煤炭干法分選的發展與挑戰

李思維，常 博，劉昆輪，周晨陽，董 良，段晨龍，趙躍民

(1.國家能源集團 新疆能源有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830002；2.煤炭加工與高效潔凈利用教育部重點實驗室(中國礦業大學)，江蘇 徐州 221116；3.中國礦業大學 化工學院，江蘇 徐州 221116)

0 引 言

煤炭是我國主要能源之一，支撐了經濟和工業的快速發展。2020年我國的能源消費達49.8億t標準煤，煤炭消費總量占比達56.8%，對我國經濟增長具有重要作用[1]。目前，煤炭粗放型發展引起的地下水污染，以及煤低效利用帶來的大氣污染成為遏制社會發展的關鍵難題。2020年國務院發布的《新時代的中國能源發展》白皮書指出，要推進煤炭供給側結構性改革，推動煤炭等化石能源的清潔高效利用[2]。因此，需要對我國能源資源稟賦進行深入剖析，做好煤炭清潔高效可持續開發利用。

作為潔凈煤技術的重要組成部分，選煤可緩解煤炭運輸負荷，有助于降低煤使用過程中有害元素和有害氣體的排放，減輕大氣污染。為了應對全球經濟增長緩慢、能源結構變革及環保要求提高，發展煤炭潔凈化高效利用技術既能提高煤炭的質量和利用效率，也符合國家發改委《能源生產和消費革命戰略(2016—2030)》[3]提出的“加強煤炭洗選加工，提高煤炭洗選比例”的行動目標。

隨著我國煤炭開采水平的快速發展，深部開采已成為發展趨勢，西部地區逐漸成為我國煤炭發展的中心，我國煤炭產品中低品質煤總量不斷增加。同時，我國低品質煤潛在儲量可觀，已成為實現我國能源保障不可或缺的資源，約占我國煤炭資源的40%[4]。因此，針對高灰、高硫、高水的低品質煤進行大規模提質利用，是我國煤炭工業可持續發展亟待解決的重大難題。傳統的濕法選煤技術嚴重依賴水資源，噸煤耗水0.1～0.3 m3，分選產品水分約10%，部分抵消了分選后熱值提高的優勢，分選質量改善效果不明顯；產品煤水分高，儲運難度大，煤泥水易凍結難以處置。因此，研究高效的干法選煤技術可以彌補現有濕法分選技術的不足，提高我國煤炭入選比例，推動我國煤炭資源的高效潔凈利用。

1 干法分選技術的研究進展

煤與矸石物理性質(密度組成、粒度組成、導電性等)存在較大的差異，干法選煤主要利用密度組成差異實現分選，分選過程不需要煤泥水處理系統，可以減少水資源的使用，有效壓縮生產成本，還可以解決寒冷地區裝卸車的難題，是煤炭資源清潔高效分選提質的有效方法[5]?；诂F有干法分選技術特點和研究進展，有必要梳理現有干法分選技術的發展現狀，為未來煤炭的干法分選技術研究提供借鑒，也為干法選煤廠的設計提供參考。

自1850年以單相氣體作為分選介質的風力選煤技術提出以來，學者相繼開發了風力分選[6-14]、復合式干法分選[15-19]、干法重介質流化床分選[20-24]、光電分選(X射線/γ射線分選)[25-28]等，主要技術及參數見表1，分選過程具有不用水、成本低、無污染的特點，為煤炭提質利用，尤其為動力煤的分選作出重要貢獻。以下將圍繞相關干法分選技術的發展現狀做進一步介紹。

表1 干法分選方法及參數

1.1 風力分選技術

風力分選技術可以概括為基于煤炭和矸石在壓縮空氣中沉降末速的差異，借助周期性脈動氣流實現煤炭的有效分選，主要包括包括風力跳汰與風力搖床分選機。近年來，風力跳汰分選技術受到了中國、德國、土耳其、美國、印度等國關注，在工業放大以及推廣上取得了重大突破。德國的Allminerals公司在德國亞琛大學搭建了半工業規模的分選樣機，處理量為300 kg/h。WEINSTEIN和SNOBY[29]利用風力跳汰開展了煤炭工業性分選試驗研究，由于分選機理簡單、投入成本低，在美國建立了風力跳汰分選工業性系統，處理量在50～120 t/h。目前，風力搖床分選機的研究工作主要集中在KADEMLI和GULSOY[30]對大于6 mm褐煤分選研究，主要分析了床層振動頻率、床層傾斜角度、給料速度、柵格的高度對分選效率的影響，結果顯示分選效率與風力跳汰接近，風力搖床的可能偏差E可以維持在0.13～0.23 g/cm3，有效分選粒度為6～38 mm。

1.2 復合式干法分選機

復合式干法分選機通過振動氣流復合力場驅使物料在翻轉剝離過程中按密度與粒度梯級分布，完成分選。針對復合式干法分選技術的分選特性研究較多，為了分析煤炭顆粒分選過程與床面布置的相互影響，相繼研究了粒級組成、床體設計、操作條件對分選精度的影響，探究了煤炭運動特征以及煤炭密度分布的規律。目前，復合式干法分選技術已在美國、俄羅斯、澳大利亞、印度尼西亞、南非、波蘭等國家得到推廣應用，處理能力可達480 t/h，E在0.20～0.30 g/cm3。

1.3 光電分選技術

隨著科技發展，國內外的研究熱點主要在智能化干法分選技術。目前，智能干法分選技術主要分為3類：X射線識別、γ射線識別以及基于色差的智能識別。其原理是煤和矸石對X射線、γ射線的吸收和散射程度存在明顯區別，相關探測器卡獲取的信息存在顯著差異性，進而有助于獲取具有較大區別度的影像，因此，煤炭和矸石會呈現差異性非常顯著的影像，進而有效分離煤和矸石。目前，智能干法分選機對塊煤的分選精度較高，優勢在于簡化工藝流程，實現了對人工揀矸的替代，大大壓縮了人力成本，已成功實現300～25 mm塊煤分選的工業應用，處理能力達380 t/h，有效降低了矸石的帶煤率，在國內多個選煤廠進行了工業性分選試驗。

1.4 干法重介質流化床分選技術

干法重介質流化床分選技術，又稱空氣重介流化床分選技術，是干法領域的研究熱點之一，是氣固鼓泡流態化技術在礦業領域的拓展應用，利用氣固流化床似流體的特點，實現精煤和矸石按照密度進行有效分離。目前，氣固流態化分選研究得到了澳大利亞、印度、日本、南非、中國等國學者的關注，各國學者圍繞流化特性、密度調控、煤炭分離機制等方面開展了細致研究，建立了多套半工業規模的分選樣機。在工業推廣方面，中國礦業大學率先開發了模塊化干法重介質流化床選煤系統，成功進行了工業推廣，實現了煤炭的干法精選，主要針對粒度在100～6 mm煤炭的高效干法分選，E在0.05～0.08 g/cm3。

2 干法分選技術的展望與挑戰

我國干法分選技術取得了突破性進展，處于世界領先地位，為我國煤炭分選提質，尤其是對動力煤和低階煤的高效利用作出了突出貢獻。目前，我國煤炭消費主要集中在動力煤，且低階煤資源占比逐年上升，干法選煤的優勢更加明顯，符合“煤泥減量化，減少水資源”的選煤廠發展趨勢。然而，干法分選技術也存在發展瓶頸，入料粒級窄、水分要求高、智能化程度不高等難題亟需解決。因此，需要對現有分選技術進行凝練，為未來發展提供方向。

2.1 全粒級煤炭干法分選

目前，干法分選技術主要集中在塊煤分選，主要有單一風力分選機、復合式干法分選機、干法重介分選機，研究發現分選技術能降低原煤灰分和硫分，提高發熱量。然而，在風力分選過程中，隨著粒度逐漸減小，密度不同的顆粒在分選機上運動速度的差異逐漸減小，顆粒分離難度增加。而在空氣重介流化床分選機中，由于隨著煤炭粒度的減小，表面作用力和流體作用力增強，使煤炭按密度分選效應減弱，細粒煤分選效率較低。因此，需要高效的篩分作業作為支撐，需考慮進一步優化工藝，加快干法分選技術攻關，提高對入選原煤的適應性。

學者開展了復合式干法分選機分選細粒煤的試驗研究，其目的是分析煤炭運動與床面設計的相互影響，為分選機的研制提供理論依據。目前，學者研制的新型礦物高效分離機處理能力可達1 000 t/h，分選粒度在1～13 mm，E可達0.13～0.23 g/cm3，主要應用于細粒煤的粗選。

同時，由于細粒煤中煤與矸石的粒度、形狀等相近，僅借助于重選或光電分選技術分選，分選精度較低，因此，有必要引入外力場提升細粒煤分選效率，進而增強煤與矸石的物理特性差異以提高分選效果。相應技術主要有引入機械振動力場的振動流化床、引入氣流振動的脈動流化床、引入磁場形成的磁穩定流化床，但細粒煤分選技術仍停留在實驗室小規模分選機的研究，有必要進一步加快分選機放大研究，實現煤炭的全粒級精選。

2.2 煤炭分選與干燥協同技術

煤炭開采過程中，原煤水分較高，表面水分造成煤顆粒較黏濕，易在煤矸顆粒間產生液橋作用，增加顆粒間黏附力而形成煤矸聚團，增加分選錯配率，降低了干法分選技術的分選效率。尤其當原煤水分含量較高時，干法重介分選還會造成介質黏附在煤炭表面，造成矸石中帶煤率增加，介質損耗提升，影響分選效果和分選機的穩定運行。其次，煤炭燃燒時水分蒸發會顯著降低發熱量，造成資源損失，若單獨降灰和脫水，則需增設工藝。因此，為提高干法分選技術的適用性，亟需研制脫水脫灰一體化的分選技術，對潮濕煤炭進行干燥提質，提高發熱量，同時完善干法分選工藝，提高干法分選技術的適用性。

目前，學者相繼提出了振動流化床分選干燥一體化技術方案，將煤炭脫外水-脫灰-脫內水3個階段耦合，將煤炭顆粒的混合-分離-混合狀態有機結合，實現煤炭分選與干燥的協同強化，如圖1所示(Umf為臨界流化氣速，K為振動強度，f為振動頻率，A為振幅)。上述3階段密不可分，互相聯系，脫除煤外水，降低顆粒間黏附力，利于脫灰過程順利進行；干燥內水前脫灰有利于提高內水干燥效率。氣流、振動、溫度的協同作用能有效破壞高含水、高含灰低品質煤顆粒間液橋力，強化氣固接觸，形成穩定的流化環境。通過調節表觀氣速和風溫使顆粒體系呈混流脫外水-穩態分離脫灰-溫和對流脫內水，從而完成干燥分選耦合提質，有效提高發熱量[31-34]。然而，此項技術仍處于實驗室研究階段，如何解決氣固相間作用與振動能量輸配等難點將是未來研究重點。

圖1 低品質煤分段脫灰脫水耦合過程[31-34]Fig.1 Coupling process of staged deashing and dewateringfor low quality coal[31-34]

2.3 干法精準分選技術

作為分選精度最高的干法分選技術，空氣重介流化床分選機可用于煉焦煤、活性炭用煤等低密度分選需求，分選精度與濕法相近。然而，現有的工業化分選機的最大處理量為60 t/h，分選技術的處理能力相對偏低，但分選機放大會導致密度不穩定。因此，亟需剖析現有分選技術的不足，實現氣固流態化煤炭分選過程的強化。由于氣固分選流化床屬于鼓泡流化床，氣固分選流化床主要含有氣泡相和乳化相，如圖2所示，兩相的組成對床層膨脹以及床層密度產生直接影響[35]。由于選用的加重質由Geldart B/D類磁鐵礦粉和細粒煤粉組成，床層中乳化相膨脹程度較低，主要依靠氣泡相對床層膨脹進行調節，實現對密度的調控。然而，當氣速和床層高度逐漸增加，氣泡相兼并頻率提高，氣泡相組成不斷增加，氣泡運動提高了床層密度的波動，影響入選煤炭的分選效率。因此，如何解決氣泡運動帶來的負面影響，是解決密度穩定調控和分選機放大的關鍵。

圖2 氣固流化床密度調控示意[35]Fig.2 Density control diagram of gas solid fluidized bed[35]

此外，隨著采礦機械化程度的快速發展，微細粉煤產量逐漸增加，若不能有效分選利用，會造成資源浪費。因此，開發微細粉煤高效干法分選技術迫在眉睫。目前，摩擦靜電分選技術是一種有效的粉煤干法分選技術，主要利用煤與其伴生礦物的介電常數差異實現煤和矸石有效分選，可以對微細粉煤進行干法提質。目前，摩擦電選技術仍處于快速發展階段，學者相繼開發了滾筒靜電分選機、STI皮帶式摩擦電選機等分選技術。隨著煤炭精細化利用程度的提高，煤與矸石的高效解離仍是難題，影響摩擦電選的分選效率。同時，摩擦電選分選技術的工程放大仍存在瓶頸，距離大規模工業化應用還有差距。如何保證高壓電場下摩擦電選技術的安全性與可靠性將是未來的重點。因此，未來研究應結合顆粒性質、受力特性、分離機理等，開發高效解離技術，優化高壓電場設計，剖析高壓靜電場內精煤和矸石的分離機理，深入研究不同種類帶電顆粒在電場中的運動軌跡，闡明分選過程中各種影響因素的相互關聯機制，實現摩擦電選技術的工業化應用，形成微細粉煤摩擦電選的高效分選理論。

2.4 分選機放大理論研究

設備的大型化可以滿足日益增長的煤炭分選比例的需求，提高干法分選設備的競爭力。然而，在干法分選系統不斷放大過程中存在著流場行為的轉變機制，使得原有的理論模型及試驗結論產生偏差，影響因子不斷增加，建立的分選模型在工業上可能難以應用。因此，亟需對比不同尺寸設備的相應模型參數關系，研究不同尺寸分選設備參數以及入料性質等對分選效率的影響，探究削弱擾動因子作用機制，提出放大過程中關鍵調控參數的修正機制。

目前，數值模擬是較普遍的應用于研究設備放大的手段，已應用于化工、冶金等領域。顆粒數目越多，計算能力要求越高，設備放大的模擬也存在局限。因此，在干法分選領域，學者提出了粗粒化模型降低顆粒計算數目，將受力性質相似的顆粒打包處理，減少計算量，適合工業級設備放大的模擬，已在空氣重介流化床的放大展開相關研究，實現了半工業級別的流化模擬，如圖3所示[36]。未來可基于此方法，對其他干法分選技術設備進行放大研究，為建立從實驗室到工業化設備的關聯提供理論支持。需要指出的是，現有的模擬技術還處于研發階段，計算方法、動力學模型等還需進一步優化以適應不同工況的需求。

圖3 粗?；Ｐ湍M示意[36]Fig.3 Simulation diagram of coarse grained model[36]

2.5 干法分選智能化

近年來，我國智能化干法分選技術取得巨大進步，但現有分選技術難以對細粒煤進行分選，同時智能化干法分選機還存在γ射線管制、分選機投資規模較大等難題，仍需進一步提高圖像識別的技術水平與工程應用的可靠性，為進一步推廣應用提供基礎。另一方面，在推動產業經濟發展過程中，大數據、人工智能等新興產業的蓬勃發展，對推動行業變革有重要影響。目前，加快智能化干法選煤廠的建設是發展趨勢，將物聯網、大數據、云平臺等“互聯網+”技術有效運用到干法選煤廠設計，大力提升選煤廠建設和生產管理的全過程，有助于建設我國干法選煤示范工程，進一步提升干法分選的影響力。

2.6 煤系共伴生礦物、煤系固廢資源化

隨著全球經濟向低碳經濟轉型，煤炭工業加快結構調整，高附加值煤基新材料制備是煤炭利用轉型的重要突破口。美國麻省理工大學、清華大學等圍繞煤炭制備電子元件、石墨烯、合成材料等開展相關研究，現階段煤炭基材料制備處于快速發展階段，產業發展過程仍面臨技術創新等難題。

從煤炭分選加工利用角度看，煤炭資源化應用對煤炭原產料的要求不斷提高，未來應著眼于煤炭分選技術與工藝創新，實現煤炭精準分選。干法分選技術也應打破原有技術方案及工藝思路，提出煤及衍生物定向轉化的新工藝，如開發干法-濕法分選聯合工藝，發揮各自優勢，推動煤炭精細化分選，提升我國煤炭分質分級的資源化利用效率，為煤基材料提供高品質原材料，實現煤中有價組分的高效利用。

3 結 語

煤炭是世界上的主要能源，對世界的經濟發展發揮著至關重要的作用。作為煤炭產業的重要組成部分，煤炭分選加工為保證煤炭清潔利用奠定了基礎。梳理了國內外煤炭干法分選技術現狀，對風力跳汰、風力搖床、復合式干法分選、空氣重介流化床分選、智能干法分選進行比較，主要介紹了不同分選技術的工作原理、研究進展以及工業發展情況。探究了干法分選技術的瓶頸，對煤炭干法分選技術發展趨勢進行展望，指出了未來干法分選的研究要點可以從“拓寬入料粒級、分選與干燥協同、加快干法精選技術的攻關、提高分選機放大穩定性、加大干法分選智能化程度”入手，為提高我國低品質煤提質加工利用發揮作用。