李小龍，夏云凱

(1.內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市煤炭管理局，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；2.唐山市神州機(jī)械有限公司，河北 唐山 063001；3.河北省煤炭干法加工裝備工程技術(shù)研究中心，河北 唐山 063001)

1 內(nèi)蒙古地區(qū)煤炭資源簡介

內(nèi)蒙古煤炭資源豐富，除了烏海卓資山地區(qū)有煉焦煤分布外，煤種多以低變質(zhì)的褐煤、不粘煤和長焰煤為主(表1)。褐煤煤田主要分布在蒙東錫林浩特、霍林郭勒、牙克石以及蒙西鄂爾多斯市上海廟地區(qū)。蒙東褐煤基本為露天開采，儲(chǔ)量大，煤層厚，開采簡易。由于開采過程中頂?shù)装鍑鷰r及夾矸煤混入的影響，露天礦每年約生產(chǎn)10%～15%的臟雜煤。這些劣質(zhì)煤灰分高、熱值低，水洗泥化嚴(yán)重，缺乏有效、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保的濕法分選手段，臟雜煤在填埋場推存既浪費(fèi)了煤炭資源又造成煤炭自燃等環(huán)境污染。上海廟地區(qū)褐煤為井工開采，由于井下軟巖混入及褐煤本身易泥化，原煤較難濕法分選。山東能源集團(tuán)上海廟礦業(yè)公司一號(hào)井和榆樹井2座選煤廠曾經(jīng)采用全重介分選工藝分選褐煤，工藝流程為：大于25 mm塊煤重介淺槽分選，25～1 mm末煤重介旋流器分選，粗煤泥螺旋分選機(jī)分選，細(xì)煤泥濃縮壓濾回收的典型全粒級(jí)濕法分選工藝。水洗實(shí)踐表明，精煤回收率低，原煤水分高，煤泥量大，仍然需要對(duì)末精煤和煤泥進(jìn)行熱力干燥，生產(chǎn)成本高。水洗工藝最后被迫改為大于25 mm塊煤入洗，末煤旁路不洗的部分入洗工藝，造成較大投資損失[1-2]。東勝地區(qū)煤炭資源以不粘煤長焰煤為主，特別是靠近陜北神木地區(qū)，煤質(zhì)變質(zhì)程度變高，但矸石仍然存在一定的泥化現(xiàn)象，小于30 mm末煤不適合水洗。如蒙泰集團(tuán)范家村選煤廠采用濕法工藝分選長焰煤，煤泥產(chǎn)率達(dá)到25%，水分高達(dá)35%以上。相對(duì)原煤，大于30 mm精煤和小于30 mm洗混煤水分分別增加2個(gè)百分點(diǎn)和4個(gè)百分點(diǎn)，水分的增加抵消了重介選降灰效果。

表1 內(nèi)蒙古主要煤田資源

對(duì)低階動(dòng)力煤洗選工藝研究表明，低階煤易碎且泥化嚴(yán)重，導(dǎo)致水洗精度降低，高灰細(xì)泥含量高的煤泥水處理困難，煤泥量大，投資和加工費(fèi)大大增加。特別是由于褐煤中伴生泥巖的高泥化特性，各工藝轉(zhuǎn)載環(huán)節(jié)易出現(xiàn)粘、堵現(xiàn)象，洗煤產(chǎn)品脫水困難，產(chǎn)品水分高，降低了產(chǎn)品發(fā)熱量，部分抵消了洗煤效果[3-9]。近年來國內(nèi)對(duì)褐煤和不粘煤等開展了干選試驗(yàn)研究，在部分煤企取得了較好的分選效果[10-11]，干選技術(shù)已經(jīng)成為提高動(dòng)力煤入選比例和低階煤提質(zhì)的一項(xiàng)重要手段[12]。

2 排矸工藝比較

內(nèi)蒙古地區(qū)冬季寒冷，某些礦區(qū)干旱缺水，傳統(tǒng)的濕法選煤工藝在這些地區(qū)難以適應(yīng)。采煤過程中由于頂?shù)装宓幕烊胍约皧A矸層全斷面開采，容易造成電煤特別是末煤質(zhì)量波動(dòng)。僅靠原煤篩分或僅對(duì)塊煤進(jìn)行分選不能控制末煤產(chǎn)品質(zhì)量。為穩(wěn)定和提高煤炭質(zhì)量，同時(shí)避免水洗工藝帶來的弊端，需要對(duì)末原煤進(jìn)行干選。與傳統(tǒng)濕法選煤工藝相比，干法選煤工藝具有流程簡單、投資少、見效快、不耗水的優(yōu)勢(shì)。

目前，我國投入工程應(yīng)用的干法選煤設(shè)備有光電類智能干選機(jī)、復(fù)合式干法分選機(jī)、空氣重介流化床和干法跳汰機(jī)。使用比較廣泛的干選設(shè)備為X射線智能分選機(jī)[13-20]和復(fù)合式干選機(jī)[21-22]。

2.1 X射線智能分選機(jī)

以唐山神州機(jī)械集團(tuán)制造的IDS塊煤智能分選機(jī)為例，該機(jī)采用X射線及3D相機(jī)對(duì)80～300 mm煤和矸石進(jìn)行數(shù)字化雙源識(shí)別，針對(duì)不同的煤質(zhì)特征建立與之相適應(yīng)的數(shù)學(xué)分析模型。通過大數(shù)據(jù)分析，確定煤、矸石及位置信息，利用高壓氣體噴吹實(shí)現(xiàn)噴矸分離。煤中帶矸率，矸石帶煤率都小于3%。排矸率達(dá)95%以上。X射線智能分選機(jī)適用于25～300 mm粒級(jí)的煤矸分離。最佳分選粒度范圍為300～80 mm，分選系統(tǒng)主要由帶式輸送系統(tǒng)、X射線識(shí)別系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集接口、全息攝像、噴吹執(zhí)行機(jī)構(gòu)、計(jì)量系統(tǒng)、測速系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、輻射防護(hù)系統(tǒng)、控制和顯示系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)等組成。

X射線智能干選機(jī)的性能特點(diǎn)：① 分選精度高，對(duì)易選及中等可選動(dòng)力煤的分選效果好于跳汰選，分選精度已經(jīng)接近重介工藝；② 自動(dòng)化程度高，設(shè)備具有自檢功能，運(yùn)行過程中只設(shè)監(jiān)控巡檢員即可，實(shí)現(xiàn)無人值守；③ 分選費(fèi)用低，以X射線作為識(shí)別手段，帶式運(yùn)輸機(jī)作為運(yùn)輸系統(tǒng)，整個(gè)設(shè)備主要能耗僅為1臺(tái)空壓機(jī)，和人工手選或水洗相比，噸煤分選成本極低；④ 分選力度范圍寬，處理量大，可處理25～100 mm和50～300 mm的原煤，基本涵蓋了所有毛煤粒度，原煤水分大小對(duì)塊煤分選沒有影響，單通道干選機(jī)處理量可達(dá)240 t/h；⑤ 模塊化設(shè)計(jì)，建設(shè)周期短；⑥ 防護(hù)等級(jí)高，安全環(huán)保。

2.2 復(fù)合式干選機(jī)

復(fù)合式干選機(jī)經(jīng)過20多年的發(fā)展，演變成多系列設(shè)備，適應(yīng)混煤(80～0 mm)、塊煤(80～13 mm)和末煤分選。目前市場應(yīng)用最多的為ZM型礦物高效分離機(jī)。該機(jī)的核心分離技術(shù)采用階梯式分離原理，對(duì)一定粒級(jí)的煤炭根據(jù)不同的煤和矸石顆粒密度差異進(jìn)行干法高效分離。分選系統(tǒng)主要包括分選床、布風(fēng)裝置、吊掛裝置、激振器等。除塵系統(tǒng)主要包括集塵罩、重力除塵器、布袋除塵器、噴霧除塵和引風(fēng)機(jī)等[9]。分選粒度范圍寬，混煤分選機(jī)有效分選粒度下限為3 mm，末煤分選機(jī)有效分選粒度下限為1 mm；分選精度高，Ep=0.13～0.23 g/cm3，大于6 mm塊煤分選精度達(dá)到水洗跳汰水平；處理能力大，最大單元模塊設(shè)備處理能力達(dá)到600 t/h；環(huán)保性能好，ZM 礦物高效分離機(jī)整個(gè)系統(tǒng)在全封閉的狀態(tài)下運(yùn)行，分選風(fēng)量閉路循環(huán)處理，設(shè)備可采用全布袋除塵，確保設(shè)備負(fù)壓運(yùn)行，無粉塵外溢，滿足環(huán)保要求；自動(dòng)化程度高、高度模塊化、入料適應(yīng)能力強(qiáng)。

常見濕法和干法分選工藝對(duì)比見表2。

表2 常用大于1 mm動(dòng)力煤排矸設(shè)備優(yōu)缺點(diǎn)比較

3 典型干選工藝應(yīng)用領(lǐng)域

3.1 大塊煤智能分選

傳統(tǒng)塊煤分選工藝多為手選、重介淺槽分選或動(dòng)篩分選。人工撿矸勞動(dòng)強(qiáng)度大，環(huán)境惡劣，分選效果受人為因素影響較大。矸石含量較大時(shí)，濕法分選設(shè)備如重介淺槽處理能力下降，采用動(dòng)篩排矸還存在矸石帶煤嚴(yán)重等問題。 2016開始，X射線智能分選設(shè)備開始在選煤行業(yè)大量應(yīng)用，智能化干選技術(shù)系統(tǒng)簡單，具備臺(tái)數(shù)少、無水耗介耗、無水洗煤泥、操作簡單、無人值守、生產(chǎn)管理便捷等優(yōu)點(diǎn)。部分內(nèi)蒙古煤企成功應(yīng)用了X射線智能分選設(shè)備[13-14]，其分選精度接近重介淺槽，無水洗煤泥，投資只有重介系統(tǒng)的1/3，噸煤加工成本、負(fù)荷、生產(chǎn)費(fèi)用明顯優(yōu)于傳統(tǒng)濕法塊煤分選相關(guān)技術(shù)。因此應(yīng)大力推廣X射線智能分選設(shè)備替代人工撿矸，同時(shí)視現(xiàn)場應(yīng)用條件，可部分或完全取代塊煤水洗設(shè)備，通過降低水洗設(shè)備入洗量，節(jié)約生產(chǎn)成本，進(jìn)而帶來更大的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益。

3.2 混煤入選

對(duì)新建低階煤煤礦選煤廠應(yīng)采用混煤入選工藝流程。如大于300 mm原煤首先經(jīng)過80 mm分級(jí)篩分級(jí)，大于80 mm篩上物再破碎到小于80 mm后和篩下小于80 mm物料混合進(jìn)入復(fù)合式干選機(jī)分選，干選機(jī)生產(chǎn)精煤和矸石2種產(chǎn)品。精煤經(jīng)過30 mm分級(jí)分為大于30 mm塊精煤和小于30 mm末精煤(電煤)。 大于30 mm塊煤也可全部破碎到小于30 mm摻入電煤，干選系統(tǒng)除塵器收集的煤粉摻入小于30 mm電煤。

該工藝流程特點(diǎn)：① 全級(jí)入洗，流程簡單、操作管理方便；② 末煤全部得到分選，電煤質(zhì)量穩(wěn)定和大幅提升，降低了原煤質(zhì)量波動(dòng)對(duì)電煤質(zhì)量的影響；③ 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)靈活。可同時(shí)生產(chǎn)塊末精煤或電煤，可同時(shí)滿足塊精煤和混煤熱值要求。

對(duì)一些原先采用全粒級(jí)濕法分選的老廠，也可借鑒此工藝流程對(duì)水洗系統(tǒng)進(jìn)行改造?？衫矛F(xiàn)有原煤儲(chǔ)運(yùn)、原煤準(zhǔn)備和精煤儲(chǔ)運(yùn)設(shè)施，節(jié)省投資。上海廟榆樹井選煤廠采用此流程，干選完全取代了水洗工藝[1]。經(jīng)過3 a的生產(chǎn)運(yùn)營表明，改造后干選工藝較原重介工藝經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)明顯提升，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)得到進(jìn)一步優(yōu)化，精煤回收率同比提高16%以上，全員效率提升2～3倍，生產(chǎn)運(yùn)行成本降低4.26 元/t。

3.3 露天礦寬粒級(jí)臟雜煤分選

露天煤礦臟雜煤總產(chǎn)量一般占露天礦產(chǎn)能的10%～15%，平均發(fā)熱量在6.27～12.55 MJ/kg范圍內(nèi)，不能滿足電廠燃料煤最低煤質(zhì)要求，目前絕大多數(shù)露天臟雜煤未能洗選，只能露天堆存或填埋。近年來，一些企業(yè)已經(jīng)開始嘗試采用干選技術(shù)對(duì)臟雜煤進(jìn)行分選。露天礦臟雜煤灰分較高，塊煤中矸石含量偏大，最大粒度可達(dá)1 000 mm左右。 各種干選設(shè)備分選粒度范圍有限，其中射線類智能分選機(jī)適合大于50 mm塊煤分選[13-20]，而復(fù)合式干選主要用于小于80 mm混煤分選?？蓪⒚浩扑榈叫∮?00 mm，采用寬粒級(jí)干選工藝流程進(jìn)行分選。

以霍林河南露天礦一期干選項(xiàng)目寬粒級(jí)干法分選為例[21]，該礦300～0 mm原煤經(jīng)過80 mm分級(jí)，小于80 mm物料進(jìn)入復(fù)合式干選機(jī)系統(tǒng)，大于80 mm物料進(jìn)入X射線智能塊煤分選機(jī)分選。伴生泥巖易碎造成小于6 mm粒級(jí)熱值偏低。干選精煤采用6 mm篩分，小于6 mm煤粉和中煤混合作為劣質(zhì)電煤。X射線智能干選機(jī)的投入使用節(jié)省了大塊矸石的破碎費(fèi)用，代替了人工撿矸。該廠投產(chǎn)后取得了很好效果。以分選8號(hào)煤層臟雜煤為例(表3)，對(duì)300～0 mm寬粒級(jí)分選，干選精煤再進(jìn)行6 mm脫粉后，可得到回收率為42.4%、發(fā)熱量為12.61 MJ/kg的精煤，選后發(fā)熱量提高4.68 MJ/kg。項(xiàng)目投產(chǎn)后年平均精煤回收率達(dá)41%左右，回采率增加3%，取得了很好的環(huán)保效益和社會(huì)效益。此分選工藝流程可視原煤質(zhì)量變化靈活調(diào)整，如原煤中大于80 mm塊煤較少，可將塊煤破碎到小于80 mm去風(fēng)選，簡化工藝流程(如白音華三號(hào)礦，鐵北礦等，表3)。對(duì)原煤中小于6 mm煤粉含量較大且質(zhì)量較差的，可采取選前脫粉工藝(如錫林浩特發(fā)電有限責(zé)任公司、國家電投扎哈諾爾礦)。

3.4 干濕結(jié)合分選工藝

易泥化末煤水洗提質(zhì)效果有限，產(chǎn)生大量水洗煤泥。傳統(tǒng)動(dòng)力煤選煤廠大多采用部分入洗工藝，占原煤多數(shù)的末煤未能得到分選。干選排矸密度高，分選精度低，但不產(chǎn)生水洗煤泥，適合易泥化末煤分選。可采用干濕結(jié)合的工藝針對(duì)部分入洗選煤廠進(jìn)行技術(shù)改造，干濕結(jié)合工藝可發(fā)揮干濕工藝各自特長，取長補(bǔ)短。

干濕結(jié)合分選工藝流程有2種：

(1)干濕并聯(lián)工藝。保持原先塊煤濕法分選工藝，增建末煤干選系統(tǒng)[1，22]。 如上廟一號(hào)井選煤廠大于30 mm塊煤采用重介淺槽工藝，小于30 mm末煤采用復(fù)合式干選機(jī)分選。通過建立末煤干選系統(tǒng)，解決了水洗精煤產(chǎn)品水分高、產(chǎn)品熱值低、煤泥產(chǎn)量大、精煤產(chǎn)率低等難題，穩(wěn)定提高了末精煤產(chǎn)品質(zhì)量，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

(2)干濕串聯(lián)工藝。原煤水分高、矸石泥化嚴(yán)重時(shí)，采用干法選煤工藝預(yù)排矸+濕法末煤重介分選的生產(chǎn)工藝。通過干選降低含矸率，可有效減少進(jìn)入水洗系統(tǒng)矸石量以及遇水泥化量[23]。因此干濕結(jié)合工藝適合部分入洗動(dòng)力煤選煤廠的老廠改造升級(jí)，增加入洗比例，提高精煤質(zhì)量。

表3 露天礦臟雜煤寬粒級(jí)干選案例

3.5 80～25 mm中塊煤風(fēng)選

各類用戶對(duì)煤炭品種的需求各有不同，一些工業(yè)用煤和民用煤行業(yè)歡迎80～25 mm塊煤產(chǎn)品。一些煤礦末煤質(zhì)量較好不需分選，塊煤中矸石含量偏高需要分選。對(duì)易泥化的塊煤來說，雖然重介淺槽分選精度高，但也不可避免產(chǎn)生一些煤泥(2%～5%)，同時(shí)重介淺槽重介懸浮液運(yùn)行時(shí)密度低于1.8 g/cm3，造成精煤產(chǎn)率低，矸石熱值偏高。

內(nèi)蒙古易泥化動(dòng)力煤一般在高密度時(shí)可選性為易選，從熱值提高的角度看，重介分選和干選相差不大。蒙泰集團(tuán)滿來梁煤業(yè)有限公司對(duì)80～0 mm易選不粘煤干選結(jié)果說明，分選后大于20 mm塊精煤灰分低于6%，滿足噴吹煤灰分小于7.5% 的要求，小于20 mm 末精煤熱值也達(dá)到了電煤熱值要求( ≥20.93 MJ/kg)。因此，采用干法分選對(duì)大于25 mm塊原煤進(jìn)行分選是現(xiàn)實(shí)可行的[24]，塊煤干選技術(shù)也在一些煤企成功應(yīng)用[25]。鄂爾多斯色連一礦選煤廠現(xiàn)采用重介淺槽分選大于25 mm塊精煤，2018年部分月份生產(chǎn)化驗(yàn)結(jié)果顯示，濕法分選后大于25 mm塊精煤全水接近28%，水分較原煤增加約4.5%，由于灰水相抵，影響了塊精煤質(zhì)量。而同期干選試驗(yàn)表明，干選后大于25 mm塊精煤全水基本在24%～25%范圍內(nèi)，在灰分接近的情況小，干選塊精煤水分比重介選塊精煤水分低2%～3%，干選精煤熱值比水洗精煤高約0.84～1.26 MJ/kg。

對(duì)于褐煤不粘煤等煤化程度較低的煤種，水分對(duì)煤炭熱值的影響遠(yuǎn)超過灰分對(duì)煤炭熱值的影響。干法分選工藝雖然精度低于重介選，但可以減少水分對(duì)產(chǎn)品熱值的不良影響?？紤]到投資成本和運(yùn)營成本因素，在高密度易選塊煤排矸時(shí)，重介水洗方案和干選相比沒有優(yōu)勢(shì)，干選更適于煤化程度較低、矸石易泥化塊煤的分選。

4 干選技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

十三五以來，經(jīng)過煤炭領(lǐng)域科研院所和設(shè)備制造企業(yè)多年努力，厚積薄發(fā)，光電類塊煤分選設(shè)備，混煤復(fù)合式干選機(jī)，干法重介質(zhì)流化床等干法選煤技術(shù)發(fā)展迅速。在單機(jī)處理能力、分選精度和環(huán)保效果等方面取得突破。X射線智能分選機(jī)和復(fù)合式干選機(jī)獲得大規(guī)模應(yīng)用。干法分選工藝和濕法分選工藝相結(jié)合，取長補(bǔ)短，提高了動(dòng)力煤入選比例。但干選工藝和水洗工藝相比仍然存在許多不足。末煤干選精度較差，小于6 mm排矸率不足，小于3 mm基本沒有分選作用。干選智能化研發(fā)還處于起步階段，在設(shè)備可靠性、環(huán)保性能、干選廠設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化等方面仍需提升。干選技術(shù)未來研發(fā)重點(diǎn)將是小于6 mm細(xì)顆粒的分選，干選機(jī)井下和露天礦坑下排矸，復(fù)合式干選機(jī)的智能化，干選廠粉塵超低排放系統(tǒng)設(shè)計(jì)，干選機(jī)選前超級(jí)深度脫粉，干選廠設(shè)計(jì)規(guī)范制定等方面[26-27]。

5 結(jié) 語

概括介紹了流行的X射線智能分選和復(fù)合式干選技術(shù)和設(shè)備。內(nèi)蒙地區(qū)動(dòng)力煤以低階煤褐煤為主，臟雜煤量大質(zhì)次，為此，必須加大洗選力度。實(shí)際生產(chǎn)和干選試驗(yàn)結(jié)果均表明，干選工藝流程簡單、投資省、效率高、加工成本低，干選技術(shù)完全適合內(nèi)蒙古地區(qū)低階動(dòng)力煤分選。詳細(xì)梳理了內(nèi)蒙古煤炭資源的分布和煤質(zhì)特點(diǎn)以及干法分選技術(shù)在內(nèi)蒙古煤企的應(yīng)用情況。隨著光電類智能分選機(jī)和復(fù)合式風(fēng)選設(shè)備的研發(fā)進(jìn)展，干選技術(shù)已經(jīng)開始大規(guī)模在動(dòng)力煤煤企，特別是露天煤礦獲得應(yīng)用。蒙西部分褐煤選煤廠采用混煤干選取代全粒級(jí)重介水洗，易選易泥化塊煤分選，塊煤分選和末煤干選的干濕工藝結(jié)合等方面獲得成功應(yīng)用。

探討了干法分選技術(shù)的不足，對(duì)煤炭干選技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)進(jìn)行了展望，干選技術(shù)需要在降低分選粒度下限、提高分選精度、改善干選環(huán)保效果、提高干選機(jī)自動(dòng)化程度等方面繼續(xù)努力，干選技術(shù)將為提高內(nèi)蒙古動(dòng)力煤分選領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。