3月29日，國家能源局印發《2022年能源工作指導意見》，指出2022年要增強能源供應保障能力，全國能源生產總量達到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定器的地位短時期內不會發生改變。

自2020年9月習近平總書記在聯合國大會上提出“雙碳”目標以來，我國統籌規劃煤炭發展新布局，既要確保煤炭供給滿足人民生活需求，又要實現煤炭清潔高效利用?！半p碳”目標的實現要經歷經濟社會的發展和能源結構、產業結構的調整[3],由此尋求一條穩定實現“雙碳”目標的道路顯得尤為關鍵。

煤炭直接利用會產生較大污染和資源浪費，選煤作為充分發揮煤炭利用價值的有效方式，被稱為潔凈煤技術的源頭，一直被廣大學者長期研究[4]。2022年3月，國務院召開“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的煤炭產品[5]。然而，我國大部分煤炭資源分布在干旱的西部地區，不太適合采用濕法選煤技術，而干法選煤技術可以很好地解決水資源的缺乏問題，還直接解決了選煤產品易泥化的問題，并能間接實現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，一是要在適合地區大力推廣干法選煤設備的應用和建設；二是要大力開展干法選煤的基礎理論研究，盡可能拓寬入選范圍實現全粒級干法入選；三是要實現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，逐步實現免人工的智能化選煤；四是要大力推行井下選煤技術，真正實現井工煤礦煤炭開采后的井下入選，減少地面污染；五是要開發干法選煤輔助系統，為干法選煤提供理想的分選環境，提高干法選煤精度；六是要在現有基礎上，多進行新型干法選煤設備的開發利用，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的融合分選研究，以實現更寬粒級煤炭的入選；八是要進行干法選煤統籌規劃，促進干法選煤技術合理有效和科學的推廣應用，真正為“雙碳”目標的實現做出實際貢獻[6-11]。

2 我國干法選煤技術的新進展

干法選煤技術經過長期發展，按照分選原理的不同，大致可以將其分為復合式干法選煤技術、風力選煤技術、煤炭智能光電分選技術和煤炭空氣重介質流化床分選技術4種[12-15]。

2.1 復合式干法選煤技術

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不同，使得原煤物料逐漸發生分層，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 應用情況

我國從20世紀90年代開始研究復合式干法選煤技術，第1臺工業化生產的復合式干法選煤設備(FGX-3型)在吉林省原琿春礦務局運銷公司成功應用，處理量為30 t/h[16]。其主要結構由分選床、振動器、氣室、機體構架、接料裝置等部分構成，振動器通過彈簧與機體連接使機體產生激振，分選床面由布風板、背板、各條等構成，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”)在此基礎上研制了FGX-6型、FGX-12型、FGX-24型和FGX-48型干法選煤設備，單機處理量最大可達到500 t/h。

隨著國家大力倡導建設社會主義生態文明，神州機械集團在原有設備基礎上增加了主機封閉系統、除塵系統等，有效控制了干法選煤過程中粉塵的逸散，極大地提高了復合式干法選煤設備的環保性能。進入21世紀以來，神州機械集團在結合美國干法分離技術的基礎上，針對復合式干法選煤技術優化難題進行了大量的理論研究和設備改造工作，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、節能環保等優點。2021年，神州機械集團又在ZM礦物高效分離機的基礎上研制成功了CZM型超級干法選煤機，不僅提高了單位面積處理能力，而且節能降耗效果大幅度提升。

2.2 煤炭光電分選技術

2.2.1 分選原理

針對圖像識別分選技術和射線分選技術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，通過大數據分析對煤炭和矸石進行識別或標記，并發出相應命令，最終通過響應執行裝置將煤炭和矸石分離。

光電分選技術可細分為圖像識別分選技術和射線分選技術，其中圖像識別技術是利用煤炭和矸石表面色澤、紋理等物理性質的不同進行信息收集；射線分選技術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 應用情況

我國的光電分選技術始于20世紀60年代，開始多應用于糧食、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射線分選技術應用于煤炭分選，分別開發了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了DDS型智能選矸系統，該系統具有深度學習能力，可以實現無人值守，滿足多種現場的實際生產需求，并適合多種現場智能干選的改造；安徽中科光電色選機械有限公司研發了ICS型煤炭智能干選機，可適用寬粒級塊煤分選；巨龍融智機電技術有限公司研發了γ射線類型的GDRT型智能分選系統，通過現場調試與技術改造，該系統實現了選煤效率達到95%以上；凱瑞斯礦業設備技術(北京)有限公司研發了CXR型智能干選機對煤炭物料進行優化分選，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了T104型智能干選機，配備高壓氣噴系統實現被分選對象的空間分離；陜西中環機械公司研發了KGX型智能干法煤矸分選系統，該系統處理能力可以達到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

2.3.1 分選原理

風力選煤技術可細分為風力搖床技術[17]和風力跳汰技術[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生分散，進入到床面凹槽的物料受到分選介質的作用發生分層，上層精煤由于床面的縱向傾角和搖動發生遷移進入下一分選凹槽，如此反復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顆粒分層，分選床內部設有水平分割堰裝置，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，經過脈沖氣流多次流化-沉降之后，分選出合格的精煤產品。

2.3.2 應用情況

(1)在風力搖床技術利用方面，已經開發出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礦產研究所開發，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分選實際情況要求進行調整。煤炭科學研究總院研發了FX型分離器，中國煤炭科工集團唐山分院在FX型分離器基礎上設計了FX-25型分離器，主要在原有基礎上增加了床面面積。

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

2.4 空氣重介質流化床干法選煤技術

2.4.1 分選原理

通過氣流和二元加重質顆粒，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品排出[19]。

2.4.2 應用情況

流態化干法選煤技術的研究和工業應用開始與20世紀20年代，之后引起眾多學者的研究。20世紀70～80年代，蘇聯研制出了CBC-25型和CBC-100型樣機；加拿大學者研制了鏈動逆流流化床半工業選煤裝置，實現鏈動排料。20世紀80年代，加拿大學者在鏈動逆流流化床的基礎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排料；德國亞琛大學利用振動流化床對-3 mm的細粒煤實現了較好的分選[20-21]。

我國的氣固流態化干法選煤技術開始于1984年，主要是由中國礦業大學陳清如院士開創了空氣重介流化床干法選煤的研究。經過多年研究工作，成功建成了第一座空氣重介流化床選煤系統工業試驗系統。在此研究的基礎上，中國礦業大學教授趙躍民及其研究團隊創新發展了煤炭氣固分選流態化理論，經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，達成了對6～100 mm原煤的分選，可能偏差為Ep為0.055 g/cm3，數量效率大于95%，實現精煤超低灰分3.46%?？諝庵亟榱骰策x煤技術工藝的工業應用具有顯著的節水效果好、選煤效率高、占地面積小、投資低、建設周期短、設備穩定可靠、運行平穩等優點，成功解決了干旱地區選煤缺水問題，為我國西部干旱缺水地區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的機遇與挑戰

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

(1)細粒煤分選。細粒煤分選一直是干法選煤技術的難點，空氣重介干法選煤技術對小于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，是實現穩定密度調控和解決細粒煤分選的關鍵。

(2)干法選煤智能化。干法選煤智能化、無人化技術仍然需要大量研究，在傳統干法選煤基礎上實現的智能干選只是半智能化；干法選煤的智能化對煤炭行業實現低碳綠色發展、節能減排和選煤產業結構轉型具有重要的戰略意義，突破重點在于建立合適的數據分析模型、豐富大數據資源庫以及優化升級相關參數等。

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

(4)優化輔助系統。為實現干法選煤綠色無污染發展，必須降低噪聲和粉塵污染，改善工作人員的工作環境；因此優化干法選煤輔助系統非常必要。

(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，并實現固廢高值化利用，也是干法選煤技術應用中亟需解決的問題之一。

4 結語

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