高山煤礦末煤干法分選工藝研究及啟示

張振紅

(河南能源化工集團 采購公司，河南 鄭州 450016)

高山煤礦位于貴州省畢節市黔西縣境內，隸屬于河南能源化工集團貴州豫能投資有限公司(簡稱貴州公司)，2009年10月開工，2013年7月投產，核定生產能力0.60 Mt/a。該礦可采煤層為4號、9號煤層，其中9號原煤平均發熱量在19.7～25.1 MJ/kg，平均約23.0 MJ/kg，全硫在2%～4%；4號原煤平均發熱量14.6～18.8 MJ/kg，全硫4%～6%。礦井所處地區由于缺水不具備建設常規濕法選煤廠的條件，僅配套簡易篩分系統。該礦雖然開采煤種為無煙煤，但塊煤強度低，篩塊煤發熱量只有12.5 MJ/kg左右，產率只有1%左右，篩末煤發熱量比原煤可提高0.83～1.67 MJ/kg，并隨原煤質量變化波動較大，只能作為當地電廠燃料，產品銷售價格較低，經營效果不佳。

1 實施煤炭加工的必要性

1.1 國家和地方相關政策要求

國能煤炭〔2015〕37號：要求嚴格執行《商品煤質量管理暫行辦法》，……加快建設煤炭洗選設施，大中型煤礦應配套建設選煤廠，小型煤礦集中礦區建設群礦選煤廠，提高原煤入洗率和商品煤質量。按照《國家發展改革委、國家環?？偩株P于印發煤炭工業節能減排工作意見的通知》要求，積極發展動力煤入洗，高硫、高灰動力煤必須全部入洗[1]。高山礦主采煤層均屬高灰、高(中高)硫煤，必須實施洗選加工，提高和穩定產品質量。

黔發改能源[2017]686號貴州省改革和發展委員會、貴州省能源局文件《貴州省能源發展“十三五”規劃》中指出：貴州能源存在問題之一是資源綜合利用水平較低，加工轉化程度不高……煤炭入選率低于全國平均水平3%?！笆濉逼陂g提高原煤入洗率，到2020年全省原煤入洗率達到80%。

1.2 產品定位與企業發展需要

按貴州省電煤保供政策要求：以20.9 kJ/g(5 000 cal/g)為基準，電煤出礦平均每噸單價為0.08元/4.18J(0.08元/cal)，發熱量高于20.9 kJ/g時，每提高418 J/g (100 cal/g)，增加10元/t。發熱量低于20.9 kJ/g，在18.83～20.9 kJ/g(4 500～5 000 cal/g)時，每降低418 J/g(100 cal/g)，降低10元/t； 16.7～18.8 kJ/g(4 000～4 500 cal/g)時，每低418 J/g(100 cal/g)，降低12元/t；14.7～16.7 J/g(3 500～4 000 cal/g)時，每降低 418 J/g(100 cal/g)，降低15元/t；12.6～14.7 kJ/g(3 000～3 500 cal/g)時，每低418 J/g(100 cal/g)，降低20元/t等。隨著貴州公司所屬黔希煤化工0.30 Mt/a煤制乙二醇項目投產，經與政府協調溝通確定：黔希煤化工生產用煤原則上由公司下屬新田(0.60 Mt/a)、高山(0.60 Mt/a)和黔金煤礦(0.45 Mt/a)負責保障。新田、高山和黔金3個煤礦在完成煤化工生產用煤供應保障任務后，末煤仍有富余時嚴格按照省、市、縣電煤保供計劃全部供應黔西電廠。

黔希煤化工氣化原料煤質量指標：發熱量Qnet，ar不小于23.4 MJ/kg，水分Mt不大于9.0%，St不大于2.5%。燃料煤質量指標：發熱量Qnet，ar不小于18.8 MJ/kg，水分Mt不大于9.0%，St不大于3.0%。化工燃料煤價格0.1元/cal(4.18 J)，化工原料煤價格0.13元/cal(4.18 J)。由于高山煤礦9號煤質量波動較大，無法直接穩定滿足化工原料煤要求，4號煤質量較差，不能滿足燃料煤要求，無法有效落實和充分利用政府優惠政策、合理提高企業效益。

2 干法選煤工藝發展及應用

2.1 干法選煤技術發展狀況

風力干法選煤技術至今已有80多年歷史，最早用于實際生產的是美國；20世紀60年代末我國開始進行相關研究，80年代到90年代末才開始應用。隨著煤礦開采深度不斷增加，以及采煤裝備的大型化、重型化、自動化與智能化，礦井開采過程中控制和提高煤質的措施將會越來越少，而提高采選效率、提高綜合效益將是大勢所趨[2]。

干法選煤經過20多年的研究探索，綜合了多種分選原理。利用床面振動和風力作用，使不同密度的煤、矸石、硫鐵礦在床面上松散分層；通過物料在床面作螺旋翻轉運動，層層剝離表層低密度物料；利用原煤中含有的細粒煤形成懸浮介質層提高分選精度；利用高密度物料(矸石)顆?；ハ嗯鲎矓D壓形成的浮力效應，可排出純凈的矸石產品[3]。

2.2 干選工藝在河南能源集團內外部的應用

2.2.1 河南能源化工集團內部使用情況

嵩山礦原煤發熱量在16.7～18.8 MJ/kg，原煤粒度組成中大于13 mm粒級產率僅為7.55%，灰分高達68.25%，小于13 mm粒級灰分為38.27%；原生煤泥含量高達33.14%，灰分為27.14%；入選原煤平均發熱量為17.3 MJ/kg，硫分1.16%；干選后精煤發熱量達到20.7 MJ/kg，提升3.39 MJ/kg，硫分0.67%，降低0.49個百分點，精煤產率約80%；矸石產率約10%，發熱量僅4.33 MJ/kg，硫分1.92%。龍門礦原煤塊煤率較低，原煤中大于13 mm粒級僅占15.67%，灰分高達59.11%，硫分2.47%。通過試驗，2015年7月選用一套FGX-12型復合式干選機，入選原煤平均發熱量為17.7 MJ/kg，硫分為1.49%，選后精煤發熱量平均提高2.53 MJ/kg，平均硫分0.93%，降低0.56個百分點以上。兩礦均為試驗后實施，均達到了預期目的[4]。

2.2.2 河南能源集團外部使用情況

2017年黑龍江省雞東煤礦采用FGX-24A分選機，處理能力120萬t，入料粒度20 mm粒級以下，入選原煤灰分47.58%，熱值15.56 MJ/kg，干選后的精煤灰分為33.76%，熱值為20.10 MJ/kg，灰分降低13.82個百分點，熱值提高4.54 MJ/kg。堿廠煤礦采用ZM200分選機，處理能力100萬t，入料粒度小于13 mm，入選前的原煤灰分和發熱量分別是45.63%和14.9 MJ/kg，干選后的精煤灰分和發熱量分別為33.53%與17.91 MJ/kg，灰分降低12.10個百分點，熱值提高3.01 MJ/kg[5]?；诟煞ㄟx煤工藝在國內已有諸多成功運用，采用干選預先排矸[6-8]，特別是矸石易泥化或缺水地區，對于提高入選原料煤質量、減少末煤分選系統矸石量，或通過干選提高煤炭產品質量，滿足用戶需求是完全可行的。

3 干選試驗結果分析與可行性研究

參照干法選煤技術發展應用現狀，為研究高山煤礦末煤采用干選工藝的可行性，對4號和9號煤分別采取煤樣進行工業性試驗，具體試驗結果見表1。從表1可見，高山煤礦煤炭灰分43.42%，發熱量17.0 MJ/kg，13～0 mm粒級的4號煤樣通過干選后，分別可以得到產率為87.57%、84.12%、73.20%、62.71%，發熱量分別為18.57 MJ/kg、18.81 MJ/kg、19.41 MJ/kg、20.04 MJ/kg的總精煤，可滿足化工燃料用煤要求。

由試驗結果可知：高山煤礦4號末煤適合高密度干法分選，可選出產率12.43%、灰分為70%的矸石，分選效果較為明顯；通過干法分選加工后，末煤產品滿足化工燃料煤質量要求在技術上是可行的。

由9號煤原煤篩分試驗結果表2可以看出：隨著粒度變細，各粒級灰分和硫分都有顯著降低，特別是1～0 mm粒級灰分明顯偏低，該粒級發熱量比原煤高出2.8 MJ/kg，高灰矸石和含硫雜質大多賦存于大于1 mm粒級內，此類粒度組成有利于進行干選處理。

表1 13～0 mm 4號末煤直接干選結果

表2 9號煤原煤篩分試驗結果

9號煤干選試驗結果見表3，從表中可以看出，小于13 mm粒級原煤混合均勻后進行干選試驗出五段產品，分別為精煤、中煤、矸石。如將前兩段產品作為精煤，則產率為66.78%，Qnet，ar為23.66 MJ/kg，選后灰分比原煤降低5.58個百分點，Qnet，ar提高2.39 MJ/kg，精煤脫硫率為78.07%，降灰、脫硫效果顯著；如采用前三段作為精煤產品，產率為79.77%；如果將前四段中煤和精煤混合，則產率為88.11%，Qnet，ar為22.83 MJ/kg，St，d為2.48%，也可基本滿足化工原料煤質量要求。在以往9號煤實際生產過構造期間，末煤發熱量平均為21.77 MJ/kg，比本次試驗所采取煤樣高，所以中煤和精煤產品混合后可滿足化工原料煤要求。當原料煤供應緊張時，可將前四段產品合并作為化工原料煤使用。此時，矸石產率11.89%，灰分68.78%，硫分高達10.24%，脫硫率34.57%，脫硫效果也十分明顯。由以上試驗結果看出，高山煤礦9號煤通過干選加工滿足化工原料煤要求在技術上是可行的。

表3 13～0 mm粒級9號末煤直接干選結果表

4 高山煤礦干選工藝應用實踐

4.1 干選加工情況

4.1.1 項目概況

高山煤礦核定生產能力為0.60 Mt/a，25 mm粒級以下原煤約0.50 Mt。經過調研論證，確定干選系統設計能力為0.60 Mt/a，為提高自動化程度和除塵效果，采用處理能力120～150 t/h的ZM-150型干法分選機。選后出3個產品：精煤，中煤，矸石。9號和4號煤干選精煤分別作為化工原料煤和燃料煤使用，分選9號煤時，其中煤可返選，或直接作為化工燃料煤，或視精煤質量情況摻入精煤中作為化工原料煤。同時，結合礦井儲量與產能的可能變化，預留擴建余地，必要時可再并行安裝1臺ZM-150型干法分選機。項目一期總投資約600萬元，干選系統安裝20 d就進入了調試階段。

4.1.2 項目實際運行效果

鑒于項目投運時，高山煤礦只有1404工作面剩余部分儲量，9號煤工作面尚不具備生產條件，根據工作面瓦斯治理情況，預計2019年6月底具備正常生產條件，干選系統投運后，初期僅對1404工作面(4號煤)進行分選，其分選效果見表4。

表4 高山煤礦4號煤干選系統生產情況統計

由表4可以看出，4號煤通過ZM-150型干選機分選，生產的精煤熱值提高4.64～3.07 MJ/kg，平均提高3.92 MJ/kg，精煤產率68.92%，硫分降低接近一個百分點，基本和試驗結果一致，達到了預期目的。由于當前工作面條件較差，原煤質量差，入選原料煤發熱量平均僅為12.45 MJ/kg，經過加工后可作化工燃料配煤。末煤灰分52.10%，發熱量13.27 MJ/kg，干選后精煤熱值達到17.91 MJ/kg，已接近燃料煤要求質量指標。當工作面條件正常時，干選后的精煤完全可以滿足化工燃料煤質量要求。

由高山礦9號煤干選生產統計表5可以看出，高山礦9號煤經過干選加工后，灰分平均降低10.96個百分點，硫分降低1.14個百分點，發熱量提高3.80 MJ/kg，達到23.11 MJ/kg，基本達到了化工原料煤要求。如果除去工作面煤質異常的6月18日和21日，則平均灰分31.22%、發熱量20.88 MJ/kg的原煤，經過干選后精煤產率為83.05%，灰分、硫分分別降低9.39和1.16個百分點，發熱量提高3.37 MJ/kg，達到24.24 MJ/kg，完全滿足化工原料煤的指標要求，達到了預期目標。

表5 高山礦ZM150干選系統9號煤生產結果統計

4.2 實施干選加工的效益測算

4.2.1 4號煤干選加工的效益測算

干選生產運行時，4號煤原煤平均發熱量只有12.46 MJ/kg，與化工燃料煤質量要求差距太大，只能作為電煤銷售，即使不考慮硫分折扣，售價也僅有98元/t。經過干選加工后，精煤產率68.92%，發熱量接近16.74 MJ/kg，可勉強作為化工燃料配煤，售價390元/t；即使仍按電煤銷售，單價也可達到278元/t，同時硫分折扣相應降低。干選加工費按5元/t計算，則經過干選加工后用于化工配煤使用或作為電煤銷售時噸煤增收情況分別為：

用于化工配煤：68.92%×390-98-5=165.79(元/t)

用于電煤銷售：68.92%×278-98-5=88.60(元/t)

按照試驗和干選系統試生產結果，參照1404工作面生產統計情況，4號煤工作面有30%的產量平均發熱量為16.74 MJ/kg，作電煤銷售不考慮硫分扣款，單價290元/t。經過干選加工提質后，發熱量完全可以滿足化工燃料煤要求，根據試驗結果，綜合考慮按產率80%、發熱量為19.25 MJ/kg的精煤作為化工燃料煤，單價為460元/t，則干選加工后噸煤增收情況為：80%×450-290-5=75元/t。2020年回采4號煤29.1萬t。則干選加工后該工作面的煤炭可增收：29.1×30%×75=654.75(萬元)。

4.2.2 9號煤實施干選加工的增收預測

依據9號煤干選生產運行情況，結合高山煤礦1904工作面生產末煤數質量統計，23.02 MJ/kg的末煤為11.51萬t，占總產量的28%；按照2019年計劃回采1906工作面45.6萬t的28%通過加工提質，參照1904工作面過構造時平均發熱量21.77 MJ/kg，參照試驗結果，干法分選后保守計算精煤和中煤合計產品按發熱量為23.44 MJ/kg、回收率80%測算。當末煤發熱量為21.77 MJ/kg作為電煤銷售時，結算單價為420元/t，作為化工燃料煤使用時單價為520元/t，發熱量23.44 MJ/kg時，作為化工原料煤單價728元/t。干選第四段產品產率按8%計算，發熱量為19.67 MJ/kg時作為化工燃料煤單價為470元/t，作為電煤銷售時單價為370元/t。矸石產率按照12%計算，發熱量為7.53 MJ/kg，銷售收入忽略不計。加工費按照5元/t計算，高山煤礦1906工作面過構造時通過干選加工后的增收情況如下：

供應原料煤比電煤增收：45.6×28%×(728×80%+8%×470-420-5)=2489.76(萬元)。

供應原料煤和燃料煤比直接供應燃料煤增收：45.6×28%×(728×80%+8%×470-520-5)=1212.96(萬元)。

4.3 投資回收期

依據以上干選效益測算結果可知，通過干選加工，在回采硫分偏高的4號煤時，且僅考慮發熱量低于16.74 MJ/kg的部分煤炭產量，投資回收期也不到1 a時間。如果按照加工2019年計劃回采1906工作面過構造時那部分原煤，用于供應化工原料煤和燃料煤，投資回收期更短，同時可以避免因地質條件變化的影響導致煤質指標的大幅波動，可以有效保證化工原料煤穩定供應和穩定生產，充分落實地方政府給予的優惠政策，實現不發電煤，增加企業綜合經濟效益的目標。

5 啟示和結論

5.1 啟示

由表6高山煤礦煤炭篩分試驗結果可知，該礦原煤中大于25 mm粒級含量僅3.3%，且灰分高達69.14%，幾乎全部是矸石，小于13 mm粒級占87.32%。結合該礦采樣工業性試驗、干選系統投運后的分選效果以及河南能源嵩山礦煤質特點(大于13 mm粒級產率僅為7.55%，灰分高達68.25%)與系統運行情況[4]，可以推斷，干法選煤對小于25 mm甚至小于13 mm 粒級煤炭有明顯分選效果。筆者認為，當前干法選煤技術已經基本趨于成熟[9-10]，可以結合煤質和用戶需求實際，用于對末煤的分選提質，以便有效降低工程投資和系統運行成本，滿足用戶需求，最大限度提高企業的綜合效益。

5.2 結論

高山煤礦結合國家和地方政府相關政策要求，根據企業發展需要與干法選煤技術發展應用現狀，特別是集團公司內外部的成功應用實例，通過工業性試驗分析，認為實施干選加工不僅有必要，而且是可行的。高山礦煤炭經過干選加工后，可以實現4號煤滿足化工燃料煤質量要求，9號煤滿足原料煤質量要求，效益增加顯著。

表6 高山礦煤炭篩分試驗結果