干法選煤技術在霍林河南露天礦的應用

董瑞榮，付合英，付 強，李增鑫

(國家電投內蒙古公司 霍林河南露天煤礦，內蒙古 霍林郭勒 029200)

我國褐煤資源豐富，已探明的褐煤保有儲量1 311.42億t，占已探明煤炭儲量的13%左右，是未來可利用的主要能源之一[1-2]。科學合理地利用褐煤資源，對我國煤炭行業可持續發展具有重要意義[3-5]。煤炭分選有利于提高資源回收率，從各項指標上提升煤炭質量，是實現節約能源和清潔利用的重要手段。傳統的濕法選煤技術已經無法滿足現代化選煤行業發展的需要[6]。適應某些煤質特點的干法選煤技術，主要是利用煤與矸石的物理性質差別進行分選，如密度、粒度、形狀、光澤度、導磁性、導電性和輻射性、摩擦系數等特性[7]。干法分選主要包括風選、磁選、電選、摩擦選、微波選、空氣重介質流化床選等方法[8]，目前已投入工業應用的最廣泛的干選方法為風選[9-11]。該方法具有成本低、工藝簡單、占地面積小、能耗低、能有效分選褐煤等易泥化煤的優點[12-13]。

1 項目背景

霍林河南露天礦煤質為中低灰、特低硫、低磷，符合環保要求，平均發熱量為13.37 MJ/kg，是較好的動力用煤。但由于該煤礦體賦存產狀復雜，煤層數較多，在境界范圍內礦體薄厚變化不均，部分煤層夾層矸較多；為保證煤質，采煤時加大了對煤頂、底板的處理強度，產生部分頂、底板雜煤，煤質較差，平均發熱量在8 778 kJ/kg，沒有合適的用戶需要，均按低熱值煤巖混合物排至排土場掩埋。低熱值煤巖混合物堆存過程中易氧化放熱，熱量不能及時散出，且不斷積累，煤堆溫度會逐漸升高，存在自燃的隱患。因此，煤巖混合物堆存既浪費資源，又污染環境。而干法選煤技術可有效回收精煤，增加經濟效益，分選后的低熱值煤發熱量可達到用戶要求的發熱量指標，可作為商品電煤出售。同時排棄物料中可燃物含量下降，減少了發生自燃的幾率，降低了對環境的污染，具有良好的社會效益。

2 干法選煤技術介紹

褐煤干選主要目的是為提高其發熱量，一般從降水和降灰兩方面進行，分別為干燥提質和分選提質。本設計主要研究對象是露天礦低熱值煤巖混合物，其水分(Mt)為21.25%，灰分(Ad)為52.96%，如采用干燥無法完全達到提質回收的目的。根據投產的褐煤煤礦生產實際情況，褐煤易碎，原生煤泥量大，并且遇水極易泥化，用水作為介質洗選極易造成洗水濃度大，煤泥水系統處理困難，甚至無法正常生產。常規選煤方法需要利用水介質進行分選，對于褐煤遇水泥化，會惡化分選效果，達不到理想的分選目標。目前應用于褐煤分選的選煤工藝主要為風力分選以及X射線分選，兩種分選方式均可避免褐煤遇水泥化的現象，并能節約水資源，而且解決了動力煤產品水分高、冬季易凍結的問題。經調研考察，霍林河礦決定采用唐山神州機械有限公司生產的X射線智能干選機和復合式干選設備。

2.1 塊煤射線智能分選

X射線智能分選設備是利用X射線穿透煤和矸石時，由于各自的密度不同、尺寸不同，對X射線的衰減也不同來進行識別的。該設備主要由X射線源、探測器、綜合控制裝置、執行機構等組成。當輸送帶上的煤或矸石經過射線源下方時，探測器采集到一系列相關數據并傳輸到綜合控制裝置，綜合控制裝置經過相關計算，判定出煤或矸石，若判定為矸石，經過一定的延時，當煤矸石經過執行機構時，執行機構動作，完成煤與矸石的分離。其結構原理示意見圖1。

圖1 X射線智能分選系統結構示意

智能分選設備采用高靈敏度探測器、一體化射線源、先進的智能識別系統和可靠的執行機構，識別準確率高達95%以上；設計時充分考慮了煤礦多煤塵、機械振動等不良的工作環境，設備可靠性高，處理量可選范圍20～300 t/h，用于塊煤分選，可完全取代人工手選。

2.2 混煤風力分選

風力選煤是利用空氣作為分選介質，可避免褐煤遇水泥化的現象，節約水資源；并可解決動力煤產品水分高、冬季易凍結問題；其投資僅為同規模濕法選煤廠的 1/5～1/10，加工費用僅為洗選的1/3。

我國自行開發的復合式干法分選設備，突破了傳統風選單一的分選機原理，集多種分選作用于一體。其分選原理(見圖2)如下：

一是采用自生介質(入選原煤中所含細粒煤)與空氣組成氣固兩相混合介質分選，形成具有一定密度、相對穩定的氣固懸浮體。物料通過懸浮體時，密度低的煤上浮，而密度高的矸石下沉。

二是借助機械振動使分選物料做螺旋翻轉運動，形成多次分選。

三是充分利用逐漸提高的床層密度，高密度物料顆粒相互作用產生的浮力效應強化了煤矸分離，使矸石產品更加純凈。

圖2 風力分選機結構示意

在高密度排矸條件下，復合式干法分選在80～6 mm有效分選粒級范圍內，其分選數量效率大于90%；但風力分選的粒度下限較高，對于6 mm以下粒級物料分選效果差，因此比較適用于低熱值煤巖混合物的排矸降灰。南露天礦選擇塊煤射線智能分選+混煤風力分選的方法，作為低熱值煤巖混合物提質回收的主要手段。

3 項目規模確定

根據霍林河南露天礦實際生產情況統計，低熱值煤巖混合物數量如下：

(1)頂底板：10號、14號、17號、21號等主采煤層的頂底板每年產生的煤巖混合物53.18萬m3。

(2)薄煤層：18號、19號等薄煤層每年產生的煤巖混合物20.24萬m3。

(3)混雜煤：11號煤層的煤巖混雜煤層每年產生煤巖混合物33.59萬m3。

低熱值煤巖混合物的排棄量約為1.50 Mt/a，則項目建設規模為：1.50 Mt/a。

4 廠址選擇

褐煤干選項目為南露天礦配套項目。按照盡可能縮短原料煤和產品煤運輸距離的原則，從水源、電源、公共交通和通訊設施等方面考慮，決定廠址選在現場工業試驗場地，位于一號破碎站北側底幫平臺(見圖3)。

圖3 項目廠址位置示意

(1)水源。工業場地生活用水依托南露天礦工業場地已有給水設施。

(2)電源。南露天礦環坑電源線路引自霍林河66 kV變電站。環坑分布有近20座66/6.3 kV箱式變壓器，距褐煤干選項目西側500 m處有1座66/6.3 kV箱式變壓器，專為褐煤干選項目供電，無其他負荷。

(3)交通運輸。礦區內公路已基本形成運輸網。已有的礦山公路運輸系統是沿采掘場的東、南兩側布設。褐煤干選項目外部運輸條件全部依托露天礦原有礦山公路，能滿足該項目產品煤及矸石的運輸，具有方便的運輸環境。

(4)通訊設施。褐煤干選項目行政電話依托露天礦行政通訊網。

5 運行效果

南露天礦褐煤干選系統自2018年11月投入生產以來，主要加工的原煤為南采區18號、北采區11號、配采區17號等煤層產生的低熱值煤巖混雜物。到2018年底，共計處理原煤164 622 t，生產精煤67 608 t，精煤產率為41.07%。對生產的精煤按照粒級采樣、化驗，并選取其中15個批次的化驗數據進行分析：

(1)0～6 mm煤樣，全水分為19.7%～26.5%；灰分為40.64%～69.66%；熱值在5 016～9 965 kJ/kg范圍內波動，甚至有的煤樣無法點火，這是由于大量巖粉混入而造成熱值較低。基本確定該粒級產品沒有利用價值，可直接排棄。

(2)6～80 mm煤樣，全水分為23.30%～29.60%；灰分為30.66%～42.40%；熱值在10 964～14 036 kJ/kg范圍內波動，絕大部分熱值在12 540 kJ/kg左右。

(3)大于80 mm煤樣，全水分為21.4%～31.20%；灰分為22.39%～45.94%，絕大部分灰分在30%左右；熱值在10 634～15 094 kJ/kg范圍內波動，絕大部分熱值在13 794 kJ/kg左右。

熱值作為褐煤最重要的指標之一，可以明顯從化驗數據中觀察到，相比原料煤巖混合物的熱值8 778 kJ/kg，選后得到的精煤熱值大幅度提高。0～6 mm粒級煤樣無利用價值，可直接排棄。6～80 mm和大于80 mm煤樣可回收，兩粒級熱值差別不大，可混合回收。

6 經濟效益

(1)年銷售額。本項目達產(每年加工1.50 Mt原料)時，按照每年回收50萬t商品煤，根據選煤產品和煤炭質量及發熱量價格指標，依據近3 a煤炭市場的平均價格，由于6～80 mm和大于80 mm煤樣混合回收，回收后的產品熱值能滿足電煤需求，售價為123.48元/t(不含稅)；產品為0～6 mm末煤不作為產品回收，直接排棄，不計算銷售收入；矸石為選煤廢料，直接排棄，不計算銷售收入。由此計算，在正常生產年份煤炭年銷售收入為6 174萬元。

(2)成本。目前生產模式下，主要成本項目包括煤巖混合物加工費、生產用電電費、成品煤采裝費用和膠帶系統變動成本。其中的煤巖混合物運輸費為以前正常生產過程中同樣需要發生的費用，屬于必須發生的成本，因此不參與成本計算。

經測算，噸煤生產成本49.68元，噸煤產生的利潤73.8元，考慮增值稅附加及資源稅13.04元/t，噸煤產生的凈利潤60.76元。按年產50萬t精煤計算，本項目每年可產生經濟效益3 038萬元。

7 結 論

(1)南露天礦褐煤采用干法分選的方法選擇合理可行：塊煤采用智能分選設備，通過射線自動識別進行煤矸分離，混煤采用風力選煤，以空氣作為分選介質進行分選。兩種分選方式均可避免褐煤遇水泥化的現象，節約水資源，解決了動力煤產品水分高、冬季易凍結問題，且投資加工費用低。

(2)環保效益顯著：分選后煤與矸石分離，排棄的物料數量減少，從而減少了低熱值煤巖混合物的占地；同時排棄物料中可燃物的含量下降，減少了發生自燃的幾率和二氧化硫排放量，降低了對環境的污染。

(3)通過建設干法選煤設施，每年可以多回收約50萬t產品煤，剝采比可以降低0.1，回采率增加3%，根據目前產能計算，可以延長礦山服務年限1.5 a。干法選煤設施的建設對于回收煤炭資源、增加企業的經濟效益都具有積極的意義。

(4)0～6 mm粒級產品無利用價值，可直接排棄。6～80 mm和大于80 mm煤樣符合電廠需要，兩粒級熱值差別不大，可混合回收。