梁振飛

上海格林曼環(huán)境技術有限公司

0 引言

國家“十四五”規(guī)劃特別提出“提高礦產(chǎn)資源開發(fā)保護水平，發(fā)展綠色礦業(yè)，建設綠色礦山”、“十四五”期間推進清潔生產(chǎn)和能源資源高效利用、力爭于2030 年前實現(xiàn)碳達峰、努力爭取2060 年前實現(xiàn)碳中和的目標，要求實施能源消費強度和總量雙控，推動能源利用效率，實現(xiàn)節(jié)能降碳減污協(xié)同增效。

在此要求下，鋼鐵行業(yè)將“極致能效標桿達標創(chuàng)標”列為2023 年度重點工作，大力推動節(jié)能技術應用，追求極致能源管理。鐵礦企業(yè)作為鋼鐵行業(yè)上游礦石原料的供應方，在能源管理上較為薄弱，主要體現(xiàn)在：綜合能耗水平有待提高；能源管理精細化程度不夠；用能結(jié)構(gòu)存在進一步優(yōu)化空間。

本文以國內(nèi)某典型露天鐵礦山為例，重點分析礦山生產(chǎn)系統(tǒng)中主要能耗工序、能耗環(huán)節(jié)，并進行能耗溯源，在此基礎上提出節(jié)能降耗建議。

1 礦山概況

該礦山緊鄰皖江經(jīng)濟帶和南京都市圈，在1916年就少量開采，1954年正式建礦，礦區(qū)總面積16 km2。全礦主體生產(chǎn)有A、B兩個采場，C、D兩個選廠，下屬三家集體企業(yè)。礦山2021年原礦產(chǎn)量1 356.24萬t，鐵精礦292.05萬t，曾先后榮獲一、三、四、七屆中國冶金礦山協(xié)會十佳廠礦、國家級生態(tài)示范區(qū)、國家級綠色礦山試點單位、資源節(jié)約與綜合利用優(yōu)秀礦山。

1.1 采礦主要生產(chǎn)工藝

A、B 兩個鐵礦采場礦石性質(zhì)相似，礦石中主要鐵礦物為磁鐵礦，少量的假象赤鐵礦、鏡鐵礦、褐鐵礦及菱鐵礦等。主要脈石礦物為斜長石，次為綠泥石、石英、高嶺石、透輝石、陽起石、方解石等，還有少量的云母類、石膏，微量的磷灰石。礦石構(gòu)造以中-細粒浸染狀構(gòu)造為主，次為細脈、網(wǎng)脈狀、脈狀、角礫狀及少量條帶狀構(gòu)造，采礦主要工藝流程為：穿孔—爆破—鏟裝—運輸。

1.2 選礦主要生產(chǎn)工藝

C選廠年處理礦石能力約700萬t，D選廠500萬t，C、D兩個選廠工藝流程相似，破碎流程為三段一閉路—輥磨—濕式篩分—干、濕式聯(lián)合粗粒磁選拋尾—濕式粗粒磁選拋尾撈砂。選別流程為階段磨礦—階段磁選—細篩再磨再選。精礦脫水流程為磁選—過濾。尾礦濃縮流程為濃縮—輸送。

礦山主要工藝示意圖見圖1。

圖1 礦山主要工藝示意圖

2 能耗分析

2.1 重點用能環(huán)節(jié)識別

礦山主要生產(chǎn)工序包括采礦、選礦和尾礦處理。根據(jù)調(diào)研資料對礦山用能情況進行了初步分析：采礦工序和選礦工序合計用能約占整體用能的77%，是重點用能工序，其中選礦工序高達65%。

礦山2021年各工序能耗分布見表1。

表1 礦山2021年各工序能耗分布

對采礦工序和選礦工序次級用能環(huán)節(jié)進一步分析，結(jié)果表明，運輸環(huán)節(jié)是采礦工序的主要能耗環(huán)節(jié)，占總能耗的42%；磨礦環(huán)節(jié)和破碎環(huán)節(jié)為選礦工序的主要能耗環(huán)節(jié)，分別占總能耗的62%和22%。

2.2 采礦工序能耗

該礦山為露天開采，采礦工序包括穿孔、爆破、鏟裝、碎礦、運輸?shù)拳h(huán)節(jié)。

穿孔環(huán)節(jié)使用牙輪鉆機，能源為柴油和電力；爆破環(huán)節(jié)使用雷管炸藥，原料為硝酸甘油，穿孔和爆破環(huán)節(jié)能耗占比約1%；鏟裝環(huán)節(jié)使用液壓反鏟和挖掘機，能源為柴油，能耗占比約10%；碎礦環(huán)節(jié)能耗占比最高，達40%左右；運輸環(huán)節(jié)包括礦用車（燃油車+電車）、電機車（用電）、膠帶機（用電），能耗占比約40%～60%。采礦工序全流程排水環(huán)節(jié)能耗占比30%左右。

2.3 選礦工序能耗

選礦工序包括破碎（粗碎、中碎、細碎、超細碎）、篩分，磨礦、選別、精礦脫水、尾礦濃縮等環(huán)節(jié)。破碎環(huán)節(jié)使用圓錐破碎機、顎式破碎機，能源為電力；篩分環(huán)節(jié)使用圓振篩、直線篩、高頻細篩，能源為電力，破碎和篩分環(huán)節(jié)能耗占比約22%；磨礦環(huán)節(jié)使用自磨機、球磨機、立磨機、高壓輥磨機，能源為電力；選別環(huán)節(jié)使用盤式磁選機（干式）、全自動淘洗磁選機（濕式），能源為電力，磨礦和選別環(huán)節(jié)能耗占比約46%；精礦脫水環(huán)節(jié)使用高效濃縮機、盤式過濾機、陶瓷過濾機，能源為電力，能耗占比9%；尾礦濃縮環(huán)節(jié)能耗占比2%。由于破碎及其他環(huán)節(jié)在管理劃分和工序環(huán)節(jié)連續(xù)性劃分的差異，會造成部分數(shù)據(jù)有出入。

2.4 能耗限額分析

礦山2021年能耗限額及對標情況見表2。

表2 礦山2021年能耗限額及對標情況

從表2可看出：礦山2021年A采場（0.37 kgce/t）和B采場（0.44 kgce/t）采礦單位產(chǎn)品可比綜合能耗均達到國家準入值水平（≤0.49 kgce/t），C 選廠（2.75 kgce/t）和D 選廠（3.03 kgce/t）選礦單位產(chǎn)品可比綜合能耗也達國家準入值水平（≤3.3 kgce/t），C選廠（16.75 kgce/t）和D選廠（18.43 kgce/t）鐵精礦單位產(chǎn)品可比綜合能耗未達到行業(yè)限定值水平（≤11.2 kgce/t）。

3 問題與討論

歷史原因、地理條件、鐵礦賦存狀態(tài)、礦石性質(zhì)等導致原礦品位低是鐵精礦單位產(chǎn)品綜合能耗高因素之一。A、B兩采場中A采場為國際超低極貧示范基地，TFe 平均品位只有20.45%，遠低于國內(nèi)同業(yè)（平均34.5%）和國外礦山（46%～48%）水平［1］，未來建議從源頭科學合理配礦，提高礦石質(zhì)量和入磨品位。

此外，采礦工序運輸環(huán)節(jié)、選礦工序磨礦/破碎環(huán)節(jié)的能耗對鐵精礦綜合能耗的作用也不容忽視。采礦工序運輸環(huán)節(jié)采用高效的運輸工藝和運輸設備是降低能耗的關鍵，措施包括：坑內(nèi)布置破碎站、汽車膠帶聯(lián)合運輸、陡坡鐵路運輸?shù)取４送?，降低礦巖爆破塊度、提高汽車滿載系數(shù)、優(yōu)化汽車運距、探索混合動力汽車、采用溜槽放礦和干選拋廢、遠程智能運輸調(diào)度也是降低運輸能耗的措施［2］。

而選礦工序的破碎、磨礦環(huán)節(jié)，可采用多碎少磨、礦石預處理、預選拋廢、磨礦工藝改進和設備改造等實現(xiàn)節(jié)能降耗。磨礦效率隨著入磨粒度的減小而升高，能耗則降低。多碎少磨的方法主要有開路破碎改閉路破碎、調(diào)整破碎機各段破碎比、增加破碎段數(shù)、采用高效節(jié)能如高壓輥磨機的細碎設備、以3～5 mm 棒磨機粗磨代替細碎機細碎等。入磨前預選拋廢是減小磨礦量、降低磨礦能耗的有效措施，方法包括電熱輻射法、加熱后快速冷卻法、微波輻射法、超聲波共振法等［3］。通過對磨礦工藝大型化、磨礦設備永磁化改造，適當添加助磨劑（如脂肪酸、CaO 等）、改進磨機襯板、優(yōu)化磨礦工藝參數(shù)和操作指數(shù)、調(diào)節(jié)球磨機充填率和鋼球級配關系、優(yōu)化礦漿停留時間、采用高效分級設備、球磨機自動化控制等，提高磨機效率、降低磨機能耗。

礦山近年來已完成部分節(jié)能項目，包括高耗能設備更換、采場半連續(xù)工程、選廠節(jié)能減排升級、選廠輥磨系統(tǒng)改造、選廠低配室無功補償改造等，累計投入約60 000 萬元，實現(xiàn)節(jié)能量10 000 tce/年。建議礦山未來從技術節(jié)能、管理節(jié)能、結(jié)構(gòu)節(jié)能等方面全面開展節(jié)能降耗工作：

1）提高能源利用效率、降低工序設備的能耗

優(yōu)化礦石運輸系統(tǒng)，優(yōu)化選礦工序流程，完善供排水系統(tǒng)，開展能效對標提升。

2）推進能源精細化管理

加強能源計量監(jiān)測，進行能源精確計量，開展能效在線監(jiān)測，明確能源管理責任，創(chuàng)新能源管理方式。

3）優(yōu)化能源消費結(jié)構(gòu)

提升電氣化水平，引入綠色電力，拓展新能源應用場景，配合儲能技術，構(gòu)建微電網(wǎng)系統(tǒng)。

4）加快智能礦山建設

加快發(fā)展MES系統(tǒng)（生產(chǎn)計劃執(zhí)行系統(tǒng)），采用成熟的智能技術。

4 結(jié)論與建議

礦山2021 年采礦單位產(chǎn)品、選礦單位產(chǎn)品可比綜合能耗均達國家準入值，鐵精礦單位產(chǎn)品可比綜合能耗未達行業(yè)限定值，這一方面與礦山原礦品位、生產(chǎn)工藝、企業(yè)能源管理有關，另一方面也與參考的國家標準和行業(yè)標準有關。GB 31335-2014 和GB 31337-2014 僅限定了特定的工藝（如浮選加溫），沒有反映礦山實際生產(chǎn)（弱磁選），引導作用有限。此外，標準超期服役，長期未修訂，已落后于行業(yè)發(fā)展水平，YB/T4647-2018 盡管規(guī)定了鐵礦石從入廠到加工獲得單位合格鐵精礦產(chǎn)品的能源消耗定額的技術要求、能耗統(tǒng)計、計算方法、節(jié)能管理與措施，但由于其為行業(yè)推薦性標準，對企業(yè)的約束力和指導性不夠強。

鐵礦山企業(yè)由于其自身行業(yè)特征，盈利狀況長期受市場礦石價格波動的影響，對通過提升能源管理降耗增效的盈利方式不敏感，長期的粗放式生產(chǎn)運營模式缺乏精細化管理支撐，且礦山行業(yè)由于不屬于重點用能行業(yè)，對國家政策驅(qū)動的能效提升壓力相對較小，能效對標壓力相對較輕，因此，須重視礦山整體能耗分布優(yōu)化問題，建立合理的能耗管理體系，加強設備精細化、智能化管理，通過開展能源審計、節(jié)能診斷、能效對標等工作，推進能源精細化管理，逐步降低單位產(chǎn)品能耗。