碳中和愿景下潘三選煤廠的發(fā)展方向研究

周宏強(qiáng)，宗 召，畢傳祥，劉黔川，杜穎峰

(淮南礦業(yè)集團(tuán)潘三選煤廠，安徽 淮南 232096)

1 概 述

2015年達(dá)成的《巴黎協(xié)定》設(shè)定了到21世紀(jì)末將全球平均氣溫相比前工業(yè)化時(shí)期升幅控制在2 ℃以內(nèi)，并力爭控制在1.5 ℃以下的全球目標(biāo)。2020年，習(xí)近平總書記在第75屆聯(lián)合國大會(huì)上宣布，中國將增加自主減排貢獻(xiàn)，努力爭取CO2排放量于2030年前達(dá)到峰值，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和[1]。中國作為世界上最大的發(fā)展中國家，同樣也是世界最大的碳排放國，占世界能源碳排放總量比重的28.8%，“雙碳目標(biāo)”的提出對全球1.5 ℃溫升的實(shí)現(xiàn)起著至關(guān)重要的作用。

國際能源署(IEA)統(tǒng)計(jì)的我國2006—2019年分能源品種的CO2排放情況如圖1所示，可以看出，2019年由化石能源消費(fèi)產(chǎn)生的碳排放總量為100億t左右。其中，由煤炭消費(fèi)產(chǎn)生的CO2排放量約為75%，其次為石油和天然氣，分別占比14%和7%。由此可見，為實(shí)現(xiàn)“30·60”目標(biāo)，煤炭作為高碳能源其消費(fèi)比例勢必會(huì)不斷下降，但受我國“富煤、貧油、少氣”資源稟賦的制約，短期內(nèi)被完全取代也不現(xiàn)實(shí)。據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，2019年我國煤炭消費(fèi)量占能源消費(fèi)總量的57.7%，預(yù)計(jì)未來15～20 a內(nèi)煤炭的產(chǎn)量不會(huì)大幅下降[2]，但將逐步步入高質(zhì)量發(fā)展期，煤炭行業(yè)的競爭也會(huì)越來越激烈。

圖1 中國2006—2019年分能源品種的CO2排放量

因此，未來礦企要轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)煤炭產(chǎn)業(yè)粗放的發(fā)展形勢，大力發(fā)展煤炭洗選加工，根據(jù)終端市場需求、煤礦資源條件和煤質(zhì)特征等，開展定制化服務(wù)，向精細(xì)化方向發(fā)展；更新煤炭洗選工藝、技術(shù)與裝備，提高煤炭產(chǎn)品質(zhì)量和資源利用效率，向節(jié)能高效、綠色低碳方向發(fā)展。對于工藝技術(shù)落后、高能耗、高排放的企業(yè)，在未來的競爭中必定會(huì)被淘汰出局。

2 潘三選煤廠簡介

潘三選煤廠(以下簡稱“潘三廠”)隸屬于淮南礦業(yè)集團(tuán)，是投產(chǎn)于20世紀(jì)90年代初的礦井型動(dòng)力煤選煤廠，原設(shè)計(jì)能力3.0 Mt/a，工藝流程為：大于18 mm篩上采用重介質(zhì)斜輪分選，末煤直接上倉銷售，煤泥水濃縮后壓濾回收[3]。后進(jìn)行過一次高定位技改，新增塊煤淺槽和末煤重介質(zhì)旋流器系統(tǒng)，改造后洗選能力達(dá)到5.0 Mt/a。工藝流程為：毛煤經(jīng)過一級篩分，大于80 mm塊煤進(jìn)入手選作業(yè)排矸，再經(jīng)破碎摻入原煤；小于80 mm原煤進(jìn)入13 mm弛張篩分級，80～13 mm進(jìn)入重介淺槽分選，洗后精煤破碎至50 mm以下進(jìn)入產(chǎn)品倉；小于13 mm篩下末煤進(jìn)入末煤旋流器分選或直接進(jìn)入產(chǎn)品倉；粗煤泥通過弧形篩+高頻篩回收后摻入產(chǎn)品，細(xì)煤泥通過濃縮機(jī)+壓濾機(jī)回收，煤泥直接落地。

3 “雙碳目標(biāo)”導(dǎo)向下潘三廠的發(fā)展路徑

3.1 煤泥綜合利用

煤泥作為煤炭洗選加工的副產(chǎn)品，具有灰分高、水分大、熱值低等特點(diǎn)，隨著原煤入洗比例的提高，特別是末煤入洗量的加大，煤泥的產(chǎn)量也不斷提高[4]。目前對該部分低質(zhì)煤多采取落地銷售的方式，這樣一方面是產(chǎn)品價(jià)格低廉，在一定程度上造成資源浪費(fèi)；另一方面會(huì)產(chǎn)生污水、煤塵等，污染了礦區(qū)及沿線生態(tài)環(huán)境，隨著國家對環(huán)境環(huán)保的重視，企業(yè)環(huán)保壓力也越來越大。在“30·60”目標(biāo)導(dǎo)向下，煤泥的處理問題會(huì)變得更為困難，因此研究煤泥減量化、實(shí)現(xiàn)其綜合利用是選煤廠今后發(fā)展的重點(diǎn)方向之一。

2020年上半年潘三廠進(jìn)行了煤泥回?fù)交烀合到y(tǒng)的生產(chǎn)性實(shí)踐，該工藝現(xiàn)已在淮南礦業(yè)集團(tuán)張北選煤廠成功應(yīng)用，年處理煤泥20萬t，創(chuàng)造直接經(jīng)濟(jì)效益上千萬元。

3.1.1 可行性分析

根據(jù)潘三廠2020年選煤生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)情況，全年煤泥量約為原煤的1.41%，煤泥量相對較小，水分約為23.9%，煤泥灰分約為53.60%。壓濾煤泥入料小篩分試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 潘三廠壓濾煤泥入料小篩分試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表1可以看出，小于0.045 mm極細(xì)粒級煤泥含量較少，因此煤泥脫水相對容易[5]，濾餅水分小于24%，水分相對較低，具備摻入洗混煤的初步條件。

3.1.2 原壓濾系統(tǒng)改造

在206塊精煤帶式輸送機(jī)正上方，809煤泥轉(zhuǎn)載刮板的箱體底部開一個(gè)1200mm×800mm的長方形孔洞，打穿樓板，并安裝帶割煤板的溜槽，將809刮板和206帶式輸送機(jī)鏈接，實(shí)現(xiàn)壓濾煤泥向洗混煤的回?fù)健Ｃ耗鄵交煸O(shè)備流程如圖2所示。

圖2 煤泥摻混設(shè)備流程

3.1.3 工藝流程

原壓濾車間805、806 2臺HMZG370/1500-U型高效壓濾機(jī)生產(chǎn)的煤泥濾餅經(jīng)807、808煤泥收集刮板進(jìn)入809煤泥轉(zhuǎn)載刮板，809-1抽板打開，通過新安裝的帶割煤板的溜槽破碎后落入206塊精煤帶式輸送機(jī)，由于煤泥卸餅的不連續(xù)性，在701上倉帶式輸送機(jī)上可以實(shí)現(xiàn)塊精煤、末煤、煤泥的較均勻混摻，最終進(jìn)入5號產(chǎn)品倉，作為洗混動(dòng)力煤銷售。

3.1.4 效益分析

2020年潘三廠全年入選原料煤330.94 萬t，煤泥產(chǎn)量4.67 萬t，產(chǎn)率1.41%，灰分53.60%，水分23.9%，發(fā)熱量10.53 MJ/kg；洗混煤262.76 萬t，產(chǎn)率79.40%，其中16.5%作為動(dòng)力煤售賣，共計(jì)43.36萬t，水分4.65%，灰分52.03%，發(fā)熱量13.81 MJ/kg。

根據(jù)市場價(jià)格，煤泥發(fā)熱量10.53 MJ/kg價(jià)格為180 元/t，單獨(dú)銷售煤泥時(shí)，全年煤泥銷售額為：180元/t×4.67萬t=840.6萬元；洗混煤發(fā)熱量13.81 MJ/kg價(jià)格為336.6元/t，動(dòng)力煤全年銷售額為：336.6元/t×43.36萬t=14595.0萬元。總銷售額為15 435.6萬元。

煤泥摻入洗混煤后，摻混煤發(fā)熱量降低至13.49 MJ/kg，市場價(jià)格為328.85 元/t，摻混煤全年銷售額為：328.85元/t×(43.36+4.67萬t)=15794.67萬元。全年可增加收益359.07 萬元。

表2 潘三廠煤泥摻入洗混煤中的影響

煤泥回?fù)交烀汗に嚨膽?yīng)用，轉(zhuǎn)變了以往的生產(chǎn)方式，使煤泥不再落地，給煤泥提質(zhì)、為企業(yè)增效；解決了環(huán)保問題，實(shí)現(xiàn)了礦企的綠色生產(chǎn)，提高了市場競爭力。

3.2 發(fā)展智能干選技術(shù)

“十三五”期間，整個(gè)煤炭行業(yè)開始化解過剩產(chǎn)能、淘汰落后產(chǎn)能，截止2020年底，全國累計(jì)退出煤礦5 500處左右、退出落后煤炭產(chǎn)能10億t/a以上，安置轉(zhuǎn)崗職工100 萬人左右[6]。有關(guān)行業(yè)預(yù)測，在“雙碳目標(biāo)”驅(qū)動(dòng)下，到2050年，我國煤炭行業(yè)就業(yè)人數(shù)減至 92.9萬人，比2015年減幅390.2萬人。在此大環(huán)境下，潘三廠也不例外，截止2021年7月，累計(jì)退休、轉(zhuǎn)崗55人，預(yù)計(jì)未來10 a人員還將減少1/3左右，面對人力資源短缺問題，潘三廠領(lǐng)導(dǎo)層研究決定淘汰現(xiàn)有落后生產(chǎn)工藝，發(fā)展行業(yè)前沿的智能干選技術(shù)。

3.2.1 100～25 mm智能干選可行性研究

(1)技術(shù)背景。基于射線分選的干選技術(shù)研究最早開始于20世紀(jì)60年代的英國，國內(nèi)1988年開始研究用于煤炭分選的干選技術(shù)，2005年制造了采用γ射線識別的干選裝置，并應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場；2011年開始，國外部分X射線干選機(jī)開始在煤炭行業(yè)應(yīng)用，但分選精度較低，矸石帶煤量在5%～10%之間；2016年6月，天津美騰公司的300～50 mm TDS干選機(jī)在晉煤集團(tuán)趙莊煤業(yè)投入生產(chǎn)，矸石帶煤率為0.85%，矸石排出率達(dá)98%，宣告首臺高精度智能干選機(jī)成功實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用[7]；2017年2月100～25 mm智能干選機(jī)在晉煤集團(tuán)坪上煤業(yè)成功運(yùn)行，矸石帯煤率在1%～3%，標(biāo)志著智能干選機(jī)工業(yè)應(yīng)用的分選下限降低至25 mm；目前國內(nèi)多家選煤廠已成功應(yīng)用干選技術(shù)代替人工選矸、動(dòng)篩跳汰機(jī)、淺槽分選機(jī)等，矸中帯煤率控制在1%～3%，分選精度接近淺槽高于動(dòng)篩、跳汰等設(shè)備，技術(shù)已相對成熟。

(2)潘三廠煤質(zhì)資料分析。根據(jù)潘三廠2020年4月原煤篩分(表4)和浮沉試驗(yàn)資料(表5)，原煤灰分為59.14%，屬于高灰分煤；各粒級灰分隨粒度減小程下降趨勢，說明矸石較硬而煤較脆[8]；1.5～1.8 kg/L密度級產(chǎn)率占本級的3.16，中間密度物含量低，該原煤易分選；100～25 mm粒級產(chǎn)率為22.23%，灰分77.36%，浮沉試驗(yàn)主導(dǎo)密度級為大于1.8 kg/L，占本級產(chǎn)率的85.43%，說明100～25 mm粒級原煤中矸石含量大且矸石較純。綜上，可以利用TDS“打煤”工藝有效排矸降低原煤灰分。

表3 TDS工業(yè)應(yīng)用情況

表4 潘三廠原煤篩分試驗(yàn)

表5 潘三廠原煤100～25 mm粒級浮沉試驗(yàn)

3.2.2 工藝流程

原煤經(jīng)80 mm滾軸篩分級，篩上物料破碎至80 mm以下，通過110原煤帶式輸送機(jī)進(jìn)入選煤廠，經(jīng)201帶式輸送機(jī)和202刮板機(jī)給入3臺弛張篩進(jìn)行25 mm分級，篩下物料可以進(jìn)末煤重介質(zhì)旋流器分選或直接通過701膠帶進(jìn)入產(chǎn)品倉，大于25 mm篩上物料經(jīng)301帶式輸送機(jī)進(jìn)入智能干選系統(tǒng)排矸，精煤經(jīng)361破碎機(jī)破碎后，通過336刮板、206、701膠帶進(jìn)入產(chǎn)品倉。優(yōu)化改造后的工藝流程如圖3所示。

圖3 改造優(yōu)化后工藝流程

3.3 優(yōu)化資源利用、發(fā)展焦煤市場

目前，煤炭的終端消費(fèi)主要涉及電力與供熱、冶金、化工、建材等行業(yè)，其中電力與供熱耗煤量占60%左右，冶金焦化等消費(fèi)煤炭量占18%左右，化工用煤占7%左右[9]。為落實(shí)“雙碳目標(biāo)”勢必要減少煤炭消費(fèi)量，實(shí)施“減煤替代”，首當(dāng)其沖就是煤電領(lǐng)域，隨著水電、太陽能、風(fēng)電、核電等清潔能源的發(fā)展，電煤消費(fèi)市場必將會(huì)快速被壓縮，導(dǎo)致動(dòng)力煤產(chǎn)品需求量快速下滑。

潘三礦區(qū)煤種以氣煤和1/3焦煤為主，均屬煉焦煤種。通過對氣煤進(jìn)行洗選降灰制取氣精煤的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)小于1.4 g/cm3密度級浮物灰分為9.16%，揮發(fā)分為40%，粘結(jié)指數(shù)大于85，膠質(zhì)層最大厚度15 mm左右，硫分小于0.4%，為高揮發(fā)分、強(qiáng)黏結(jié)性、低硫的煉焦配煤[10]。因此潘三廠順應(yīng)市場需求變化，發(fā)揮煤種資源優(yōu)勢，洗選加工焦煤產(chǎn)品。

4 結(jié) 語

煤炭洗選加工業(yè)擔(dān)負(fù)著煤炭清潔高效利用的重大任務(wù)，“十四五”期間，將迎來整個(gè)行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展期，競爭也會(huì)越來越激烈。潘三廠將立足于針對市場需求，充分發(fā)揮煤種優(yōu)勢發(fā)展焦煤戰(zhàn)略；實(shí)現(xiàn)煤泥綜合利用，提高資源利用效率，降低洗選副產(chǎn)品對環(huán)境的負(fù)面影響；發(fā)展智能干選等行業(yè)前沿技術(shù)，實(shí)現(xiàn)煤炭加工環(huán)節(jié)的綠色、低碳發(fā)展。為我國力爭2030年前實(shí)現(xiàn)碳排放達(dá)峰、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和貢獻(xiàn)力量。