王子軍，夏云凱

(唐山神州機械集團有限公司，河北 唐山 063001)

1 雙碳政策要求下的選煤道路

2020年9月22日，國家主席習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國大會上表示，中國將力爭于2030 年前達到碳排放峰值，2060年前實現(xiàn)碳中和。在此背景下，中國的能源消費結(jié)構(gòu)中煤炭占比將逐步下降，從能源應(yīng)用上直接降低碳排放量。但由于受到儲能技術(shù)及非化石能源產(chǎn)能的限制，從長遠看，煤炭仍將是我國主體和基礎(chǔ)能源，雖然比例會有所下降，但預(yù)計未來20年煤炭在我國能源消費結(jié)構(gòu)中仍將長期占據(jù)主體地位。2030年煤炭占一次能源消費比重仍在50%以上，年消費量將達45 億t左右。

我國煤炭資源開發(fā)條件差，53%的煤炭資源埋深在1 km以下，優(yōu)質(zhì)煤炭資源逐年減少。褐煤和低變質(zhì)程度煙煤占55%，由于其水洗困難，動力煤仍然有50%以上未經(jīng)任何洗選加工提質(zhì)，原煤灰分高，含大量矸石，運力浪費嚴重，電廠直接燃燒后污染十分嚴重，廢氣處理成本高。有統(tǒng)計顯示，在我國主要污染物排放中，燃煤排放的二氧化硫占90%，碳氧化物占75%，總懸浮顆粒物占60%，二氧化碳占75%。同時，每年還要排放數(shù)億噸渣塵，重金屬超過2 萬t，對人體危害很大。由于電煤質(zhì)量較差，煤炭利用效率低。發(fā)電及供熱平均綜合利用效率僅為40%左右，比發(fā)達國家低10個百分點。我國單位GDP能耗是世界平均水平的1.4～1.5倍，在以煤炭為主體的能源消費結(jié)構(gòu)中，煤炭利用過程的節(jié)能提效才是實現(xiàn)碳達峰、碳中和的第一優(yōu)選。

我國的基本國情和發(fā)展階段決定了煤炭能源轉(zhuǎn)型的重要任務(wù)之一是煤炭清潔高效利用。煤炭清潔高效利用技術(shù)涉及煤炭高效綠色洗選、煤清潔高效利用等諸多環(huán)節(jié)。因此煤炭洗選行業(yè)在碳達峰與碳中和政策下應(yīng)積極做出自己的貢獻。雖然采用高效節(jié)能設(shè)備及加強能源管理能夠降低選煤廠噸煤電耗，但采用合理高效的分選技術(shù)更具有節(jié)能效益[1-3]。因此，應(yīng)加速研發(fā)及應(yīng)用先進的煤炭洗選節(jié)能減排工藝和技術(shù)，在提高煤炭入選率同時淘汰落后的洗選工藝和產(chǎn)能，早日實現(xiàn)動力煤全部入選。通過提高商品煤特別是電煤的質(zhì)量，進而提高能電廠燃煤利用效率，減少污染物排放，為實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標提供煤炭洗選行業(yè)人的智慧和貢獻。

本文從干選技術(shù)現(xiàn)狀，各種干選設(shè)備應(yīng)用實例，干選工藝流程的優(yōu)化設(shè)計等方面梳理了干選工藝在煤炭洗選過程節(jié)能減排中的技術(shù)優(yōu)勢。

2 干選技術(shù)的節(jié)能優(yōu)勢

煤炭分選可以有效地降低原煤灰分、硫分，提高煤炭發(fā)熱量，從而降低運輸負荷，減少燃煤過程中重金屬元素、CO2、NOx和粉塵等污染物的排放量，減輕大氣污染。從煤炭分選工藝上看，濕法分選技術(shù)如重介和跳汰分選技術(shù)非常成熟，精度高，目前在煤炭分選加工領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。濕法分選，特別是重介選工藝仍然是我國煤炭洗選加工的主流工藝，具有處理能力大，有效分選粒度范圍寬，分選精度高，降灰顯著等優(yōu)勢。但濕法分選也存在較大的局限性。

(1)能耗高。工藝流程復(fù)雜，設(shè)備多，投資大，運營成本高，噸煤電耗達到5～10 kW·h，水耗、介耗和煤泥水處理藥劑消耗量大。

(2)水洗效果差。動力煤精煤水分增加，抵消了部分降灰效果，熱值提升不顯著。

(3)環(huán)保壓力。處理易泥化煤產(chǎn)生大量高水分煤泥。低階煤自身遇水易泥化，采用濕法分選后，煤泥水處理系統(tǒng)負荷增加，煤泥產(chǎn)品水分高，冬季儲運困難。

(4)水資源壓力。我國煤炭分布不均衡，70%以上分布在干旱缺水的西部地區(qū)，采用耗水量較大的濕法分選，加劇地方水資源短缺的困難，就重介質(zhì)選煤而言，入洗1 t原煤耗水量約0.03～0.06 m3。

為提高選煤企業(yè)節(jié)能減排技術(shù)水平，降低單位產(chǎn)品電力消耗，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局和國家標準化管理委員會于2019年發(fā)布了GB 29446-2019《選煤電力消耗限額》的國家標準。標準中規(guī)定了動力煤選煤廠電力消耗限額指標，見表1?，F(xiàn)有的動力煤選煤企業(yè)電力單耗限定值應(yīng)符合表1中的3級，新建或改擴建的動力煤選煤廠電力單耗準入值應(yīng)符合表1中的2級。

表1 動力煤選煤企業(yè)選煤電力消耗限額

表1所示限定值和準入值為強制性指標，限定值為現(xiàn)有企業(yè)限額指標，準入值為新建企業(yè)限額指標。根據(jù)這項標準，對于新建動力煤選煤廠設(shè)計提出了嚴格要求，即噸煤電耗不能超過3.0 kW·h，動力煤分選電耗先進值為2.0 kW·h。在生產(chǎn)實踐中，采用濕法分選工藝的動力煤生產(chǎn)企業(yè)通過采用先進分選工藝和加強節(jié)能管理[4-6]，可以降低選煤廠電力消耗。但事實上，濕法分選動力煤選煤廠的噸煤電耗一般遠高于干法分選，不能滿足噸煤電耗限額2級的要求。

近年來，煤炭干選技術(shù)發(fā)展迅猛，通過創(chuàng)新和技術(shù)進步，在單元設(shè)備處理能力，分選精度，環(huán)保效果和智能化方面取得重要進展。涌現(xiàn)出大型復(fù)合式干法分選機、光電(智能)干選機、新一代干法重介質(zhì)流化床分選機等一系列干選設(shè)備。干選技術(shù)不用水、不用介質(zhì)、無水處理藥劑消耗，系統(tǒng)簡單的優(yōu)勢，彌補了濕法選煤的不足，響應(yīng)了當(dāng)下煤炭行業(yè)節(jié)能、減排、降耗等政策號召，其中復(fù)合式干選和光電類塊煤智能分選已經(jīng)在國內(nèi)選煤廠和煤礦井下獲得大規(guī)模應(yīng)用[7-11]。

干法動力煤選煤廠不用水，使用簡單的分選工藝和數(shù)量較少的設(shè)備即可達到濕法分選的效果，噸煤電耗一般在2.5～3.5 kW·h范圍內(nèi)，干選節(jié)能優(yōu)勢明顯。因此在滿足分選指標和精煤質(zhì)量要求的前提下，應(yīng)該優(yōu)先選擇合理的干法選煤工藝，以降低能耗滿足國家標準要求，值得設(shè)計者思考。

3 應(yīng)用干選技術(shù)降低選煤電耗

現(xiàn)代選煤廠規(guī)模龐大，水洗工藝耗電量高，雖然可采取高效節(jié)能機電設(shè)備，但節(jié)能效果有限。采用干選工藝部分或全部替代水洗工藝，從而為選煤廠優(yōu)化設(shè)計進一步挖潛節(jié)能潛力。干選廠能耗包括干選機、原煤和各產(chǎn)品儲運設(shè)備、機修、照明、化驗室等電耗，以及與上述有關(guān)的線路和變壓器的電損失。雖然總體干選工藝單位能耗低于水洗，部分建或改擴建的動力煤干選廠企業(yè)電力單耗準入值符合單耗限額2級標準，但傳統(tǒng)干選廠單位電耗一般為3 kW·h左右，不能滿足先進值的指標要求。通過合理選擇干選設(shè)備及優(yōu)化分選工藝流程設(shè)計等手段可以達到進一步降低干選單位能耗的目的。

3.1 大于50 mm大塊煤光電分選替代水洗

大部分動力煤選煤廠均設(shè)置有塊煤選矸系統(tǒng)，大塊煤的篩分揀矸系統(tǒng)主要靠人工分選。檢出塊精煤后破碎進入重介或跳汰水洗系統(tǒng)再分選。人工撿矸存在的問題：① 環(huán)境惡劣。工人勞動強度大，噪聲和粉塵大，生產(chǎn)效率低；② 分選效率低。在夾矸煤較多、矸石表面形狀及顏色與塊精煤差異不大時較難識別，手選塊煤中含矸率高、灰分高，必須破碎再洗選。另外，手選矸石中含煤率也常超標。

近年來光電類塊煤智能干選機得到了大規(guī)模應(yīng)用，目前人工撿矸工藝正在被機械排矸所淘汰，其中以X射線類智能干選最為流行[12-13]。X射線智能干選機優(yōu)勢包括：① 最佳分選粒度范圍寬，處理量大，比較適合處理50～300 mm的原煤，原煤水分大小對塊煤分選沒有影響，單通道干選機處理量可達240 t/h；② 分選精度高，對易選及中等可選動力煤的分選精度介于跳汰和重介淺槽之間；③ 自動化程度高，設(shè)備運行過程中有人巡視無人值守；④ 分選費用低，噸煤電耗低于2 kW·h；⑤ 模塊化設(shè)計，建設(shè)周期短。典型塊煤光電分選工藝取代塊煤水洗工藝流程見圖1。部分X射線分選機耗電統(tǒng)計見表2。在塊煤分選工藝選擇中，應(yīng)優(yōu)先選用X射線分選機替代人工撿矸，取消手選作業(yè)。在老廠改造中，光電分選機可全部或部分替代大于50 mm塊煤動篩跳汰或重介淺槽分選，節(jié)省投資和電費。

圖1 大于50 mm大塊煤光電分選替代水洗工藝流程

3.2 復(fù)合式干選取代水洗

3.2.1 50～13 mm中塊煤分選對比

2019年我國原煤入選量為39 億t，入選率71%，動力煤入選量17.7 億t，其中主要入選大于13 mm塊煤。各類用戶對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)歡迎塊煤產(chǎn)品。依據(jù)GB/T 9143—2008《常用固定床煤氣發(fā)生爐用煤標準》可知，煤氣發(fā)生爐用煤適宜的粒度范圍為13～100 mm。塊煤分選設(shè)備的選型和入料上下限的選擇應(yīng)綜合考慮各種相關(guān)因素。

常用的50～13 mm中塊煤分選工藝有重介質(zhì)分選機選矸和跳汰排矸以及復(fù)合式干選。重介質(zhì)分選機分選精度高，但系統(tǒng)復(fù)雜。動篩跳汰機選矸具有工藝系統(tǒng)簡單、輔助設(shè)備少、占地面積小、加工成本低等優(yōu)點。但重介分選和跳汰分選均需配備煤泥水系統(tǒng)，不適合易泥化或褐煤等低階煤的塊煤分選；水洗低密度不粘煤時，由于其密度低，硬度較低，強度較小，在水洗和脫水過程中塊煤易破碎，一般塊煤破碎率可達5%左右。復(fù)合干法選煤與水洗分選方法相比優(yōu)點有：① 該法可在2.0 g/cm3密度以上分選，矸石產(chǎn)品灰分高、熱值低；② 對80～6 mm物料分選精度較高，可以達到水洗跳汰分選精度，適合80～6 mm中塊煤分選排矸；③ 床面振動幅度小，對塊煤破碎率低(小于1%)，干選降低了塊煤破碎率。

為比較重介分選和復(fù)合式分選的分選效果，以同煤集團色連一礦大于13 mm塊煤分選對比為例，該礦原煤高密度物含量高、灰分高、易泥化，高密度排矸時中間密度物含量少，可選性為易選。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)化驗結(jié)果如表3所示。

表2 部分X射線塊煤分選機耗電統(tǒng)計

表3 重介淺槽濕法分選大于25 mm煤質(zhì)分析

濕法分選后塊精煤全水分接近28%，水分較原煤增加約4.5%，由于灰水相抵，影響了塊精煤發(fā)熱量(表3)。而同期干選試驗結(jié)果(表4)表明，干選后大于25 mm塊精煤全水在24%～25%范圍內(nèi)，在灰分接近的情況，干選塊精煤水分比重介塊精煤水分低2～3個百分點，干選精煤發(fā)熱量比水洗精煤高約0.84～1.26 MJ/kg?？紤]到投資運營成本和電耗高的問題，重介水洗方案和干選相比沒有優(yōu)勢。因此，在分選可選性為易選且易泥化的50～13 mm塊煤時，應(yīng)該優(yōu)先選用干法分選設(shè)備，以降低能耗。

表4 干法分選塊煤效果分析

3.2.2 小于30 mm末煤復(fù)合式干選

動力煤中大于13 mm原煤一般矸石含量高，灰分高、發(fā)熱量低，不洗選無法滿足市場要求。為避免末煤洗選后精煤水分增加和煤泥問題，傳統(tǒng)動力煤重介選煤廠大多采用部分入洗工藝，只使用塊煤分選設(shè)備處理大于13 mm原煤，小于13 mm末煤旁路不洗。許多設(shè)計了原煤全粒級水洗工藝的重介選煤廠也因為末煤水洗精煤熱值提高有限等原因采用末煤部分入洗工藝或全部末煤旁路不洗工藝，造成末煤分選系統(tǒng)閑置和很大的投資損失。

使用末煤干選技術(shù)可以避免水洗弊端，在高密度排矸時，原煤可選性為易選或中等可選的動力煤選煤廠可采用末煤干選工藝，其精煤產(chǎn)率和熱值可能高于濕法分選的精煤產(chǎn)率和熱值。以霍洛灣煤礦小于40 mm末煤分選工藝設(shè)計方案對比為例，規(guī)模260萬t/a小于40 mm末煤干選廠，裝機功率1 819 kW，投資2 501.63萬元，單位電耗為3.14 kW·h；作為對比，40～0 mm脫粉后采用重介旋流器分選，裝機功率3 000 kW，投資9 668萬元，單位電耗為5.18 kW·h。因此在同等分選效果的前提下，應(yīng)采用干選代替重介旋流器分選，節(jié)省投資和電費。

末煤干選技術(shù)電耗低，特別適合末煤含量大或易泥化煤的分選，是動力煤分選節(jié)能降耗的一項重要補充。對部分入選的選煤廠添加末煤干選[14]，干濕結(jié)合，可實現(xiàn)原煤全部入選(圖2)。

圖2 干濕結(jié)合分選工藝流程舉例

3.2.3 小于80 mm混煤復(fù)合式干選

鑒于大于30 mm塊煤和小于30 mm末煤分選工藝已經(jīng)成熟，可根據(jù)原煤性質(zhì)和產(chǎn)品質(zhì)量要求，靈活選用不同粒度上限原煤干選工藝方案。對老廠改造時可采用大于30 mm塊煤濕法分選+ 小于30 mm末煤干選流程。新廠設(shè)計則可采用小于80 mm全粒級干選流程，實施煤泥減量化生產(chǎn)，實現(xiàn)動力煤全粒級分選，可達到穩(wěn)定煤質(zhì)、提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高廠礦經(jīng)濟效益和環(huán)境效益的目的[15-17]。典型小于80 mm全粒級干選工藝流程見圖3。

圖3 典型小于80 mm混煤干選工藝流程

3.3 選前脫粉工藝流程

小于80 mm混煤分選時，有效分選粒度下限為3 mm，入料粒度為小于30 mm時，有效分選粒度下限為1 mm。小于80 mm混煤分選時對干選機分選效果檢測數(shù)據(jù)表明，小于6 mm分選效果差，小于3 mm基本沒有分選效果。小于3 mm煤粉粒度細，會顯著增加除塵系統(tǒng)負荷，占用干選機分選床面，降低干選機單位面積處理能力，浪費電能。因此對粉煤含量較大的原煤應(yīng)采用選前脫粉的工藝。采用原煤脫粉工藝的優(yōu)勢如下。

(1)提高分選效果。2020年榆樹井選煤廠生產(chǎn)運營數(shù)據(jù)表明，在原煤熱值相近的情況下，干選效果優(yōu)于鄰近的一號井選煤廠，其中主要原因是榆樹井原煤粒度較粗，入料粒度為80～0 mm，而一號井原煤粒度較細，入料粒度為50～0 mm。榆樹井原煤小于6 mm含量為33.74%，一號井原煤小于6 mm含量為48.86%。為減少原煤中煤粉含量，提高分選效果，應(yīng)盡可能降低干選機入料中小于3 mm煤粉量。2021年一號井選煤廠脫粉改造后分選效果初步檢測發(fā)現(xiàn)，在同等原煤熱值的前提下，精煤熱值提高約0.29～0.42 MJ/kg。

(2)提高設(shè)備處理能力。按照脫粉 20%計算，分選機床面單位面積處理能力可提高25%，改造后如每天生產(chǎn)16 h，全廠年處理能力達到700萬t，如每天生產(chǎn)20 h，全廠年處理能力達到900萬t。

(3)節(jié)能降耗。榆樹井改造前總裝機功率3 100 kW，最大裝機處理能力850 t/h，單位電耗3.1 kW·h/t；改造后總裝機功率3 594 kW，全系統(tǒng)最大裝機處理能力1 136 t/h，單位電耗2.69 kW·h/t，噸煤電耗節(jié)約13.3%。一號井選煤廠改造前總裝機功率4 786 kW，單位電耗3.58 kW·h/t；改造后總裝機功率5 912 kW，單位電耗3.32 kW·h/t，噸煤電耗節(jié)約7.3%。榆樹井選煤廠干選工藝流程見圖4。

表5為近年投入使用的一些復(fù)合式干選項目，平均電耗低于3 kW·h/t，取得了較好的節(jié)能效果。

表5 入料粒度小于80 mm的煤炭干選廠電耗統(tǒng)計

圖4 選前深度脫粉小于80 mm混煤干選工藝流程

3.4 300～0 mm寬粒級干選工藝

露天礦臟雜煤塊煤含量大，矸石含量大，灰分較高，為合理利用煤炭資源，減少環(huán)境污染，必須對臟雜煤進行洗選加工。我國露天煤礦大多集中在內(nèi)蒙古和新疆等干旱高寒地區(qū)，水洗所需的水資源稀缺，水洗煤泥產(chǎn)品冬天也易凍結(jié)，影響產(chǎn)品儲運。干法分選技術(shù)更適合臟雜煤的分選，符合露天礦資源節(jié)約與綜合利用以及節(jié)能減排的國家政策，有利于實現(xiàn)露天煤礦生態(tài)化建設(shè)[9]。X射線塊煤干選機和復(fù)合式干選機配合可以實現(xiàn)300～0 mm寬粒級干選。X射線智能分選對大于50 mm大塊煤分選精度高，可替代人工手選。但智能分選對小于50 mm塊煤分選精度差。復(fù)合式干選不能處理大于100 mm大塊煤，但對小于50 mm末煤分選精度高于智能分選，同時投資低，設(shè)備模塊化，建設(shè)速度快。使用X射線智能分選機和ZM分選機分別處理大于50 mm和小于50 mm塊煤，可充分發(fā)揮各自分選工藝的特長，盡可能降低煤炭洗選能耗，實現(xiàn)動力煤全粒級干法分選。典型露天礦寬粒級干選工藝流程見圖5，實際應(yīng)用項目耗電情況見表6。

圖5 露天礦300～0 mm寬粒級干選工藝流程

4 結(jié) 語

在相當(dāng)長時間內(nèi)我國煤炭的主體能源地位不會變化，順應(yīng)雙碳戰(zhàn)略下低碳節(jié)能發(fā)展趨勢，動力煤選煤行業(yè)應(yīng)加強煤炭綠色分選，通過合理采用低能耗的干選工藝，淘汰落后的洗選加工方式，可達到降低選煤能耗，提高商品煤煤質(zhì)，實現(xiàn)清潔高效可持續(xù)開發(fā)利用的目的。多項干選項目工程實踐證明，首先，干選替代水洗，可以克服水洗的弊端，變易泥化煤不能入選為可能入選，降低噸煤電耗；其次，X射線智能干選噸煤電耗低于復(fù)合式干選，采用不同干選組合以較低的電耗實現(xiàn)臟雜煤300～0 mm寬粒級干選，臟雜煤干選典型工程應(yīng)用案例表明，干法選煤設(shè)施的建設(shè)對于回收煤炭資源、降低環(huán)境污染、增加企業(yè)的經(jīng)濟效益都具有積極的意義；第三，在混煤分選過程中，如煤粉含量過大，可采用選前3 mm脫粉工藝進一步降低單位電耗。

表6 露天礦臟雜煤寬粒級干選案例