先進(jìn)選煤技術(shù)促進(jìn)煤炭清潔高效利用研究與探討

趙樹彥，任利勤，張玉磊

(北京國華科技集團(tuán)有限公司，北京市順義區(qū)，101399)

0 引言

煤炭是我國重要的基礎(chǔ)能源和工業(yè)原料，國家高度重視煤炭的清潔高效利用。在煤炭消費(fèi)端，燃煤發(fā)電、冶金煉焦、建材用煤及煤炭加工轉(zhuǎn)化，這些煤炭的消費(fèi)占比接近80%[1]。選煤作為潔凈煤技術(shù)的源頭，在煤炭清潔高效利用中發(fā)揮著重要的基礎(chǔ)作用。2022年3月22日，國務(wù)院副總理韓正組織召開了煤炭清潔高效利用工作專題座談會，他強(qiáng)調(diào)：“要加強(qiáng)統(tǒng)籌謀劃，聚焦重點(diǎn)領(lǐng)域，整合各方面資源，形成推進(jìn)煤炭清潔高效利用的合力。要堅(jiān)持目標(biāo)導(dǎo)向和問題導(dǎo)向，抓住重點(diǎn)行業(yè)和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，推動煤炭清潔高效生產(chǎn)和洗選，抓好電力等主要用煤行業(yè)節(jié)能降碳改造，大力加強(qiáng)散煤治理”。由此可見，選煤技術(shù)得到空前關(guān)注[2]。

煤中的灰分會對煤炭清潔高效利用產(chǎn)生嚴(yán)重影響。一是會增加運(yùn)輸負(fù)荷，我國約有70%的鐵路運(yùn)輸能力用于煤炭運(yùn)輸，煤炭灰分高會造成無效運(yùn)輸；二是增加煤炭消耗，煤作為燃料時(shí)，如果灰分高，礦物質(zhì)(灰分)不僅不能產(chǎn)生熱量，還會夾帶部分未燃煤，造成燃料損失，作為煉焦原料，灰分轉(zhuǎn)入焦炭中，不僅增加焦炭用量，還影響焦炭品質(zhì)，使焦炭產(chǎn)生熱脆性；三是作為燃料和氣化原料，低熔點(diǎn)灰分易造成鍋爐和氣化爐結(jié)渣和堵塞，同時(shí)影響鍋爐熱效率和氣化效率；四是造成環(huán)境污染，煤作為燃料燃燒時(shí)，灰分高的煤(尤其是灰成分中硫鐵礦含量高的煤)生成的SO2、SO3多，不僅會腐蝕設(shè)備，還會對空氣造成污染，嚴(yán)重時(shí)會危及植物生長和人體健康[3-4]。

筆者在介紹國內(nèi)外選煤技術(shù)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，分析了目前國內(nèi)2種先進(jìn)的濕式選煤工藝，并著重介紹了“國華科技選煤工藝包”，國華科技重介質(zhì)選煤工藝已在國內(nèi)外600余座選煤廠得到推廣應(yīng)用，均取得良好的效果。

1 國際選煤技術(shù)發(fā)展簡述

隨著原煤可選性變差以及用戶對產(chǎn)品質(zhì)量要求的提高，低分選精度的跳汰選煤越來越難以適應(yīng)當(dāng)前的選煤形勢。美國自20世紀(jì)80年代開始淘汰跳汰選煤工藝，我國近10年也基本不再設(shè)計(jì)建設(shè)以跳汰選煤工藝為主的選煤廠，現(xiàn)代選煤工藝技術(shù)也逐漸開始以重介質(zhì)選煤為主。20世紀(jì)90年代以來，盡管美歐等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)重介選煤技術(shù)日益成熟，但其原煤與我國和俄羅斯等國的原煤相比易選得多，因此美國選煤技術(shù)的研發(fā)投入較少。與此同時(shí)，俄羅斯也停止了選煤技術(shù)的研發(fā)。

2 國內(nèi)先進(jìn)的濕法選煤工藝

我國的濕式選煤技術(shù)自改革開放以來，在重介質(zhì)選煤和浮選這2大主流選煤技術(shù)上均已處于國際領(lǐng)先水平。目前我國已擁有世界上單機(jī)處理能力最大(1 300 t/h)、分選粒級最寬(0.25～200 mm) 、分選精度最高(一段可能偏差0.02～0.03 kg/L，二段可能偏差0.02～0.04 kg/L)的選煤設(shè)備，以及簡化、高效、節(jié)能的選煤系統(tǒng)。我國重介質(zhì)旋流器的入料粒度上限已突破200 mm，不脫泥重介質(zhì)旋流器選煤工藝的介耗已低至0.4 kg/t，濃縮機(jī)的單位面積處理量已達(dá)10 m3/h[2，5]。

隨著無壓給料三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器的普遍應(yīng)用，目前國內(nèi)具有代表性的先進(jìn)濕法選煤工藝技術(shù)主要有2種，分別是“不脫泥無壓給料三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器+煤泥重介質(zhì)旋流器+浮選”和“脫泥無壓給料三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器+TBS+浮選”，這2種工藝的普遍應(yīng)用使我國的選煤技術(shù)進(jìn)入了國際領(lǐng)先行列。

2.1 不脫泥無壓給料三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器+煤泥重介質(zhì)旋流器+浮選

該選煤工藝適應(yīng)于各種可選性原煤，可用單一低密度介質(zhì)系統(tǒng)一次分選出精煤、中煤和矸石，與有壓給料兩產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器主、再選相比，減少了1套高密度介質(zhì)系統(tǒng)，且易于實(shí)現(xiàn)煤泥重介質(zhì)分選，具有工藝系統(tǒng)簡單、分選效率高的特點(diǎn)，且精煤回收率高于目前的一般工藝。原煤重介質(zhì)旋流器的分選下限可達(dá)0.25 mm，煤泥重介質(zhì)旋流器的分選下限可達(dá)0.10 mm，中煤帶精煤量較少，通?？傻陀?%，矸石中帶煤量小于1%。該工藝與采用脫泥有壓給料重介質(zhì)旋流器工藝相比，原料煤不經(jīng)脫泥和泵送，次生煤泥量大幅減少，有利于實(shí)現(xiàn)煤泥減量化；廠房布置與脫泥無壓給料三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器相比更簡單，土建投資低。

不脫泥無壓給料三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器選煤技術(shù)優(yōu)勢明顯，目前我國60%以上選煤廠均采用此種選煤工藝。

2.2 脫泥無壓給料三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器+TBS+浮選

該選煤工藝適應(yīng)于粗煤泥極易選原料煤，可用單一低密度介質(zhì)系統(tǒng)一次分選出精煤、中煤和矸石，與有壓給料兩產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器主、再選相比，減少了1套高密度介質(zhì)系統(tǒng)，工藝系統(tǒng)較為簡單。該工藝分選效率較高，精煤回收率高于跳汰選煤，矸石帶煤少，無壓給料與有壓給料相比，次生煤泥量少，對煤泥減量化有利，脫泥入選易于控制介耗。

脫泥無壓給料三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器比兩產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器更具優(yōu)勢，且比不脫泥工藝技術(shù)含量低，這是因?yàn)槊耗嗔繉χ亟橘|(zhì)旋流器分選及后續(xù)脫介脫水回收等環(huán)節(jié)的影響都比較大，設(shè)備的選型、管路的設(shè)計(jì)等都需要設(shè)計(jì)人員進(jìn)行較為專業(yè)的把控，否則會影響生產(chǎn)指標(biāo)，特別是介耗指標(biāo)，但是如果提前脫除這部分煤泥，則會簡單很多，因此從這個(gè)角度考慮脫泥工藝的技術(shù)含量要低。該選煤工藝較易被選煤廠設(shè)計(jì)人員掌握，因而得到較廣泛應(yīng)用。我國煤泥含量大的河南鄭州礦區(qū)、陜西韓城礦區(qū)以及山西部分礦區(qū)的選煤廠，大多采用脫泥無壓給料三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器選煤工藝[6]。

3 濕法選煤先進(jìn)技術(shù)工藝研究與分析

為實(shí)現(xiàn)煤炭清潔高效利用，我國近年來一直對選煤新工藝和新裝備進(jìn)行研究和探索。在濕法選煤工藝技術(shù)方面，一個(gè)典型的研究成果是“超千萬噸高效節(jié)能選煤廠關(guān)鍵技術(shù)與裝備”，該技術(shù)成果于2019年被我國著名院士孫傳堯?yàn)橹魅挝瘑T的10人專家組命名為“國華科技選煤工藝包”，極大提升了我國重介質(zhì)選煤廠的整體技術(shù)，推進(jìn)了選煤廠大型化、集約化、高效化、智能化發(fā)展，達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

3.1 “國華科技選煤工藝包”的特點(diǎn)及研發(fā)歷程

“國華科技選煤工藝包”由原料煤不預(yù)排矸、不分級、不脫泥無壓給料三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器主選、粗煤泥重介質(zhì)旋流器分選、細(xì)煤泥浮選機(jī)粗精選、煤泥水兩段濃縮兩段回收聯(lián)合工藝聯(lián)合構(gòu)成，具有高效、簡化、節(jié)能、環(huán)保等特點(diǎn)。與其他技術(shù)相比，采用該技術(shù)建設(shè)的煉焦煤選煤廠的投資和加工費(fèi)降低20%以上，電耗降低40%以上，噸煤介耗比相同類型的選煤廠低50%。全入選動力煤選煤廠矸石帶煤率相比其他動力煤選煤廠低4～20個(gè)百分點(diǎn)，投資和加工費(fèi)低10%～30%[2]。

“國華科技選煤工藝包在千萬噸級煉焦煤選煤廠的應(yīng)用”在2020年獲得中國煤炭工業(yè)科學(xué)技術(shù)一等獎。 “國華科技選煤工藝包”由最初的“無壓重介質(zhì)旋流器”(2004年度煤炭工業(yè)科學(xué)技術(shù)二等獎)到“3GDMC系列無壓給料三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器選煤工藝及設(shè)備”(2006年度河北省科技進(jìn)步二等獎)、“‘1+1’煉焦煤選煤廠模式創(chuàng)新技術(shù)”(2009年度煤炭工業(yè)科學(xué)技術(shù)二等獎)、“高效、簡化重介質(zhì)選煤成套技術(shù)的研究”(2013年度中國煤炭工業(yè)科學(xué)技術(shù)一等獎)，再到后來的“‘2+2’模式濕法選煤系統(tǒng)水回用工藝技術(shù)和裝備”(2019年度河北省科技進(jìn)步二等獎)，“國華科技選煤工藝包”歷經(jīng)20余年的發(fā)展，其技術(shù)積累和關(guān)鍵核心技術(shù)的研發(fā)對選煤工藝技術(shù)產(chǎn)生較大的影響。

3.2 “國華科技選煤工藝包”在國內(nèi)外的應(yīng)用效果

3.2.1 國內(nèi)選煤廠應(yīng)用情況

(1)“國華科技選煤工藝包”已在淮南礦業(yè)集團(tuán)1 200萬t/a特大型煉焦煤選煤廠應(yīng)用，全部原煤均經(jīng)過重介質(zhì)旋流器分選，原煤重介質(zhì)旋流器的分選下限達(dá)0.25 mm，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，該選煤廠電耗為6.0 kW·h/t，根據(jù)《選煤電力消耗限額》(GB 29446-2019)折算系數(shù)計(jì)算，該選煤廠選煤電力單耗為4.98 kW·h/t ，達(dá)一級能耗水平(≤5.0 kW·h/t )；水耗0.07 m3/t，比《取水定額》(GB/T 18916.11-2012)標(biāo)準(zhǔn)降低了39.1%；介耗波動范圍0.35～0.8 kg/t，已經(jīng)達(dá)到甚至超過高水平脫泥入選指標(biāo)。2019年1-6月該廠入選原料煤平均灰分為35.67%，商品精煤灰分為8.47%，產(chǎn)率為49.44%，洗混煤灰分為26.28%，煤泥灰分為63.47%，矸石灰分為84.65%。該廠經(jīng)過選煤后的矸石產(chǎn)品中帶煤(密度<1.80 kg/L物料)僅為0.01%，大大減輕因矸石堆放時(shí)煤的自燃給大氣帶來的污染[7]。

(2)淮北礦業(yè)集團(tuán)1 600萬t/a特大型煉焦煤選煤廠(臨渙選煤廠)采用“國華科技選煤工藝包”的核心技術(shù)進(jìn)行了技術(shù)改造，技改后的重介質(zhì)旋流器電耗(合格介質(zhì)泵電耗)從1.37 kW·h/t 下降至0.96 kW·h/t ，降低了0.41 kW·h/t ；精煤的數(shù)量效率從98.15%提升至98.74%，提高了0.59個(gè)百分點(diǎn)，精煤實(shí)際產(chǎn)率增加了0.29個(gè)百分點(diǎn)，按實(shí)際入選能力1 600萬t/a計(jì)算，可多回收精煤4.64萬t/a，有效避免了稀缺煉焦煤資源的損失[8-9]。

淮北礦業(yè)集團(tuán)臨渙選煤廠采用以超級旋流器為核心技術(shù)的技改完成后，提高了分選精度，矸石產(chǎn)率、矸石帶煤有所降低，從而減少了矸石堆放面積和矸石中可燃物自燃對環(huán)境的污染。超級煤泥重介質(zhì)旋流器有效分選下限小于0.1 mm，細(xì)粒煤分選更加有效，減輕煤泥水處理系統(tǒng)的壓力，改善了周邊環(huán)境。

3.2.3 國外選煤廠應(yīng)用情況

近些年，國華科技自主知識產(chǎn)權(quán)的“國華科技選煤工藝包”及關(guān)鍵選煤設(shè)備成功推廣應(yīng)用到蒙古、土耳其、哈薩克斯坦、印度、印度尼西亞等國家的選煤廠，均取得較好的應(yīng)用效果，得到國外客戶的高度認(rèn)可[10-11]?！皣A科技選煤工藝包”在國外應(yīng)用情況見表1。

表1 “國華科技選煤工藝包”在國外應(yīng)用情況

3.3 環(huán)保效應(yīng)

通過選煤技術(shù)可以就地排除大量煤矸石(約占入選原煤量的15%～20%，按平均18%計(jì)算)，即運(yùn)輸選后煤炭產(chǎn)品與運(yùn)輸原煤相比，可以節(jié)約18%的運(yùn)力。每入選1億t原煤，可排除1 800萬t矸石，按鐵路運(yùn)輸煤炭20億t、平均運(yùn)距600 km計(jì)算，可以節(jié)約運(yùn)力2 160億t·km，節(jié)省運(yùn)費(fèi)約230億元。我國動力煤平均灰分28.6%，平均硫分1.01%，選煤后混配的優(yōu)質(zhì)動力煤平均灰分15.5%，平均硫分0.66%。每入選1億t原煤，可排除灰分1 300萬t、硫分35萬t，減少二氧化硫排放49萬t[12-13]。

原煤先集中進(jìn)行選煤潔凈化和均質(zhì)化后，再分散供應(yīng)給市場，可以把灰分、硫分等污染物大量留在礦井進(jìn)行集中治理，其治理成本、治理效率和治理措施比用戶分散治理效果更好，僅就SO2的治理成本而言，選煤后降硫比煙氣脫硫降低設(shè)備投資和運(yùn)行成本90%以上，且燃煤發(fā)電煙氣脫硫設(shè)施和脫硫負(fù)荷大大降低。選煤技術(shù)是煤炭潔凈高效利用的重要手段，是電力行業(yè)和工業(yè)燃煤降污減排經(jīng)濟(jì)且有效的途徑，采用先進(jìn)的選煤技術(shù)不僅可以優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，還可以提高煤炭質(zhì)量和利用效率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)煤炭產(chǎn)品由單結(jié)構(gòu)、低質(zhì)量向多品種、高質(zhì)量轉(zhuǎn)變，提高煤炭下游產(chǎn)業(yè)的能源利用率，實(shí)現(xiàn)煤炭全生命周期的節(jié)能環(huán)保[14]。

4 推廣應(yīng)用先進(jìn)選煤技術(shù)工藝的建議

我國選煤工藝技術(shù)水平雖已在國際上領(lǐng)先，但在促進(jìn)煤炭清潔高效利用方面仍存在一些問題，仍有些選煤廠采用較落后的選煤工藝，存在分選精度較低、工藝流程復(fù)雜、能耗高等現(xiàn)象。比如有約半數(shù)選煤廠的電力消耗達(dá)不到《選煤電力消耗限額》(GB 29446-2019)規(guī)定的二級能耗水平，這對整體推進(jìn)煤炭清潔高效利用十分不利。2022年5月10日，國家發(fā)改委等六部門聯(lián)合發(fā)布了關(guān)于《煤炭清潔高效利用重點(diǎn)領(lǐng)域標(biāo)桿水平和基準(zhǔn)水平(2022年版)》的通知中要求，對需開展煤炭清潔高效利用改造的項(xiàng)目，各地應(yīng)明確改造升級和淘汰時(shí)限(一般不超過3 a)以及年度改造淘汰計(jì)劃，在規(guī)定時(shí)限內(nèi)升級到基準(zhǔn)水平以上，力爭達(dá)到標(biāo)桿水平；對于不能按期改造完成的項(xiàng)目進(jìn)行淘汰[15]。因此建議在此基礎(chǔ)上繼續(xù)嚴(yán)格限制低精度、高耗能選煤工藝的應(yīng)用，并針對新建選煤廠提出更高節(jié)能降耗的要求，如必須達(dá)到一級能耗標(biāo)準(zhǔn)水平，否則不予驗(yàn)收。

5 結(jié)語

從煤炭清潔高效利用角度出發(fā)，原煤100%入選是選煤行業(yè)努力的方向。選煤是煤炭清潔高效利用的關(guān)鍵基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，煤炭生產(chǎn)企業(yè)在努力提高原煤入選率的同時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)推廣高效、簡化、節(jié)能的先進(jìn)選煤工藝技術(shù)。建議將選煤廠達(dá)到二級能耗水平設(shè)置為煤炭分選行業(yè)的準(zhǔn)入值，從源頭守住煤炭清潔高效利用的大門。