新疆吐鲁番-哈密地区长焰煤分选工艺探讨

张顺杰，夏云凯，李 磊，王旭哲

(1.华阳新材料科技集团有限公司 选煤质量管理中心，山西 阳泉 045200；2.唐山市神州机械有限公司，河北 唐山 063001；3.河北省煤炭干法加工装备工程技术研究中心，河北 唐山 063001)

我国新疆地区煤炭资源具有储量大、煤质优、易开采、易分选等特点，煤炭资源总量预测约为2.194 2万亿t，约占全国预测煤炭资源总量的40.6%，居全国第一位,是我国十分重要的能源接续区和战略性能源储备区[1]。2018年，新疆政府据此确立了新疆成为丝绸之路经济带核心能源区的规划目标，拟充分利用资源地缘优势加快煤电、煤化工产业发展，推动国家特大型煤电基地的建设[2]。截止到2003年年底，全区已探明煤炭资源量为977亿t，在保有资源储量中，主要煤炭种类是长焰煤(约占73%)，其次是不黏煤(17%)和气煤(7.5%)，三种煤约占总资源量的97.5%[1]。

为拓展和巩固新疆煤炭基地在保障国家能源供应安全中的重要地位，研究在其煤炭资源中占比较高的长焰煤的煤质特点，探索适宜其洗选加工的生产工艺至关重要。为此，以新疆吐鲁番-哈密地区(以下简称吐哈地区)典型的长焰煤为研究对象，在煤质分析的基础上，对长焰煤洗选工艺进行了研究，以为未来新疆煤炭洗选业的发展和煤炭资源的综合利用提供参考。

1 吐哈地区储煤概述

我国新疆大型煤炭基地由吐哈、准噶尔、伊犁、南疆四大区域组成，其中吐哈地区煤田面积达46 402 km2， 累计探明储量为791.33亿t，保有储量789.12亿t， 预测资源储量为5 386.3亿t。

有数据表明, 哈吐地区乃至整个新疆地区的煤炭均供大于求，过剩产能需依托国家“西煤东运”发展战略外运销售。然而新疆地区的大部分动力煤矿井赋存条件具有厚煤层多、夹矸多、内在灰分高、中高灰分的特点，加上采煤机械化程度的提高和放顶煤技术的应用，导致矿井开采出来的原煤煤质较差，热值较低。此外，新疆地处祖国西北边陲，距离内地沿海地区遥远，为减少无效运输，缓解铁路运输压力，必须加大洗选力度，对原煤进行排矸和脱硫降灰。 综上所述，若不提高新疆煤炭产品热值，在物流成本的加持下疆煤外运竞争优势很小[2]。 为解决新疆高热值优质煤源相对不足等因素的制约[3], 新疆的低质煤必须进行分选加工，使外运煤炭发热量能达到16.32 MJ/kg以上。

2 吐哈地区长焰煤可选性分析

以吐哈地区有代表性的中煤哈密大南湖七矿3#煤层煤质为例进行分析。根据煤田地质勘探报告结果可知，该区内煤层主要赋存低灰分、特低硫至低硫、低磷、中热值的41#长焰煤及部分31#不黏煤和褐煤，分选后可作为优质火力发电、化工用煤。但是，该煤层顶底板和夹矸层多为泥岩和泥质胶结的粉砂岩，煤变质程度总体较低，矸石泥化程度较高。

2.1 原煤筛分分析

由3#煤层原煤工业分析结果可知，该原煤全水分为24.90%，内在水分为10.05%， 灰分为30.44%，硫分为0.34%，表明该煤为中灰、中高水分、特低硫煤。

3#煤层原煤筛分试验结果见表1。由表1可知：

表1 3#煤层原煤筛分试验结果

(1)该原煤中>30 mm块煤含量为37.89%,灰分为26.34%，说明块煤中矸石含量不高。

(2)在100～0.5 mm粒度范围内，随着粒度变小，原煤灰分大体上呈逐渐下降趋势，但灰分无明显降低，各粒级灰分差异较小，大都处于26%～28%之间。

(3)<0.5 mm原生煤泥含量较低，为7.30%；原生煤泥灰分显著高于>0.5 mm粒级，为36.04%，说明矸石存在泥化现象。

2.2 原煤浮沉分析

3#煤层原煤浮沉试验结果见表2。由表2可知：

(1)该原煤主导密度级为<1.3 g/cm3密度级，其次是1.3～1.4 g/cm3密度级，中间密度级含量较少。

(2)原煤中>2.0 g/cm3密度级含量比较大，且灰分在80%以上。

(3)浮沉煤泥的灰分明显高于原煤灰分，说明矸石存在泥化现象。

由表2还可知，对于150～0.5 mm原煤，当分选密度为1.8 g/cm3时，理论精煤产率为81.96%，理论精煤灰分为13.48%，精煤热值高于16.74 MJ/kg，分选密度±0.1含量为2.03%，可选性为易选。这表明该原煤进行高密度(>1.8 g/cm3)分选时，原煤可选性为易选，易于实现高密度排矸。

表2 150～0.5 mm原煤浮沉试验结果

3 分选工艺选择

基于煤质资料分析，并结合当前国内选煤技术发展现状，认为有浅槽重介分选、X 射线智能分选[6-8]和干法分选[9-10]三种生产工艺比较适于该地区原煤的分选提质。

3.1 浅槽重介分选

浅槽重介分选的核心设备为浅槽重介分选机(以下简称浅槽)，具有处理能力大，分选粒度范围宽，分选精度高，对煤质波动适应能力强，煤炭在系统内滞留时间短，次生煤泥量少等优点。但其缺点为：系统相对复杂，投资成本大，基建周期长；分选密度范围为1.40～1.80 g/cm3，由于分选密度上限低，故难以回收密度在1.8～2.2 g/cm3之间的中煤产品；水洗后产品水分增加，热值降低，抵消了部分提质降灰效果；由于是湿法分选，因此不能完全杜绝煤泥产品；此外，系统维修工作量较大。

3.2 X射线智能分选

X射线智能分选是一种根据X射线穿过不同密度质时衰减不同的原理而实现煤矸分选的技术。该技术对>80 mm大块煤分选精度较高，可替代人工手选，是一种安全实用的块煤智能分选技术，但其对于<80 mm、特别是<50 mm的煤分选精度较差，且在原煤难选、粒度较小或煤块形状为扁平形时，识别和气动喷吹击打误差较大，矸石带煤率显著增加，分选精度大幅下降。此外，该技术还存在单通道处理能力低，吨煤投资大，元器件更换昂贵等问题，因此限制了其大规模应用。

3.3 干法分选

干法分选技术适宜分选易泥化煤(褐煤、不黏煤和长焰煤)、脏杂煤，也可用于高灰炼焦煤预排矸和高硫煤脱硫，尤其适合高寒干旱地区易泥化煤炭的分选。由于长焰煤水分较高，筛分较为困难，矸石遇水易泥化，采用常规湿法分选工艺时，选后末精煤水分一般为10%～12%，不仅降低产品热值，而且会影响产品的运输和储存，因此可应用干法分选技术对新疆地区长焰煤进行分选提质[4-5]。

ZM矿物高效分离机是新一代智能化模块式复合干法分选设备，其分选原理为：物料在分离床上进行阶梯式旋转运动，在阶梯区间进行重复分离，并在各阶梯区间形成具有一定密度差异的流态化自生分离介质层，由于该介质层的厚度及流化程度不同，因此可使待分离物料在各阶梯区间介质层中的埋没深度存在差异，从而实现各阶梯区间物料基本按照密度进行分离。

该技术的优势为：

(1)在流化状态下，经过阶梯式多级分选，煤炭提质效果好，特别是用于>13 mm块煤干法分离时分选精度较高，可能偏差(Ep值)为0.1～0.15 g/cm3。

(2)分选过程不需用水，终端产品只有精煤和矸石。

(3)适合高密度分选排矸，工艺简单，能耗低，投资和加工成本低。

(4)分选主机全封闭运行，环保高效，噪声低，无粉尘。

(5)采用集成模块化设计，占地面积小，安装建设迅速，自动化程度高。

(6)产品转载系统配有喷雾降尘装置，生产作业环境友好。

鉴于吐哈地区长焰煤多为极易泥化的低阶煤，在高密度分选时原煤可选性为易选，以及矿区内水资源稀缺等情况，认为吐哈地区长焰煤适宜采用干法分选工艺。

4 分选效果预测

基于前述煤质分析结果，结合浅槽重介分选、X 射线智能分选[6-8]和干法分选[9-10]三种选煤工艺在我国选煤生产中的应用情况，并考虑到未来煤质变化的可能，在此对浅槽重介湿法分选工艺和复合式干法分选工艺的分选效果进行了预测和比较。

模拟条件：原煤灰分为27.80%，水分为23.30%，低位发热量为13.39 MJ/kg；30 mm分级筛分效率为95%；浅槽分选密度为1.80 g/cm3，分选可能偏差为0.035 g/cm3；80～30 mm干法选煤分选密度为1.85 g/cm3，分选可能偏差为0.10 g/cm3；30～3 mm干法选煤分选密度为1.85 g/cm3，分选可能偏差为0.18 g/cm3。

精煤质量要求： >30 mm块精煤低位发热量(Qnet,ar)≥16.74 MJ/kg; <30 mm末精煤或混煤低位发热量(Qnet,ar)≥15.48 MJ/kg(电厂要求)。

4.1 浅槽重介湿法分选工艺

新疆地区动力煤选煤厂典型湿法分选工艺如图1所示。生产中，原煤首先由分级筛进行30 mm分级，筛下<30 mm粒级不入选，直接作为混煤(电煤)产品销售；筛上150～30 mm粒级经脱泥筛进行3 mm湿法脱泥后，进入浅槽分选。浅槽精煤经双层脱介筛脱水脱介后，分级为块精煤(150～30 mm)和末精煤(30～1.5 mm)，其中：块精煤既可破碎至30 mm以下作为末精煤产品，也可进一步分级为洗大块(>80 mm)和洗中块(80～30 mm)；30～1.5 mm末精煤由末煤离心机进行产品脱水。脱泥筛筛下<3 mm煤泥水由分级旋流器浓缩分级，底流(3～0.25 mm粗煤泥)经离心机脱水后掺入末原煤中作为混煤(电煤)产品；溢流(<0.25 mm细煤泥)则自流至浓缩机，与振动弧形筛筛下水一起进行浓缩、压滤脱水，回收的煤泥既可掺入末原煤，也可单独落地销售。

图1 典型湿法分选工艺原则流程

湿法分选工艺分选效果预测结果见表3和表4。由表3、表4可知：灰分为27.80%的原煤经浅槽分选后， >30 mm块精煤产率为29.23%，灰分为13.26%，低位发热量达到16.76 MJ/kg，水分为28.63%。可见块精煤灰分相比表1中>30 mm块原煤灰分(26.34%)下降了13.08个百分点，块精煤水分比原煤增加5.33个百分点，块精煤热值达到了>16.32 MJ/kg的外销要求。将重介分选的末精煤和水洗煤泥产品掺入末原煤作为电煤时，电煤总产率为63.58%，低位发热量为12.95 MJ/kg，不能满足当地电厂对电煤的热值要求(≥15.48 MJ/kg)。若将重介块精煤全部破碎掺入电煤，总精煤产率为 92.81%，发热量为15.14 MJ/kg,相比原煤热值只提高了0.76 MJ/kg，热值提升幅度较小。此外，块煤入浅槽水洗还产生了约2.4 %的煤泥产品，该部分产品水分高、热值较低，若掺入末精煤中势必还将降低电煤热值。

表3 湿法分选工艺产品平衡表

表4 湿法分选工艺产品综合表

4.2 复合式干法分选工艺

采用干法分选时，<300 mm原煤首先由分级筛进行80 mm分级，然后将>80 mm筛上物破碎至80 mm以下，与分级筛筛下<80 mm粒级混合，一同进入ZM矿物高效分离机分选，生产出精煤、中煤和矸石三种产品。精煤产品可经30 mm分级，细分为>30 mm块精煤和<30 mm末精煤两种产品；也可将>30 mm块煤全部破碎至30 mm以下作为电煤销售。此外，还可将ZM矿物高效分离机中煤和精煤合并，作为最终精煤产品。干选系统除尘器收集的煤粉可掺入<30 mm电煤产品。

复合式干法分选工艺原则流程如图2所示。该工艺流程的特点为：

图2 干法分选工艺原则流程

(1)工艺简单，操作管理方便，可在满足产品要求的前提下，实现原煤全粒级入选。

(2)末煤全部分选，可大幅提升电煤质量的稳定性，降低了原煤质量波动对电煤质量造成的影响。

(3)产品结构灵活，可同时生产块、末精煤或电煤，并能满足块精煤和混煤热值要求。

(4)分选密度高，精煤产率高。

(5)不耗水，无水洗煤泥产品产生。

(6)电耗低，不用水，无介耗和药剂消耗，节能环保。

(7)可利用现有原煤储运、原煤准备和精煤储运系统设施，从而降低系统投资。

(8)投资少，效率高，加工成本低，运行可靠，操作方便，维护简单。

复合式干法分选工艺分选效果预测见表5。由表5可知：若采用复合式干法分选工艺，>30 mm块精煤产率为24.66%，灰分为14.08%，低位发热量达到17.02 MJ/kg，水分为26.67%， 相比表1中的>30 mm块原煤灰分下降了12.26个百分点，且块精煤热值达到了外销要求；<30 mm末精煤产率为58.36%，灰分为19.57%，低位发热量达到了15.49 MJ/kg，热值能够达到电厂要求。由于干选精煤中3 mm以上各粒级热值均已达到16.74 MJ/kg以上，因此可以根据市场需求对干选精煤筛分粒度进行调整，视市场需要向疆外市场供应>13、>25、>30 mm块精煤。若将块精煤和末精煤混合作为电煤，总精煤产率为83.02%，低位发热量为15.94 MJ/kg，能够满足电厂对产品热值的需求(≥15.48 MJ/kg)，相比原煤热值提高了2.55 MJ/kg，可见干选提质效果显著。

表5 干法分选工艺产品综合表

通过对上述两种分选工艺进行预测和分析可知：虽然干法分选工艺获得的>30 mm精煤产品灰分比湿法分选工艺高， 但由于干选精煤水分更低，因此干法分选工艺精煤热值略高于湿法分选工艺。从提高热值角度来看，干法分选可达到与浅槽重介分选的同等效果，不仅能避免水洗时的矸石泥化问题，而且还可以大幅提高末精煤热值。当原煤热值为13.39 MJ/kg时，在确保>30 mm块精煤热值≥16.74 MJ/kg的前提下，可以生产热值≥15.48 MJ/kg的末精煤或电煤，从而使产品结构得到优化。

4.3 原煤热值对分选效果的影响

为研究原煤煤质波动对分选效果的影响，计算比较了原煤热值不同时的分选效果。

在不同分选工艺条件下，原煤热值分别为10.88、11.72、12.55、13.39、14.23 MJ/kg时的选后总精煤热值见表6。

表6 原煤热值不同时的精煤产品指标

由表6可知：当原煤热值在10.88～14.23 MJ/kg之间时，干法分选工艺热值提高幅度在2.05～3.91 MJ/kg之间，分选提质效果显著，但随着原煤热值升高，分选后热值提高幅度又逐步下降；湿法分选工艺热值提高幅度仅在0.69～0.89 MJ/kg之间，分选提质效果不明显，并且总精煤产品热值不能满足电煤热值要求(≥15.48 MJ/kg)。

生产实践表明，部分水洗工艺并不适用于吐哈地区长焰煤的分选加工。哈密地区一座采用部分水洗工艺的选煤厂生产采用浅槽分选>30 mm原煤，原煤入选比例约30%～40%，<30 mm末煤(占比为60%～70%)旁路不入选。2016年该厂块煤重介系统试运营结果表明，当原煤热值在14.23 MJ/kg左右时，选后产品热值低于15.48 MJ/kg，说明该厂现有水洗系统不能满足电厂用煤的质量要求，尤其是当原煤中有含碳泥岩及矸石大量混入时，水洗产品的发热量更是远远低于电煤要求。

5 半工业性试验

为验证干法分选的可行性，对哈密大南湖矿长焰煤进行了半工业性复合干法分选试验，试验结果见表7。 由表7可知：该厂原煤热值为13.46 MJ/kg,为中灰中硫煤， 干选精煤产率为78.16%，精煤热值为16.21 MJ/kg，热值提高2.75 MJ/kg；硫分也由原来的1.67%降低至0.6%，脱硫率达到71.67%。该半工业性试验结果也验证了前述对干法分选工艺效果的预测。

表7 长焰煤半工业性试验结果

6 结语

新疆吐哈地区长焰煤资源丰富，但原煤易泥化，并且高寒、干旱、缺水的区域特性也给原煤的湿法分选带来了困难，若采用湿法分选选后产品需要降水、防冻、干燥，工艺较为复杂，不仅会造成湿法分选投资大，且洗选成本高，使企业的经济效益和社会效益都受到不利影响。复合干法选煤技术不仅可以有效降灰提质，而且能使产品水分略有降低，更有利于该地区煤炭产品的储运。分选效果预测和半工业性试验结果均表明，吐哈地区长焰煤更适合采用干法分选来降灰提质。随着干法选煤技术的日臻成熟及其在褐煤、贫煤、不黏煤、气肥煤和无烟煤等多煤种分选提质中的广泛应用，未来该技术也将在新疆地区长焰煤的分选提质中大有可为。