李思維，常 博，劉昆輪，周晨陽，董 良，段晨龍，趙躍民

(1.國家能源集團 新疆能源有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830002；2.煤炭加工與高效潔凈利用教育部重點實驗室(中國礦業(yè)大學(xué))，江蘇 徐州 221116；3.中國礦業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

0 引 言

煤炭是我國主要能源之一，支撐了經(jīng)濟和工業(yè)的快速發(fā)展。2020年我國的能源消費達49.8億t標(biāo)準(zhǔn)煤，煤炭消費總量占比達56.8%，對我國經(jīng)濟增長具有重要作用[1]。目前，煤炭粗放型發(fā)展引起的地下水污染，以及煤低效利用帶來的大氣污染成為遏制社會發(fā)展的關(guān)鍵難題。2020年國務(wù)院發(fā)布的《新時代的中國能源發(fā)展》白皮書指出，要推進煤炭供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，推動煤炭等化石能源的清潔高效利用[2]。因此，需要對我國能源資源稟賦進行深入剖析，做好煤炭清潔高效可持續(xù)開發(fā)利用。

作為潔凈煤技術(shù)的重要組成部分，選煤可緩解煤炭運輸負(fù)荷，有助于降低煤使用過程中有害元素和有害氣體的排放，減輕大氣污染。為了應(yīng)對全球經(jīng)濟增長緩慢、能源結(jié)構(gòu)變革及環(huán)保要求提高，發(fā)展煤炭潔凈化高效利用技術(shù)既能提高煤炭的質(zhì)量和利用效率，也符合國家發(fā)改委《能源生產(chǎn)和消費革命戰(zhàn)略(2016—2030)》[3]提出的“加強煤炭洗選加工，提高煤炭洗選比例”的行動目標(biāo)。

隨著我國煤炭開采水平的快速發(fā)展，深部開采已成為發(fā)展趨勢，西部地區(qū)逐漸成為我國煤炭發(fā)展的中心，我國煤炭產(chǎn)品中低品質(zhì)煤總量不斷增加。同時，我國低品質(zhì)煤潛在儲量可觀，已成為實現(xiàn)我國能源保障不可或缺的資源，約占我國煤炭資源的40%[4]。因此，針對高灰、高硫、高水的低品質(zhì)煤進行大規(guī)模提質(zhì)利用，是我國煤炭工業(yè)可持續(xù)發(fā)展亟待解決的重大難題。傳統(tǒng)的濕法選煤技術(shù)嚴(yán)重依賴水資源，噸煤耗水0.1～0.3 m3，分選產(chǎn)品水分約10%，部分抵消了分選后熱值提高的優(yōu)勢，分選質(zhì)量改善效果不明顯；產(chǎn)品煤水分高，儲運難度大，煤泥水易凍結(jié)難以處置。因此，研究高效的干法選煤技術(shù)可以彌補現(xiàn)有濕法分選技術(shù)的不足，提高我國煤炭入選比例，推動我國煤炭資源的高效潔凈利用。

1 干法分選技術(shù)的研究進展

煤與矸石物理性質(zhì)(密度組成、粒度組成、導(dǎo)電性等)存在較大的差異，干法選煤主要利用密度組成差異實現(xiàn)分選，分選過程不需要煤泥水處理系統(tǒng)，可以減少水資源的使用，有效壓縮生產(chǎn)成本，還可以解決寒冷地區(qū)裝卸車的難題，是煤炭資源清潔高效分選提質(zhì)的有效方法[5]?；诂F(xiàn)有干法分選技術(shù)特點和研究進展，有必要梳理現(xiàn)有干法分選技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，為未來煤炭的干法分選技術(shù)研究提供借鑒，也為干法選煤廠的設(shè)計提供參考。

自1850年以單相氣體作為分選介質(zhì)的風(fēng)力選煤技術(shù)提出以來，學(xué)者相繼開發(fā)了風(fēng)力分選[6-14]、復(fù)合式干法分選[15-19]、干法重介質(zhì)流化床分選[20-24]、光電分選(X射線/γ射線分選)[25-28]等，主要技術(shù)及參數(shù)見表1，分選過程具有不用水、成本低、無污染的特點，為煤炭提質(zhì)利用，尤其為動力煤的分選作出重要貢獻。以下將圍繞相關(guān)干法分選技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀做進一步介紹。

表1 干法分選方法及參數(shù)

1.1 風(fēng)力分選技術(shù)

風(fēng)力分選技術(shù)可以概括為基于煤炭和矸石在壓縮空氣中沉降末速的差異，借助周期性脈動氣流實現(xiàn)煤炭的有效分選，主要包括包括風(fēng)力跳汰與風(fēng)力搖床分選機。近年來，風(fēng)力跳汰分選技術(shù)受到了中國、德國、土耳其、美國、印度等國關(guān)注，在工業(yè)放大以及推廣上取得了重大突破。德國的Allminerals公司在德國亞琛大學(xué)搭建了半工業(yè)規(guī)模的分選樣機，處理量為300 kg/h。WEINSTEIN和SNOBY[29]利用風(fēng)力跳汰開展了煤炭工業(yè)性分選試驗研究，由于分選機理簡單、投入成本低，在美國建立了風(fēng)力跳汰分選工業(yè)性系統(tǒng)，處理量在50～120 t/h。目前，風(fēng)力搖床分選機的研究工作主要集中在KADEMLI和GULSOY[30]對大于6 mm褐煤分選研究，主要分析了床層振動頻率、床層傾斜角度、給料速度、柵格的高度對分選效率的影響，結(jié)果顯示分選效率與風(fēng)力跳汰接近，風(fēng)力搖床的可能偏差E可以維持在0.13～0.23 g/cm3，有效分選粒度為6～38 mm。

1.2 復(fù)合式干法分選機

復(fù)合式干法分選機通過振動氣流復(fù)合力場驅(qū)使物料在翻轉(zhuǎn)剝離過程中按密度與粒度梯級分布，完成分選。針對復(fù)合式干法分選技術(shù)的分選特性研究較多，為了分析煤炭顆粒分選過程與床面布置的相互影響，相繼研究了粒級組成、床體設(shè)計、操作條件對分選精度的影響，探究了煤炭運動特征以及煤炭密度分布的規(guī)律。目前，復(fù)合式干法分選技術(shù)已在美國、俄羅斯、澳大利亞、印度尼西亞、南非、波蘭等國家得到推廣應(yīng)用，處理能力可達480 t/h，E在0.20～0.30 g/cm3。

1.3 光電分選技術(shù)

隨著科技發(fā)展，國內(nèi)外的研究熱點主要在智能化干法分選技術(shù)。目前，智能干法分選技術(shù)主要分為3類：X射線識別、γ射線識別以及基于色差的智能識別。其原理是煤和矸石對X射線、γ射線的吸收和散射程度存在明顯區(qū)別，相關(guān)探測器卡獲取的信息存在顯著差異性，進而有助于獲取具有較大區(qū)別度的影像，因此，煤炭和矸石會呈現(xiàn)差異性非常顯著的影像，進而有效分離煤和矸石。目前，智能干法分選機對塊煤的分選精度較高，優(yōu)勢在于簡化工藝流程，實現(xiàn)了對人工揀矸的替代，大大壓縮了人力成本，已成功實現(xiàn)300～25 mm塊煤分選的工業(yè)應(yīng)用，處理能力達380 t/h，有效降低了矸石的帶煤率，在國內(nèi)多個選煤廠進行了工業(yè)性分選試驗。

1.4 干法重介質(zhì)流化床分選技術(shù)

干法重介質(zhì)流化床分選技術(shù)，又稱空氣重介流化床分選技術(shù)，是干法領(lǐng)域的研究熱點之一，是氣固鼓泡流態(tài)化技術(shù)在礦業(yè)領(lǐng)域的拓展應(yīng)用，利用氣固流化床似流體的特點，實現(xiàn)精煤和矸石按照密度進行有效分離。目前，氣固流態(tài)化分選研究得到了澳大利亞、印度、日本、南非、中國等國學(xué)者的關(guān)注，各國學(xué)者圍繞流化特性、密度調(diào)控、煤炭分離機制等方面開展了細(xì)致研究，建立了多套半工業(yè)規(guī)模的分選樣機。在工業(yè)推廣方面，中國礦業(yè)大學(xué)率先開發(fā)了模塊化干法重介質(zhì)流化床選煤系統(tǒng)，成功進行了工業(yè)推廣，實現(xiàn)了煤炭的干法精選，主要針對粒度在100～6 mm煤炭的高效干法分選，E在0.05～0.08 g/cm3。

2 干法分選技術(shù)的展望與挑戰(zhàn)

我國干法分選技術(shù)取得了突破性進展，處于世界領(lǐng)先地位，為我國煤炭分選提質(zhì)，尤其是對動力煤和低階煤的高效利用作出了突出貢獻。目前，我國煤炭消費主要集中在動力煤，且低階煤資源占比逐年上升，干法選煤的優(yōu)勢更加明顯，符合“煤泥減量化，減少水資源”的選煤廠發(fā)展趨勢。然而，干法分選技術(shù)也存在發(fā)展瓶頸，入料粒級窄、水分要求高、智能化程度不高等難題亟需解決。因此，需要對現(xiàn)有分選技術(shù)進行凝練，為未來發(fā)展提供方向。

2.1 全粒級煤炭干法分選

目前，干法分選技術(shù)主要集中在塊煤分選，主要有單一風(fēng)力分選機、復(fù)合式干法分選機、干法重介分選機，研究發(fā)現(xiàn)分選技術(shù)能降低原煤灰分和硫分，提高發(fā)熱量。然而，在風(fēng)力分選過程中，隨著粒度逐漸減小，密度不同的顆粒在分選機上運動速度的差異逐漸減小，顆粒分離難度增加。而在空氣重介流化床分選機中，由于隨著煤炭粒度的減小，表面作用力和流體作用力增強，使煤炭按密度分選效應(yīng)減弱，細(xì)粒煤分選效率較低。因此，需要高效的篩分作業(yè)作為支撐，需考慮進一步優(yōu)化工藝，加快干法分選技術(shù)攻關(guān)，提高對入選原煤的適應(yīng)性。

學(xué)者開展了復(fù)合式干法分選機分選細(xì)粒煤的試驗研究，其目的是分析煤炭運動與床面設(shè)計的相互影響，為分選機的研制提供理論依據(jù)。目前，學(xué)者研制的新型礦物高效分離機處理能力可達1 000 t/h，分選粒度在1～13 mm，E可達0.13～0.23 g/cm3，主要應(yīng)用于細(xì)粒煤的粗選。

同時，由于細(xì)粒煤中煤與矸石的粒度、形狀等相近，僅借助于重選或光電分選技術(shù)分選，分選精度較低，因此，有必要引入外力場提升細(xì)粒煤分選效率，進而增強煤與矸石的物理特性差異以提高分選效果。相應(yīng)技術(shù)主要有引入機械振動力場的振動流化床、引入氣流振動的脈動流化床、引入磁場形成的磁穩(wěn)定流化床，但細(xì)粒煤分選技術(shù)仍停留在實驗室小規(guī)模分選機的研究，有必要進一步加快分選機放大研究，實現(xiàn)煤炭的全粒級精選。

2.2 煤炭分選與干燥協(xié)同技術(shù)

煤炭開采過程中，原煤水分較高，表面水分造成煤顆粒較黏濕，易在煤矸顆粒間產(chǎn)生液橋作用，增加顆粒間黏附力而形成煤矸聚團，增加分選錯配率，降低了干法分選技術(shù)的分選效率。尤其當(dāng)原煤水分含量較高時，干法重介分選還會造成介質(zhì)黏附在煤炭表面，造成矸石中帶煤率增加，介質(zhì)損耗提升，影響分選效果和分選機的穩(wěn)定運行。其次，煤炭燃燒時水分蒸發(fā)會顯著降低發(fā)熱量，造成資源損失，若單獨降灰和脫水，則需增設(shè)工藝。因此，為提高干法分選技術(shù)的適用性，亟需研制脫水脫灰一體化的分選技術(shù)，對潮濕煤炭進行干燥提質(zhì)，提高發(fā)熱量，同時完善干法分選工藝，提高干法分選技術(shù)的適用性。

目前，學(xué)者相繼提出了振動流化床分選干燥一體化技術(shù)方案，將煤炭脫外水-脫灰-脫內(nèi)水3個階段耦合，將煤炭顆粒的混合-分離-混合狀態(tài)有機結(jié)合，實現(xiàn)煤炭分選與干燥的協(xié)同強化，如圖1所示(Umf為臨界流化氣速，K為振動強度，f為振動頻率，A為振幅)。上述3階段密不可分，互相聯(lián)系，脫除煤外水，降低顆粒間黏附力，利于脫灰過程順利進行；干燥內(nèi)水前脫灰有利于提高內(nèi)水干燥效率。氣流、振動、溫度的協(xié)同作用能有效破壞高含水、高含灰低品質(zhì)煤顆粒間液橋力，強化氣固接觸，形成穩(wěn)定的流化環(huán)境。通過調(diào)節(jié)表觀氣速和風(fēng)溫使顆粒體系呈混流脫外水-穩(wěn)態(tài)分離脫灰-溫和對流脫內(nèi)水，從而完成干燥分選耦合提質(zhì)，有效提高發(fā)熱量[31-34]。然而，此項技術(shù)仍處于實驗室研究階段，如何解決氣固相間作用與振動能量輸配等難點將是未來研究重點。

圖1 低品質(zhì)煤分段脫灰脫水耦合過程[31-34]Fig.1 Coupling process of staged deashing and dewateringfor low quality coal[31-34]

2.3 干法精準(zhǔn)分選技術(shù)

作為分選精度最高的干法分選技術(shù)，空氣重介流化床分選機可用于煉焦煤、活性炭用煤等低密度分選需求，分選精度與濕法相近。然而，現(xiàn)有的工業(yè)化分選機的最大處理量為60 t/h，分選技術(shù)的處理能力相對偏低，但分選機放大會導(dǎo)致密度不穩(wěn)定。因此，亟需剖析現(xiàn)有分選技術(shù)的不足，實現(xiàn)氣固流態(tài)化煤炭分選過程的強化。由于氣固分選流化床屬于鼓泡流化床，氣固分選流化床主要含有氣泡相和乳化相，如圖2所示，兩相的組成對床層膨脹以及床層密度產(chǎn)生直接影響[35]。由于選用的加重質(zhì)由Geldart B/D類磁鐵礦粉和細(xì)粒煤粉組成，床層中乳化相膨脹程度較低，主要依靠氣泡相對床層膨脹進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對密度的調(diào)控。然而，當(dāng)氣速和床層高度逐漸增加，氣泡相兼并頻率提高，氣泡相組成不斷增加，氣泡運動提高了床層密度的波動，影響入選煤炭的分選效率。因此，如何解決氣泡運動帶來的負(fù)面影響，是解決密度穩(wěn)定調(diào)控和分選機放大的關(guān)鍵。

圖2 氣固流化床密度調(diào)控示意[35]Fig.2 Density control diagram of gas solid fluidized bed[35]

此外，隨著采礦機械化程度的快速發(fā)展，微細(xì)粉煤產(chǎn)量逐漸增加，若不能有效分選利用，會造成資源浪費。因此，開發(fā)微細(xì)粉煤高效干法分選技術(shù)迫在眉睫。目前，摩擦靜電分選技術(shù)是一種有效的粉煤干法分選技術(shù)，主要利用煤與其伴生礦物的介電常數(shù)差異實現(xiàn)煤和矸石有效分選，可以對微細(xì)粉煤進行干法提質(zhì)。目前，摩擦電選技術(shù)仍處于快速發(fā)展階段，學(xué)者相繼開發(fā)了滾筒靜電分選機、STI皮帶式摩擦電選機等分選技術(shù)。隨著煤炭精細(xì)化利用程度的提高，煤與矸石的高效解離仍是難題，影響摩擦電選的分選效率。同時，摩擦電選分選技術(shù)的工程放大仍存在瓶頸，距離大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用還有差距。如何保證高壓電場下摩擦電選技術(shù)的安全性與可靠性將是未來的重點。因此，未來研究應(yīng)結(jié)合顆粒性質(zhì)、受力特性、分離機理等，開發(fā)高效解離技術(shù)，優(yōu)化高壓電場設(shè)計，剖析高壓靜電場內(nèi)精煤和矸石的分離機理，深入研究不同種類帶電顆粒在電場中的運動軌跡，闡明分選過程中各種影響因素的相互關(guān)聯(lián)機制，實現(xiàn)摩擦電選技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用，形成微細(xì)粉煤摩擦電選的高效分選理論。

2.4 分選機放大理論研究

設(shè)備的大型化可以滿足日益增長的煤炭分選比例的需求，提高干法分選設(shè)備的競爭力。然而，在干法分選系統(tǒng)不斷放大過程中存在著流場行為的轉(zhuǎn)變機制，使得原有的理論模型及試驗結(jié)論產(chǎn)生偏差，影響因子不斷增加，建立的分選模型在工業(yè)上可能難以應(yīng)用。因此，亟需對比不同尺寸設(shè)備的相應(yīng)模型參數(shù)關(guān)系，研究不同尺寸分選設(shè)備參數(shù)以及入料性質(zhì)等對分選效率的影響，探究削弱擾動因子作用機制，提出放大過程中關(guān)鍵調(diào)控參數(shù)的修正機制。

目前，數(shù)值模擬是較普遍的應(yīng)用于研究設(shè)備放大的手段，已應(yīng)用于化工、冶金等領(lǐng)域。顆粒數(shù)目越多，計算能力要求越高，設(shè)備放大的模擬也存在局限。因此，在干法分選領(lǐng)域，學(xué)者提出了粗?；Ｐ徒档皖w粒計算數(shù)目，將受力性質(zhì)相似的顆粒打包處理，減少計算量，適合工業(yè)級設(shè)備放大的模擬，已在空氣重介流化床的放大展開相關(guān)研究，實現(xiàn)了半工業(yè)級別的流化模擬，如圖3所示[36]。未來可基于此方法，對其他干法分選技術(shù)設(shè)備進行放大研究，為建立從實驗室到工業(yè)化設(shè)備的關(guān)聯(lián)提供理論支持。需要指出的是，現(xiàn)有的模擬技術(shù)還處于研發(fā)階段，計算方法、動力學(xué)模型等還需進一步優(yōu)化以適應(yīng)不同工況的需求。

圖3 粗?；Ｐ湍M示意[36]Fig.3 Simulation diagram of coarse grained model[36]

2.5 干法分選智能化

近年來，我國智能化干法分選技術(shù)取得巨大進步，但現(xiàn)有分選技術(shù)難以對細(xì)粒煤進行分選，同時智能化干法分選機還存在γ射線管制、分選機投資規(guī)模較大等難題，仍需進一步提高圖像識別的技術(shù)水平與工程應(yīng)用的可靠性，為進一步推廣應(yīng)用提供基礎(chǔ)。另一方面，在推動產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展過程中，大數(shù)據(jù)、人工智能等新興產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，對推動行業(yè)變革有重要影響。目前，加快智能化干法選煤廠的建設(shè)是發(fā)展趨勢，將物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云平臺等“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)有效運用到干法選煤廠設(shè)計，大力提升選煤廠建設(shè)和生產(chǎn)管理的全過程，有助于建設(shè)我國干法選煤示范工程，進一步提升干法分選的影響力。

2.6 煤系共伴生礦物、煤系固廢資源化

隨著全球經(jīng)濟向低碳經(jīng)濟轉(zhuǎn)型，煤炭工業(yè)加快結(jié)構(gòu)調(diào)整，高附加值煤基新材料制備是煤炭利用轉(zhuǎn)型的重要突破口。美國麻省理工大學(xué)、清華大學(xué)等圍繞煤炭制備電子元件、石墨烯、合成材料等開展相關(guān)研究，現(xiàn)階段煤炭基材料制備處于快速發(fā)展階段，產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程仍面臨技術(shù)創(chuàng)新等難題。

從煤炭分選加工利用角度看，煤炭資源化應(yīng)用對煤炭原產(chǎn)料的要求不斷提高，未來應(yīng)著眼于煤炭分選技術(shù)與工藝創(chuàng)新，實現(xiàn)煤炭精準(zhǔn)分選。干法分選技術(shù)也應(yīng)打破原有技術(shù)方案及工藝思路，提出煤及衍生物定向轉(zhuǎn)化的新工藝，如開發(fā)干法-濕法分選聯(lián)合工藝，發(fā)揮各自優(yōu)勢，推動煤炭精細(xì)化分選，提升我國煤炭分質(zhì)分級的資源化利用效率，為煤基材料提供高品質(zhì)原材料，實現(xiàn)煤中有價組分的高效利用。

3 結(jié) 語

煤炭是世界上的主要能源，對世界的經(jīng)濟發(fā)展發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。作為煤炭產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，煤炭分選加工為保證煤炭清潔利用奠定了基礎(chǔ)。梳理了國內(nèi)外煤炭干法分選技術(shù)現(xiàn)狀，對風(fēng)力跳汰、風(fēng)力搖床、復(fù)合式干法分選、空氣重介流化床分選、智能干法分選進行比較，主要介紹了不同分選技術(shù)的工作原理、研究進展以及工業(yè)發(fā)展情況。探究了干法分選技術(shù)的瓶頸，對煤炭干法分選技術(shù)發(fā)展趨勢進行展望，指出了未來干法分選的研究要點可以從“拓寬入料粒級、分選與干燥協(xié)同、加快干法精選技術(shù)的攻關(guān)、提高分選機放大穩(wěn)定性、加大干法分選智能化程度”入手，為提高我國低品質(zhì)煤提質(zhì)加工利用發(fā)揮作用。