新疆吐魯番-哈密地區長焰煤分選工藝探討

張順杰，夏云凱，李 磊，王旭哲

(1.華陽新材料科技集團有限公司 選煤質量管理中心，山西 陽泉 045200；2.唐山市神州機械有限公司，河北 唐山 063001；3.河北省煤炭干法加工裝備工程技術研究中心，河北 唐山 063001)

我國新疆地區煤炭資源具有儲量大、煤質優、易開采、易分選等特點，煤炭資源總量預測約為2.194 2萬億t，約占全國預測煤炭資源總量的40.6%，居全國第一位,是我國十分重要的能源接續區和戰略性能源儲備區[1]。2018年，新疆政府據此確立了新疆成為絲綢之路經濟帶核心能源區的規劃目標，擬充分利用資源地緣優勢加快煤電、煤化工產業發展，推動國家特大型煤電基地的建設[2]。截止到2003年年底，全區已探明煤炭資源量為977億t，在保有資源儲量中，主要煤炭種類是長焰煤(約占73%)，其次是不黏煤(17%)和氣煤(7.5%)，三種煤約占總資源量的97.5%[1]。

為拓展和鞏固新疆煤炭基地在保障國家能源供應安全中的重要地位，研究在其煤炭資源中占比較高的長焰煤的煤質特點，探索適宜其洗選加工的生產工藝至關重要。為此，以新疆吐魯番-哈密地區(以下簡稱吐哈地區)典型的長焰煤為研究對象，在煤質分析的基礎上，對長焰煤洗選工藝進行了研究，以為未來新疆煤炭洗選業的發展和煤炭資源的綜合利用提供參考。

1 吐哈地區儲煤概述

我國新疆大型煤炭基地由吐哈、準噶爾、伊犁、南疆四大區域組成，其中吐哈地區煤田面積達46 402 km2， 累計探明儲量為791.33億t，保有儲量789.12億t， 預測資源儲量為5 386.3億t。

有數據表明, 哈吐地區乃至整個新疆地區的煤炭均供大于求，過剩產能需依托國家“西煤東運”發展戰略外運銷售。然而新疆地區的大部分動力煤礦井賦存條件具有厚煤層多、夾矸多、內在灰分高、中高灰分的特點，加上采煤機械化程度的提高和放頂煤技術的應用，導致礦井開采出來的原煤煤質較差，熱值較低。此外，新疆地處祖國西北邊陲，距離內地沿海地區遙遠，為減少無效運輸，緩解鐵路運輸壓力，必須加大洗選力度，對原煤進行排矸和脫硫降灰。 綜上所述，若不提高新疆煤炭產品熱值，在物流成本的加持下疆煤外運競爭優勢很小[2]。 為解決新疆高熱值優質煤源相對不足等因素的制約[3], 新疆的低質煤必須進行分選加工，使外運煤炭發熱量能達到16.32 MJ/kg以上。

2 吐哈地區長焰煤可選性分析

以吐哈地區有代表性的中煤哈密大南湖七礦3#煤層煤質為例進行分析。根據煤田地質勘探報告結果可知，該區內煤層主要賦存低灰分、特低硫至低硫、低磷、中熱值的41#長焰煤及部分31#不黏煤和褐煤，分選后可作為優質火力發電、化工用煤。但是，該煤層頂底板和夾矸層多為泥巖和泥質膠結的粉砂巖，煤變質程度總體較低，矸石泥化程度較高。

2.1 原煤篩分分析

由3#煤層原煤工業分析結果可知，該原煤全水分為24.90%，內在水分為10.05%， 灰分為30.44%，硫分為0.34%，表明該煤為中灰、中高水分、特低硫煤。

3#煤層原煤篩分試驗結果見表1。由表1可知：

表1 3#煤層原煤篩分試驗結果

(1)該原煤中>30 mm塊煤含量為37.89%,灰分為26.34%，說明塊煤中矸石含量不高。

(2)在100～0.5 mm粒度范圍內，隨著粒度變小，原煤灰分大體上呈逐漸下降趨勢，但灰分無明顯降低，各粒級灰分差異較小，大都處于26%～28%之間。

(3)<0.5 mm原生煤泥含量較低，為7.30%；原生煤泥灰分顯著高于>0.5 mm粒級，為36.04%，說明矸石存在泥化現象。

2.2 原煤浮沉分析

3#煤層原煤浮沉試驗結果見表2。由表2可知：

(1)該原煤主導密度級為<1.3 g/cm3密度級，其次是1.3～1.4 g/cm3密度級，中間密度級含量較少。

(2)原煤中>2.0 g/cm3密度級含量比較大，且灰分在80%以上。

(3)浮沉煤泥的灰分明顯高于原煤灰分，說明矸石存在泥化現象。

由表2還可知，對于150～0.5 mm原煤，當分選密度為1.8 g/cm3時，理論精煤產率為81.96%，理論精煤灰分為13.48%，精煤熱值高于16.74 MJ/kg，分選密度±0.1含量為2.03%，可選性為易選。這表明該原煤進行高密度(>1.8 g/cm3)分選時，原煤可選性為易選，易于實現高密度排矸。

表2 150～0.5 mm原煤浮沉試驗結果

3 分選工藝選擇

基于煤質資料分析，并結合當前國內選煤技術發展現狀，認為有淺槽重介分選、X 射線智能分選[6-8]和干法分選[9-10]三種生產工藝比較適于該地區原煤的分選提質。

3.1 淺槽重介分選

淺槽重介分選的核心設備為淺槽重介分選機(以下簡稱淺槽)，具有處理能力大，分選粒度范圍寬，分選精度高，對煤質波動適應能力強，煤炭在系統內滯留時間短，次生煤泥量少等優點。但其缺點為：系統相對復雜，投資成本大，基建周期長；分選密度范圍為1.40～1.80 g/cm3，由于分選密度上限低，故難以回收密度在1.8～2.2 g/cm3之間的中煤產品；水洗后產品水分增加，熱值降低，抵消了部分提質降灰效果；由于是濕法分選，因此不能完全杜絕煤泥產品；此外，系統維修工作量較大。

3.2 X射線智能分選

X射線智能分選是一種根據X射線穿過不同密度質時衰減不同的原理而實現煤矸分選的技術。該技術對>80 mm大塊煤分選精度較高，可替代人工手選，是一種安全實用的塊煤智能分選技術，但其對于<80 mm、特別是<50 mm的煤分選精度較差，且在原煤難選、粒度較小或煤塊形狀為扁平形時，識別和氣動噴吹擊打誤差較大，矸石帶煤率顯著增加，分選精度大幅下降。此外，該技術還存在單通道處理能力低，噸煤投資大，元器件更換昂貴等問題，因此限制了其大規模應用。

3.3 干法分選

干法分選技術適宜分選易泥化煤(褐煤、不黏煤和長焰煤)、臟雜煤，也可用于高灰煉焦煤預排矸和高硫煤脫硫，尤其適合高寒干旱地區易泥化煤炭的分選。由于長焰煤水分較高，篩分較為困難，矸石遇水易泥化，采用常規濕法分選工藝時，選后末精煤水分一般為10%～12%，不僅降低產品熱值，而且會影響產品的運輸和儲存，因此可應用干法分選技術對新疆地區長焰煤進行分選提質[4-5]。

ZM礦物高效分離機是新一代智能化模塊式復合干法分選設備，其分選原理為：物料在分離床上進行階梯式旋轉運動，在階梯區間進行重復分離，并在各階梯區間形成具有一定密度差異的流態化自生分離介質層，由于該介質層的厚度及流化程度不同，因此可使待分離物料在各階梯區間介質層中的埋沒深度存在差異，從而實現各階梯區間物料基本按照密度進行分離。

該技術的優勢為：

(1)在流化狀態下，經過階梯式多級分選，煤炭提質效果好，特別是用于>13 mm塊煤干法分離時分選精度較高，可能偏差(Ep值)為0.1～0.15 g/cm3。

(2)分選過程不需用水，終端產品只有精煤和矸石。

(3)適合高密度分選排矸，工藝簡單，能耗低，投資和加工成本低。

(4)分選主機全封閉運行，環保高效，噪聲低，無粉塵。

(5)采用集成模塊化設計，占地面積小，安裝建設迅速，自動化程度高。

(6)產品轉載系統配有噴霧降塵裝置，生產作業環境友好。

鑒于吐哈地區長焰煤多為極易泥化的低階煤，在高密度分選時原煤可選性為易選，以及礦區內水資源稀缺等情況，認為吐哈地區長焰煤適宜采用干法分選工藝。

4 分選效果預測

基于前述煤質分析結果，結合淺槽重介分選、X 射線智能分選[6-8]和干法分選[9-10]三種選煤工藝在我國選煤生產中的應用情況，并考慮到未來煤質變化的可能，在此對淺槽重介濕法分選工藝和復合式干法分選工藝的分選效果進行了預測和比較。

模擬條件：原煤灰分為27.80%，水分為23.30%，低位發熱量為13.39 MJ/kg；30 mm分級篩分效率為95%；淺槽分選密度為1.80 g/cm3，分選可能偏差為0.035 g/cm3；80～30 mm干法選煤分選密度為1.85 g/cm3，分選可能偏差為0.10 g/cm3；30～3 mm干法選煤分選密度為1.85 g/cm3，分選可能偏差為0.18 g/cm3。

精煤質量要求： >30 mm塊精煤低位發熱量(Qnet,ar)≥16.74 MJ/kg; <30 mm末精煤或混煤低位發熱量(Qnet,ar)≥15.48 MJ/kg(電廠要求)。

4.1 淺槽重介濕法分選工藝

新疆地區動力煤選煤廠典型濕法分選工藝如圖1所示。生產中，原煤首先由分級篩進行30 mm分級，篩下<30 mm粒級不入選，直接作為混煤(電煤)產品銷售；篩上150～30 mm粒級經脫泥篩進行3 mm濕法脫泥后，進入淺槽分選。淺槽精煤經雙層脫介篩脫水脫介后，分級為塊精煤(150～30 mm)和末精煤(30～1.5 mm)，其中：塊精煤既可破碎至30 mm以下作為末精煤產品，也可進一步分級為洗大塊(>80 mm)和洗中塊(80～30 mm)；30～1.5 mm末精煤由末煤離心機進行產品脫水。脫泥篩篩下<3 mm煤泥水由分級旋流器濃縮分級，底流(3～0.25 mm粗煤泥)經離心機脫水后摻入末原煤中作為混煤(電煤)產品；溢流(<0.25 mm細煤泥)則自流至濃縮機，與振動弧形篩篩下水一起進行濃縮、壓濾脫水，回收的煤泥既可摻入末原煤，也可單獨落地銷售。

圖1 典型濕法分選工藝原則流程

濕法分選工藝分選效果預測結果見表3和表4。由表3、表4可知：灰分為27.80%的原煤經淺槽分選后， >30 mm塊精煤產率為29.23%，灰分為13.26%，低位發熱量達到16.76 MJ/kg，水分為28.63%?？梢妷K精煤灰分相比表1中>30 mm塊原煤灰分(26.34%)下降了13.08個百分點，塊精煤水分比原煤增加5.33個百分點，塊精煤熱值達到了>16.32 MJ/kg的外銷要求。將重介分選的末精煤和水洗煤泥產品摻入末原煤作為電煤時，電煤總產率為63.58%，低位發熱量為12.95 MJ/kg，不能滿足當地電廠對電煤的熱值要求(≥15.48 MJ/kg)。若將重介塊精煤全部破碎摻入電煤，總精煤產率為 92.81%，發熱量為15.14 MJ/kg,相比原煤熱值只提高了0.76 MJ/kg，熱值提升幅度較小。此外，塊煤入淺槽水洗還產生了約2.4 %的煤泥產品，該部分產品水分高、熱值較低，若摻入末精煤中勢必還將降低電煤熱值。

表3 濕法分選工藝產品平衡表

表4 濕法分選工藝產品綜合表

4.2 復合式干法分選工藝

采用干法分選時，<300 mm原煤首先由分級篩進行80 mm分級，然后將>80 mm篩上物破碎至80 mm以下，與分級篩篩下<80 mm粒級混合，一同進入ZM礦物高效分離機分選，生產出精煤、中煤和矸石三種產品。精煤產品可經30 mm分級，細分為>30 mm塊精煤和<30 mm末精煤兩種產品；也可將>30 mm塊煤全部破碎至30 mm以下作為電煤銷售。此外，還可將ZM礦物高效分離機中煤和精煤合并，作為最終精煤產品。干選系統除塵器收集的煤粉可摻入<30 mm電煤產品。

復合式干法分選工藝原則流程如圖2所示。該工藝流程的特點為：

圖2 干法分選工藝原則流程

(1)工藝簡單，操作管理方便，可在滿足產品要求的前提下，實現原煤全粒級入選。

(2)末煤全部分選，可大幅提升電煤質量的穩定性，降低了原煤質量波動對電煤質量造成的影響。

(3)產品結構靈活，可同時生產塊、末精煤或電煤，并能滿足塊精煤和混煤熱值要求。

(4)分選密度高，精煤產率高。

(5)不耗水，無水洗煤泥產品產生。

(6)電耗低，不用水，無介耗和藥劑消耗，節能環保。

(7)可利用現有原煤儲運、原煤準備和精煤儲運系統設施，從而降低系統投資。

(8)投資少，效率高，加工成本低，運行可靠，操作方便，維護簡單。

復合式干法分選工藝分選效果預測見表5。由表5可知：若采用復合式干法分選工藝，>30 mm塊精煤產率為24.66%，灰分為14.08%，低位發熱量達到17.02 MJ/kg，水分為26.67%， 相比表1中的>30 mm塊原煤灰分下降了12.26個百分點，且塊精煤熱值達到了外銷要求；<30 mm末精煤產率為58.36%，灰分為19.57%，低位發熱量達到了15.49 MJ/kg，熱值能夠達到電廠要求。由于干選精煤中3 mm以上各粒級熱值均已達到16.74 MJ/kg以上，因此可以根據市場需求對干選精煤篩分粒度進行調整，視市場需要向疆外市場供應>13、>25、>30 mm塊精煤。若將塊精煤和末精煤混合作為電煤，總精煤產率為83.02%，低位發熱量為15.94 MJ/kg，能夠滿足電廠對產品熱值的需求(≥15.48 MJ/kg)，相比原煤熱值提高了2.55 MJ/kg，可見干選提質效果顯著。

表5 干法分選工藝產品綜合表

通過對上述兩種分選工藝進行預測和分析可知：雖然干法分選工藝獲得的>30 mm精煤產品灰分比濕法分選工藝高， 但由于干選精煤水分更低，因此干法分選工藝精煤熱值略高于濕法分選工藝。從提高熱值角度來看，干法分選可達到與淺槽重介分選的同等效果，不僅能避免水洗時的矸石泥化問題，而且還可以大幅提高末精煤熱值。當原煤熱值為13.39 MJ/kg時，在確保>30 mm塊精煤熱值≥16.74 MJ/kg的前提下，可以生產熱值≥15.48 MJ/kg的末精煤或電煤，從而使產品結構得到優化。

4.3 原煤熱值對分選效果的影響

為研究原煤煤質波動對分選效果的影響，計算比較了原煤熱值不同時的分選效果。

在不同分選工藝條件下，原煤熱值分別為10.88、11.72、12.55、13.39、14.23 MJ/kg時的選后總精煤熱值見表6。

表6 原煤熱值不同時的精煤產品指標

由表6可知：當原煤熱值在10.88～14.23 MJ/kg之間時，干法分選工藝熱值提高幅度在2.05～3.91 MJ/kg之間，分選提質效果顯著，但隨著原煤熱值升高，分選后熱值提高幅度又逐步下降；濕法分選工藝熱值提高幅度僅在0.69～0.89 MJ/kg之間，分選提質效果不明顯，并且總精煤產品熱值不能滿足電煤熱值要求(≥15.48 MJ/kg)。

生產實踐表明，部分水洗工藝并不適用于吐哈地區長焰煤的分選加工。哈密地區一座采用部分水洗工藝的選煤廠生產采用淺槽分選>30 mm原煤，原煤入選比例約30%～40%，<30 mm末煤(占比為60%～70%)旁路不入選。2016年該廠塊煤重介系統試運營結果表明，當原煤熱值在14.23 MJ/kg左右時，選后產品熱值低于15.48 MJ/kg，說明該廠現有水洗系統不能滿足電廠用煤的質量要求，尤其是當原煤中有含碳泥巖及矸石大量混入時，水洗產品的發熱量更是遠遠低于電煤要求。

5 半工業性試驗

為驗證干法分選的可行性，對哈密大南湖礦長焰煤進行了半工業性復合干法分選試驗，試驗結果見表7。 由表7可知：該廠原煤熱值為13.46 MJ/kg,為中灰中硫煤， 干選精煤產率為78.16%，精煤熱值為16.21 MJ/kg，熱值提高2.75 MJ/kg；硫分也由原來的1.67%降低至0.6%，脫硫率達到71.67%。該半工業性試驗結果也驗證了前述對干法分選工藝效果的預測。

表7 長焰煤半工業性試驗結果

6 結語

新疆吐哈地區長焰煤資源豐富，但原煤易泥化，并且高寒、干旱、缺水的區域特性也給原煤的濕法分選帶來了困難，若采用濕法分選選后產品需要降水、防凍、干燥，工藝較為復雜，不僅會造成濕法分選投資大，且洗選成本高，使企業的經濟效益和社會效益都受到不利影響。復合干法選煤技術不僅可以有效降灰提質，而且能使產品水分略有降低，更有利于該地區煤炭產品的儲運。分選效果預測和半工業性試驗結果均表明，吐哈地區長焰煤更適合采用干法分選來降灰提質。隨著干法選煤技術的日臻成熟及其在褐煤、貧煤、不黏煤、氣肥煤和無煙煤等多煤種分選提質中的廣泛應用，未來該技術也將在新疆地區長焰煤的分選提質中大有可為。