“双碳”政策下动力煤煤泥浮选发展趋势分析

刘钢枪

(1.中煤天津设计工程有限责任公司；2.中煤(天津)地下工程智能研究有限公司，天津 300131)

1 概 述

我国动力煤储量丰富，目前大部分以燃料煤形式供给电厂，禁锢于动力用煤价格体系，多采用块煤入洗或脱粉入洗的洗选方式，煤泥直接压滤回收，以求简化分选工艺、降低洗选加工成本，来获取经济效益。随着“双碳”政策的提出，重新定义了未来经济社会发展的模式，绿色、低碳、节能将是煤炭行业发展的底色。未来国家将重点实施风电、光电、生物质等清洁能源替代重大工程，压缩传统燃煤火电能源，到2060年，动力煤做为电煤仅剩电力调峰作用，届时煤炭更多用于煤化工行业，煤炭资源利用率将会大幅度提升。“双碳”目标下，动力煤改变传统定位、能源高效利用日渐提上日程，随之带来煤泥资源化分选利用巨大空间，提升产品质量、提高精煤回收率，动力煤煤泥浮选将会形成一种趋势。

2 利好因素促使动力煤煤泥进行浮选

2.1 国家政策使命

2020年9月22日，习近平主席在第七十五届联合国大会上提出：中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。随着对“双碳”目标认识的加深，煤炭在能源结构中的核心地位确立，总量大幅减少，利用率将大幅度提升。碳达峰后，煤炭只剩下电力调峰、碳质还原剂、煤化工等用途，动力煤资源届时更多作为原料煤供给煤化工企业，生产高附加值产品。国家产业政策促使选煤行业转变动力煤产品定位、提高动力煤资源利用效率，产业政策促使动力煤煤泥进行分选、高效利用。

2.2 动力煤浮选技术积累

高变质程度的贫煤、无烟煤经洗选加工后常作为喷吹用煤，选煤厂一般设有浮选环节，尽可能提高精煤回收率；然而低变质程度的长焰煤、不粘煤，由于表面易氧化、含氧官能团多，导致细煤泥疏水性差，浮选过程中药耗量大，精煤产率低，综合因素致使浮选成本高、效益差，此类选煤厂细煤泥多采用直接压滤回收，但选煤界相关专家一直在关注低阶烟煤煤泥浮选工作，进行了大量基础试验和理论研究，寻求最佳的浮选条件、研制适应不同煤种的捕收剂、合理的药剂添加制度等，力争最低的成本投入赢得最大的效益产出。例如谭丽[1]等对不粘煤进行研究，对煤泥浮选进行正交试验，研究得出不同种类的起泡剂和用量对精煤回收率有显著影响；赵海洋[2]对大同矿区侏罗纪煤泥进行浮选试验研究，发现阳离子表面活性剂十二胺对浮选具有一定促进作用；任聪[3]等以朔州地区麻家梁煤矿长焰煤的煤泥为对象进行浮选试验研究，得出油酸甲酯能够吸附在煤表面-OH类官能团上，使煤表面更加疏水，其浮选效果明显优于正十二烷等[4]。研究者们积累了大量试验数据和指导经验，低阶煤浮选技术已经成熟，为低阶煤煤泥浮选推广奠定了基础。

2.3 新设备表面改质机研发

在动力煤浮选理论和基础数据研究的同时，设备厂家也一直进行创新，研制助力适应低阶煤浮选的新设备。例如中煤天津设计工程公司研制的表面改制机，该表面改质机搅拌机构轴上共4层叶片，从上向下依次为双层伞形叶片、径向叶片和轴向叶片。上层伞形叶片吸入空气和药剂形成气溶胶；下层伞形叶片具有大流量特性，在吸入新鲜矿浆的同时还能循环槽内矿浆，使矿浆呈悬浮状，完成矿浆搅拌和矿浆预矿化；径向叶片排出流为水平方向，轴向叶片排出流垂直向上，内筒水平和垂直2个方向的强剪切叠加，实现了对煤粒表面的清洗。其工作原理是上层伞形叶片旋转形成负压，空气和药剂经药剂管进入叶轮上层叶片并配制成气溶胶；新鲜矿浆经入料口、内筒、轴向叶片、径向叶片和下层伞形叶片等多级强剪切叠加，实现煤粒表面的清洗；在离心力作用下，上层伞形叶片形成的气溶胶与轴向叶片、径向叶片和下层伞形叶片等多级强剪切调浆改质后的矿浆，在改质机槽体内交叉碰撞混合，完成矿浆的预矿化。

该设备的优点是：

(1)集强力剪切颗粒表面清洗和气溶胶加药方式等特点为一体，能有效提高煤泥的选择性和浮选机的处理能力；

(2)强力剪切颗粒表面清洗，有效去除煤泥颗粒表面异质细泥，暴露新鲜表面，促进药剂吸收，提高浮选速率和回收率[5]；

(3)降低颗粒表面高灰异质细泥的夹带现象，提高煤泥的选择性。

目前该设备相继应用于葫芦素、袁大滩等多家选煤厂，实现了对低阶烟煤的表面改质、矿浆预矿化，有效改善了入浮矿浆的选择性，为浮选机高效浮选创造了条件，为提高精煤综合产率，实现动力煤资源高效利用，起到积极作用。

2.4 流体仿真催生新型高效浮选机

浮选机是浮选环节的关键设备，目前常用的有机械搅拌式浮选机、喷射式浮选机和浮选柱，进行煤泥浮选时，具有不同的优缺点。随着科学的发展、动力煤煤泥浮选技术的积累，为适应动力煤煤泥浮选的需要，科研单位、设备厂家相继对设备进行了大量流体模拟仿真试验，在原设备基础上，进行局部优化，催生出新型高效浮选机。

2.4.1 新型高效机械搅拌浮选机

传统机械搅拌浮选机利用叶轮定子组件，叶轮旋转形成离心力场产生负压，吸入空气(含药剂)及矿浆，空气在叶轮定子系统内与矿浆激烈混合、破碎、分散。具有流场梯度大、机械稳定性较好、对矿物各种形态的适应性较好、能使物料与空气充分混合的优点，主要是针对粒度粗、产率高、易浮选的煤泥而设计；随着流体仿真技术的应用，设备厂家对叶轮结构、定子、紊流板等过流部件不断进行优化，相继开发了一体化浮选机，该设备使分选槽内流场分布更合理，槽内无死区，物料与空气混合更充分，提高充气性能，降低能耗；同时该设备在配置上集矿浆准备、药剂添加、浮选等功能为一体，节省了布置空间、降低了投资，也简化了分选工艺。

2.4.2 强力矿化射流微泡浮选机

针对粒度细、难浮选与极难浮选的煤泥，结合多种柱式浮选设备的优点，开发了强力矿化射流微泡浮选机。该设备是基于压力矿浆射流卷吸空气的基本原理，研发的一种射流空气自吸式浮选机[6]。该型设备由分配器、射流器、喷淋水管组、内外溢流槽、外桶体、内桶体、伞锥板、尾矿循环矿浆导流器、尾矿桶等组成。物料分选过程中，矿浆经入料泵泵入浮选机分配器的矿浆分配腔，高压矿浆经喷嘴组形成强力射流流体，射流卷吸生成负压区；空气自分配器空气腔进入射流组件负压区，与矿浆一起通过喉管形成强湍动能的气、固、液三相流场，流场内的大量微射流把空气切割成大量微泡，微泡优先吸附到疏水固体表面和空气析出处表面，微泡与煤颗粒在不断碰撞过程中与矿浆一起经过喉管进入槽体，并产生大量矿化气泡，混合矿浆经过伞锥板反射上升，穿过紊流板，上浮进入矿化气泡与尾矿的分离区；最后矿化气泡经过导流板加速上浮至矿浆表面形成泡沫层；尾矿一部分经内桶体的循环管再次循环，一部分经分离区进入内外桶之间的强化分离通道，最后进入尾矿循环矿浆导流器，形成浮选尾矿。

图1 强力矿化射流微泡浮选机

该设备相较于传统浮选具有以下优点：

(1)将颗粒—气泡矿化动力学过程和矿化气泡分离过程相对隔离，互不干扰，各自优化；

(2)采用原位气穴成核非碰撞矿化和高气泡表面通量管流强制碰撞矿化理论，实现微纳米气泡在疏水颗粒表面优先成核矿化过程与高气泡表面通量强制碰撞矿化过程的耦合[7]，达到气泡矿化过程的选择性与效率同步提高；

(3)具有初始上升速度的矿化气泡流直接进入矿化气泡与矿浆分离界面区域，最大限度减少矿化气泡在矿浆中的穿行距离和时间，加速矿化气泡的分离过程[8]；

(4)采用埋入式泡沫冲淋方式，在矿化气泡脱离矿浆的初始区间，完成泡沫夹带水的更新，避免冲淋水对矿化气泡的破碎，减轻细泥夹带对精煤的污染。

目前该设备相继成功应用于南梁、葫芦素、袁大滩等选煤厂，实现对长焰煤、不粘煤的高效浮选，达到煤泥高效分选利用的目的。

2.5 智能浮选加药设备助力

浮选环节成本高是选煤行业一个共识，主要原因是药耗高、药剂成本高。传统选煤厂浮选岗位司机对日常生产很重要，借助生产经验，频繁调节加药量。现场生产启车时，浮选入料浓度、煤泥量是一直波动的，需要岗位司机往返于浮选机和加药装置之间，不断调节药剂量，不但加重岗位司机的工作量，而且药剂添加也不精确，药剂添加量普遍较高，增加了生产成本，生产调节也具有滞后性。

随着智能化技术的日渐成熟，天津美腾公司、中煤天津设计工程公司等企业相继研发出智能浮选加药设备，并陆续在选煤厂得到推广和应用。智能浮选系统可读取入料浓度、入料流量等参数，通过对精煤、尾矿灰分在线检测，借助智能算法及时调节加药量、加药比、浮选机充气量、浮选机刮板高度等关键参数，达到精煤质量满足要求、尾矿质量合格的目的，在最优的药耗下实现精煤最大回收，在精煤产率最大化下实现药耗的最佳添加，降低浮选环节加工成本，提升浮选环节收益。智能浮选系统通过检测入浮煤浆的浓度和煤泥量，可调节每台浮选机的给料量，实现选煤厂浮选系统生产能力最大化。生产实践证明，智能浮选实现了浮选系统负荷的均衡与稳定、药剂消耗最低、精煤与尾矿合格等几大核心指标融合调节，智能浮选系统的投入运用，彻底解放了浮选岗位司机，实现了药剂精准添加，可及时调节指导生产，精煤产率提升约0.5%～1.0%、药剂消耗降低约5%～10%，助力实现煤炭资源最大回收、生产过程控制精益化、加工成本最低化。

图2 智能浮选系统

3 结 语

随着碳达峰、碳中和政策的实施，必将引起经济社会性变革，煤炭将更多用于煤化工等清洁高效转化的发展方向，拓展了动力煤发展空间、拉升了动力煤产品价格，动力煤选煤厂也应提升发展质量空间，完善分选工艺；通过前期动力煤浮选技术积累、新浮选设备研发、智能浮选助力、国家政策倒逼、产品盈利空间拉升，动力煤煤泥浮选一定能在最优药耗下实现精煤的最大回收、最低加工成本下实现最大的产品收益，动力煤煤泥浮选未来将形成发展趋势。