“双碳”目标下促进干法选煤技术应用研究

夏云凯，刘建荣，王寅林，樊瑞康，李 磊，王新华

(1.唐山神州机械集团有限公司，河北省唐山市，063001；2.内蒙古上海庙矿业有限责任公司，内蒙古自治区鄂尔多斯市，016200；3.中国矿业大学，江苏省徐州市，221116；4.河北省煤炭干法加工装备工程技术研究中心，河北省唐山市，063001)

1 “双碳”目标下干法选煤技术的新方向

煤炭资源作为一次能源的重要组成部分，一直是我国的主要能源，为我国国民经济的稳定繁荣发展起到了关键性作用。2021年我国煤炭产量41.3亿t/a，其中动力煤占比83.5%，煤炭年产量比2020年增长了4%，占一次能源消费总量的56%，预计到2025年仍维持41亿t左右[1]。2022年3月29日，国家能源局印发《2022年能源工作指导意见》，指出2022年要增强能源供应保障能力，全国能源生产总量达到44.1亿t标准煤左右[2]。由此可见，煤炭作为主体能源是我国能源安全压舱石和稳定器的地位短时期内不会发生改变。

自2020年9月习近平总书记在联合国大会上提出“双碳”目标以来，我国统筹规划煤炭发展新布局，既要确保煤炭供给满足人民生活需求，又要实现煤炭清洁高效利用。“双碳”目标的实现要经历经济社会的发展和能源结构、产业结构的调整[3],由此寻求一条稳定实现“双碳”目标的道路显得尤为关键。

煤炭直接利用会产生较大污染和资源浪费，选煤作为充分发挥煤炭利用价值的有效方式，被称为洁净煤技术的源头，一直被广大学者长期研究[4]。2022年3月，国务院召开“煤炭清洁高效利用工作专题座谈会”，选煤得到高度重视。要想实现煤炭清洁高效利用，必须提高原煤入选比例，为消费端提供高品质的煤炭产品[5]。然而，我国大部分煤炭资源分布在干旱的西部地区，不太适合采用湿法选煤技术，而干法选煤技术可以很好地解决水资源的缺乏问题，还直接解决了选煤产品易泥化的问题，并能间接实现降低能耗和直接燃用造成的污染问题。

为了满足“双碳”目标的需求，一是要在适合地区大力推广干法选煤设备的应用和建设；二是要大力开展干法选煤的基础理论研究，尽可能拓宽入选范围实现全粒级干法入选；三是要实现干法选煤自动化和智能化，深入研究煤炭和矸石的智能分离，提高煤矸分离的准确度，逐步实现免人工的智能化选煤；四是要大力推行井下选煤技术，真正实现井工煤矿煤炭开采后的井下入选，减少地面污染；五是要开发干法选煤辅助系统，为干法选煤提供理想的分选环境，提高干法选煤精度；六是要在现有基础上，多进行新型干法选煤设备的开发利用，以满足不同情况的分选要求；七是要进行多种干法选煤技术的融合分选研究，以实现更宽粒级煤炭的入选；八是要进行干法选煤统筹规划，促进干法选煤技术合理有效和科学的推广应用，真正为“双碳”目标的实现做出实际贡献[6-11]。

2 我国干法选煤技术的新进展

干法选煤技术经过长期发展，按照分选原理的不同，大致可以将其分为复合式干法选煤技术、风力选煤技术、煤炭智能光电分选技术和煤炭空气重介质流化床分选技术4种[12-15]。

2.1 复合式干法选煤技术

2.1.1 分选原理

原煤物料进入振动床面后，其在激振力和气流曳力的协同作用下在振动床面上得到均匀分散，由于下层物料受到振动床面和气流的直接影响，使得物料沿床面逐渐螺旋上移，而上层物料受到摩擦力和气流曳力较下层弱，因此没有足够的条件使得其上移，从而向下滑落。在原煤物料迁移的过程中，由于原煤颗粒受综合作用力影响，与振动床面接触的次数不同，使得原煤物料逐渐发生分层，由此向上迁移的矸石层和向下迁移的精煤层得以有效分离。

2.1.2 应用情况

我国从20世纪90年代开始研究复合式干法选煤技术，第1台工业化生产的复合式干法选煤设备(FGX-3型)在吉林省原珲春矿务局运销公司成功应用，处理量为30 t/h[16]。其主要结构由分选床、振动器、气室、机体构架、接料装置等部分构成，振动器通过弹簧与机体连接使机体产生激振，分选床面由布风板、背板、各条等构成，其中布风板下方的布风室与风机相连，风量及风速可由风阀控制，压缩气体经布风板作用于分选颗粒。之后，唐山神州机械集团有限公司(以下简称“神州机械集团”)在此基础上研制了FGX-6型、FGX-12型、FGX-24型和FGX-48型干法选煤设备，单机处理量最大可达到500 t/h。

随着国家大力倡导建设社会主义生态文明，神州机械集团在原有设备基础上增加了主机封闭系统、除尘系统等，有效控制了干法选煤过程中粉尘的逸散，极大地提高了复合式干法选煤设备的环保性能。进入21世纪以来，神州机械集团在结合美国干法分离技术的基础上，针对复合式干法选煤技术优化难题进行了大量的理论研究和设备改造工作，最终研制出ZM矿物高效分离机，该分选机采用不同阶梯式分选功能，使原煤物料在流化的同时实现了按密度分层，不仅分选效果显著提升，同时还具有工艺简单、投资和运行成本低、占地空间小、节能环保等优点。2021年，神州机械集团又在ZM矿物高效分离机的基础上研制成功了CZM型超级干法选煤机，不仅提高了单位面积处理能力，而且节能降耗效果大幅度提升。

2.2 煤炭光电分选技术

2.2.1 分选原理

针对图像识别分选技术和射线分选技术收集到的煤炭和矸石的信息差异，建立相应的分析模型，利用深度学习等先进计算机算法，通过大数据分析对煤炭和矸石进行识别或标记，并发出相应命令，最终通过响应执行装置将煤炭和矸石分离。

光电分选技术可细分为图像识别分选技术和射线分选技术，其中图像识别技术是利用煤炭和矸石表面色泽、纹理等物理性质的不同进行信息收集；射线分选技术则是利用煤炭和矸石对射线的吸收和散射量的不同进行信息收集。

2.2.2 应用情况

我国的光电分选技术始于20世纪60年代，开始多应用于粮食、药物等分拣。近年来，神州机械集团与天津美腾科技有限公司将X射线分选技术应用于煤炭分选，分别开发了IDS型与TDS型智能干选机，适用于25～300 mm的块煤分选，分选后煤中带矸率为1%～3%，具有分选精度高、粒级宽、处理能力大等特点，并已成功用于井下；河北精密机械制造有限公司研发了DDS型智能选矸系统，该系统具有深度学习能力，可以实现无人值守，满足多种现场的实际生产需求，并适合多种现场智能干选的改造；安徽中科光电色选机械有限公司研发了ICS型煤炭智能干选机，可适用宽粒级块煤分选；巨龙融智机电技术有限公司研发了γ射线类型的GDRT型智能分选系统，通过现场调试与技术改造，该系统实现了选煤效率达到95%以上；凯瑞斯矿业设备技术(北京)有限公司研发了CXR型智能干选机对煤炭物料进行优化分选，分选效率达到95%以上，矸中带煤低于2%；北京霍里斯特科技有限公司研发了T104型智能干选机，配备高压气喷系统实现被分选对象的空间分离；陕西中环机械公司研发了KGX型智能干法煤矸分选系统，该系统处理能力可以达到180～280 t/h，排矸率可达95% ，矸中带煤率也可小于2%。

2.3 风力选煤技术

2.3.1 分选原理

风力选煤技术可细分为风力摇床技术[17]和风力跳汰技术[18]。

(1)风力摇床分选原理。原煤物料进入床面后在摇动和气流的作用下发生分散，进入到床面凹槽的物料受到分选介质的作用发生分层，上层精煤由于床面的纵向倾角和摇动发生迁移进入下一分选凹槽，如此反复分选直至精煤由排料边缘排出，而凹槽底部的矸石受摇动力和物料推力作用向床面末端移动并排出。

(2)风力跳汰分选原理。通过脉冲气流使分选原煤物料颗粒流化，气流关闭后，由于精煤和矸石的密度差异引起沉降速度不同而实现颗粒分层，分选床内部设有水平分割堰装置，使精煤自溢流堰上方自然溢出，而密度高的矸石则自溢流堰下方排出，经过脉冲气流多次流化-沉降之后，分选出合格的精煤产品。

2.3.2 应用情况

(1)在风力摇床技术利用方面，已经开发出KAT型和FX型分离器进行风力选煤，其中KAT型分离机由韩国地质矿产研究所开发，主要由分离床表面、供气装置、振动装置、挡板和分离器组成，振动强度、分选床表面和间隔棒倾角可以根据分选实际情况要求进行调整。煤炭科学研究总院研发了FX型分离器，中国煤炭科工集团唐山分院在FX型分离器基础上设计了FX-25型分离器，主要在原有基础上增加了床面面积。

(2)在风力跳汰技术利用方面，德国亚明公司研发了Allair型分离器，国产机型主要有TFX型和TGS型等分离器用于风力跳汰选煤。

2.4 空气重介质流化床干法选煤技术

2.4.1 分选原理

通过气流和二元加重质颗粒，形成一定密度的似流体(流化床层)，物料进入流化床层后，不同密度组成的原煤物料按流化床层密度分层，其中高于流化床层密度的物料下沉，低于流化床层密度的物料上浮，最后再由排料装置将各自产品排出[19]。

2.4.2 应用情况

流态化干法选煤技术的研究和工业应用开始与20世纪20年代，之后引起众多学者的研究。20世纪70～80年代，苏联研制出了CBC-25型和CBC-100型样机；加拿大学者研制了链动逆流流化床半工业选煤装置，实现链动排料。20世纪80年代，加拿大学者在链动逆流流化床的基础上研制了气动逆流流化床，在装置右端通入气体，气体自左向右运动实现排料；德国亚琛大学利用振动流化床对-3 mm的细粒煤实现了较好的分选[20-21]。

我国的气固流态化干法选煤技术开始于1984年，主要是由中国矿业大学陈清如院士开创了空气重介流化床干法选煤的研究。经过多年研究工作，成功建成了第一座空气重介流化床选煤系统工业试验系统。在此研究的基础上，中国矿业大学教授赵跃民及其研究团队创新发展了煤炭气固分选流态化理论，经过多年研究探索并与神州机械集团成功合作，于2013年在新疆建立了世界上首座模块式空气重介流化床选煤厂，以磁铁矿粉和煤粉为二元加重质，达成了对6～100 mm原煤的分选，可能偏差为Ep为0.055 g/cm3，数量效率大于95%，实现精煤超低灰分3.46%。空气重介流化床选煤技术工艺的工业应用具有显著的节水效果好、选煤效率高、占地面积小、投资低、建设周期短、设备稳定可靠、运行平稳等优点，成功解决了干旱地区选煤缺水问题，为我国西部干旱缺水地区的煤炭分选提供了又一条有效途径[22]。

3 新形势下干法选煤技术的机遇与挑战

在“双碳”目标的新形势下，基于我国煤炭资源分布的特殊性，干法选煤技术的大规模推广势在必行，尤其是我国西部干旱缺水地区。同时，要继续进行以下干法选煤关键技术研发。

(1)细粒煤分选。细粒煤分选一直是干法选煤技术的难点，空气重介干法选煤技术对小于1 mm的细粒煤无论在空气重介流化床中还是在有外加能量的流化床中，细粒煤受到的干扰力都较大，且无法受到床层浮力按照密度进行有效分层，尤其是小于0.5 mm的细粒煤因气流曳力和加重质颗粒影响大部分集中在流化床上层，风力分选和光电分选也无法对细粒煤进行有效剔除。其中对颗粒间气流能量传播和其他外加能量传播机制解析，是实现稳定密度调控和解决细粒煤分选的关键。

(2)干法选煤智能化。干法选煤智能化、无人化技术仍然需要大量研究，在传统干法选煤基础上实现的智能干选只是半智能化；干法选煤的智能化对煤炭行业实现低碳绿色发展、节能减排和选煤产业结构转型具有重要的战略意义，突破重点在于建立合适的数据分析模型、丰富大数据资源库以及优化升级相关参数等。

(3)高精度和宽粒级入选。实现高精度和宽粒级入选是干法选煤技术突破的重点，立足于干法选煤的工程实际问题，干法选煤的基础理论研究和实验设备的优化对实现高精度干法选煤具有指导意义。

(4)优化辅助系统。为实现干法选煤绿色无污染发展，必须降低噪声和粉尘污染，改善工作人员的工作环境；因此优化干法选煤辅助系统非常必要。

(5)固废高值化利用。加大对煤炭干选后尾矿和伴生矿物的处理，并实现固废高值化利用，也是干法选煤技术应用中亟需解决的问题之一。

4 结语

在“双碳”目标的新形势下，提高煤炭入选比例成为实现“双碳”目标的必然要求。根据我国煤炭资源分布特点和行业需求，结合干法选煤的优势，促进干法选煤技术的推广应用十分必要，尤其是我国西部干旱缺水地区。未来要加大干法选煤技术的推广应用力度，同时要对干法选煤中的关键技术以及难点、重点技术问题加大科技攻关力度。