新形勢下煤炭洗選加工現狀與發展趨勢

張潤澤

(濱海金地礦業工程技術(北京)有限公司，北京 100027)

我國單位GDP能耗是世界平均水平的1.4～1.5倍，若能達到世界平均水平，每年必須少用13 億t標準煤，減排34 億t二氧化碳，約占2020年碳排放總量的1/3[1]。結合“雙碳”戰略，在未明確提出“3060”目標前，經濟效益最大化、降低生產成本是行業發展的主要思考點；在提出“3060”戰略后，煤炭行業思考的方向已經轉向了是否有排污權、用能權、用水權、碳排放權等，同時在新建、改造或生產過程中優先考慮低碳節能技術、經濟效益和投資回收期等主要問題。在雙碳戰略下，順應低碳節能發展趨勢，選煤行業通過增加煤炭入洗率提高質量；采用智能化、信息化等新技術做到節能、減排、降耗；保留優質產能、淘汰落后的洗選加工方式已經成為行業發展的必然趨勢。

1 煤炭的戰略地位

2025年前后煤炭消費實現達峰，預計消費將達到42億t/a[2]；2060年煤炭在能源消費結構中占比從57%下降至7%(詳細數據如表1所示)，消費量下降至約3～5億t/a[3]。保留的煤炭消費主要是化工行業和能源應急響應的用煤需求。基于世界能源格局、我國資源稟賦現狀以及現實的經濟社會需求，未來20年煤炭在我國能源結構中仍然占有較高的比重，是國家能源安全的重要保障。

表1 煤炭在一次能源中的消費比例 %

2 選煤行業的現狀

20世紀50年代，中國選煤行業處于發展初期，跳汰選煤是主流分選工藝。20世紀90年代，中國選煤行業進入快速發展時期，國外先進技術、設備的引進和國內重介分選設備的開發促進了選煤技術設備的發展，推動了行業的進步，重介選煤替代跳汰選煤成為主流工藝。中國選煤工藝呈現國產化、大型化趨勢，逐漸達到國際先進水平[4]。

2.1 濕法選煤的發展趨勢

隨著煤炭清潔化利用，重介質分選順應低碳發展趨勢，逐年提升入洗率提高煤炭質量。2005—2016年，我國原煤的入選量從7.0億t增長至25.1億t(詳細數據如表2所示)，到2016年煤炭的入洗率達到65%[5]。“十三五”期間，煤炭入洗率進一步提升，2020年我國原煤入洗能力達到32億t以上，原煤入洗率達到75%。在此基礎上，“十四五”規劃，繼續提升入洗率達至90%。

表2 我國原煤入選量及入選比例

2.2 濕法分選存在的問題

根據我國煤炭分布和煤自身稟賦的特點，濕法分選雖然是我國煤炭洗選加工的主流工藝方法，但在一定程度上也存在較大的局限性。

(1)我國煤炭分布不均衡，70%以上分布在干旱缺水的西部地區[6]。采用耗水量較大的濕法分選，對于水資源短缺的地方相當困難，就重介質選煤而言，入洗1 t原煤耗水量約0.03 m3。

(2)低階煤自身遇水易泥化。采用濕法分選后，煤泥水中大量的細煤泥及矸石泥造成系統處理負荷增加，煤泥水處理困難。

(3)在北方嚴寒的冬季，細煤泥經壓濾設備處理后，動力煤選煤廠一般都是摻入混煤發運，易造成混煤煤質水分偏大或者粘度增加，火車裝運的重車因煤質水分大、長時間運行、極寒天氣等綜合因素經常造成凍車或者卸煤堵料影響一體化運行的情況發生。

除此之外，在實際生產過程中，介質循環雖然是采用耐磨管道輸送，但是系統經常會出現“跑、冒、滴、漏”的現象，管道和主要設備的磨損一直是生產現場需要解決的問題。既消耗人力資源，也增加設備維護、更換的成本。隨著煤炭加工向“保質”、“保量”雙向并重的清潔發展，濕法分選中入洗率提升，介質消耗越來越大。細煤泥中的高灰細粒煤占比增加一方面造成沉降困難，另一方面采用加壓過慮機或者板框壓濾機處理效果不佳，導致煤泥難以排出系統，造成濃縮池壓力增加，同時藥劑消耗增大。

3 干選技術的發展及突破

干法選煤技術的發展已經有40多年，通過創新和技術進步，解決發展過程中遇到的分選精度低、物料識別準確度差、穩定性和適應性弱等問題，實現創優創效，解決濕法選煤所產生的技術及成本問題。

3.1 干選技術的發展

20世紀80、90年代進入探索研究階段，主要是空氣重介和復合式干選機的技術研究[7]；21世紀初進入技術攻關階段，主要解決干法選煤理論、技術與工程化的難題，提高干法選煤的精度、效率、可靠性和適應性。近十年來，隨著智能化發展和算法的成熟，干法選煤進入快速發展階段。選煤行業掀起了新一輪技術創新浪潮，涌現出大型復合式干法分選機、模塊式高效干法選煤工藝、新一代干法重介質流化床分選機、光電(智能)干選機等一系列干選設備。

利用射線分選技術的智能干選機秉承干選技術不用水、不用介質、系統簡單的特點，率先建立分選精度高、噴吹精度準、設備體積小、生產成本低、投資運行省的優勢，響應當下煤炭行業節能、減排、降耗等政策號召，在國內選煤廠和煤礦井下快速推廣應用。

3.2 智能干選機的技術突破

(1)實現300～80 mm大塊、80～25 mm中塊物料分選。在智能干選機逐漸成熟并走向工業現場的過程中，主要解決的就是識別準確度、噴吹精度和處理能力的技術問題。

智能干選機采用前沿大數據分析、人工智能和圖像識別技術實現了對煤和矸石的識別，并運用深度學習技術實現系統的自主學習，系統自動調優迭代，提高識別的準確度。采用有限元分析與流體力學耦合分析技術提高了噴吹精確度。采用多級布料、多級加速，解決物料在布料器上粘連疊壓的問題，提升處理能力。

(2)實現25～6 mm分選。實際生產中，細粒煤處理一直是干選的難題，原煤在風力、激振力和重力3個力場的作用下，將產生流化現象，不同密度、粒度原煤流態化所需要的力場不同。通過智能梯度流態化高精度末煤分選的技術，構建系統的多相、多組分、多尺度的流態化分選理論體系，將煤流分為不同的梯度，賦予各梯度不同的力場，使不同密度、粒度的原煤在各梯度呈現不同的流化狀態，實現原煤徹底按密度分層，再將各層精準切分出來，實現25～6 mm精確分選的目的。

結合弛張篩6 mm以下脫粉工藝，干法選煤工藝系統為300～25 mm大、中塊分選，25～6 mm末煤分選。圖1為干選工藝流程。

圖1 干選工藝流程

4 干法選煤的應用與前景

干法選煤技術在實現全粒級分選和結合智能化發展的基礎上，逐步走向成熟。新形勢下，干選技術應該在規范技術標準、建設規模化系統、配套井下矸石充填以及清潔高效利用煤炭資源等領域實現技術突破和工業應用。

4.1 提高煤炭適應性和分選精度

針對原煤不同的粒度組成，水分、灰分的變化，特別是出現礦井煤源是多個工作面配采、地質結構較復雜等導致原煤質量波動較大的生產情況，提高煤炭干選技術的適應性，制定煤炭干法分選可行性評價方法；對比領先領域的技術特征，提高物料識別和分析智能化程度，做到煤中有機質與礦物質的精準分離、有機顯微組分的高效富集，實現高效精準的分選。

4.2 推進選煤廠大型化、標準化、智能化發展

保留優質產能、淘汰落后的洗選加工方式實現創優，實現大型化、標準化、智能化選煤廠發展是進步的趨勢[8]。提高干法分選能力，開發處理能力大、適應性強的干選設備，完善千萬噸級大型干法選煤廠配套裝備；建立規范的工藝系統設計體系，發揮設備高度模塊化和可移動性的優勢，節省建設周期和維護費用，實現設備制造、選煤廠設計、建設和生產管理標準化；結合智能化發展趨勢，將物聯網、大數據、云平臺等“互聯網+”技術融入干法選煤全過程，完善智能感知、智能控制、智能管理、智能決策的建設體系，加強系統性建設。

4.3 實現井下干法排矸充填技術

近年來煤炭行業提出了“采選充一體化”的新生產模式，即井下采煤、井下煤矸分選、選后矸石充填井下采空區三部分形成循環閉合開采體系。對比濕法分選，干選應充分發揮系統設備數量少、穩定可靠、寬度窄、體積小、智能程度高等特點，實現井下遠程集控、無人值守的智能化技術的應用，切實踐行煤炭原位干法分選，矸石不升井，減少環境污染，降低運輸和洗選成本等友好發展理念。

4.4 開發提質增效配套技術

目前，干法選煤技術還主要是應用在煤矸分離過程中，下一步應研究降水、降灰等低能耗、高效率的干法提質技術，實現全系統干法分選與提質增效的一體化生產，提高分選加工質量，滿足不同用戶的要求；同時，需開發粉煤灰、煤泥、煤矸石等的干法分選技術，實現其資源化利用和固體廢棄物零排放，為煤炭清潔、高效利用提供合理、有效的途徑。

5 煤炭洗選加工未來發展方向

5.1 洗選工藝裝備的多樣化

在雙碳目標下，更加突顯出煤炭洗選加工的重要性。未來煤炭洗選加工存在以下幾種可能的發展趨勢：① 為了降低環境的影響，煤炭洗選加工的部分工藝或全部工藝放到井下，實現矸石的部分或全部不升井；② 干法分選與傳統濕法分選的有機結合，充分發揮各自的優勢，達到洗選過程的節能、減排；③ 分選裝備的多樣性發展，既能滿足地面煤炭分選的需要，也要滿足井下煤炭分選的條件。

5.2 智能化貫穿分選全過程

智能化選煤是指通過智能化技術在選煤過程的應用，生產運行逐步做到少人或無人干預，最終達到選煤廠安全、高效、節能、環保的生產目標。

智能化建設在選煤過程中的技術路線：① 通過智能傳感、大數據技術的感知和認知，認定選煤全流程的運行狀態是否正常；② 在認定結果的基礎上，利用人工智能技術，實現選煤流程智能運維和操作優化；③ 結合虛擬技術，實現虛擬選煤廠的設計與實體選煤廠信息、物理系統的完美映射與深度融合，促進實體選煤廠生產優化升級；④ 聯動采、選、運全產業鏈過程，推送、共享過程信息，應用智能協同技術，減少中間環節，精準控制生產經濟指標；⑤ 配套全方位、全流程的工業軟件平臺，為做好生產過程監測監控、數據分析、智能管理等功能提供標準、統一的載體和接口[9-11]。

智能化實施步驟可能分為以下三個方面：

(1)單機設備的智能化。分選設備的智能化包括各個結構參數和操作參數的實時獲取，大數據分析，智能算法學習決策，同時實現設備各參數之間的高效協同，共同實現對單臺分選設備的智能化決策和調控。

(2)系統全局的智能化。分選工藝系統中，各個設備之間存在著很強的耦合關系。為了實現系統整個流程的能耗、污染物排放優化，必須同時實現各設備之間的協調。建議首先根據工業流程機理計算，確定流程的最佳參數范圍和限制條件，結合智能非線性系統優化算法，尋求全局優化解，進而確定工藝流程系統各個環節的最佳參數。系統的全局優化是建立在大數據分析的基礎上，并且可以實現對系統的實時分析，目前在化工領域已經開展應用，取得了較好的節能降耗效果。

(3)全過程生產智能指揮。在傳統的集中控制、集中調度、集中協調匯報的工業自動化生產指揮模式下，引入生產、煤質、機電、經營等精細化管理理念，利用互聯網、物聯網、大數據等技術，以可移動、可穿戴等終端設備為載體，構建“大生產管理”體系。促進機器與機器，人與人，人與機器之間的交流互通，實現跨區域、跨時間、跨業務的信息互聯，達到提高生產指揮效率、提升故障處理反應速度、減少中間層級傳遞環節、降低生產運行指標消耗等管理目標，切實做到企業的信息化管理及生產全過程管理智能化監管，實現移動化、可視化以及有序化的運行管理。

6 結 語

雙碳目標下，煤炭洗選加工更為重要。傳統的煤炭洗選加工工藝及方法雖然實現了原煤75%的入洗，但也存在一系列的問題。干法分選技術的快速發展取得了豐碩的成果，并進行了規模推廣應用。煤炭的洗選工藝裝備的多樣化是未來煤炭洗選加工行業的趨勢之一，干法分選與傳統濕法分選的有機結合，能夠充分發揮各自的優勢，達到洗選過程的節能、減排。依托選煤大數據與專家知識庫，形成整體感知、實時監測、數據共享、綜合分析、獨立學習、動態預測、協同控制的智能系統，是煤炭洗選加工過程控制的發展方向，生產運行逐步做到少人或無人干預，最終達到選煤廠安全、高效、節能、環保的生產目標。