干法選煤廠設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題分析

衛(wèi)中寬，郭大林，王 洋，劉鋼槍

(中煤天津設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，天津 300120)

干法選煤，顧名思義，煤炭的分選過(guò)程是在干式環(huán)境下完成的。2020年11月中國(guó)煤炭加工利用協(xié)會(huì)發(fā)布的團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《干法選煤技術(shù)規(guī)范》是這樣定義的：干法選煤，即不用液體，采用機(jī)械方法，分選出用戶滿意的產(chǎn)品[1]。其實(shí)人工手選也屬于干法選煤。

依據(jù)煤炭分選過(guò)程所處環(huán)境不同，通常可分為干法選煤和濕法選煤，干法一般指在空氣中實(shí)現(xiàn)對(duì)煤炭的分選。大多數(shù)選煤廠設(shè)有準(zhǔn)備車間，有的是大于300 mm采用手選，有的是大于200或150 mm采用手選，甚至很多選煤廠大于50 mm采用手選，這也是干法選煤。人類最早分選煤中雜物(含矸石)，就是通過(guò)人眼識(shí)別，采用人工揀出雜物(含矸石)，提供合格產(chǎn)品的，可以認(rèn)為選煤方法的演化與進(jìn)步是從干法選煤開(kāi)始的。

隨著時(shí)代發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，尤其是煤炭資源的供應(yīng)端逐步向中西部缺水地區(qū)轉(zhuǎn)移，影響煤炭的諸多因素疊加，促使了干法選煤技術(shù)的大范圍推廣，干法選煤邁入了一個(gè)新增長(zhǎng)期。本文將視角對(duì)準(zhǔn)工程設(shè)計(jì)，從環(huán)境因素入手，分析了干法選煤廠設(shè)計(jì)中應(yīng)關(guān)注的問(wèn)題，并對(duì)未來(lái)干法選煤技術(shù)走向進(jìn)行了預(yù)判。

1 干法選煤的時(shí)代背景

1.1 水資源現(xiàn)狀的倒逼

從全球水資源分布圖(見(jiàn)圖1)可以看出，中國(guó)的北方地區(qū)水資源嚴(yán)重缺乏。我國(guó)人均水資源不及世界人均占有量的1/4，是世界公認(rèn)的水資源匱乏國(guó)家之一，且水資源分布不均。國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)的十四個(gè)億噸級(jí)煤炭基地煤炭產(chǎn)量占全國(guó)90%以上，主要分布在水資源短缺的北方地區(qū)(見(jiàn)圖2)。

圖1 全球水資源分布

圖2 中國(guó)水資源與煤炭基地分布

從煤炭洗選加工的角度講，推動(dòng)節(jié)水型選煤技術(shù)的發(fā)展具有重大意義，應(yīng)該大力提倡，干法選煤有其存在的客觀生態(tài)價(jià)值。

1.2 特定的煤種與市場(chǎng)需要

在我國(guó)的部分地區(qū)(如哈密、準(zhǔn)東等)，多為低變質(zhì)程度的動(dòng)力煤，煤炭與水接觸后迅速泥化，這種煤質(zhì)如果用水洗工藝，成本將大大增加，且無(wú)經(jīng)濟(jì)效益，只有采用干法選煤技術(shù)才能應(yīng)對(duì)。蒙西的上海廟礦區(qū)、河南新鄭煤田等也存在上述情況，這些地區(qū)推行干法選煤是煤質(zhì)特點(diǎn)所決定的。

動(dòng)力煤通常以發(fā)熱量為計(jì)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，影響發(fā)熱量的主要指標(biāo)有灰分和水分，業(yè)內(nèi)有個(gè)不成文的經(jīng)驗(yàn)值是灰分降低2個(gè)百分點(diǎn)與水分降低3個(gè)百分點(diǎn)所提高的發(fā)熱量是相當(dāng)?shù)摹?dòng)力煤采用水洗工藝，灰分降低的同時(shí)，水分往往會(huì)增加，二者相抵，產(chǎn)品發(fā)熱量提高有限，甚至不增反降，另考慮加工費(fèi)等成本因素，總體評(píng)價(jià)不一定有經(jīng)濟(jì)效益。

從全國(guó)來(lái)看，很多末煤未入選的動(dòng)力煤選煤廠均有提高或穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量的潛在需求，如寧東礦區(qū)、鄂爾多斯礦區(qū)，末煤水洗產(chǎn)品附加值增加有限，還產(chǎn)生了大量的煤泥，動(dòng)力煤濕法選煤技術(shù)已經(jīng)到了“天花板”。

而干法選煤以滿足用戶發(fā)熱量要求為導(dǎo)向，在投入產(chǎn)出比方面，有一定的優(yōu)勢(shì)，尤其對(duì)動(dòng)力煤選煤廠，通常投資少、施工快、成本低、見(jiàn)效早，市場(chǎng)響應(yīng)及時(shí)，煤質(zhì)波動(dòng)大時(shí)，能快速實(shí)施，化解煤炭運(yùn)銷之急。如與其他選煤方法配合使用，可實(shí)現(xiàn)煤炭企業(yè)綜合經(jīng)濟(jì)效益最大化，這都加速了干法選煤逐步走向舞臺(tái)中央的步伐。

1.3 干法選煤技術(shù)日臻成熟

塊煤分選采用射線智能精準(zhǔn)干選已成為主流，另在末煤分選裝備研發(fā)上，近年來(lái)推出的ZM干選機(jī)分選精度有所改善，處理能力大幅提高，排出的矸石比較純，發(fā)熱量普遍提高2.09 MJ/kg以上，形成了全系統(tǒng)干選的新局面。

多年的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，使得干選設(shè)備可靠性經(jīng)得起了市場(chǎng)檢驗(yàn)，集成度不斷提高，以復(fù)合干選為例，出現(xiàn)了120萬(wàn)t/a模塊、240萬(wàn)t/a模塊等裝配式建筑，布置非常便捷。總體設(shè)計(jì)從室外走向室內(nèi)，環(huán)保意識(shí)增強(qiáng)，改變了業(yè)內(nèi)對(duì)干選的成見(jiàn)，并不斷充斥創(chuàng)新手段，不斷更新干選理論，干法選煤技術(shù)日臻成熟。

2 干法選煤技術(shù)的分類

經(jīng)梳理，主要有6類干法選煤技術(shù)，分述如下。

在上述過(guò)程中,過(guò)硫酸銨作為水性引發(fā)劑必須要在50°C以上才能被分解生成自由基,進(jìn)而使體系發(fā)生聚合反應(yīng).若要在較低的反應(yīng)溫度下引發(fā)聚合,一般使用FeCl2作為助劑.FeCl2的作用是提供二價(jià)鐵離子使其與過(guò)硫酸銨發(fā)生氧化還原反應(yīng)生成SO-4·自由基:

2.1 人工手選

人工手選是最智能的光電干法選煤技術(shù)，它是通過(guò)人眼識(shí)別，經(jīng)人工揀出矸石及雜物的分選方法。限于煤礦管理與井下條件的復(fù)雜性，出井毛煤中不可避免的存在超粒大塊或雜物，需去除，目前尚無(wú)可徹底解決的有效措施，因此，人工手選可能短期內(nèi)依然有存在的價(jià)值。

2.2 風(fēng)力選煤

工作時(shí)，首先要將物料置于一個(gè)工作臺(tái)上，可以是水平的或者略有傾斜，然后機(jī)械設(shè)備會(huì)提供上升的氣流或者搖動(dòng)工作臺(tái)，將不同的物料分出層次，從而對(duì)煤炭進(jìn)行分選[2]。

其主要有2種動(dòng)力方式：一種是通過(guò)機(jī)床的振動(dòng)和搖動(dòng)，使煤炭中的各種物質(zhì)按照質(zhì)量和體積分層，從而揀選出精煤和矸石等；另一種是利用強(qiáng)大的氣流使煤粉浮起來(lái)，而大顆粒雜質(zhì)則通過(guò)下方排除，留下的煤炭再進(jìn)行分揀(選)。這2種分揀方法的原理完全相同，區(qū)別主要在于機(jī)床[2]。

2.3 復(fù)合干法選煤

復(fù)合干法選煤的工作中既要應(yīng)用到振動(dòng)又要用到風(fēng)力，最終是利用煤的物理性質(zhì)來(lái)進(jìn)行揀選。將物料置于一個(gè)床面上，通過(guò)風(fēng)力和振動(dòng)的作用，將不同物理性質(zhì)的煤炭進(jìn)行分層，然后分別從高密度和低密度兩個(gè)方向排出[2]。如：FGX復(fù)合式干選機(jī)、ZM礦物高效分離機(jī)。

2.4 風(fēng)力跳汰干法選煤

風(fēng)力跳汰是借鑒水力跳汰的原理(如圖3)，以風(fēng)作為分選介質(zhì)，應(yīng)用分選床振動(dòng)對(duì)床層物料的拋擲運(yùn)動(dòng)與分選床下恒壓風(fēng)及脈動(dòng)風(fēng)三者的有效結(jié)合，在分選床面上形成均勻松散和穩(wěn)定的近流態(tài)化床層，為原煤在分選過(guò)程中按密度分層創(chuàng)造條件[3]。

圖3 風(fēng)力跳汰機(jī)示意

分選床的振幅與頻率、給料量、排料量、送風(fēng)量及脈動(dòng)風(fēng)的脈動(dòng)頻率等參數(shù)均能實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)整，可根據(jù)不同原煤煤質(zhì)特性對(duì)分選工藝參數(shù)進(jìn)行有效組合[3]。目前，該技術(shù)處于研發(fā)階段，尚未推廣。

2.5 光電干法選煤

光電干法選煤技術(shù)主要有X射線干選、γ射線干選和色差識(shí)別干選等，最具代表性的當(dāng)屬射線干選了，近年來(lái)趨于成熟，現(xiàn)已大范圍推廣，它是根據(jù)射線穿透不同密度礦物的衰減程度而對(duì)精煤和矸石進(jìn)行判斷，實(shí)現(xiàn)分選的一種方法。這幾種光電干法分選方式都需要經(jīng)過(guò)布料、識(shí)別、分選環(huán)節(jié)，如圖4所示。

圖4 X射線干選系統(tǒng)示意

射線干選機(jī)識(shí)別后的執(zhí)行方式主要有2種，一種是利用高頻電磁閥控制的高壓空氣射流將矸石或精煤選出，一般選擇量少的一種進(jìn)行操作；另一種是用機(jī)械手模擬人工手選，將識(shí)別出的矸石或精煤揀出[4]。目前市場(chǎng)上的射線干選設(shè)備基本都通過(guò)配置高頻電磁閥來(lái)控制高壓氣體，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤或者矸石的分選。

2.6 空氣重介質(zhì)流化床干法選煤

空氣重介質(zhì)流化床干法選煤技術(shù)是將添加了鐵磁礦粉或其他粉狀物質(zhì)的空氣作為分選介質(zhì)的一種干法選煤技術(shù)。煤的密度大于所用介質(zhì)的密度時(shí)，就會(huì)下沉，而煤的密度小于介質(zhì)密度時(shí)，則會(huì)漂浮起來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)分離[2]。中國(guó)是空氣重介質(zhì)流化床干法選煤技術(shù)的鼻祖，為世界干法選煤理論與技術(shù)進(jìn)步做出了重要貢獻(xiàn)，但實(shí)踐之路并不順利，該技術(shù)尚未大規(guī)模應(yīng)用。

3 干法選煤廠設(shè)計(jì)之關(guān)注點(diǎn)

3.1 干選工藝的選擇

應(yīng)用最廣泛的干法選煤技術(shù)主要有2種，其一為適合于塊煤排矸的射線干法選煤技術(shù)，如X射線分選機(jī)、γ射線分選機(jī)，主要用于代替人工手選作業(yè)，其入料粒度范圍為300(200)～50(30) mm；其二為復(fù)合干法選煤技術(shù)，如FGX復(fù)合式干選機(jī)、ZM礦物高效分離機(jī)，主要用于動(dòng)力煤排矸，穩(wěn)定煤質(zhì)，提高發(fā)熱量，入料粒度范圍為80～0(6) mm。選擇依據(jù)可參考表1[5]。

表1 應(yīng)用較廣的干選技術(shù)

是否采用干法工藝或如何選擇干法工藝應(yīng)以目標(biāo)選煤廠的綜合經(jīng)濟(jì)效益為依據(jù)，由源而擇，因企而異。下文針對(duì)復(fù)合干選和射線干選2種常見(jiàn)工藝在選煤廠設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題進(jìn)行闡述。

3.2 復(fù)合干法的分選精度問(wèn)題

表2摘錄了不同入料粒度、不同分選密度下各選煤工藝分選精度的對(duì)比[5]。從表2中可以看出，各種選煤工藝在不同分選條件下分選精度差異性較大。復(fù)合干法選煤技術(shù)適合粗顆粒高密度排矸，隨粒度減小，分選指標(biāo)(Ep值)變壞，其在高密度分選環(huán)境下有一定優(yōu)勢(shì)。

表2 不同入料粒度、不同分選密度下各選煤工藝Ep值統(tǒng)計(jì)

3.3 復(fù)合干選關(guān)注點(diǎn)之水分及泥化現(xiàn)象

煤中水分存在的形態(tài)有2種：游離水和化合水。游離水又分為內(nèi)在水分和外在水分(又稱表面水分)，復(fù)合干選設(shè)計(jì)中一般關(guān)注的是外在水分。外水高時(shí)，顆粒間黏度增加，分層速度減慢，影響分選效果。泥化嚴(yán)重時(shí)易堵塞床面風(fēng)孔，破壞正常供風(fēng)，使分選難以進(jìn)行[5]。

當(dāng)原煤中不含黏土質(zhì)礦物質(zhì)時(shí)，最高允許外在水分為10%左右。簡(jiǎn)單的測(cè)試方法是將原煤用手攥緊，放開(kāi)后煤不結(jié)團(tuán)，說(shuō)明可以干選[5]。黏土質(zhì)礦物多為層狀硅酸鹽礦物，如高嶺石、伊利石、蒙脫石、云母等。

3.4 復(fù)合干選關(guān)注點(diǎn)之可選性及含矸量

復(fù)合干選設(shè)備排矸時(shí)，分選密度一般在1.8～2.1 g/cm3范圍內(nèi)，可選性多表現(xiàn)為易選煤。如果含矸量大于10%，煤的內(nèi)灰不高，降灰效果會(huì)更明顯。

3.5 復(fù)合干選關(guān)注點(diǎn)之入料粒度及處理量

復(fù)合干選機(jī)的入料粒度范圍為80～0 mm。一般認(rèn)為對(duì)6 mm以下粒級(jí)分選效果不理想，最佳分選粒度比為10左右。分選床面積決定處理能力，一般處理量取8～10 t/m2，分選塊煤或含矸量大的原煤時(shí)，能力宜降至70%左右，設(shè)計(jì)選型時(shí)應(yīng)適當(dāng)保守。

3.6 復(fù)合干選關(guān)注點(diǎn)之操作調(diào)節(jié)

復(fù)合干選機(jī)的操作點(diǎn)主要有：風(fēng)量風(fēng)壓、床層振幅(激振力)、給料量、床面角度、排料擋板高度、接料槽翻板、矸石門等，一般地區(qū)干選機(jī)的風(fēng)壓要求6 kPa左右，床層振幅以6～8 mm為宜，床面橫向、縱向角度為7°～10°/±2°，精煤段排料擋板高度按入料上限3/4考慮[5]。

3.7 射線干選系統(tǒng)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

300～50 mm塊煤排矸采用射線干選已成為主流，但中國(guó)煤質(zhì)差異性較大，設(shè)計(jì)中應(yīng)以試驗(yàn)結(jié)果作為設(shè)計(jì)依據(jù)進(jìn)行設(shè)備選型。需要注意的是平鋪布料，物料不重疊，如選擇γ射線，識(shí)別前需要排隊(duì)。

入料中應(yīng)避免雜物和超限顆粒。塊煤作為產(chǎn)品時(shí)，建議打煤，矸石產(chǎn)品溜槽宜設(shè)二次篩分系統(tǒng)；系統(tǒng)作為排矸時(shí)，建議打矸。高壓風(fēng)一定要配冷干機(jī)，供風(fēng)管路建議用不銹鋼管，避免生銹水損壞電磁閥。除塵設(shè)備選型宜富余，車間內(nèi)應(yīng)設(shè)打掃衛(wèi)生水源。

3.8 復(fù)合干選系統(tǒng)的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

復(fù)合干選設(shè)計(jì)的總體發(fā)展趨勢(shì)為：露天布置向室內(nèi)布置轉(zhuǎn)變，簡(jiǎn)易型向環(huán)保型轉(zhuǎn)變，模塊化布置。需要提醒的是應(yīng)嚴(yán)格遵守選煤廠設(shè)計(jì)規(guī)范，注意防爆要求。設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)樹立干濕結(jié)合的理念，車間內(nèi)立體設(shè)置衛(wèi)生水源，棧橋均設(shè)沖洗水系統(tǒng)。總平面應(yīng)簡(jiǎn)捷流暢，美觀大方。

入料水分高時(shí)建議配置振動(dòng)混流干燥床，進(jìn)行預(yù)處理。振動(dòng)混流干燥床可以用于復(fù)合干選前的預(yù)處理系統(tǒng)，也可用于空氣重介干選前的預(yù)處理系統(tǒng)。振動(dòng)混流干燥床的熱源建議采用低溫?zé)煔猓瑴囟?00～250 ℃為宜。

3.9 復(fù)合干選系統(tǒng)的設(shè)計(jì)之工藝篇

由于復(fù)合干選工藝主要用于排矸，為了保證矸石純度和精煤質(zhì)量，出中煤產(chǎn)品是有必要的，但動(dòng)力煤選煤廠往往只有2種產(chǎn)品，因此建議將中煤破碎返回原煤系統(tǒng)，最終只出精煤、矸石2種產(chǎn)品。

在選煤工藝的確定過(guò)程中，應(yīng)針對(duì)不同方案進(jìn)行全面技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選(不同選煤工藝各產(chǎn)品數(shù)質(zhì)量比較、經(jīng)濟(jì)效益比較、建設(shè)投資比較、運(yùn)營(yíng)費(fèi)用比較、社會(huì)效益比較等)，不排除干選方式，發(fā)揮每一種工藝的優(yōu)勢(shì)是設(shè)計(jì)人員需要考慮的問(wèn)題。

3.10 復(fù)合干選系統(tǒng)的設(shè)計(jì)之采暖除塵篇

復(fù)合干選機(jī)運(yùn)行過(guò)程中處于負(fù)壓狀態(tài)，采用封閉廠房后，首當(dāng)其沖的是采暖問(wèn)題，為此需要專門設(shè)計(jì)進(jìn)風(fēng)道，風(fēng)源引自室外，可避免室內(nèi)溫度的下降，將對(duì)采暖效果的影響降至最低。

除干選機(jī)本體除塵設(shè)備外，全廠煤流系統(tǒng)應(yīng)采用超聲霧化除塵技術(shù)或安裝其他高效的除塵裝置，達(dá)到水洗廠的工作環(huán)境。

3.11 復(fù)合干選系統(tǒng)的設(shè)計(jì)之降噪篇

設(shè)計(jì)中將干選機(jī)主體、主風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)分單元做成封閉體，起到了防塵降噪的作用。將主風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)單元，獨(dú)立布置于室外，檢修更加方便。封閉體采用隔音材料，總體達(dá)到環(huán)境噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)。

4 干法選煤技術(shù)展望

4.1 人工選矸崗位的去留問(wèn)題

從選煤技術(shù)發(fā)展看，射線干選機(jī)將全面取代人工選矸。對(duì)不出塊煤且矸石含量較大的選煤廠，采用射線干選機(jī)排矸時(shí)，可選擇主再干選工藝。對(duì)雜物較多的物料，也可后置檢查性手選環(huán)節(jié)。

4.2 末煤干選技術(shù)有望突破

高精度的末煤(50/13～0 mm)干選技術(shù)市場(chǎng)空間很大，風(fēng)力跳汰可能成為下一輪研究熱點(diǎn)。高效大處理量的組合式除塵系統(tǒng)需要研發(fā)，除塵所得干粉的運(yùn)輸、儲(chǔ)存及利用需要單獨(dú)考慮。風(fēng)選前的預(yù)干燥系統(tǒng)(含熱源系統(tǒng))有待突破，裝備大型化、精細(xì)化是干選技術(shù)推廣的前提。

4.3 干濕結(jié)合系統(tǒng)謀劃

從設(shè)計(jì)的角度看，干法選煤與濕法選煤不是對(duì)立的，二者結(jié)合可以揚(yáng)長(zhǎng)避短。如目前6(3)mm脫粉已經(jīng)出現(xiàn)瓶頸，何不將復(fù)合干選機(jī)或者干選系統(tǒng)看成一個(gè)可以脫粉并排矸的弛張篩？這樣就徹底解決了細(xì)粒級(jí)深度脫粉的問(wèn)題，脫粉后的粗顆粒依然可以水洗。如果干式除塵維護(hù)量大，完全可以采用水除塵設(shè)備(如洗氣機(jī)等)，干法選煤廠也可以建濃縮壓濾系統(tǒng)。總之，一切以綜合經(jīng)濟(jì)效益為出發(fā)點(diǎn)，統(tǒng)籌考慮。

4.4 干選一樣面臨著智能化

智能化的大勢(shì)是不可逆的，成套設(shè)備的可靠性與單機(jī)智能化是最關(guān)鍵的。給料量、風(fēng)量風(fēng)壓、床層振幅(激振力)、床面橫向、縱向角度、排料擋板高度、接料槽翻板、矸石門等操作參數(shù)均有望實(shí)現(xiàn)在線自動(dòng)調(diào)節(jié)，產(chǎn)品質(zhì)量反饋可在線優(yōu)化干選機(jī)運(yùn)行參數(shù)，選煤人期待著超級(jí)智能干選機(jī)的問(wèn)世。

5 結(jié) 語(yǔ)

干選雖然小眾，但有其獨(dú)特的舞臺(tái)，尤其是水資源匱乏的今天，選煤人有責(zé)任推動(dòng)節(jié)水型選煤技術(shù)發(fā)展，未雨綢繆，為即將到來(lái)的煤炭微利時(shí)代做好充分準(zhǔn)備。作為工程設(shè)計(jì)人員，應(yīng)判明大勢(shì)、定位當(dāng)下、開(kāi)辟未來(lái)，在把握時(shí)代方位中抓住歷史契機(jī)，在勇立發(fā)展潮頭中擔(dān)當(dāng)歷史責(zé)任，把中國(guó)的煤炭事業(yè)推向高質(zhì)量發(fā)展軌道。