趙樹彥,任利勤,張玉磊
(北京國華科技集團有限公司,北京市順義區(qū),101399)
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,他強調(diào):“要加強統(tǒng)籌謀劃,聚焦重點領(lǐng)域,整合各方面資源,形成推進煤炭清潔高效利用的合力。要堅持目標導向和問題導向,抓住重點行業(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)生嚴重影響。一是會增加運輸負荷,我國約有70%的鐵路運輸能力用于煤炭運輸,煤炭灰分高會造成無效運輸;二是增加煤炭消耗,煤作為燃料時,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,低熔點灰分易造成鍋爐和氣化爐結(jié)渣和堵塞,同時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,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,不僅會腐蝕設備,還會對空氣造成污染,嚴重時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用,均取得良好的效果。
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當前的選煤形勢。美國自20世紀80年代開始淘汰跳汰選煤工藝,我國近10年也基本不再設計建設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90年代以來,盡管美歐等發(fā)達國家和地區(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,俄羅斯也停止了選煤技術(shù)的研發(fā)。
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,濃縮機的單位面積處理量已達10 m3/h[2,5]。
隨著無壓給料三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器的普遍應用,目前國內(nèi)具有代表性的先進濕法選煤工藝技術(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種工藝的普遍應用使我國的選煤技術(shù)進入了國際領(lǐng)先行列。
該選煤工藝適應于各種可選性原煤,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,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0.25 mm,煤泥重介質(zhì)旋流器的分選下限可達0.10 mm,中煤帶精煤量較少,通常可低于3%,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。
該選煤工藝適應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,這是因為煤泥量對重介質(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,設備的選型、管路的設計等都需要設計人員進行較為專業(yè)的把控,否則會影響生產(chǎn)指標,特別是介耗指標,但是如果提前脫除這部分煤泥,則會簡單很多,因此從這個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計人員掌握,因而得到較廣泛應用。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]。
為實現(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行研究和探索。在濕法選煤工藝技術(shù)方面,一個典型的研究成果是“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為主任委員的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),推進了選煤廠大型化、集約化、高效化、智能化發(fā)展,達到國際領(lǐng)先水平。
“國華科技選煤工藝包”由原料煤不預排矸、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、細煤泥浮選機粗精選、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。與其他技術(shù)相比,采用該技術(shù)建設的煉焦煤選煤廠的投資和加工費降低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個百分點,投資和加工費低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用”在2020年獲得中國煤炭工業(yè)科學技術(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備”(2006年度河北省科技進步二等獎)、“‘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。
3.2.1 國內(nèi)選煤廠應用情況
(1)“國華科技選煤工藝包”已在淮南礦業(yè)集團1 200萬t/a特大型煉焦煤選煤廠應用,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0.25 mm,經(jīng)統(tǒng)計,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)計算,該選煤廠選煤電力單耗為4.98 kW·h/t ,達一級能耗水平(≤5.0 kW·h/t );水耗0.07 m3/t,比《取水定額》(GB/T 18916.11-2012)標準降低了39.1%;介耗波動范圍0.35~0.8 kg/t,已經(jīng)達到甚至超過高水平脫泥入選指標。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煤的自燃給大氣帶來的污染[7]。
(2)淮北礦業(yè)集團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個百分點,精煤實際產(chǎn)率增加了0.29個百分點,按實際入選能力1 600萬t/a計算,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)鍵選煤設備成功推廣應用到蒙古、土耳其、哈薩克斯坦、印度、印度尼西亞等國家的選煤廠,均取得較好的應用效果,得到國外客戶的高度認可[10-11]?!皣A科技選煤工藝包”在國外應用情況見表1。
表1 “國華科技選煤工藝包”在國外應用情況
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%計算),即運輸選后煤炭產(chǎn)品與運輸原煤相比,可以節(jié)約18%的運力。每入選1億t原煤,可排除1 800萬t矸石,按鐵路運輸煤炭20億t、平均運距600 km計算,可以節(jié)約運力2 160億t·km,節(jié)省運費約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]。
原煤先集中進行選煤潔凈化和均質(zhì)化后,再分散供應給市場,可以把灰分、硫分等污染物大量留在礦井進行集中治理,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備投資和運行成本90%以上,且燃煤發(fā)電煙氣脫硫設施和脫硫負荷大大降低。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)濟且有效的途徑,采用先進的選煤技術(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,同時實現(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,實現(xiàn)煤炭全生命周期的節(jié)能環(huán)保[14]。
我國選煤工藝技術(shù)水平雖已在國際上領(lǐng)先,但在促進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、工藝流程復雜、能耗高等現(xiàn)象。比如有約半數(shù)選煤廠的電力消耗達不到《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領(lǐng)域標桿水平和基準水平(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目,各地應明確改造升級和淘汰時限(一般不超過3 a)以及年度改造淘汰計劃,在規(guī)定時限內(nèi)升級到基準水平以上,力爭達到標桿水平;對于不能按期改造完成的項目進行淘汰[15]。因此建議在此基礎(chǔ)上繼續(xù)嚴格限制低精度、高耗能選煤工藝的應用,并針對新建選煤廠提出更高節(jié)能降耗的要求,如必須達到一級能耗標準水平,否則不予驗收。
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,應重點推廣高效、簡化、節(jié)能的先進選煤工藝技術(shù)。建議將選煤廠達到二級能耗水平設置為煤炭分選行業(yè)的準入值,從源頭守住煤炭清潔高效利用的大門。